METODOLOGÍA PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO …
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METODOLOGÍA PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE RECURSOS DE BIOMASA RESIDUAL PECUARIA EN LA AUTOGENERACIÓN DE ELECTRICIDAD: CASOS DE ESTUDIO BRICEÑO BOYACÁ Y CAJICÁ CUNDINAMARCA ALEXIS FERNANDO LADINO TAMAYO JEIMY ALEXANDRA MARTÍNEZ ROJAS UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA BOGOTÁ D.C. 2016
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METODOLOGÍA PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE
RECURSOS DE BIOMASA RESIDUAL PECUARIA EN LA AUTOGENERACIÓN
DE ELECTRICIDAD: CASOS DE ESTUDIO BRICEÑO BOYACÁ Y CAJICÁ
CUNDINAMARCA
ALEXIS FERNANDO LADINO TAMAYO
JEIMY ALEXANDRA MARTÍNEZ ROJAS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
BOGOTÁ D.C.
2016
METODOLOGÍA PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE
RECURSOS DE BIOMASA RESIDUAL PECUARIA EN LA AUTOGENERACIÓN
DE ELECTRICIDAD: CASOS DE ESTUDIO BRICEÑO BOYACÁ Y CAJICÁ
CUNDINAMARCA
ALEXIS FERNANDO LADINO TAMAYO
JEIMY ALEXANDRA MARTÍNEZ ROJAS
Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Eléctrico
Director de proyecto
Ing. PhD. Clara Inés Buriticá A.
Codirector de proyecto
Ing. PhD. Carlos Ramírez
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS PROPEDÉUTICOS
BOGOTÁ D.C.
2016
Nota de aceptación:
Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas para optar al título de Ingeniero Eléctrico.
Firma del director del proyecto
________________________________
Ing. PhD. Clara Inés Buriticá A.
Firma del codirector del proyecto
________________________________
Ing. PhD. Carlos Ramírez
Firma del Jurado
________________________________
Ing. MSc. Yaqueline Garzón
ii
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar, a Dios por darme salud, sabiduría y permitirme cumplir este logro tan
importante para mi vida.
A mi madre porque gracias a ella es quien soy ahora, espero haberte cumplido.
A mi padre por su apoyo en la fase final de mi carrera, sin su ayuda hubiese sido difícil.
A mi hermano por haber sido mi soporte en uno de los momentos más difíciles de mi vida.
A la ingeniera y directora de tesis Clara Inés Buriticá y el ingeniero Carlos Ramírez por
orientarnos en la realización de este proyecto.
A mis amigos “de batalla” David y Fredy por ser tan buenos compañeros y formar parte de
ese maravilloso grupo de trabajo que alguna vez fuimos.
A mi compañera de tesis y amiga del alma Alexandra por estar conmigo en esta etapa de mi
carrera, sin ti la creación de esto hubiese sido imposible.
Por ultimo agradecer a todas las personas que hicieron parte de este proyecto con sus aportes
y colaboración.
Alexis Fernando Ladino Tamayo
iii
AGRADECIMIENTOS
A Dios, por ser mi compañero en el camino y la fortaleza que me mueve a ser cada día una
mejor persona, y dar todo de mi a cada instante.
A mis padres, por su apoyo, consejo, amor y sacrificio para hacer de mí y de mis hermanos
excelentes seres humanos capaces de servir a la sociedad.
A mis hermanos, Carlos, Leidy y María por motivarme cada día a ser mejor y no rendirme a
pesar de las dificultades.
A mi novio Ricardo Viafara, por haber compartido conmigo este proceso de formación de
principio a fin, por ser mi apoyo en los momentos difíciles y una de mis motivaciones en
seguir adelante, ¡Sin ti todo hubiera sido más difícil!
A mi compañero y amigo Alexis Ladino, por su paciencia, compresión y ayuda no solo en el
desarrollo de este proyecto sino a lo largo de toda la carrera. Me siento feliz de haber
conocido tan excelente persona y profesional, gracias a ti todo fue más fácil.
A mis amigos Fredy Cubides y David Lancheros por su amistad incondicional y el apoyo a
lo largo de toda la carrera, gracias por concederme la fortuna de compartir con ustedes este
camino.
A nuestra Directora, Profesora Clara Inés Buriticá, al profesor Carlos Ramírez y al Ingeniero
Giovanni López por su acompañamiento y colaboración la cual fue fundamental en el
desarrollo de este proyecto.
A la Fundación Ceiba por su apoyo a proyectos de investigación en Colombia, tema de suma
importancia en la construcción de un mejor país.
A los propietarios de las Fincas Quebrada Grande, La Esperanza, Joresva y Las Huertas por
permitirnos entrar en sus hogares, por su cordialidad, colaboración y buena disposición.
A todas y cada una de las personas que han hecho parte directa e indirectamente en el
desarrollo de este proyecto y de nuestra formación personal y profesional.
“Lo mejor de la vida es cuando encontramos personas que saben hacer de pequeños
instantes, grandes momentos” Anónimo.
Jeimy Alexandra Martínez R.
iv
ABREVIATURAS
BDT: Bone Dry Tonnes (Toneladas Completamente Secas)
BEE: Biomass Energy Europe
Bo: Rendimiento del biogás
BRb: Biomasa Residual bovina
BTU: British Thermal Unit (Unidad Térmica Británica)
CA: Corriente Alterna
CC: Corriente Continua
C/N: Relación Carbono – Nitrógeno
CO2: Dióxido de carbono
COP: Peso Colombiano
COT: Carbono Orgánico Total
CREG: Comisión de Regulación de Energía y Gas
CH4: Metano
DANE: Departamento Administrativo Nacional de Estadística
DIAN: Dirección de Impuestos y Aduanas Nacionales de Colombia
EBSA: Empresa de Energía de Boyacá
FAO: Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura
FNCE: Fuentes No Convencionales de Energía
FNCER: Fuentes No Convencionales de Energía Renovable
GEI: Gases de Efecto Invernadero
HP: Horse Power (Caballos de Fuerza)
ICA: Instituto Colombiano Agropecuario
v
IDA: Índice de Adecuación
IDEAM: Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales
IDI: Índice de Disponibilidad
IPSE: Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No
Interconectadas
IVA: Impuesto al Valor Agregado
IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change (Grupo Intergubernamental de Expertos
sobre el Cambio Climático)
LACE: Levelized Avoided Cost of Energy (Costo Evitado Normalizado de la Energía)
LCOE: Levelized Cost of Energy (Costo Nivelado de la Energía)
MCI: Motor de Combustión Interna
MS: Materia Seca
NASA: National Aeronautics and Space Administration (Administración Nacional de la
Aeronáutica y del Espacio)
NREL: National Renewable Energy Laboratory (Laboratorio Nacional de Energías
Renovables)
O y M: Operación y Mantenimiento
PCI: Poder Calorífico Inferior
PCS: Poder Calorífico Superior
PCH: Pequeñas Centrales Hidroeléctricas
PE: Potencial Energético
RPM: Revoluciones Por Minuto
RSU: Residuos Sólidos Urbanos
vi
SEN: Sistema Energético Nacional
SIG: Sistema de Información Geográfica
SIN: Sistema Interconectado Nacional
SV: Solidos Volátiles
TIR: Tasa Interna de Retorno
TG: Turbina a Gas
UPME: Unidad de Planeación Minero Energética
USD: Dólar Estadounidense
VPN: Valor Presente Neto
ZNI: Zonas No Interconectadas
vii
UNIDADES
BTU/lb: BTU por libra
ft3/yr: pies cúbicos al año
g/ml: gramos por mililitro
GJ/año: gigajulios al año
GJ/t: gigajulios por tonelada
J/año: julios al año
J/m3: julios por metro cúbico
kg MS/cabeza-año: kilogramos de materia seca por cabeza al año
kg SV/kg MS: kilogramos de sólidos volátiles por kilogramo de materia seca
kJ/kg: kilojulios por kilogramo
kJ/kWh: kilojulio por kilovatio hora
kWe: kilovatio eléctrico
kWh: kilovatio hora
lbs/ft3: libras por pie cúbico
lbs/head: libras por cabeza
lbs/yr: libras al año
m3/kg SV: metros cúbicos por kilogramo de sólidos volátiles
m3/t: metros cúbicos por tonelada
MJ/año: megajulios al año
MJ/kg: megajulios por kilogramo
MJ/m3: megajulios por metro cúbico
MJ/m3CH4: megajulios por metro cúbico de metano
viii
MWh/BDT: megavatio hora por BDT
PJ/año: Petajulios al año
t/año: toneladas al año
tCO2: toneladas de dióxido de carbono
TJ/año: terajulios al año
tons/yr: toneladas al año
TWh: teravatio hora
ix
GLOSARIO
Abono orgánico: fertilizante proveniente de residuos vegetales, animales u otras fuentes
orgánicas
Autogeneración: Actividad realizada por personas naturales o jurídicas que producen
energía eléctrica principalmente para atender sus propias necesidades.
Biogás: gas combustible que se forma a partir de la descomposición de materia orgánica
(biomasa) (Redagrícola , 2013)
Biomasa: materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado,
utilizable como fuente de energía (APPA, 2016).
Conversión biológica o bioquímica: proceso que utiliza enzimas provenientes de bacterias
y otros microorganismos para descomponer las moléculas de las cuales se compone la
biomasa. En la mayoría de casos los microorganismos se utilizan para realizar el proceso de
conversión bioquímicos como la digestión anaerobia, la fermentación y el compostaje.
Conversión de energía electromecánica: es el proceso de convertir energía de su forma
eléctrica a su forma mecánica o viceversa. Ejemplo de esto son los generadores de energía
eléctrica.
Conversión electroquímica: es la conversión de energía química en energía eléctrica o
viceversa. La conducción iónica en los electrolitos de soluciones liquidas, sales fundidas y
solidos iónicamente conductores constituye una fase de la electroquímica. Ejemplo de esto
son las celdas de combustible
Conversión termoquímica: proceso en que el calor es el mecanismo dominante para
convertir la biomasa en la forma química. Algunos ejemplos son: la combustión, gasificación
y pirolisis.
Digestión anaerobia: proceso por el cual se genera biogás en ausencia de oxígeno, por la
acción de distintos tipos de bacterias
Fuentes no convencionales de energía (FNCE): son aquellos recursos de energía
disponibles a nivel mundial que son ambientalmente sostenibles, pero que en el país no son
empleadas o son utilizados de manera marginal y no se comercializan ampliamente. Se
consideran FNCE, la energía nuclear o atómica y las FNCER.
x
Fuentes no convencionales de energía renovable (FNCER): son aquellos recursos de
energía renovable disponibles a nivel mundial que son ambientalmente sostenibles, pero que
en el país no son empleadas o son utilizadas de manera marginal y no se comercializan
ampliamente. Se consideran FNCER, la biomasa los pequeños aprovechamientos
hidroeléctricos, la eólica, la geotérmica, la solar y los mares.
Metano: Gas incoloro, inodoro e inflamable, se produce por la descomposición de la materia
orgánica, especialmente en pantanos. Se emplea como combustible.
Poder calorífico inferior (PCI): calor desprendido en la combustión completa por unidad
de masa de combustible, en base seca y a condiciones normales, dando como productos CO2
(vapor) H2O (vapor). El PCI corresponde al calor neto generado en las reacciones de
combustión prácticas.
xi
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN .......................................................................................................................... xix ABSTRACT ......................................................................................................................... xx INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... xxi PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................................... xxii OBJETIVOS DEL PROYECTO ....................................................................................... xxiii
Capítulo 1 ............................................................................................................................... 1 Marco conceptual ................................................................................................................... 1
1.1 Sector pecuario en Colombia .................................................................................. 1
1.1.1 Ganado vacuno ................................................................................................... 2
1.1.2 Ganado porcino .................................................................................................. 2 1.1.3 Sector avícola ..................................................................................................... 2
1.2 Estudios previos para la estimación del potencial energético de la biomasa
residual pecuaria ................................................................................................................. 3
1.2.1 Documento de análisis “Atlas del potencial energético de la biomasa residual
en Colombia” .................................................................................................................. 4 1.2.1.1 Método de recolección de muestras de los recursos de biomasa residual
pecuaria 4 1.2.1.2 Caracterización de la biomasa residual pecuaria ............................................ 5
1.2.1.2.1 Análisis fisicoquímico ................................................................................ 6 1.2.1.2.2 Contenido energético .................................................................................. 9 1.2.1.2.3 Caracterización microbiológica ................................................................ 10
1.2.1.3 Modelo matemático para determinar el potencial energético de la biomasa
residual pecuaria ........................................................................................................... 10 1.2.1.3.1 Modelo matemático para determinar el potencial energético en función
del proceso de digestión anaeróbico. ............................................................................ 11
1.2.1.3.2 Modelo matemático para determinar el potencial energético de la biomasa
residual de aves de engorde .......................................................................................... 12 1.2.1.4 Problemas y limitaciones .............................................................................. 12
1.2.2 Documento de análisis “Propuesta metodológica para la toma de decisiones
sobre bioenergía en un contexto complejo y diverso” (Salta – Argentina) .................. 13
1.2.2.1 Priorización e índice de disponibilidad de recursos de biomasa .................. 14 1.2.2.2 Procesos de conversión energética e índice de adecuación .......................... 16 1.2.2.3 Problemas y limitaciones .............................................................................. 18
1.2.3 Metodología formulada por la National Renewable Energy Laboratory (NREL)
Estados Unidos ............................................................................................................. 18 1.2.3.1 Potencial del recurso ..................................................................................... 19 1.2.3.1.1 Emisiones de metano de los sistemas de manejo del estiércol ................. 20
1.2.3.2 Potencial técnico ........................................................................................... 23 1.2.3.3 Potencial económico ..................................................................................... 24 1.2.3.4 Problemas y limitaciones .............................................................................. 26 1.2.4 Documento de análisis “An Inventory of the Bioenergy Potential of British
Columbia” (Canadá) ..................................................................................................... 27
1.2.4.1 Problemas y limitaciones.................................................................................. 28
xii
1.2.5 Documento de análisis “Methodology for estimating biomass energy potential
and its application to Colombia” (Universidad Ferrara Italia) ..................................... 29
1.2.5.1 Formulación matemática .............................................................................. 32 3.1.1 1.2.5.2 Problemas y limitaciones ...................................................................... 34 1.2.6 Documento de análisis “Harmonization of biomass resource assessments”
(Europa) ........................................................................................................................ 34 1.2.6.1 Tipos de potencial energético ....................................................................... 35
1.2.6.2 Método estadístico para la estimación del potencial energético................... 35 1.2.6.3 Problemas y limitaciones .............................................................................. 36 1.2.7 Documento de análisis “An assessment of the potential for non-plantation
biomass resources in selected Asian countries for 2010” (Asia).................................. 37 1.2.7.1 Estimación del potencial energético de residuos animales ........................... 37
1.2.7.2 Problemas y limitaciones .............................................................................. 38 Capítulo 2 ............................................................................................................................. 41 Propuesta metodológica para la estimación de potencial energético de biomasa residual
pecuaria ................................................................................................................................. 41
2.1 Potencial teórico ......................................................................................................... 41
2.1.1 Formulación matemática para la estimación del potencial teórico ...................... 41
2.2 Potencial técnico ................................................................................................... 42
2.2.1 Rutas tecnológicas de conversión ..................................................................... 42 2.2.2 Formulación matemática para la estimación del potencial técnico .................. 45
2.3 Metodología general para el aprovechamiento de la biomasa residual pecuaria ....... 47
Capítulo 3 ............................................................................................................................. 51
Marco regulatorio para Fuentes No Convencionales de Energía Renovable en Colombia .. 51
3.1 Ley 1715 del 2014 ................................................................................................ 51
3.1.1 Incentivos a la inversión de proyectos de fuentes no convencionales de energía 52 3.1.1.1 Deducción especial sobre el impuesto de renta y complementarios ................ 52
3.1.1.2 Exclusión del IVA ............................................................................................ 53 3.1.1.3 Incentivo arancelario ........................................................................................ 53 3.1.1.4 Procedimiento para solicitar la actualización y/o ampliación de la lista de
bienes y servicios excluidos del IVA y exentos de gravamen arancelario. .................. 54 3.1.1.5 Procedimiento para solicitar la certificación para obtener el beneficio de
exclusión de IVA y la exención de gravamen arancelario. .......................................... 55 3.1.1.6 Vigencia y renovación de la certificación ........................................................ 56
3.1.1.7 Régimen de depreciación acelerada ................................................................. 56 3.1.2 Registro de proyectos de generación a partir de FCER .................................... 57
3.1.3 Metodología para la interconexión de nuevas plantas de generación a la red ..... 59 Capítulo 4 ............................................................................................................................. 63 Procedimiento para el análisis técnico, económico y ambiental por medio del software
RETScreen ............................................................................................................................ 63
4.1 Introducción al RETScreen .................................................................................. 63
4.2 Descripción de manejo del software RETScreen ................................................. 65
Capítulo 5 ............................................................................................................................. 75 Estimación del potencial energético caso de estudio: Finca Quebrada Grande, Municipio
Briceño – Boyacá.................................................................................................................. 75
xiii
5.1 Ubicación y características principales................................................................. 75
5.2 Cuantificación y clasificación del ganado vacuno por grupo etario ..................... 77
5.3 Estimación de la cantidad de biomasa residual bovina disponible ....................... 79
5.4 Caracterización de la biomasa. ............................................................................. 79
5.5 Estimación del potencial energético teórico ......................................................... 80
5.6 Características de la ruta de conversión ............................................................... 80
5.6.1 Dimensionamiento del Biodigestor .................................................................. 80
5.7 Tecnología de conversión ..................................................................................... 82
5.8 Estimación del potencial energético técnico ........................................................ 83
5.9 Simulación del caso de estudio Briceño – Boyacá en el software RETScreen .... 86
5.9.1 Proyecto: Generación de electricidad – Fuera de red ....................................... 86
5.9.1.1 Parámetros iniciales ...................................................................................... 86 5.9.1.2 Resultados obtenidos .................................................................................... 90
5.9.2 Proyecto: Generación de electricidad – Red aislada ........................................ 92
5.9.2.1 Parámetros iniciales ...................................................................................... 93 5.9.2.2 Resultados obtenidos .................................................................................... 94
5.9.3 Análisis de resultados ....................................................................................... 96 Capítulo 6 ............................................................................................................................. 99 Estimación del potencial energético caso de estudio: Proyecto comunitario, Cajicá
Cundinamarca ....................................................................................................................... 99
6.1 Ubicación y características principales................................................................. 99
6.2 Cuantificación y clasificación del ganado vacuno por grupo etario ................... 102
6.3 Estimación de la cantidad de biomasa residual bovina disponible ..................... 103
6.4 Caracterización de la biomasa ............................................................................ 103
6.5 Estimación del potencial energético teórico ....................................................... 103
6.6 Características de la ruta de conversión ............................................................. 104
6.6.1 Dimensionamiento del biodigestor ................................................................. 104
6.7 Tecnología de conversión ................................................................................... 106
6.8 Estimación del potencial energético técnico ...................................................... 109
6.9 Simulación del caso de estudio Cajicá – Cundinamarca en el software RETScreen
…………………. ........................................................................................................... 111
6.9.1 Proyecto: Generación de electricidad – Fuera de red ..................................... 111 6.9.1.1 Parámetros iniciales .................................................................................... 111 6.9.1.2 Resultados obtenidos .................................................................................. 114
6.9.2 Proyecto: Generación de electricidad – Red aislada ...................................... 117 6.9.2.1 Parámetros iniciales .................................................................................... 117 6.9.2.2 Resultados obtenidos .................................................................................. 118
6.9.3 Análisis de resultados ..................................................................................... 120 Conclusiones ....................................................................................................................... 123 REFERENCIAS ................................................................................................................. 127
ANEXOS
xiv
LISTADO DE ANEXOS
Anexo 1. Recomendaciones generales para el muestreo en el sector pecuario
Anexo 2. Formato de diligenciamiento para recolección de muestras
Anexo 3. Caracterización de la biomasa residual pecuaria
Anexo 4. Métodos y tecnologías de conversión de biomasa residual pecuaria en energía
eléctrica
Anexo 5. Formato de presentación para la solicitud de incentivos para FNCE y formato de
especificación de elementos, equipos y maquinarias
Anexo 6. Formulario para el registro de proyectos a partir de biomasa
Anexo 7. Formulario para proyectos menores a 1 MW
Anexo 8. Estimación de potencial energético de acuerdo a diferentes metodologías
xv
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1. Animales del sector pecuario generadores de biomasa .......................................... 1
Figura 2. Método de cuarteo .................................................................................................. 5
Figura 3. Caracterización fisicoquímica de la biomasa residual pecuaria ............................. 7
Figura 4. Esquema embudo de priorización de recursos de biomasa .................................. 15
Figura 5. Niveles del potencial energético .......................................................................... 19
Figura 6. Tipos de potencial, enfoques y metodologías. ..................................................... 30
Figura 7. Metodología para la estimación del potencial energético teórico y técnico. ....... 32
Figura 8. Tipos de potencial energético............................................................................... 35
Figura 9. Rutas tecnológicas de conversión y productos en la cadena electro-energética. . 43
Figura 10. Valorización energética de biomasa residual en relación al contenido de
humedad. ...................................................................................................................... 44
Figura 11. Tecnologías implementadas en las rutas de conversión. .................................... 45
Figura 12. Metodología para el aprovechamiento de los recursos de biomasa residual. .... 49
Figura 13. Fases para el registro de proyectos de generación ........................................... 58
Figura 14. Diagrama de flujo interconexión de nuevas plantas de interconexión a la red. . 62
Figura 15. Información general del proyecto. ..................................................................... 65
Figura 16. Datos meteorológicos del proyecto .................................................................... 66
Figura 17. Datos para el análisis técnico. ............................................................................ 67
Figura 18. Datos para el análisis ambiental. ........................................................................ 69
Figura 19. Datos para el análisis económico. ...................................................................... 69
Figura 20. Opciones de selección. Opción Biogás. ............................................................. 71
Figura 21. Opción Combustible definido por el usuario – gas. ........................................... 71
Figura 22. Opción Combustible definido por el usuario. .................................................... 72
Figura 23. Imagen satelital Finca Quebrada Grande, Briceño – Boyacá ............................ 75
Figura 24. Registro fotográfico Finca Quebrada Grande, Briceño – Boyacá. .................... 76
Figura 25. Sistema Biobolsa BB60. .................................................................................... 81
Figura 26. Plano ubicación sistema de biodigestión en la Finca Quebrada Grande. ........... 83
Figura 27. Gráfico de flujo de caja acumulado proyecto Fuera de red. .............................. 91
Figura 28. Gráfico de flujo de caja acumulado proyecto Red aislada. ................................ 95
Figura 29. Ubicación de las Fincas caso de estudio. ......................................................... 100
Figura 30. Registro fotográfico Finca Las Huertas. .......................................................... 101
Figura 31. Registro fotográfico Finca La Esperanza. ........................................................ 101
Figura 32. Registro fotográfico Finca Joresva .................................................................. 102
Figura 33. Sistema Biobolsa BB160. ................................................................................ 105
Figura 34. Motor de combustión interna encendido por chispa a gasolina. ...................... 106
Figura 35. Ubicación sistema de biodigestión ................................................................... 108
Figura 36. Gráfico de flujo de caja acumulado proyecto Fuera de red. ............................ 116
Figura 37. Gráfico de flujo de caja acumulado proyecto Red aislada. .............................. 119
xvi
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Población del sector pecuario en Colombia. ............................................................ 3
Tabla 2. Análisis básico de la caracterización fisicoquímica de la biomasa residual pecuaria
........................................................................................................................................ 8
Tabla 3. Análisis próximo de la caracterización fisicoquímica de la biomasa residual
pecuaria ........................................................................................................................... 8
Tabla 4. Análisis último de la caracterización fisicoquímica de la biomasa residual pecuaria
........................................................................................................................................ 8
Tabla 5. Análisis estructural de la caracterización fisicoquímica de la biomasa residual
pecuaria ........................................................................................................................... 8
Tabla 6. Otros parámetros de la caracterización fisicoquímica de la biomasa residual
pecuaria ........................................................................................................................... 9
Tabla 7. Poder Calorífico Inferior de la biomasa residual pecuaria ....................................... 9
Tabla 8. Análisis microbiológico de la biomasa residual pecuaria ...................................... 10
Tabla 9. Puntos clave para seleccionar tipos de biomasa disponible ................................... 14
Tabla 10. Puntos clave para seleccionar tipos de procesos de conversión de biomasa ........ 16
Tabla 11. Definiciones de los sistemas de manejo del estiércol ........................................... 21
Tabla 12. Formulación matemática estimación de potencial técnico y teórico .................... 32
Tabla 13: Formulación matemática potencial teórico y técnico (BEE)................................ 35
Tabla 14. Resumen de las metodologías aplicadas a la estimación del potencial energético
...................................................................................................................................... 39
Tabla 15. Tecnologías disponibles en los proyectos de energía limpia................................ 63
Tabla 16. Clasificación de ganado vacuno por grupo etario ................................................ 77
Tabla 17. Clasificación de ganado bovino Finca Quebrada Grande .................................... 77
Tabla 18. Tasa de producción de estiércol ........................................................................... 79
Tabla 19. Potencial energético teórico y técnico caso de estudio Briceño – Boyacá ........... 84
Tabla 20. Comparación de datos a partir de la estimación de potencial energético teórico y
técnico ........................................................................................................................... 86
Tabla 21. Características del estiércol para el dimensionamiento del biodigestor ............... 81
Tabla 22. Dimensiones biodigestor y tanques de recolección y del efluente ....................... 81
Tabla 23. Producción de biogás y bioabono diario .............................................................. 81
Tabla 24.Placa característica del motor ................................................................................ 82
Tabla 25. Información inicial, hoja Modelo de Energía ....................................................... 87
Tabla 26. Resultados obtenidos, hoja Modelo de Energía ................................................... 90
Tabla 27. Información inicial, hoja Modelo de Energía Red aislada ................................... 93
Tabla 28. Resultados obtenidos, hoja Modelo de Energía proyecto Red aislada ................. 94
Tabla 29. Características principales de las fincas objeto de estudio ................................. 100
Tabla 30. Clasificación por grupo etario ............................................................................ 102
Tabla 31. Potencial energético teórico y técnico caso de estudio Cajicá – Cundinamarca 110
xvii
Tabla 32. Características del estiércol para el dimensionamiento del biodigestor ............. 104
Tabla 33. Dimensiones biodigestor y tanques de recolección y del efluente ..................... 104
Tabla 34. Producción de biogás y bioabono diario ............................................................ 104
Tabla 35. Información inicial, hoja Modelo de Energía ..................................................... 112
Tabla 36. Resultados obtenidos, hoja Modelo de Energía ................................................. 115
Tabla 37. Información inicial, hoja Modelo de Energía Red aislada ................................. 117
Tabla 38. Resultados obtenidos, hoja Modelo de Energía proyecto Red aislada ............... 119
xix
RESUMEN
El consumo energético es una de las características que define el bienestar y la
prosperidad de una población, actualmente la generación de electricidad se da principalmente
a través de fuentes no renovables de energía, en particular mediante grandes centrales
hidroeléctricas y termoeléctricas cuyos impactos ambientales y el agotamiento de sus fuentes
de energía han originado la necesidad de evaluar la posibilidad de implementar nuevas
tecnologías a partir de fuentes no convencionales de energía, con el objetivo principal de
generar electricidad sin agotar los recursos naturales y minimizar los impactos ambientales.
Los cambios climatológicos y las evidentes señales de deterioro del medio ambiente
han llevado a la formulación de tratados donde los países a nivel mundial se han
comprometido a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, dadas principalmente
por el uso de combustibles fósiles en la generación de energía eléctrica, transporte, entre otras
actividades. El estado Colombiano en respuesta al compromiso adquirido, siendo consciente
del agotamiento de los recursos y como alternativa para mejorar la confiabilidad del servicio
de energía eléctrica en todo el territorio nacional, ha formulado mecanismos legales como la
ley 1715 de 2014 que busca promover la integración de las Fuentes No Convencionales de
Energía Renovable (FNCER) al Sistema Energético Nacional e incentivar la formulación de
proyectos de generación de energía a través de sistemas eólicos, solares, geotérmicos, de
aprovechamiento de biomasa residual, entre otros.
De acuerdo con lo anterior se propone desarrollar un proyecto cuyo objetivo es utilizar
una fuente no convencional de energía renovable como lo es la biomasa residual pecuaria en
dos casos de estudio; el primero en la Finca Quebrada Grande del Municipio de Briceño-
Boyacá y el segundo como un proyecto comunitario que comprenda tres fincas aledañas en
el Municipio de Cajicá- Cundinamarca esto con el fin de hacer el análisis del potencial
energético y determinar la tecnología apropiada que permita la generación de energía
eléctrica para cada caso, definiendo una metodología para el aprovechamiento de los residuos
y los requisitos necesarios para la interconexión de una unidad de autogeneración.
Posteriormente, con la ayuda del software RETScreen hacer una evaluación de la viabilidad
técnica, económica y ambiental del proyecto para cada caso de estudio, esto con el fin de
generar un modelo que sirva de guía en la implementación de unidades de autogeneración a
partir de FNCER.
Por último, cabe resaltar que este tipo de proyectos necesitan de una inversión bastante alta,
pero existen características como la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero,
reducción de focos de infección debido al manejo inadecuado de la biomasa residual
pecuaria, la producción de biofertilizantes y el aprovechamiento de residuos en la producción
de biogás, que hacen recomendable la aplicación de este tipo de proyectos.
Palabras Claves: Autogeneración, Biodigestor, Bioenergía, Biomasa residual, Potencial
energético.
xx
ABSTRACT
Energy consumption is one of the characteristics that define the welfare and
prosperity of a population, currently electricity generation occurs mainly through non-
renewable sources of energy, particularly through large hydroelectric and thermoelectric
plants whose environmental impacts and the depletion of their energy sources have
incremented the need to evaluate the possibility of implementing new technologies from non-
conventional energy sources, with the objective of generating electricity without exhausting
natural resources and minimize environmental impacts.
Climate changes and the obvious signs of deterioration of the environment have led
to the formulation of treaties where countries worldwide have committed to reduce
greenhouse gas emissions, given mainly by the use of fossil fuels in the generation of
electricity, transport, among other activities. The State of Colombia in response to the
commitment, being aware of the depletion of resources and as an alternative to improve the
reliability of the service of electricity throughout the national territory, has formulated legal
mechanisms as the stated in the Law 1715 of 2014 that aims to promote the integration of
non-conventional sources of renewable energy (FNCER) to the national energy system and
foster the formulation of projects through energy wind, solar, geothermal, and the use of
biomass waste, among others.
According to the aforementioned, it is intended to develop a project which aims to
use a non-conventional renewable energy source as is the animal waste biomass and generate
a proposal methodology to determine the potential energy applied to in two case studies; the
first the farm “Big Lake” located in the municipality of Boyacá and the second as a
community project comprising three neighboring farms in the municipality of Cajicá
Cundinamarca this in order to make the analysis of energy potential and determine the
appropriate technology for the generation of electricity for each case, defining a methodology
for the use of waste and necessary for the interconnection of a unit of self-generation
requirements. Later, with the help of software RETScreen it will be developed an evaluation
of the technical viability, economic and environmental feasibility of the project, this is in
order to generate the model that serves as a guide in implementing self-generation units from
FNCER.
Finally, it should be noted that such projects require a very high investment but there
are features such as reducing emissions of greenhouse gases, reducing sources of infection
due to improper handling of waste biomass, production of biofertilizers and the use of waste
in biogas production, which make advisable to apply this type of project.
Keywords: Self-generation, Biodigester, Bioenergy, Biomass, Energy potential.
xxi
INTRODUCCIÓN
En los últimos años se han llevado a cabo una serie de convenios y tratados donde los
países firmantes se comprometen a controlar el uso de sustancias químicas que provocan la
destrucción de la capa de ozono (Montreal, 1987), reducir las emisiones de gases
contaminantes que producen el efecto invernadero (Kioto, 1997) y proteger la fauna y flora
en su estado natural (Londres, 1933), entre otros (Aguiar, 2013), esto con el fin de preservar
el medio ambiente y mitigar los efectos ocasionados por el cambio climático, atribuidos a las
actividades humanas que alteran la composición de la atmósfera, afectando la temperatura,
nubosidad, precipitaciones, etc. (Parra Macias, 2013) agotando los recursos naturales.
A causa del cambio climático a nivel mundial y de la amenaza que esto representa
para los países en que sus sistemas eléctricos están constituidos principalmente de fuentes
hídricas, como es el caso de Colombia, donde el 64 % de su capacidad instalada está
representada por centrales hidroeléctricas, el 31 % por centrales termoeléctricas (Gas Natural
y Carbón) y el 5 % por cogeneradores y plantas menores, condición que indica la dependencia
a este recurso y los riesgos de desabastecimiento energético debido a las variaciones
hidrológicas dadas principalmente por el fenómeno del niño (UPME, 2014), las entidades
que representan el sistema eléctrico Colombiano entre otras, se han visto obligadas a formular
nuevas estrategias para la generación de energía eléctrica a través de fuentes no
convencionales de energía renovable (FNCER), como los son: la biomasa, pequeños
aprovechamientos hidroeléctricos (PCH), eólica, geotermia, solar y mareomotriz (Congreso
de Colombia, 2014). Por otra parte, existe la necesidad de abastecer energéticamente las
Zonas No Interconectadas (ZNI), puesto que el 52 % del territorio Colombiano se ve afectado
por presentar un servicio de energía eléctrica intermitente o nulo (IPSE, 2014) debido al
elevado presupuesto que requiere la construcción de infraestructura para la interconexión al
sistema eléctrico, situación que demanda que en estas zonas el suministro se haga
principalmente a través de generadores diésel los cuales representan un alto costo asignado
al trasporte de combustibles y a su ineficiencia.
De acuerdo con lo anterior este documento tiene como objetivo definir una
metodología para el aprovechamiento de los residuos, identificando inicialmente el potencial
energético asociado a la biomasa residual pecuaria considerando aspectos técnicos,
ambientales, económicos y de mercado con base en investigaciones previas a nivel nacional
e internacional referentes al uso eficiente de los recursos de biomasa residual, esto con el fin
de generar un modelo que permita la implementación e interconexión de unidades de
autogeneración a partir de FNCER.
xxii
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Actualmente Colombia cuenta con un suministro de energía eléctrica que abastece al
48 % del territorio nacional, siendo el 52 % restante catalogado como Zonas No
Interconectadas (ZNI), es decir, que no pertenecen al Sistema Interconectado Nacional (SIN).
El Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No
Interconectadas (IPSE), establece un plan de acción dirigido a 17 departamentos (Cauca,
Choco, Nariño, Guainía, Amazonas, Meta, entre otros), caracterizados por estar ubicados en
zonas dispersas, tener baja densidad de población, bajo nivel de consumo promedio, bajo
nivel de recaudo, mínima capacidad de pago, alto nivel de pérdidas y altos costos en la
prestación del servicio de energía eléctrica, como consecuencia del uso de plantas de
generación a base de diésel, paneles solares y pequeñas centrales hidroeléctricas (IPSE,
2014).
Los costos asociados a la infraestructura para la generación de electricidad a través
de fuentes convencionales de energía (Hidroeléctricas o Termoeléctricas), el trasporte de
combustibles y los impactos social y ambiental que estos generan, son algunos motivos por
los cuales se han buscado otras alternativas para la generación de electricidad y calor a partir
del potencial energético asociado a otros recursos.
El Estado Colombiano a través de mecanismos legales como la ley 1715 de 2014
busca promover el desarrollo y la utilización de Fuentes No Convencionales de Energía
Renovable (FNCER), con el objetivo de contribuir en la preservación del medio ambiente,
aportar al abastecimiento energético y garantizar una mayor confiabilidad del servicio a partir
de la implementación de nuevas tecnologías asociadas al uso de recursos tales como el sol,
el viento, la fuerza mareomotriz, residuos forestales, agrícolas, pecuarios y sólidos urbanos
entre otros, que pueden ser aprovechados para la generación de energía eléctrica (Congreso
de Colombia, 2014).
Actualmente entidades nacionales como el Ministerio de Minas y Energía y la
Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG) están elaborando el marco regulatorio
aplicable a proyectos de generación y cogeneración a partir de FNCER como la energía solar,
eólica, geotérmica, mareomotriz, biomasa, entre otras.
En consecuencia, se hace necesario elaborar una metodología para el
aprovechamiento de fuentes no convencionales de energía, como es la biomasa residual
pecuaria para la generación de energía eléctrica en dos casos de estudio, que sirva como
modelo aplicable a casos reales, de manera que se pueda establecer la viabilidad técnica,
económica ambiental y social de este tipo de proyectos, para posteriormente generar un
mercado confiable, estructurado y capaz de competir en el mercado actual asociado a la
generación eléctrica convencional.
xxiii
OBJETIVOS DEL PROYECTO
OBJETIVO GENERAL
Elaborar una metodología para el aprovechamiento energético de recursos de biomasa
residual pecuaria en la autogeneración de electricidad: casos de estudio Briceño Boyacá y
Cajicá Cundinamarca
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
1. Identificar el potencial energético de los recursos de biomasa residual pecuaria para
cada caso de estudio
2. Determinar la tecnología de generación eléctrica más adecuada para cada caso de
estudio dirigido al aprovechamiento de biomasa residual pecuaria
3. Definir la metodología general para el aprovechamiento de los recursos de biomasa
residual pecuaria a través de una unidad de autogeneración de electricidad
4. Evaluar la viabilidad técnica, económica y ambiental de cada caso de estudio
1
Capítulo 1
Marco conceptual
1.1 Sector pecuario en Colombia
El sector pecuario en Colombia se conforma de los subsectores bovino, porcino y
avícola, clasificación dada en el Atlas del Potencial Energético de la Biomasa Residual en
Colombia, definidos teniendo en cuenta características como: el porcentaje de participación
de las diferentes actividades y la información disponible relativa a los censos poblacionales
por especie (UPME, 2010). En cuanto a los subsectores, cada uno es clasificado según los
sistemas de producción como se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Animales del sector pecuario generadores de biomasa. Recuperado de (UPME,
2010)
El sector pecuario en Colombia representó para el 2014 el uso del 79,9 % del total de
áreas destinadas a las actividades agropecuarias, es decir, 33,8 millones de hectáreas en
pastos para animales de tipo bovino, porcino, avícola, búfalo, equino, ovino y caprino
distribuidos en las áreas rurales dispersas en todo el país (DANE, 2015).
La utilización de la biomasa residual pecuaria se hace con la recolección y tratamiento
del estiércol proveniente de los subsectores bovino, porcino y avícola, aprovechándose el
potencial energético para obtener productos como combustibles, electricidad y/o calor a
través de los métodos y las tecnologías de conversión de biomasa en energía.
2
En la Tabla 1 se presenta un resumen con la población de animales clasificados de
acuerdo al grupo etario para el sector bovino y conforme al sistema de producción para los
sectores porcino y avícola.
1.1.1 Ganado vacuno
La población bovina para el año 2015 se compone aproximadamente de 22.527.783
cabezas de ganado distribuidos en 495.609 predios, donde el 81,44 % son fincas que poseen
de 1 a 50 animales vacunos. El 64,13 % del ganado bovino se encuentra en los departamentos
de Antioquia (11,25 %), Córdoba (8,45 %), Casanare (8,43 %), Meta (7,38 %), Cesar (6,30
%), Santander (6,29 %), Caquetá (5,79 %), Magdalena (5,50 %) y Cundinamarca (4,74 %)
(ICA, 2015).
1.1.2 Ganado porcino
La población porcina para el 2015 en Colombia se constituye por 4.610.453 animales,
donde el 55,18 % se ubica en los departamentos de Antioquia, Cundinamarca y Valle del
Cauca con el 35,54 %, 10,60 % y 9,04 % respectivamente; distribuidos en 201.098 predios
del territorio nacional (ICA, 2015).
1.1.3 Sector avícola
Para el 2015, la población avícola se conforma por 149.078.056 aves, el cual 96,21%
son aves de granjas en galpones y el 3,79 % aves de traspatio, cuya explotación en Colombia,
es clasificada en aves de engorde, de levante, de postura y reproductoras (ICA, 2015).
3
Tabla 1. Población del sector pecuario en Colombia.
Subsector Población
[cabezas]
Bovino
Terneros < 12 meses 4.078.459
De 12 a 24 meses 5.262.273
De 24 a 36 meses 5.195.832
> a 36 meses 7.991.219
Porcino
Cerdos de criadero tecnificado 3.027.248
Cerdos de criadero no tecnificado 1.583.205
Avícola
Gal
pones
Aves de engorde 89.269.772
Aves de Levante 2.427.146
Aves de postura 44.832.616
Aves reproductoras 6.911.455
Aves de traspatio 5.637.067
Fuente: Datos recopilados de (ICA, 2015). Elaboración propia
1.2 Estudios previos para la estimación del potencial energético de la biomasa residual
pecuaria
En los últimos años diferentes entidades académicas y estatales a nivel mundial han
desarrollado investigaciones con el fin de determinar el potencial energético de fuentes
renovables en cada país y establecer una metodología que permita utilizarlos en la generación
de electricidad y calor, esto con el objetivo de reducir la dependencia a los combustibles
fósiles y por tanto la emisión de gases de efecto invernadero. A continuación, se presenta un
4
breve resumen de algunos estudios realizados a nivel nacional e internacional referentes a la
estimación del potencial energético enfocado principalmente a la biomasa residual pecuaria.
1.2.1 Documento de análisis “Atlas del potencial energético de la biomasa residual en
Colombia”
Entidades Colombianas como la Unidad de Planeación Minero Energética (UPME) y
el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), realizaron la
recopilación de información referente a la biomasa en un documento denominado “Atlas del
potencial energético de la biomasa residual en Colombia” que incluye la identificación,
caracterización y evaluación del potencial energético de los residuos orgánicos provenientes
de cultivos, actividades pecuarias y residuos sólidos (UPME, 2010).
Para determinar el potencial energético de los recursos de biomasa residual pecuaria
se establece una serie de pasos que inician con la recolección de las muestras del recurso y
finalizan con la determinación del potencial energético asociado al mismo. A continuación,
se hace una descripción de cada uno de los pasos a seguir.
1.2.1.1 Método de recolección de muestras de los recursos de biomasa residual pecuaria
La recolección de muestras de los recursos de biomasa residual pecuaria se lleva a
cabo con el fin de determinar la caracterización del residuo, variables que son de suma
importancia al momento de calcular el potencial energético de la biomasa residual en estudio.
Para cada grupo que constituye el sector pecuario se recomienda un método de recolección
que consiste en trazar en la zona a ser muestreada una línea imaginaria en forma de zig-zag
recolectando la muestra cada 15 o 30 pasos hasta reunir la cantidad necesaria (UPME, 2010),
posteriormente se realiza el protocolo de muestreo (muestreo por cuarteo) que consiste en
mezclar el material (muestra) y apilarlo en forma de cono, para luego comprimirlo y dividirlo
5
en 4 partes, de las cuales se eligen 2/4 opuestos de la muestra (véase Figura 2), se vuelven a
mezclar y se repite el proceso tantas veces como sea necesario hasta obtener la cantidad
adecuada, por último, se coloca dentro de una bolsa plástica con sello hermético (ziploc)
debidamente identificada y se introduce en una cava de hielo seco a una temperatura de 4 °C
(Galvis & Acevedo, 2008), de forma que pueda ser trasladada al laboratorio para su posterior
análisis.
Figura 2. Método de cuarteo. Elaboración propia
Las recomendaciones generales definidas por la UPME para el muestreo de la
biomasa residual pecuaria, las herramientas y los elementos de protección personal se pueden
consultar en el Anexo 1. Por otra parte, los formatos para recopilar la información relevante
de las muestras se pueden consultar en el Anexo 2.
1.2.1.2 Caracterización de la biomasa residual pecuaria
Para la caracterización de la biomasa residual pecuaria se tienen en cuenta los
parámetros que describen la composición de la materia orgánica correspondiente a los
análisis fisicoquímico, contenido energético y por último, el análisis microbiológico
considerando el tipo de residuo y los riesgos en su manipulación (UPME, 2010).
6
1.2.1.2.1 Análisis fisicoquímico
El análisis fisicoquímico estudia las características físicas y químicas del material
orgánico; como variables físicas se encuentran la densidad aparente, densidad real, humedad
y los sólidos totales, el estudio de estas variables conforma el análisis básico.
El estudio de las variables químicas se compone de los análisis próximo, último y
estructural, el primer análisis determina en las muestras el contenido de cenizas, material
volátil y carbono fijo; el análisis último o elemental cuantifica el porcentaje en peso de
carbono orgánico total (COT), hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N), azufre (S) y el
análisis estructural determina la celulosa, lignina y hemicelulosa presente en la materia
orgánica. Además de los valores mencionados anteriormente, es necesario cuantificar otros
parámetros como la relación carbono/nitrógeno (C/N), grasas, aceites y el contenido de
proteínas (UPME, 2010), como se muestra en la Figura 3.
Los valores de las variables fisicoquímicas correspondientes al sector pecuario se
encuentran registrados en las tablas análisis básico (Tabla 2), análisis próximo (Tabla 3),
análisis último (Tabla 4), análisis estructural (Tabla 5) y otros parámetros (Tabla 6). Los
resultados se presentan en porcentaje peso a peso de materia seca.
7
Análisis
fisicoquímico
Variables
físicas
Variables
químicas
Otras
variables
Densidad
aparente
Peso por unidad de
volumen del material
en el estado físico
presente
Densidad
real
Peso por unidad
de volumen del
material en estado
sólido
Humedad
Cantidad de agua
presente dentro de
una muestra de
materia
Masa seca del
estiércol
Sólidos
totales
Cenizas
materia solida no
combustible
presente en un
material
Material
volátil
Combinaciones de
carbono,
hidrógeno y otros
elementos
Carbono
fijo
Carbono que
permanece luego
de retirar la
humedad
Carbono de un
material orgánico
Carbono
orgánico total
(COT)
Hidrógeno
(H)
Oxígeno
(O)
Nitrógeno
(N)
Azufre
(S)
Celulosa
Polisacárido de
peso molecular
elevado
Lignina
Polímero
ramificado, amorfo
y heterogéneo
Hemicelulosa
Carbohidratos de
estructura
polimérica
compleja
Relación
Carbono/
nitrógeno
Unidades de
carbono por
unidades de
nitrogeno
Grasas y
aceites
Triglicéridos
denominados
ésteres de la
glicerina
Proteínas
Compuestos de
carbono, hidrógeno,
oxígeno y nitrogeno
Figura 3. Caracterización fisicoquímica de la biomasa residual pecuaria. Datos recopilados de (UPME, 2010). Elaboración propia
8
Tabla 2. Análisis básico de la caracterización fisicoquímica de la biomasa residual pecuaria
Subsector
Análisis básico
Densidad aparente
[g/ml]
Densidad real
[g/ml]
Humedad
[%]
Sólidos totales
[%]
Avícola 0,45 1,50 44,89 55,11
Bovino 0,20 0,57 83,41 16,57
Porcino 0,39 0,75 72,09 27,91
Fuente: Datos recopilados de (UPME, 2010). Elaboración propia
Tabla 3. Análisis próximo de la caracterización fisicoquímica de la biomasa residual pecuaria
Subsector
Análisis próximo
Material volátil
[%]
Carbono fijo
[%]
Cenizas
[%]
Avícola 42,75 31,74 30,10
Bovino 60,48 19,06 20,45
Porcino 35,37 25,42 30,13
Fuente: Datos recopilados de (UPME, 2010). Elaboración propia
Tabla 4. Análisis último de la caracterización fisicoquímica de la biomasa residual pecuaria
Subsector Análisis último
COT H O N S
Avícola 31,49 3,62 24,86 2,89 0,23
Bovino 40,44 4,65 25,15 2,11 0,07
Porcino 26,44 3,04 33,24 3,12 0,11
Fuente: Datos recopilados de (UPME, 2010). Elaboración propia
Tabla 5. Análisis estructural de la caracterización fisicoquímica de la biomasa residual
pecuaria
Subsector Análisis estructural
Celulosa Hemicelulosa [%] Lignina [%]
Avícola 50,55 19,82
Bovino 32,49 35,57
Porcino 32,39 21,49
Fuente: Datos recopilados de (Varnero, 2011). Elaboración propia
9
Tabla 6. Otros parámetros de la caracterización fisicoquímica de la biomasa residual pecuaria
Subsector Otros parámetros
Relación C/N Grasas y aceites Proteína
Avícola 11,12 1,98 18,12
Bovino 21,04 3,68 13,09
Porcino 8,81 14,9 19,51
Fuente: Datos recopilados de (UPME, 2010). Elaboración propia
1.2.1.2.2 Contenido energético
El contenido energético hace referencia a la cantidad de energía que dispone el
material, se expresa en unidades de energía por unidad de masa, ejemplo [MJ/kg], o por
unidad de volumen para el caso de los líquidos y gases, ejemplo [MJ/m3].
Los combustibles son compuestos con contenido de carbono que al reaccionar con el
oxígeno en procesos térmicos o en celdas de combustible, libera energía en forma de calor.
En los combustibles el contenido energético depende del poder calórico: energía liberada en
forma de calor durante la reacción de oxidación para formar dióxido de carbono y agua, para
el caso de compuestos orgánicos es proporcional a las cadenas carbono-carbono en su
estructura, en cuanto a la biomasa es menor que el de los combustibles fósiles, debido a que
en su estructura predominan las cadenas carbono-oxígeno y carbono-hidrógeno (UPME,
2010). La evaluación de contenido energético para el sector pecuario en Colombia se realizó
por medio del Poder Calorífico Inferior (PCI). Los resultados se presentan en la Tabla 7.
Tabla 7. Poder Calorífico Inferior de la biomasa residual pecuaria
Subsector Contenido energético
PCI [kJ/kg]
Avícola 12.312
Bovino 14.876
Porcino 17.760
Fuente: Datos recopilados de (UPME, 2010). Elaboración propia
10
1.2.1.2.3 Caracterización microbiológica
La caracterización microbiológica define las características fisiológicas y metabólicas
de los microorganismos (enterobacterias, hongos y levaduras) que habitan en las excretas
pecuarias, la carga microbiana patógena presente en una muestra de biomasa pecuaria se
determina mediante la evaluación del contenido de coliformes totales y fecales, mesófilos
aeróbicos, enterobacterias, mohos y levaduras.
El análisis microbiológico es importante ya que conocer los microorganismos
presentes en la biomasa pecuaria y el tipo de bioproceso diseñado, es un aspecto relevante
cuando se evalúa la tecnología para el aprovechamiento energético de esta clase de residuos.
Además, es importante conocer los microorganismos presentes para la manipulación de las
muestras en campo durante su procesamiento y análisis (UPME, 2010).
Los valores del análisis microbiológico para la biomasa pecuaria en Colombia se
encuentran registrados en la Tabla 8
Tabla 8. Análisis microbiológico de la biomasa residual pecuaria
Subsector
Análisis microbiológico Coliformes
totales
[No. UFC/g]
Coliformes
fecales
[No.UFC/g]
Mesófilos
aeróbicos
[No.UFC/g]
Enterobacterias
[No.UFC/g]
Mohos
[No.UFC/g]
Levaduras
[No.UFC/g]
Avícola 1,32x107 8,96x106 2,82x107 1,81x107 2,25x104 1,95x105
Bovino 7x105 4,22x105 2,37x106 1,52x106 5,27x107 1,29 x105
Porcino 1,86x108 1,59x108 2,42x108 2,57x108 5,20x107 8,04x107
Fuente: Datos recopilados de (UPME, 2010). Elaboración propia
1.2.1.3 Modelo matemático para determinar el potencial energético de la biomasa
residual pecuaria
De acuerdo con la Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), el
aprovechamiento de la energía contenida en el estiércol está orientada a dos modelos: la
11
digestión anaeróbica y la termoquímica. En primer lugar la digestión anaeróbica se aplica a
bovinos, porcinos y aves de corral debido a los microorganismos y el alto contenido de
humedad que facilitan la producción de metano, mientras que el modelo termoquímico se
aplica a aves de engorde cuyo estiércol maneja un contenido de humedad menor al 60 %
(UPME, 2010). Por lo anterior se establece un modelo matemático que permite determinar
el potencial energético del estiércol para cada caso.
1.2.1.3.1 Modelo matemático para determinar el potencial energético en función
del proceso de digestión anaeróbico.
Para este caso la masa del residuo está relacionada directamente con el número de
animales que producen deyecciones con alto contenido de humedad y sólidos volátiles
(UPME, 2010). El potencial energético recuperable del estiércol animal (bovino, porcino y
aves de corral) se estima de acuerdo a la ecuación 1, (UPME, 2010).
𝑃𝐸𝐵𝑃𝑅 = ∑ 𝑁𝐴𝑖 ∗ 𝑛𝑖=1 𝑀𝑆𝑖 ∗ 𝑆𝑉 ∗ 𝐵𝑜𝑖 ∗ 𝑃𝐶𝐼𝐶𝐻4 (1)
Donde:
𝑃𝐸𝐵𝑃𝑅 : Potencial energético de la biomasa residual [TJ/año]
NA: Número de animales [cabezas]
MS: Materia Seca [kg MS/cabeza-año]
SV: Sólidos Volátiles [kg SV/kg MS]
YBiogás: Rendimiento del Biogás [m3/kg SV]
PCICH4: Poder Calorífico Inferior del metano [MJ/m3]
i: hace referencia al grupo etario de cada subsector.
12
1.2.1.3.2 Modelo matemático para determinar el potencial energético de la
biomasa residual de aves de engorde
En este caso la masa del residuo se obtiene al multiplicar el número de animales por
la cantidad de materia seca y su poder calorífico inferior (PCI). La ecuación 2 permite
determinar el potencial energético de la biomasa residual de aves de engorde (UPME, 2010).
𝑃𝐸𝐵𝑅𝐴𝐸 = 𝑁𝐴𝑒 ∗ 𝑀𝑆 ∗ 𝑃𝐶𝐼 (2)
Donde:
PEBRAE: Potencial energético de biomasa residual en aves de engorde [TJ]
NAe: Numero de aves de engorde [cabezas]
MS: Materia seca [kg/cabezas año]
1.2.1.4 Problemas y limitaciones
De acuerdo con lo anterior se establecen una serie de problemas y limitaciones:
La metodología propuesta por la UPME se centra principalmente en la
caracterización de la biomasa, en el caso del estiércol es necesario recolectar la
muestra y analizarla en el laboratorio con el fin de determinar sus características
físicas, químicas y microbiológicas; es claro que para cada muestra estas
características son diferentes por tanto el suponer un valor fijo de acuerdo a una sola
muestra ocasionaría un margen de error considerable en los resultados al momento
de estimar el potencial energético.
El Atlas de potencial energético de la biomasa en Colombia no cuenta con
información de los valores que se tuvieron en cuenta al momento de estimar el
potencial energético por tanto no es posible repetir el procedimiento para otros casos;
se evidencia falencias en cuanto a la disponibilidad de la información.
13
En la formulación matemática se tiene en cuenta el Poder Calorífico Inferior del
metano valor que no puede ser fijo debido a que el biogás obtenido en el proceso de
biodigestión contiene porcentajes de metano diferentes que varían de acuerdo a las
características propias del estiércol.
En general a nivel Colombia no se cuenta con información que permita estimar con
facilidad el potencial energético de la biomasa para ello es necesario recurrir a
información disponible de otros países, situación que genera un valor de
incertidumbre considerable al momento de calcularlo.
1.2.2 Documento de análisis “Propuesta metodológica para la toma de decisiones
sobre bioenergía en un contexto complejo y diverso” (Salta – Argentina)
En este estudio se plantea una metodología que permite determinar las posibles
fuentes de biomasa para ser aprovechadas con fines energéticos, considerando aspectos
importantes como el uso y la asignación de cada recurso y la implementación de herramientas
para su evaluación dentro del contexto del cambio climático mundial; todo aplicado a un
escenario especifico con el fin de observar los resultados logrados de la aplicación
(Manrique, Franco, Nuñez, & Seghezzo, 2011).
El análisis de la bioenergía, se lleva a cabo teniendo en cuenta dos aspectos: la oferta
y la demanda, de esta manera se plantea que los recursos de biomasa deben ser una fuente
energética a nivel local y en caso de existir superávit, se posibilita la ampliación de su
alcance. En este documento se presenta un interés principal por fomentar el uso de la biomasa
dentro de un contexto no solo energético sino también en esquemas sociales más sustentables:
mayor acceso a la energía en sectores marginados, mejora en la calidad de vida, preservación
14
del patrimonio cultural, menor contaminación local y emisiones atmosféricas, entre otros
(Manrique, Franco, Nuñez, & Seghezzo, 2011)
La metodología planteada consiste específicamente en la formulación de 16 criterios,
divididos en dos etapas para evaluar el tipo de recurso y establecer el proceso de conversión
más “optimo” a partir de los recursos de biomasa seleccionados, los cuales se someten a un
análisis cualitativo y cuantitativo relacionado con cada criterio y se les asigna un puntaje para
a través del cálculo de los índices de disponibilidad y adecuación, obtener un resultado final.
1.2.2.1 Priorización e índice de disponibilidad de recursos de biomasa
Los 8 criterios clave de priorización para la selección de recursos de biomasa se
presentan en la Tabla 9.
Tabla 9. Criterios de priorización para seleccionar los recursos de la biomasa disponible
CRITERIO DEFINICIÓN
Existencia “E1” Cantidad, en peso o volumen del recurso en unidad de
superficie.
Equilibrio “E2” Frecuencia o tasa de generación del recurso, por día, mes,
año, o ciclo de producción.
Esparcimiento “E3” Dispersión o concentración del recurso. Fuentes puntuales
de generación.
Efectos “E4” Impacto local visible. Su empleo podría impactar la zona,
desde el punto de vista de la contaminación, emisiones,
disposición de los residuos, u otros. Pueden considerarse
aspectos sociales u otros.
Experiencias “E5” Usos actuales. Usos establecidos del recurso
Exigencias “E6” Accesibilidad legal y física. Incluye propiedad particular,
restricciones legales de áreas protegidas, orografía,
situaciones de terreno dificultosas, entre otros.
Estimación “E7” Percepción sobre el recurso y su interés de uso o
aceptación social.
Expectativa “E8” Perspectiva de existencia futura del recurso en calidad y
cantidad. Probabilidad de que continúe existiendo la fuente
de generación del recurso.
Fuente: (Manrique, Franco, Nuñez, & Seghezzo, 2011)
15
Figura 4. Esquema embudo de priorización de recursos de biomasa (Manrique, Franco,
Nuñez, & Seghezzo, 2011)
Estos criterios se establecen en forma jerárquica descendente para determinar al final
de la evaluación la “Biomasa Disponible”, que corresponde a una de las tres categorías de la
biomasa tal como se muestra en la Figura 4.
Para calcular el índice de disponibilidad, se desarrolla el análisis cualitativo a cada
criterio clasificando los recursos en las escalas de alto, medio y bajo por medio de la
definición de los parámetros definidos en el documento de (Manrique, Franco, Nuñez, &
BIOMASA POTENCIAL
BIOMASA DISPONIBLE
Caracterización
Análisis
Físico Análisis
Químico Análisis
Energético
Análisis técnico-económico en función de demanda
BIOMASA UTILIZABLE
Existencia
Equilibrio
Esparcimiento
Efectos
Experiencias
Exigencias
Estimación
Expectativa
16
Seghezzo, 2011) para posteriormente, asignarle a cada una de estas categorías un valor
numérico de 0, 5 o 10 respectivamente. De esta manera, el puntaje máximo que podría
obtener el recurso al final de la evaluación sería de 80 puntos. La ecuación 3 muestra el
cálculo del índice de disponibilidad.
𝐼𝐷𝐼(%) = ∑𝑐1 + 𝑐2 + 𝑐3 + 𝑐4 … + 𝑐8
80∗ 100 (3)
Donde:
c1 + c2 + c3 +…+ c8: criterios de evaluación del recurso de acuerdo a la Tabla 9.
Una vez determinado el IDI, se realiza una categorización en función de los resultados
de la siguiente manera:
Óptimo: recurso con IDI entre 81 a 100 %
Estable: recurso con IDI entre 61 a 80 %
Inestable: recurso con IDI entre 41 a 60 %
Crítico: recurso con IDI entre 21 a 40 %
Colapso: recurso con IDI entre 0 a 20 %
1.2.2.2 Procesos de conversión energética e índice de adecuación
Los criterios clave de priorización para la selección del tipo de proceso de conversión
se presentan en la Tabla 10.
Tabla 10. Criterios de priorización para seleccionar los tipos de proceso de conversión de la
biomasa
CRITERIO DEFINICIÓN
Especificidad “E1” Tipo de recurso de biomasa a emplear: necesidad de
adecuación del mismo para poder aplicar un determinado
proceso.
Empleo “E2” Aplicaciones o uso final de la biomasa factibles de lograrse
con el proceso.
17
CRITERIO DEFINICIÓN
Escala “E3” Magnitud del emprendimiento, alcance.
Estado “E4” Nivel de conocimiento del proceso. Trayectoria de uso a
nivel mundial.
Ejecución “E5” Tipo de desempeño del proceso. Nivel de sencillez o
complejidad del mismo.
Experiencia “E6” Grado de experiencia en el manejo del proceso por parte
de la población destinataria. Aceptación social en su
empleo.
Emisiones “E7” Emisiones contaminantes y/o gases con efecto invernadero
provenientes de la utilización del proceso.
Eficiencia “E8” Eficiencia total del proceso de conversión. Debido a que
está relacionado directamente con un dispositivo
particular, puede considerarse el de uso más común.
Fuente: (Manrique, Franco, Nuñez, & Seghezzo, 2011)
Al igual que en el proceso anterior, los 8 criterios se establecen en forma jerárquica
descendente, sin embargo, puede haber situaciones particulares en las que algún nivel sea un
limitante y no haya necesidad de continuar la evaluación de los niveles posteriores o se
requiera evaluar un criterio posterior antes de continuar la evaluación (ejemplo: sea necesario
evaluar el criterio E8 antes del E3).
Para el cálculo del índice de adecuación, los pasos a seguir se realizan de igual forma
al proceso anterior, destacando que los parámetros definidos para la clasificación de los
procesos en el análisis cualitativo son acordes a los criterios correspondientes descritos en
(Manrique, Franco, Nuñez, & Seghezzo, 2011). La ecuación 4 muestra el cálculo del índice
de adecuación.
𝐼𝐷𝐴(%) = ∑𝑐1 + 𝑐2 + 𝑐3 + 𝑐4 … + 𝑐8
80∗ 100 (4)
La categorización luego de ser calculado el IDA se presenta de la siguiente forma:
Óptimo: proceso con IDA entre 81 a 100 %
18
Adecuado: proceso con IDA entre 61 a 80 %
Medianamente adecuado: proceso con IDA entre 41 a 60 %
Poco adecuado: proceso con IDA entre 21 a 40 %
Inadecuado: proceso con IDA entre 0 a 20 %
1.2.2.3 Problemas y limitaciones
Los criterios expresados en esta metodología fueron formulados principalmente para
evaluar los tipos de biomasa y para establecer el proceso de conversión más adecuado en el
aprovechamiento de los recursos locales en una región determinada; sin embargo, al
determinar el potencial energético de un caso específico, en donde se tiene establecido el tipo
de recurso para su aprovechamiento, varios de estos criterios resultan innecesarios o
inadecuados dentro del análisis del recurso, existiendo la posibilidad de que en ocasiones se
replanteen o incluso se omitan algunos de estos criterios.
1.2.3 Metodología formulada por la National Renewable Energy Laboratory (NREL)
Estados Unidos
El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL, por sus siglas en inglés)
determina el potencial energético de los recursos clasificándolos en cuatro categorías
diferentes denominados: potencial del recurso, potencial técnico, potencial económico y
potencial de mercado. En la Figura 5 se puede observar los supuestos fundamentales de cada
tipo de potencial (Lopez, Roberts, Heimiller, Blair, & Porro, 2012).
De acuerdo a lo anterior, se define el potencial del recurso como la cantidad de
energía disponible físicamente; el potencial técnico es aquel que tiene en cuenta las
limitaciones geográficas y el rendimiento del sistema; por otra parte, el potencial económico
es el subconjunto del potencial técnico que está disponible donde el costo requerido para
19
generar la electricidad está por debajo de los ingresos disponibles, y por último, el potencial
de mercado es la cantidad de energía que se espera generar a través del despliegue comercial
de las tecnologías renovables después de considerar el impacto de los factores de mercado
actuales o futuros, como los incentivos, otras políticas, reglamentos, respuesta de los
inversores, y la competencia económica con otras fuentes de generación (Brown, y otros,
2015).
Figura 5. Niveles del potencial energético (Lopez, Roberts, Heimiller, Blair, & Porro, 2012)
1.2.3.1 Potencial del recurso
Para la estimación de los recursos de biomasa disponible en Estados Unidos, NREL
realiza el análisis de los datos de forma gráfica y estadística utilizando Sistemas de
Información Geográfica (SIG), estos sistemas son basados en computadora para crear,
manipular y estudiar la información geográfica. Estas estimaciones se fundamentan en
20
diversos supuestos, metodologías adoptadas por otros estudios y factores que relacionan la
población con la cantidad de generación de residuos después de su consumo.
Los recursos de biomasa disponibles para el aprovechamiento energético se clasifican
en las siguientes categorías (Milbrandt, 2005)
Residuos agrícolas
Residuos de cultivos
Emisiones de metano de los sistemas de manejo del estiércol
Residuos madereros
Residuos forestales
Residuos primarios de la molienda
Residuos secundarios de la molienda
Residuos de madera urbanos
Desechos municipales
Emisiones de metano de vertederos
Emisiones de metano de tratamientos de aguas residuales domésticas
Cultivos energéticos
Tierras del programa de conservación de reservas
Tierras de minas abandonadas
1.2.3.1.1 Emisiones de metano de los sistemas de manejo del estiércol
En cuanto a la estimación del potencial teórico de los residuos pecuarios, NREL
determina las emisiones de metano del estiércol animal teniendo en cuenta los sistemas de
manejo del estiércol incluidos en el Libro de Trabajo de Estado: Metodologías para la
estimación de los gases de efecto invernadero desarrollado por la Agencia de Protección
21
Ambiental de Estados Unidos (U.S. E.P.A, siglas en inglés). La descripción de cada sistema
se encuentra en la Tabla 11.
Tabla 11. Definiciones de los sistemas de manejo del estiércol
Sistema de manejo de estiércol Descripción
Pastura, prado y pradera Se deja que el estiércol de los animales en pasturas o
prados permanezca como tal, sin gestionarse
Distribución diaria
Como rutina, el estiércol se saca de instalaciones de
confinamiento y se aplica a tierras de cultivo o
pasturas dentro de las 24 horas de su excreción
Almacenaje de solidos
Almacenamiento de estiércol, habitualmente por
periodos de varios meses en pilas o parvas no
confinadas. El estiércol puede apilarse debido a la
presencia de una cantidad suficiente de material de
cama o a la pérdida de humedad por evaporación
Corral de engorde
Una zona de confinación pavimentada o no sin
cobertura vegetativa de la que el estiércol acumulado
puede retirarse periódicamente
Líquido/fango
El estiércol se almacena tal como se excreta o con un
mínimo agregado de agua en tanques o en estanques
de tierra fuera del lugar en el que están los animales,
habitualmente por periodos inferiores a un año
Laguna anaeróbica no cubierta
Tipo de sistema de almacenamiento en líquido
diseñado y operado para combinar la estabilización
y el almacenamiento de desechos. Habitualmente, se
utiliza el sobrenadante de la laguna para retirar el
estiércol de las instalaciones de confinamiento
relacionadas con esta. Las lagunas anaeróbicas se
diseñan para diversos períodos de almacenamiento
(de hasta un año o más), según la región climática, la
tasa de carga de sólidos volátiles y otros factores
operativos. El agua de la laguna puede reciclarse
para limpieza o usarse para irrigar y fertilizar
campos.
Fuente: (IPCC, 2006)
El cálculo de las emisiones de metano del estiércol animal se obtiene realizando los
siguientes pasos:
1) Obtener los datos requeridos sobre la población animal y las prácticas de manejo del
estiércol
22
2) Calcular la cantidad de solidos volátiles (VS) producidos por cada tipo de animal (Véase
ecuación 5)
3) Determinar las emisiones de metano de cada sistema de manejo del estiércol y tipo de
animal (Véase ecuación 6)
4) Convertir las emisiones a toneladas de metano (Véase ecuación 7)
5) Sumar las estimaciones para obtener el total anual de emisiones de metano (Véase
ecuación 8) (U.S. EPA, 1992).
VSi = Ni ∗ TAMi ∗ vsi̅̅ ̅̅ (5)
𝐶𝐻4 = VSi ∗ Bi ∗ MCFj ∗ 𝑊𝑆%𝑖𝑗 (6)
𝐶𝐻4(𝑡𝑜𝑛𝑠) = 𝐶𝐻4 ∗0,0413
2205 (7)
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐶𝐻4(𝑡𝑜𝑛𝑠) = ∑ ∑ 𝐶𝐻4(𝑡𝑜𝑛𝑠)𝑗 (8)𝑖
Donde:
VSi: Sólidos volátiles totales producidos (lbs/yr) por tipo de animal i
Ni: Número de animales del tipo i (head)
TAMi: Masa típica del animal por tipo de animal i (lbs/head)
vsi: Promedio anual de producción de sólidos volátiles por unidad de masa del tipo de animal
i (VS por libra de masa del animal)
CH4: Emisiones de metano por tipo de animal i en el sistema j (ft3/yr)
Bi: Máxima capacidad de producción de metano por libra de VS por tipo de animal i
MCFj: Factor de conversión del metano por cada sistema de manejo j
WS %ij: Porcentaje de estiércol del tipo de animal i manejado en el sistema j de estiércol
CH4(tons): Emisiones de metano en toneladas (tons/yr)
0,0413: Densidad del metano (lbs/ft3), factor de conversión a libras
23
2205: Libras a toneladas métricas
Total CH4(tons): Emisiones de metano total anuales
Las emisiones de metano del manejo de estiércol en Estados Unidos calculadas para
el año 2002 fueron de 2,189 millones de toneladas y el potencial del recurso fue de 115
TJ/año (Milbrandt, 2005).
1.2.3.2 Potencial técnico
El potencial técnico representa la generación de energía alcanzable de una tecnología
particular teniendo en cuenta la disponibilidad y la calidad de los recursos, el rendimiento
del sistema, las limitaciones topográficas, limitaciones ambientales y las restricciones de uso
del terreno; trayendo como beneficio una estimación límite superior del potencial de
desarrollo (Lopez, Roberts, Heimiller, Blair, & Porro, 2012).
Para determinar el potencial técnico de la biomasa, NREL en el estudio de (Lopez,
Roberts, Heimiller, Blair, & Porro, 2012) clasifica los recursos en biomasa sólida y gaseosa,
considerando parámetros específicos de acuerdo al tipo de biomasa como el poder calorífico
superior (PCS) y un factor de conversión que representa un sistema de producción de biomasa
promedio con una eficiencia de conversión industrial establecida. Los datos de los recursos
objeto de este estudio se obtienen de (Milbrandt, 2005), actualizado en 2008, quien reporta
la estimación de la biomasa sólida en Toneladas Completamente Secas (BDT). Para la
biomasa sólida, constituida por los recursos de los cultivos, bosques, residuos primarios y
secundarios de la molienda y los residuos sólidos urbanos (RSU); se tiene en cuenta un valor
de PCS de 8.500 BTU/lb y un factor de conversión de 1,1 MWh/BDT derivado de una
eficiencia de conversión de 20 %. En cuanto a la biomasa gaseosa, representada por las
emisiones de metano del estiércol animal, las plantas de tratamiento de aguas residuales
24
domésticas y los vertederos, se utiliza un valor de PCS de 24.250 BTU/lb y un factor de
conversión de 4,7 MWh/tonelada de CH4 proveniente de una eficiencia de conversión de
30%.
Los resultados del potencial técnico obtenidos en el estudio, muestran que la biomasa
gaseosa representa aproximadamente el 18 % (88 TWh) del total anual estimado (488.326
TWh), siendo los vertederos quienes más contribuyen (Lopez, Roberts, Heimiller, Blair, &
Porro, 2012).
1.2.3.3 Potencial económico
El potencial económico, es una medida del potencial de generación de energía
renovable que se define como el subconjunto del potencial técnico de los recursos disponibles
donde el costo requerido para generar electricidad (el cual determina los ingresos mínimos
requeridos para el desarrollo del recurso) está por debajo de los ingresos disponibles en
términos de la energía y la capacidad desplazada. Esta medida puede ser un factor útil para
entender la viabilidad económica de las tecnologías de generación renovable en un lugar
específico o dentro de un área definida, así como para evaluar el impacto de las mejoras
tecnológicas, políticas y otras acciones que puedan afectar el acceso al mercado (Brown, y
otros, 2015).
El método de análisis geoespacial empleado por NREL se basa en los datos
geoespaciales de alta resolución de los recursos y en los precios de mercado. Para la
estimación del potencial económico, la metodología desarrolla cuatro pasos distintos para las
tecnologías de generación centralizada (Brown, y otros, 2015):
Paso 1. Potencial técnico: estimar la capacidad de generación de energía alcanzable
y la correspondiente generación anual de las tecnologías especificas en los sitios o
25
regiones definidas, dependiendo de la tecnología, el rendimiento del sistema dado,
limitaciones topográficas, ambientales, y las restricciones de uso del suelo.
Paso 2. Costo Nivelado de la Energía (LCOE): el LCOE se estima para cada
tecnología de generación en estos lugares, incorporando los costos de construcción
de plantas regionales, el costo y rendimiento de la tecnología, y los costos de
transmisión intra-regionales estimados.
Paso 3. Costo Evitado Normalizado de la Energía (LACE): se estima el LACE en
cada uno de estos lugares mediante la evaluación de los ingresos potenciales
disponibles para un proyecto de generación de energía renovable en el lugar, lo que
se puede interpretar como la cantidad que sería pagada al proyecto por la potencia y
energía eléctrica que puede proporcionar (o alternativamente, lo que una empresa u
entidad no tendría que comprar de otras fuentes).
Paso 4. Potencial económico: se calcula el valor neto de una ubicación como la
diferencia entre el costo evitado y el costo nivelado de la energía (LACE - LCOE).
Una ubicación específica se considera económicamente viable si su valor neto es
positivo; el potencial técnico asociado a los lugares con valor neto positivo se suma
para así calcular el potencial económico.
Además del costo evitado y el costo nivelado de la energía, un número de factores
pueden ser incorporados para tener una interpretación más amplia del potencial económico,
estos factores son:
El costo de conexión de los centros de generación a la red
Incentivos fiscales de tecnología, incluyendo la producción y la inversión de crédito
fiscal
26
La reducción del valor de potencia y energía de la generación convencional que puede
suceder con niveles crecientes de generación a partir de recursos renovables
El valor de las emisiones de CO2 evitadas, basado en una estimación del costo inicial
del carbono
El valor de los costos de salud evitados
En cuanto al cálculo del potencial económico para la generación eléctrica a partir de
los recursos de la biomasa, la estimación se realizó teniendo en cuenta las siguientes
consideraciones: la metodología se aplica únicamente en instalaciones dedicadas a la
combustión, sin incluir la co-combustión; el método empleado tiene en cuenta solo los
recursos de biomasa sólida. Bajo estas consideraciones, la bioenergía no presenta algún
potencial económico (Brown, y otros, 2015).
1.2.3.4 Problemas y limitaciones
De acuerdo a lo anterior se consideran los siguientes problemas y limitaciones:
Para la evaluación del potencial energético teórico de la biomasa residual pecuaria,
es necesario tener en cuenta el tipo de sistema de manejo del estiércol para poder
estimar las emisiones de metano a partir de este recurso, sin embargo, en el contexto
colombiano, la determinación de un sistema de manejo de estiércol, especialmente a
pequeña escala (es decir en granjas familiares), puede resultar complejo y por tanto
llegar a resultados diversos entre los cálculos teóricos y la cantidad de metano
realmente producido.
En cuanto a la estimación del potencial técnico, esta se hace usando el PCS, siendo
quizás más acorde la utilización del PCI para determinar de esta forma un valor
27
“mínimo” de potencial técnico, y así evaluar con mejor criterio la viabilidad técnica
del aprovechamiento energético del recurso.
Por último, en el estudio del potencial económico, este análisis se hace principalmente
para el aprovechamiento de los recursos (tanto de la biomasa como de otras fuentes
renovables de energía) en la generación de energía eléctrica a gran escala, es decir a
través de sistemas centralizados de generación, siendo esta tal vez una razón por la
cual el estudio del potencial económico de la biomasa no contemple tecnologías
diferentes a la combustión, además de la exclusión de los recursos de biomasa gaseosa
para la determinación de este potencial, presentando como resultado una viabilidad
económica nula, resultado que podría cambiar con el análisis de todos los recursos de
biomasa para ser implementados a pequeña escala en sistemas de generación
distribuida o en unidades de autogeneración.
1.2.4 Documento de análisis “An Inventory of the Bioenergy Potential of British
Columbia” (Canadá)
El documento “An Inventory of the Bioenergy Potential of British Columbia”,
fue presentado por BIOCAP Canadá, Fundación cuyo objetivo principal era generar
soluciones integradas para lograr abordar retos como el cambio climático y la energía limpia
(BIOCAP CANADÁ, 1998).
Este estudio se llevó a cabo con el fin de estimar el potencial para la producción
sostenible de la biomasa como fuente de energía renovable de la Columbia Británica, en la
investigación se consideraron cuatro fuentes de energía las cuales son: residuos sólidos
urbanos, residuos agrícolas (residuos de cultivos, residuos animales, cultivos en tierras secas
y en tierras agrícolas) silvicultura y residuos forestales. En cuanto a los residuos animales se
28
supone que es posible recuperar el 85 % del estiércol de las aves y cerdos, el 25 % de bovinos
y el 10 % de corderos, esta fracción del estiércol es conocido como factor recuperable
(Ravelic & Layzell, 2006).
Para determinar el potencial bioenergético del estiércol animal BIOCAP propone
llevar a cabo los siguientes pasos:
a. Determinar la cantidad total de cabezas para cada tipo de ganado
b. Determinar la cantidad total de estiércol que produce cada tipo de ganado
c. Determinar el contenido de energía del estiércol
d. Estimar el potencial bioenergético de acuerdo a la ecuación 9.
𝑃𝐵: 𝐻𝑖 ∗ 𝑀𝑃𝑅𝑖 ∗ 𝐹𝑅 ∗ 𝐸𝐶 (9)
Donde:
𝑃𝐵: Potencial Bioenergético [PJ/año]
𝐻𝑖: Número de cabezas por tipo de ganado [cabezas/año]
𝑀𝑃𝑅𝑖: Producción de estiércol [t/cabezas/año]
𝐹𝑅: Factor recuperable [%]
𝐸𝐶: Contenido de energía [GJ/t]
𝟏.2.4.1 Problemas y limitaciones
Esta metodología presenta un nuevo término definido como factor recuperable que
está relacionado directamente con el porcentaje de estiércol que puede ser usado en la
generación de energía; este factor se encuentra sujeto a condiciones de trasporte y recolección
del residuo y se estima de acuerdo a las características propias del país, donde para el caso
del sector pecuario se establece una tasa de recuperación del 25 % para el caso de bovinos
debido al gran número de animales en pastoreo y al pequeño tamaño de los rebaños. Estos
29
valores son tomados de la literatura y adaptados a un caso particular. La limitación que
presenta esta metodología, está relacionada con el inconveniente de reproducirlo en otros
países debido a que los datos son adaptados de resultados propios del país.
1.2.5 Documento de análisis “Methodology for estimating biomass energy potential
and its application to Colombia” (Universidad Ferrara Italia)
Este documento presenta una metodología con un enfoque en los recursos cuyo
objetivo es estimar estocásticamente el potencial energético teórico y técnico de la biomasa
residual en Colombia a partir del algoritmo de Montecarlo y su incertidumbre asociada a la
calidad y disponibilidad de los datos, las ventajas que considera el desarrollo de esta
metodología son: transparencia, reproducibilidad, bajo costo y la posibilidad de adaptarlo en
el análisis de otros países (Gonzales, y otros, 2014).
De acuerdo a la revisión bibliográfica previa al estudio realizada por (Gonzales, y
otros, 2014), los autores definen los tipos de potencial energético, enfoques y metodologías
que se pueden aplicar para la estimación del potencial energético, ver Figura 6.
30
Figura 6. Tipos de potencial, enfoques y metodologías. Datos recopilados de (Gonzales, y otros, 2014). Elaboración propia
31
El documento de (Gonzales, y otros, 2014), se centra en los residuos de biomasa
terrestre en Colombia dividida en leñosa y no leñosa a la cual pertenecen categorías como:
la silvicultura e industria de la madera, residuos agrícolas (agroindustriales y residuos de
cosechas), desechos animales (estiércol de ganado, aves de corral, cerdo) y residuos sólidos
urbanos (residuos de plazas de mercado, podas, plantas de tratamiento de aguas residuales y
desechos sólidos urbanos).
Este estudio excluye el potencial energético asociado a los biocombustibles para
evitar confusiones entre los recursos primarios de energía y los recursos energéticos
secundarios (Gonzales, y otros, 2014).
La metodología que desarrollan los autores se resumen en los siguientes pasos:
1) Definir las condiciones del entorno y plantear hipótesis
2) Construir un conjunto de datos a partir de estadísticas nacionales proporcionados por
agencias gubernamentales, agencias internacionales y documentos científicos, así como,
datos técnicos recolectados de la literatura disponible
3) Se calcula estocásticamente el potencial teórico preliminar para cada tipo de biomasa
usando el algoritmo de Monte Carlo, este algoritmo calcula una incertidumbre preliminar
y lleva a cabo un análisis de sensibilidad para identificar los principales factores que
contribuyen a la incertidumbre
4) Para realizar una mejor estimación se realiza una revisión en la literatura y se hace una
separación de variables en sub-modelos
5) Se calcula estocásticamente el potencial teórico final y se cuantifica la incertidumbre
6) Con el resultado anterior se calcula el potencial técnico preliminar y se identifican las
variables claves, por último, se mejora su cálculo a partir de una revisión bibliográfica
tal como se realizó anteriormente.
32
7) Finalmente, los resultados del estudio existente se evalúan mediante el método de cálculo
propuesto y se comparan con los resultados actuales (Gonzales, y otros, 2014)
La Figura 7 resume la metodología descrita anteriormente.
Definir condiciones del entorno
Crear bases de
datos
Cálculo de potencial teórico
Calcular el potencial
teórico preliminar
Identificar variables claves y
determinar su sensibilidad
Mejorar la estimación
de las variables
claves
Recalcular el potencial
teórico y su sensibilidad
Cálculo de potencial técnico
Calcular el potencial técnico
preliminar
Identificar variables claves y
determinar su sensibilidad
Mejorar la estimación
de las variables
claves
Recalcular el potencial
técnico y su sensibilidad
Comparar con los
estudios existentes
Comparar con los
estudios existentes
Análisis y conclusiones
Figura 7. Metodología para la estimación del potencial energético teórico y técnico.
Recuperado de (Gonzales, y otros, 2014)
1.2.5.1 Formulación matemática
Los potenciales energéticos de los recursos animales se calculan teniendo en cuenta
la cantidad de biogás producido a través del proceso de biodigestión a partir del estiércol de
los diferentes tipos de animales (m corresponde al tipo de animal: cerdos, gallinas, vacas y
caballos y n corresponde al grupo etario de cada tipo), las fórmulas para determinar el
potencial energético técnico y teórico se resumen en la Tabla 12.
Tabla 12. Formulación matemática estimación de potencial técnico y teórico
Tipo de potencial Formulación matemática
Potencial teórico 𝑄𝐴𝑅 = ∑ ∑ 𝐻𝑚,𝑛 ∗ 𝑓𝑚,𝑛 ∗ 𝑏𝑚,𝑛 ∗ 𝐿𝐻𝑉𝑚,𝑛𝑛𝑚 (10)
33
Tipo de potencial Formulación matemática
Potencial teórico
Donde:
Q_AR: Potencial teórico [MJ/año]
H_(m,n): Cantidad de ganado [cabezas]
f_(m,n:) Producción de estiércol por cabeza [ t/cabezas]
b_(m,n): Rendimiento del biogás a partir del estiércol [m3/t]
LHV_(m,n): Poder Calorífico Inferior [MJ/ m3]
Potencial técnico
𝑄𝐴𝑅𝑇 = ∑ ∑ 𝐻𝑚,𝑛 ∗ 𝑓𝑚,𝑛 ∗ 𝑏𝑚,𝑛 ∗ 𝐿𝐻𝑉𝑚,𝑛 ∗ 𝑎𝑚,𝑛𝑛𝑚 (11)
Donde:
𝑄𝐴𝑅𝑇: Potencial técnico [MJ/año]
𝑎𝑚,𝑛: Factor de disponibilidad
Fuente: (Gonzales, y otros, 2014). Elaboración propia
El factor de disponibilidad para el caso de residuos animales es definido por los
autores como el porcentaje de granjas de mediana y gran escala donde se puede llevar a cabo
la recolección de residuos, de esta manera se concluye que este factor corresponde a un
intervalo entre el 24 % y el 12 %.
El factor de disponibilidad se desagrega en subcomponentes como se muestra en la
ecuación 12.
𝑎 = 𝛼1 + 𝛼2 + 𝛼3 + 𝛼4 + 𝛼5 (12)
Donde α1, α2… α5, representan restricciones geográficas, de mercado, técnicas,
ambientales y especiales (Gonzales, Venturini, Poganietz, Finkenrath, & Ruggero, 2016).
34
3.1.1 1.2.5.2 Problemas y limitaciones
De acuerdo a lo anterior, se consideran los siguientes problemas y limitaciones:
Esta metodología es aplicada a Colombia donde los autores proponen el cálculo de
un valor de incertidumbre asociado a la calidad y disponibilidad de los datos; dentro
de las limitaciones que se encuentra está el uso de valores tomados de otros países
para el desarrollo de la formulación matemática, así como la estimación de un valor
fijo de producción de biogás para cada subtipo de ganado, en cuanto al factor de
disponibilidad que se establece para el cálculo del potencial técnico se determina a
partir de las granjas de gran y mediana escala despreciando las granjas de pequeña
escala que para el caso en Colombia son las más representativas.
Los autores hacen una crítica en cuanto a las incongruencias que se encuentra en la
información disponible y la dificultad al momento de repetir los cálculos con el fin
de llegar a los mismos resultados.
En esta metodología no se tiene en cuenta un factor asociado directamente a la
disponibilidad del recurso (estiércol).
1.2.6 Documento de análisis “Harmonization of biomass resource assessments”
(Europa)
Biomass Energy Europe (BEE), es un proyecto el cual se centra en armonizar las
metodologías y los datos para la evaluación de los recursos de biomasa residual con fines
energéticos en Europa y sus países vecinos, así como, mejorar la coherencia, precisión y
fiabilidad de manera que sea posible planificar una transición a la energía renovable en la
Unión Europea. Los residuos objeto de investigación fueron: residuos forestales, agrícolas,
animales y cultivos energéticos (Biomass Energy Europe (BEE), 2014). Como resultado de
35
la investigación se presentan documentos como: “Harmonization of biomass resource
assessments”, donde se definen conceptos relacionados con los tipos de potencial energético,
así como la formulación matemática que permiten su estimación.
1.2.6.1 Tipos de potencial energético
Los tipos de potencial definidos en el documento de la BEE (Biomass Energy Europe
(BEE), 2010) se resumen en la Figura 8.
Figura 8. Tipos de potencial energético. Datos recopilados de (Biomass Energy Europe
(BEE), 2010). Elaboración propia
1.2.6.2 Método estadístico para la estimación del potencial energético
El método estadístico para estimar el potencial energético teórico y técnico propuesto
por BEE aplicado a residuos animales se resumen en la Tabla 13.
Tabla 13: Formulación matemática potencial teórico y técnico (BEE)
Tipo de potencial Formulación Matemática
Potencial Teórico 𝑇𝐻𝑃𝑚𝑎𝑛𝑢𝑟𝑒 = ∑ 𝑁ℎ𝑒𝑎𝑑𝑠𝑖
∗ 𝑀𝑝𝐻𝑖 (13)
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦𝑚𝑎𝑛𝑢𝑟𝑒 = ∑ 𝑁ℎ𝑒𝑎𝑑𝑠𝑖∗ 𝑀𝑝𝐻𝑖 ∗ 𝐵𝑌𝑖 ∗ 𝐺𝐸𝐶𝑖 (14)
36
Tipo de potencial Formulación Matemática
Potencial Teórico
Donde:
𝑇𝐻𝑃𝑚𝑎𝑛𝑢𝑟𝑒: Potencial teórico del estiércol [t/año]
𝑁ℎ𝑒𝑎𝑑𝑠𝑖: Número de cabezas por tipo de ganado [cabezas]
𝑀𝑝𝐻𝑖: Cantidad de estiércol por tipo de ganado [t/cabeza]
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦𝑚𝑎𝑛𝑢𝑟𝑒: Energía del estiércol [J/año]
𝐵𝑌𝑖: Rendimiento del biogás [m3/t]
𝐺𝐸𝐶𝑖: contenido de energía del gas producido [J/ m3]
i: tipo de ganado (bovino, cerdos, caballos, etc)
Potencial Técnico
𝑇𝐶𝑃𝑚𝑎𝑛𝑢𝑟𝑒 = ∑ 𝑁ℎ𝑒𝑎𝑑𝑠𝑖∗ 𝐿𝑈𝑠𝑖
∗ 𝑀𝑝𝑈𝑖 ∗ 𝐴𝐻𝐷𝑖 ∗ 𝐴𝑉𝑖 ∗ 𝑈𝐹𝑖 (15)
Donde:
𝑇𝐶𝑃𝑚𝑎𝑛𝑢𝑟𝑒: Potencial técnico del estiércol [t/año]
𝑁ℎ𝑒𝑎𝑑𝑠𝑖: Número de cabezas for tipo de ganado [cabezas]
𝐿𝑈𝑠𝑖: Número de unidades de ganado mayor por cabeza para cada tipo
de ganado
𝑀𝑝𝑈𝑖: Cantidad de estiércol por tipo de ganado [ t/cabeza-día]
𝐴𝐻𝐷𝑖: Número de alojamiento de animales por año [días/año]
𝐴𝑉𝑖:Factor de disponibilidad (Porcentaje de estiércol que técnicamente
se puede recoger de los establos)
𝑈𝐹𝑖: Factor de uso (Porcentaje de estiércol que no tiene importantes
alternativas de uso)
Fuente: (Biomass Energy Europe (BEE), 2010). Elaboración propia
1.2.6.3 Problemas y limitaciones
De acuerdo a lo descrito anteriormente se establecen los siguientes problemas y limitaciones:
Esta metodología propone la estimación del potencial energético a partir de datos
como la cantidad de animales, cantidad de estiércol, rendimiento del biogás, poder
calorífico y los factores de uso y disponibilidad para los cuales los autores proponen
37
realizar una revisión en la literatura o un análisis de la zona o país objeto de estudio,
por otra parte, consideran el uso alternativo de estiércol en otras actividades.
Este documento presenta una descripción de la formulación matemática a partir de
métodos estadísticos, pero está sujeta a valores propios de Europa, se muestran los
resultados, pero no los datos que fueron usados por los autores para su estimación.
1.2.7 Documento de análisis “An assessment of the potential for non-plantation
biomass resources in selected Asian countries for 2010” (Asia)
Este artículo presenta una síntesis de la evaluación del potencial energético de
recursos de biomasa no plantados en cinco países asiáticos como son: China, India, Filipinas,
Sir Lanka y Tailandia, llevado a cabo en el marco del Programa de Investigación Regional
Asiática en Energía, Medio ambiente y clima. Los estudios se realizaron a nivel nacional para
estimar el potencial energético de residuos primarios, secundarios, estiércol animal, forestal
y de residuos urbanos (Bhattacharya, Abdul Salam, Runqing, Somashekar, & Racelis, 2005).
1.2.7.1 Estimación del potencial energético de residuos animales
La cantidad de producción de estiércol en los animales depende de factores como:
peso corporal del animal, el tipo, la cantidad de alimento, el estado fisiológico, etc. El
potencial energético asociado al estiércol animal está relacionado directamente con su
descomposición que puede darse ya sea en un ambiente aerobio donde se produce dióxido de
carbono y materiales orgánicos estabilizados o bajo condiciones anaerobias donde
adicionalmente se produce metano.
La estimación del potencial energético recuperable del estiércol animal está
relacionada con la cantidad de materia seca del estiércol, la fracción de solidos volátiles, un
factor recuperable asociado a la accesibilidad al recurso y la producción de biogás. De
acuerdo con lo anterior se propone estimar el potencial a partir de las ecuaciones 16, 17 y 18
38
(Bhattacharya, Abdul Salam, Runqing, Somashekar, & Racelis, 2005). Se recomienda
siempre que sea posible usar los valores específicos de cada país.
𝐸𝑃𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 = 𝐴𝐵𝑃𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 ∗ 𝑃𝐶𝐼𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠 (16)
Donde:
𝐴𝐵𝑃𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 = 𝐷𝑀𝑅 ∗ 𝐹𝑆𝑉 ∗ 𝑌𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠 (17)
𝐷𝑀𝑅 = 𝐷𝑀 ∗ 𝑁𝐴 ∗ 𝐹𝑅 (18)
Donde:
𝐸𝑃𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 : Potencial energético teórico del estiércol [TJ/año]
𝐴𝐵𝑃𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 : Cantidad de biogás recuperable a partir del estiércol [m3 Biogás/año]
𝑃𝐶𝐼𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠 : Poder Calorífico Inferior del Biogás [MJ/m3]
𝐷𝑀𝑅 : Cantidad de materia seca recuperable [kg MS/año]
𝐹𝑆𝑉 : Fracción de Sólidos Volátiles [kg SV/kg MS]
𝑌𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠 : Rendimiento del Biogás [m3/kg SV]
𝐷𝑀: Cantidad de materia seca [kg/cabeza-año] (producto entre la masa del residuo al año y
la fracción de materia seca)
𝑁𝐴: Número de Animales [cabezas]
𝐹𝑅: Cantidad de estiércol recuperable [Adimensional]
1.2.7.2 Problemas y limitaciones
La metodología propuesta para determinar el potencial de los países asiáticos está
sujeta a la caracterización de la biomasa, dentro del documento se expone la formulación
matemática propuesta por los autores y los datos propios de cada país, siendo esto un
inconveniente para el caso Colombia puesto que no se cuenta con una base de datos propia
de caracterización de biomasa o un procedimiento estándar para calcularlos.
39
La tabla 14 resume las metodologías descritas anteriormente para la estimación del
potencial energético de la biomasa residual pecuaria.
Tabla 14. Resumen de las metodologías aplicadas a la estimación del potencial energético
Estudio País Tipo de
Potencial
Tipo de
Enfoque
Metodología
(UPME, 2010) Colombia Potencial teórico
enfoque en los
recursos
Análisis estadístico
y espacial explicito
(Manrique, Franco,
Nuñez, &
Seghezzo, 2011)
Argentina
Potencial
teórico, técnico-
económico
enfoque en los
recursos y en la
demanda
Análisis estadístico
(Lopez, Roberts,
Heimiller, Blair, &
Porro, 2012)
(Brown, y otros,
2015)
(Milbrandt, 2005)
Estados
Unidos
Potencial
teórico, técnico y
económico
enfoque en los
recursos
Análisis estadístico
y espacial explicito
(Ravelic &
Layzell, 2006) Canadá Potencial teórico
enfoque en los
recursos Análisis estadístico
(Gonzales, y otros,
2014) Italia
Potencial teórico
y técnico
enfoque en los
recursos Análisis estadístico
(Biomass Energy
Europe (BEE),
2014)
Europa Potencial teórico
y técnico
enfoque en los
recursos Análisis estadístico
(Bhattacharya,
Abdul Salam,
Runqing,
Somashekar, &
Racelis, 2005)
Asia Potencial teórico enfoque en los
recursos Análisis estadístico
Fuente: Elaboración propia
41
Capítulo 2
Propuesta metodológica para la estimación de potencial energético de biomasa
residual pecuaria
1.1 2.1 Potencial teórico
El potencial teórico se define como la máxima cantidad de biomasa terrestre
teóricamente disponible para la producción de bioenergía dentro de los limites biofísicos
fundamentales (uso de los recursos naturales, disposición de los residuos, biodiversidad, etc.)
(Batidzirai, Smeets, & Faaij, 2012) (Biomass Energy Europe (BEE), 2010)
3.1.2 2.1.1 Formulación matemática para la estimación del potencial teórico
El potencial teórico comprende la cantidad total disponible del recurso, está asociado
al rendimiento y poder calorífico del biogás considerando el porcentaje de metano obtenido
a partir de la digestión de los residuos de tipo animal (Véase ecuación 19).
𝑃𝑇𝑅 = ∑ ∑ 𝐶𝑚,𝑛 ∗ 𝑃𝑒𝑚,𝑛 ∗ 𝐹𝑆𝑉 ∗ 𝑏𝑚,𝑛 ∗ 𝑃𝐶𝐼𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠𝑛𝑚 (19)
𝑃𝐶𝐼𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 = 𝑃𝐶𝐼𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 ∗ % 𝐶𝐻4𝑚 (20)
𝐶𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 = 𝐶𝑚,𝑛 ∗ 𝑃𝑒𝑚,𝑛 ∗ 𝐹𝑆𝑉 ∗ 𝑏𝑚,𝑛 (21)
Donde:
𝑃𝑇𝑅: Potencial teórico [MJ/año]
𝐶𝑚,𝑛: Cabezas de ganado [cabezas]
𝑃𝑒𝑚,𝑛: Producción de estiércol [kg/cabeza*año]
𝐹𝑆𝑉: Fracción de sólidos volátiles [kgSV/kg]
𝑏𝑚,𝑛: Rendimiento del Biogás [m3/kgSV]
𝑃𝐶𝐼𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠: Poder calorífico del biogás [MJ/m3]
𝑃𝐶𝐼𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜: Poder calorífico del metano [MJ/m3CH4]
42
% 𝐶𝐻4𝑚: Porcentaje de metano de acuerdo al tipo de animal [%]
𝐶𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠: Cantidad de biogás
m: tipo de animal
n: grupo etario por tipo de animal
De acuerdo a la formulación matemática se establece un valor asociado al poder
calorífico del metano de 33,948 MJ/m3 (AGROWASTE, 2013). Para establecer el poder
calorífico del biogás se deberá tener en cuenta el porcentaje de metano propio del recurso por
tipo animal (Ver Anexo 3, Tabla 9)
2.2 Potencial técnico
El potencial técnico se define como la cantidad de energía eléctrica producida a partir
del potencial teórico de la biomasa teniendo en cuenta la disponibilidad del recurso,
recolección y transporte del residuo, rendimiento del sistema (eficiencia eléctrica de la
tecnología empleada) y las condiciones geográficas y ambientales.
Para determinar el tipo de sistema tecnológico a emplear en la producción de electricidad a
partir de los residuos pecuarios, se evalúan las rutas tecnológicas de conversión presentes en
la cadena electro-energética para así seleccionar la más adecuada y de esta forma establecer
la eficiencia eléctrica del sistema, necesaria para el cálculo del potencial técnico.
2.2.1 Rutas tecnológicas de conversión
La producción de electricidad y/o calor a partir de los recursos de biomasa es posible
a través de diversas rutas tecnológicas de conversión comprendidas dentro de la cadena
electro-energética como se muestra en la Figura 9.
43
Residuos
pecuarios
Recolección, etc.
Conversión física
Preparación (mezcla,
secado etc.)
Transporte (camión, cinta,
tren, tubería, etc.)
Almacenamiento (tanque,
deposito, apilado, etc.)
Conversión termoquímica Conversión fisicoquímica Conversión bioquímica
GasificaciónProducción de
carbón vegetalPirólisis
Prensado, extracción
Esterificación
Aceite
vegetal
Éster metílico
de aceite
vegetal
Aceite de
pirólisis
Gas de síntesis,
gas de bajo
poder calorífico
Carbón
Digestión
anaeróbica
Fermentación
alcohólica
Descomposición
aeróbica
Etanol Biogás
Biocombustible
sólido
Biocombustible
gaseosoBiocombustible líquido
CombustiónIonización (pila de combustible)
Conversión termo-mecánicaConversión electroquímica
Conversión electromecánica Conversión térmica
Energía térmica
Electricidad Calor
Figura 9. Rutas tecnológicas de conversión y productos en la cadena electro-energética.
Adaptado de (FAO, 2004)
Para determinar la ruta de conversión más conveniente de acuerdo al tipo de recurso,
se presenta en la Figura 10, un flujograma de decisiones en función al contenido de humedad
(H) de los recursos de biomasa residual.
44
Biomasa
Húmeda
H>75 %
Seca
H<50 %
15 %<Materia
Seca<30 %
Materia
Seca<15 %
Digestión
Húmeda
Digestión
Seca
Biogás
Fertilizante
Orgánico
Energía
Eléctrica
Energía
Térmica
Combustión
Gasificación
Energía
Eléctrica
Vapor
Combustibles
líquidos
Productos
químicos
Figura 10. Valorización energética de biomasa residual en relación al contenido de humedad.
Recuperado de (Pinasco, 2013)
De acuerdo con la Figura 10, la biomasa con contenido de humedad entre el 50 % y
75 % puede tomar cualquiera de los dos caminos, sin embargo, es necesario un proceso previo
de secado o adición de agua dependiendo la ruta que se escoja.
Según el estudio de la UPME (Véase tabla 2, Capítulo 1), el contenido de humedad
de la biomasa residual pecuaria en el sector bovino y porcino es superior al 70 %, siendo la
digestión anaerobia la tecnología más apropiada para su aplicación. En cuanto a los residuos
pecuarios avícolas el contenido de humedad es inferior al 50 %, sin embargo, cabe aclarar
que este es un valor promedio de los valores registrados en (UPME, 2010) para las gallinas
ponedoras (H > 50 %) y las gallinas de engorde (H < 30 %); por tanto, no necesariamente se
debe escoger las rutas termoquímicas para el tratamiento de todos los residuos avícolas.
45
La Figura 11 muestra las tecnologías implementadas en cada ruta de conversión, por
otra parte, en el Anexo 4 se presenta la descripción de los métodos y las tecnologías de
conversión de biomasa residual pecuaria en energía eléctrica.
Rutas
tecnológicas de
conversión
Termoquímica –
electromecánica
Bioquímica –
electromecánica
Bioquímica –
electroquímica
Combustión
Gasificación
Combustión –
turbina a vapor
Combustión –
turbina a gas
Gasificación –
turbina a gas
Gasificación – motor de
combustión interna
Biodigestión – motor de
combustión interna
Biodigestión –
turbina a gas
Biodigestión – celda de
combustible
Figura 11. Tecnologías de conversión. Datos recopilados de (Rincón Martínez, 2014)
2.2.2 Formulación matemática para la estimación del potencial técnico
El potencial técnico se determina partiendo del resultado del potencial teórico de la
biomasa residual pecuaria, pero además considerando aspectos como el factor recuperable y
46
la eficiencia de la tecnología empleada para la producción de electricidad. El factor
recuperable (𝐹𝑟) indica un porcentaje aproximado de recolección del estiércol animal, el cual
varía dependiendo si el ganado se encuentra o no estabulado; generalmente en las granjas
familiares el ganado se encuentra libre en los pastizales, por tanto, de acuerdo con (Rosillo,
de Groot, & Hemstock, 2007), el porcentaje aprovechable del estiércol animal es
aproximadamente una octava parte del total producido (12,5 %). El cálculo del potencial
técnico se muestra en la ecuación 21.
𝑃𝑇𝐶 = 𝑃𝑇𝑅 ∗ 𝐹𝑟 ∗ 𝜂 ∗ 𝐹𝑐 (22)
𝜂 = 𝜂𝑒𝑙* 𝜂𝐵 (23)
Donde:
𝑃𝑇𝐶: potencial técnico [kWh/año]
𝑃𝑇𝑅: potencial teórico [MJ/año]
𝐹𝑟: factor recuperable [%]
η: eficiencia del sistema [%]
𝜂𝑒𝑙: eficiencia eléctrica asociada a la tecnología de conversión (celdas electroquímicas, motor
a combustión o microturbinas) [%]
𝜂𝐵: eficiencia asociada a la ruta de conversión (biodigestor, gasificador, caldera) [%]
𝐹𝑐: factor de conversión de Joule a kWh. 3,6 MJ = 1 kWh o 1 MJ = 0,277 kWh (Martínez,
2005)
El valor de eficiencia eléctrica asociado a las tecnologías de conversión se puede
consultar en las tablas 11, 12 y 13 en el Anexo 4, por otra parte, el valor de eficiencia asociado
al biodigestor se define como el 90 % valor extraído de la literatura (Moncayo, 2010).
47
1.2 2.3 Metodología general para el aprovechamiento de la biomasa residual pecuaria
El aprovechamiento de la biomasa residual pecuaria inicia con la ubicación e
identificación de las características principales del sitio, posteriormente es necesario
clasificar el ganado de acuerdo a su grupo etario con el fin de estimar la cantidad de recurso
disponible y determinar las características fisicoquímicas de residuo para lo cual se presentan
dos opciones, la primera corresponde a la toma de muestras del residuo y su análisis en el
laboratorio, mientras que la segunda consiste en hacer una revisión de los datos
proporcionados en el Anexo 3. Con los datos de la caracterización fisicoquímica se
identifican las variables propias del residuo y se lleva a cabo el cálculo de potencial
energético teórico teniendo en cuenta la formulación matemática que se propone en el
Capítulo 2.
A continuación, es necesario definir la ruta de conversión tomando como base el
porcentaje de humedad del recurso (ver Figura 10) y describir sus características propias,
posteriormente se define la tecnología de conversión, de esta manera se podrán determinar
los datos necesarios para el cálculo de potencial energético técnico. Con los valores del
potencial energético, así como la cantidad de energía eléctrica generada a partir del recurso,
se puede evaluar la posibilidad de entregar excedentes a la red, para lo cual será necesario
consultar la normatividad aplicable para la interconexión de las plantas de autogeneración y
las fases para el registro de proyectos de generación (véase Capítulo 3).
A continuación, la Figura 12 presenta el diagrama de flujo que resume la metodología
a seguir para el aprovechamiento de los recursos de biomasa residual pecuaria teniendo en
cuenta lo descrito anteriormente.
48
49
Figura 12. Metodología para el aprovechamiento de los recursos de biomasa residual. Elaboración propia.
51
Capítulo 3
Marco regulatorio para Fuentes No Convencionales de Energía Renovable en
Colombia
3.1 Ley 1715 del 2014
La ley 1715 del 2014 tiene como objeto promover el desarrollo y la utilización de las
fuentes no convencionales de energía, principalmente las de carácter renovable (PCH,
biomasa, geotérmica, mareomotriz, solar y eólica) en el sistema energético nacional,
mediante su integración al mercado eléctrico, su participación en las ZNI y otros usos que
permitan el desarrollo económico sostenible, la reducción de emisiones de gases efecto
invernadero, la seguridad de abastecimiento energético y promueva la gestión eficiente de la
energía (eficiencia energética y la respuesta en la demanda).
La finalidad de la ley es establecer un marco regulatorio y los instrumentos de
aprovechamiento de las Fuentes No Convencionales de Energía Renovable (FNCER), así
como fomentar la inversión, investigación y desarrollo de las tecnologías limpias a nivel
nacional. Por otra parte, busca definir instrumentos tributarios, arancelarios, contables y de
participación en el mercado energético con el fin de incentivar la inclusión de este tipo de
tecnologías en el sistema energético colombiano, con criterios de sostenibilidad
medioambiental, económica y social.
El artículo 8, compete a la promoción de la autogeneración a pequeña y gran escala
y la generación distribuida a través de mecanismos tales como:
Entrega de excedentes, por el cual se autoriza a los autogeneradores de pequeña y
gran escala a entregar sus excedentes a la red de distribución y/o trasporte. Para el
caso de autogeneradores a pequeña escala que utilicen FNCER, los excedentes a la
52
red serán reconocidos mediante el esquema de medición bidireccional, como créditos
de energía.
Sistema de medición bidireccional y mecanismos simplificados de conexión, los
autogeneradores a pequeña escala podrán usar medidores bidireccionales de bajo
costo para liquidar sus consumos y entregas a la red, así como procedimientos
sencillos de conexión y entrega de excedentes.
Venta de energía por parte de generadores distribuidos, La energía generada será
remunerada teniendo en cuenta los beneficios (pérdidas evitadas, la vida útil de los
activos de distribución, soporte de energía reactiva) que trae al sistema de distribución
donde se conecta.
Venta de créditos de energía.
Programas de divulgación masiva y focalizada (Congreso de Colombia, 2014).
3.1.1 Incentivos a la inversión de proyectos de fuentes no convencionales de energía
3.1.1.1 Deducción especial sobre el impuesto de renta y complementarios
Con el fin de promover la investigación, desarrollo e inversión en el ámbito de la
producción y utilización de las FNCE, así como la gestión eficiente de la energía, los
obligados a declarar renta que realicen inversiones en este tipo de proyectos, tendrán derecho
a reducir anualmente de su renta el 50 % del valor total de la inversión realizada por un
periodo de 5 años. Este valor no podrá ser mayor al 50 % de la renta líquida del contribuyente
determinado antes de restar el valor de la inversión. Para obtener este beneficio tributario, se
deberá verificar que las personas naturales o jurídicas sean titulares de los proyectos de
inversión y obtener una certificación de beneficio ambiental debidamente certificada por el
53
Ministerio de Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible (Congreso de Colombia, 2014)
(Ministerio de Minas y Energía , 2015) (UPME, 2016)
3.1.1.2 Exclusión del IVA
Para fomentar el uso de las Fuentes No Convencionales de Energía, se establece un
incentivo tributario relacionado con la exclusión del IVA, aplicado a la medición y
evaluación de los potenciales de recursos, a los equipos, elementos, maquinaria y servicios
nacionales e importados, así como de los servicios adquiridos dentro y fuera del territorio
nacional que se destinen para proyectos de inversión de energías limpias. Para tal efecto, el
Ministerio de Medio Ambiente certificará los equipos y servicios excluidos del gravamen
(para mayor información ver listado de bienes excluidos del IVA y exentos de gravamen
arancelario, anexo Resolución 045 de 2016) (Congreso de Colombia, 2014) (Ministerio de
Minas y Energía , 2015) (UPME, 2016).
3.1.1.3 Incentivo arancelario
Las personas naturales o jurídicas que a partir de la vigencia de la Ley 1715 del 2014
sean titulares de inversiones en nuevos proyectos de FNCE gozaran de la exención de pagos
de derechos arancelarios de importación de maquinaria, equipos, materiales e insumos
destinados exclusivamente para dichos proyectos. Este beneficio será aplicable a la
maquinaria, equipos, materiales e insumos que no sean producidos por la industria nacional
y su único medio de adquisición este sujeto a la importación de los mismos.
La exención del pago de los derechos arancelarios deberá ser solicitada a la DIAN en
un mínimo de 15 días hábiles antes de la importación de la maquinaria, equipos, materiales
e insumos (Congreso de Colombia, 2014) (Ministerio de Minas y Energía , 2015) (UPME,
2016).
54
3.1.1.4 Procedimiento para solicitar la actualización y/o ampliación de la lista de bienes
y servicios excluidos del IVA y exentos de gravamen arancelario.
Para solicitar la actualización y/o ampliación de la lista de bienes y servicios excluidos
de IVA y aranceles se deberá diligenciar y dar en consideración y evaluación de la UPME la
siguiente información:
1) Formato de presentación para solicitar la actualización y/o ampliación de la lista de bienes
y servicios excluidos del IVA y exentos de gravamen arancelario (Ver Anexo 5).
2) Formato de especificaciones del elemento, equipo, maquinaria y/o servicios (Ver Anexo
5).
3) Copia de la cedula de ciudadanía o extranjería para personas naturales.
4) Certificación de existencia y representación legal para personas jurídicas con fecha no
menor a un mes de la presentación de la solicitud.
5) Descripción de la función que cumple cada uno de los elementos, equipos, maquinaria
y/o servicios.
6) Catálogos que incluyan las especificaciones técnicas de los elementos, equipos
maquinaria y/o servicios objeto de la solicitud.
La información de solicitud se deberá radicar en la ventanilla de correspondencia de
la UPME mediante comunicación con el asunto “Solicitud de actualización y/o ampliación
de la lista de bienes y servicios excluidos del IVA y exentos de gravamen arancelario de
proyectos de FNCE- ley 1715 de 2014”. El tiempo necesario para la evacuación de la
información, así como, para la solicitud de información adicional que se considere necesaria
será de 15 días calendario (Congreso de Colombia, 2014) (Ministerio de Minas y Energía ,
2015) (UPME, 2016).
55
3.1.1.5 Procedimiento para solicitar la certificación para obtener el beneficio de
exclusión de IVA y la exención de gravamen arancelario.
Los interesados en solicitar la certificación que avala la documentación para iniciar
la solicitud del certificado de beneficio ambiental con miras a obtener el beneficio de
exclusión de IVA y gravamen arancelario, deberán diligenciar y someter a consideración y
evaluación de la UPME la siguiente información:
1) Formato de presentación para solicitar la certificación para obtener el beneficio de la
exención del IVA y/o la exención de gravamen arancelario (Ver Anexo 5).
2) Formato de especificaciones del elemento, equipo, maquinaria y/o servicios (Ver Anexo
5).
3) Copia de la cedula de ciudadanía o extranjería para personas naturales.
4) Certificado de la existencia y representación legal para personas jurídicas con una fecha
de expedición no menor a un mes de la presentación de la solicitud.
5) Descripción del proyecto objeto de la nueva inversión.
6) Descripción de la función que cumple cada uno de los elementos, equipos, maquinaria y
servicios a adquirir.
7) Catálogos que incluyan las especificaciones técnicas de los elementos, así como planos
descriptivos debidamente firmados.
La información de solicitud se deberá radicar en la ventanilla de correspondencia de
la UPME mediante comunicación con el asunto “Solicitud de certificación para incentivos
de proyectos de FNCE – ley 1715 de 2014”, adjuntando los archivos digitales
correspondientes con los soportes. El tiempo necesario para evaluar la información, así como,
para la solicitud de información adicional que se considere necesaria será de 15 días
56
calendario (Congreso de Colombia, 2014) (Ministerio de Minas y Energía , 2015) (UPME,
2016).
3.1.1.6 Vigencia y renovación de la certificación
Las certificaciones expedidas por la UPME, que avalan la documentación con el fin
de iniciar el trámite de solicitud para obtener el certificado de beneficio ambiental tendrán
una vigencia de 18 meses a partir de la fecha de expedición y solo podrá ser renovada una
sola vez por un término de 18 meses para elementos, equipos, maquinaria y servicios
inicialmente solicitados. La solicitud de renovación se deberá realizar con dos meses de
antelación al vencimiento de la misma presentando la siguiente información:
1) Justificación de la no utilización de la certificación durante su periodo de vigencia.
2) Diligenciar en el formato de especificaciones del elemento, equipo, maquinaria y/o
servicios para los que no se han hecho efectivo el beneficio tributario.
3) En caso de tratarse de obras civiles, realizar un informe de interventoría donde se
evidencia que elementos no se han utilizado y que falta por ejecutar.
Solo podrán renovarse los elementos, equipos, maquinaria y servicios y las cantidades
que hayan sido certificados previamente (Congreso de Colombia, 2014), (Ministerio de
Minas y Energía , 2015), (UPME, 2016).
3.1.1.7 Régimen de depreciación acelerada
Este beneficio está dirigido a los generadores de energía a partir de FNCE, los cuales
podrán aplicar al incentivo de depreciación fiscal acelerada, de acuerdo con la técnica
contable hasta una tasa anual global de 20 %. El beneficiario definirá una tasa de depreciación
igual para cada año gravable, la cual podrá modificar en cualquier año siempre y cuando
informe a la Dirección Seccional de Impuestos de la Jurisdicción, hasta antes de presentar la
57
declaración sobre el impuesto de renta y complementarios del año gravable en el cual realizó
el cambio (Congreso de Colombia, 2014), (Ministerio de Minas y Energía , 2015).
Observación: A la fecha el Ministerio de Medio Ambiente no ha expedido la
regulación correspondiente a los requisitos y documentación necesaria para la solicitud de la
certificación de beneficio ambiental necesaria para la aplicación de los incentivos tributarios
a los proyectos a partir de Fuentes No Convencionales de Energía FNCE.
4.1.2 3.1.2 Registro de proyectos de generación a partir de FCER
De acuerdo con lo estipulado en la Resolución 143 del 10 de marzo de 2016, “por la
cual se modifica el artículo quinto y se adicionan artículos y anexos a la Resolución UPME
0520 de octubre 9 de 2007, por medio del cual se establece el registro de proyectos de
generación y se toman otras disposiciones”. Se contempla que el registro de proyectos tendrá
un término de vencimiento dependiendo de la fase del proyecto, pasado este término, si el
promotor no ha solicitado el cambio de fase, no ha informado sobre los cambios o no ha
confirmado que las condiciones de registro se mantienen el proyecto saldrá del registro y
carecerá de validez (UPME, 2016).
Las fases del registro de proyectos de generación de energía eléctrica tanto
hidroeléctricos, a carbón, a gas natural u otro combustible, estipuladas en la Resolución 638
del 2007 y los tiempos especificados para cada fase de acuerdo a la Resolución 143 del 2016
se muestran en la Figura 13.
Observación: El registro para proyectos de generación de energía eléctrica a partir
de Fuentes No Convencionales, se encuentra en proceso de reglamentación, por tanto, se
aplica lo estipulado en las resoluciones 638 del 2007 y 143 del 2016.
58
Figura 13. Fases para el registro de proyectos de generación. Datos recopilados de (UPME, 2007) (UPME, 2016). Elaboración propia
59
Adicionalmente la Resolución 143 de 2016 presenta los formulario sobre las
características particulares de los proyectos a partir de FNCE (UPME, 2016), El Anexo 6
incluye el formulario para el registro de proyectos de generación de energía eléctrica a partir
de biomasa.
Por otra parte, teniendo en cuenta la Resolución 281 de 2015, la UPME define que el
límite máximo para la autogeneración a pequeña escala es de 1 MW, y corresponderá a la
capacidad instalada del sistema de generación del autogenerador, para lo cual la Resolución
143 establece un formulario de registro para este tipo de proyectos que se deberá entregar
con el formato mencionado anteriormente (Ver Anexo 7).
3.1.3 Metodología para la interconexión de nuevas plantas de generación a la red
El proceso de interconexión para proyectos nuevos comprende la asignación del
punto de conexión, la firma del contrato de conexión y termina con la puesta en servicio de
la planta de generación. A continuación, se describen los pasos a seguir de acuerdo a lo
estipulado en el código de conexión Resolución 025 de 1995 y la Resolución 106 de 2006.
Para solicitar la asignación de puntos de conexión se deberá ejecutar las siguientes
actividades: (Comisión de Regulación de energía y gas , 2006):
1) Presentar un estudio con la solicitud de conexión al transportador (OR) incluyendo el
análisis sobre la factibilidad técnica y financiera del proyecto.
2) El transportador deberá emitir un concepto sobre la viabilidad técnica de la conexión y
enviar copia a la UPME con su decisión.
3) La UPME realizará un análisis de la conexión y emitirá su concepto al transportador para
que ofrezca el punto de conexión y suscriba el respectivo contrato de conexión.
4) Una vez la UPME haya emitido su concepto, el interesado deberá entregar a la UPME un
cronograma de actividades del proyecto de generación, junto con la “curva S” que
60
muestre el porcentaje de avance del proyecto durante el tiempo de ejecución y durante la
etapa de construcción deberá presentar informes de avance cuando le sean requeridos.
El procedimiento para la conexión de plantas de generación nuevas comprende las
siguientes etapas (Ministerio de Minas y Energía , 1995):
1) Firma del contrato de conexión con el concepto favorable emitido por la UPME y en
coordinación con el código de planeamiento.
2) Elaborar los diseños, planos, memorias de cálculo, especificaciones para la adquisición
de equipos y para la construcción de las obras civiles de acuerdo con los requerimientos
técnicos y las normas nacionales e internacionales aplicables.
3) Solicitar la aprobación al trasportador de los diseños, memorias de cálculo,
especificaciones y planos.
4) Realizar la compra de los equipos y presentar reporte de las pruebas tipo.
5) Informar al transportador la programación de los trabajos principales y el nombre de la
firma interventora y la fecha de inicio de las pruebas de puesta en servicio y solicitar la
supervisión de pruebas de sitio de los equipos e instalaciones.
6) Después de ejecutadas la pruebas, aceptada la instalación y aprobado el informe de
cumplimiento de normas se autoriza la conexión y puesta en servicio.
7) Se debe informar cualquier modificación para su estudio y aprobación.
8) La operación y mantenimiento se debe realizar conforme al código de operación y con el
contrato de conexión.
Observación: Los pasos descritos anteriormente son aplicables a plantas de
autogeneración a gran escala hasta el momento no se tiene el marco regulatorio aplicable a
plantas de autogeneración de pequeña escala (1 MW) a partir de FNCE.
La Figura 14, resume la metodología descrita para la interconexión de nuevas plantas
de generación.
61
62
Figura 14. Diagrama de flujo interconexión de nuevas plantas de interconexión a la red.
Elaboración propia
63
Capítulo 4
Procedimiento para el análisis técnico, económico y ambiental por medio del software
RETScreen
4.1 Introducción al RETScreen
RETScreen es un software libre diseñado para verificar la viabilidad técnica,
económica y ambiental de proyectos de generación que impliquen tanto tecnologías
emergentes como tradicionales.
El programa contiene datos estadísticos e información de los proyectos y tecnologías
(eficiencia, potencia nominal de algunos equipos, entre otros), además de fórmulas
matemáticas que permiten realizar balances financieros entre otros análisis.
Los tipos de proyectos que se pueden realizar a través del software RETScreen son:
Eficiencia energética
Generación de calor / Generación de frío
Generación de electricidad
Cogeneración
Las tecnologías disponibles en la base de datos del software para cada tipo de
proyecto de energía limpia se encuentran en la Tabla 15.
Tabla 15. Tecnologías disponibles en los proyectos de energía limpia
TIPO DE PROYECTO TIPO DE
INSTALACIÓN TECNOLOGÍA TIPO DE RED
Mediciones de eficiencia
energética
Residencial
N. A N. A
Comercial
Institucional
Industrial
Otro
64
TIPO DE PROYECTO TIPO DE
INSTALACIÓN TECNOLOGÍA TIPO DE RED
Generación de
electricidad N. A
Celda electroquímica
Red - central
Red central y carga
interna
Red - aislada
Red aislada y carga
interna
Fuera - red
Energía de corrientes oceánicas
Energía de las olas
Energía de las mareas
Energía geotérmica
Energía térmica solar
Fotovoltaico
Motor a pistones
Otro
Turbina - eólica
Turbina a gas
Turbina a gas - ciclo
combinado
Turbina a vapor
Turbina Hidráulica
Electricidad - múltiples
tecnologías
N. A N. A
Calentamiento y
electricidad combinados
Enfriamiento y
electricidad combinados
Enfriamiento,
calentamiento y
electricidad combinados
Generación de calor N. A
Bomba de calor
N. A
Caldero
Calefactor solar de aire
Calentador solar de agua
Calentadores de fluidos
térmicos
Horno
Otro
Sistema de Biomasa
Generación de frio N. A
Absorción
Bomba de calor
Compresor
Desecante
Enfriamiento al natural
Calentamiento y
enfriamiento combinados N. A N. A
Definido por el usuario
Fuente: Elaboración propia
65
4.2 Descripción de manejo del software RETScreen
La simulación de un proyecto de generación en el software RETScreen inicia con el
ingreso de la información general del proyecto en la hoja de trabajo Comenzar, además de la
selección de parámetros iniciales como Tipo de proyecto, Tecnología, Tipo de red, entre otros
(ver Figura 15), necesarios para la evaluación técnica, económica y ambiental del caso de
estudio.
Figura 15. Información general del proyecto. Fuente: elaboración propia
De acuerdo con la Figura 15, es posible observar los parámetros relacionados con el
tipo de proyecto (1), la tecnología (2) y el tipo de red (3), que ofrece el software RETScreen
para el análisis de proyectos (para mayor información ver tabla 15). Otra de las opciones de
entrada corresponde al tipo de análisis (4) y por ultimo al poder calorífico de referencia (5).
En cuanto a los parámetros mencionados anteriormente se hacen las siguientes
observaciones:
1
3 2
5
4
66
RETScreen ofrece dos opciones en la entrada correspondiente al tipo de análisis. El
método 1 es un método simplificado, mientras que el método 2 realiza el análisis técnico,
económico y ambiental en hojas de trabajo independientes situación que requiere ingresar
parámetros de entrada adicionales no contemplados en el método 1.
Las opciones de selección disponibles asociadas al poder calorífico de referencia son: el
PCI y el PCS. Siendo el PCS el valor utilizado en países como Canadá y Estados Unidos,
mientras que el PCI es usado en el resto del mundo.
Adicionalmente, el programa solicita datos meteorológicos de la ubicación del sitio,
los cuales pueden ser consultados en la base de datos del software si se encuentra disponible
o de lo contrario, en la página de la nasa https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi,
donde luego de ingresar las coordenadas del sitio, se extrae la información y se adiciona en
las casillas correspondientes como se muestra en la Figura 16.
Figura 16. Datos meteorológicos del proyecto. Fuente: elaboración propia
67
Luego de diligenciar los datos en la página Comenzar, se procede a diligenciar la hoja
de trabajo Modelo de Energía, en la cual se ingresa la información requerida para ejecutar el
análisis del proyecto, información que varía de acuerdo a los parámetros seleccionados en la
hoja Comenzar, es decir, si se realiza el estudio para un proyecto de “generación de
electricidad”, la hoja de Modelo de Energía será diferente a la que se genera para el estudio
de un proyecto de “calentamiento y electricidad combinados”.
En general, la información ingresada en la hoja Modelo de Energía es la requerida
para realizar el análisis técnico (capacidad de generación eléctrica, tipo de combustible,
precio del combustible, etc.), el análisis ambiental (factor de emisión de GEI, pérdidas en
transmisión y distribución, etc.) y el análisis económico (parámetros financieros, costos
iniciales, costos anuales, entre otros) del proyecto seleccionado.
En la Figura 16, 17 y 18 se muestra la información requerida en la hoja Modelo de
Energía tomando como ejemplo un proyecto de generación de electricidad seleccionando
como tecnología un motor a pistones y un tipo de red central.
Figura 17. Datos para el análisis técnico. Fuente: elaboración propia
A continuación, se realiza la descripción de los parámetros seleccionados en la Figura
17:
1
2
3
4
5
6
7
68
1. Disponibilidad: corresponde a la cantidad de horas que puede funcionar el motor,
teniendo en cuenta la cantidad de combustible obtenido teóricamente y el combustible
necesario para su funcionamiento continuo a partir de los datos proporcionados por el
fabricante.
2. Tipo de combustible: este parámetro corresponde al tipo de combustible propio del
proyecto, es posible seleccionar la opción Combustible definido por el usuario y definir
sus características en la hoja de trabajo Herramientas.
3. Precio del combustible: corresponde al valor que paga el usuario por el combustible.
4. Capacidad de generación eléctrica: se refiere la capacidad de generación que especifica
el fabricante en los catálogos del equipo de la tecnología seleccionada.
5. Rendimiento calórico: definido en el manual de ayuda del RETScreen como “la cantidad
de energía de entrada del combustible requerido para producir 1 kWh de electricidad.
Este valor es el cociente entre la energía de entrada por hora del motor y la capacidad de
generación eléctrica.
6. Tarifa de exportación de electricidad: se define como el precio de distribución del kWh
fijado por las electrificadoras.
7. Costos iniciales incrementales: Precio de la planta eléctrica sin incluir el costo de
instalación.
69
Figura 18. Datos para el análisis ambiental. Fuente: elaboración propia
De acuerdo con la Figura 18, se puede observar que:
1) Un parámetro necesario para el Análisis de emisiones es el valor de las pérdidas en
transmisión y distribución que para el 2013 fueron del 12 %.
Figura 19. Datos para el análisis económico. Fuente: elaboración propia
En la Figura 19 se observan los siguientes datos:
1) Tiempo de vida del proyecto: tiempo sobre el cual se evalúa la viabilidad financiera del
proyecto. Por ejemplo, para proyectos de generación de electricidad con motor a pistones
1
1
2
3
4
70
y biogás como combustible, el tiempo de vida útil del proyecto es de 25 años
aproximadamente.
2) Costos iniciales – Otro: en este apartado se tiene en cuenta costos adicionales del proyecto
tales como: costo de instalación, precio de la tecnología de conversión, mano de obra,
etc., necesarios para dar inicio al proyecto
3) Incentivos y donaciones: de acuerdo con la ley 1715 de 2014, el decreto 2143 de 2015 y
la resolución 045 de 2016 en Colombia, existen algunos incentivos y donaciones para
proyectos de generación con FNCE, como por ejemplo la exención del IVA a todos los
recursos materiales necesarios para la implementación del proyecto.
4) Ahorros y rentas anuales – otro: en esta casilla se puede ingresar los ahorros o ingresos
anuales que no se han tenido en cuenta anteriormente. Por ejemplo, los ingresos
provenientes de la venta de abono orgánico como resultado del proceso de biodigestión.
Por último, en la hoja de trabajo Herramientas, RETScreen ofrece opciones de
selección adicionales que complementan los datos ingresados anteriormente para realizar el
análisis del proyecto
Por ejemplo, para un proyecto de generación de electricidad a partir de biogás
obtenido de las excretas ganaderas, algunas de las opciones más importantes en la hoja de
Herramientas son: Biogás (Figura 20), Combustible definido por el usuario – gas (Figura
21), y Combustible definido por el usuario (Figura 22).
71
Figura 20. Opciones de selección. Opción Biogás. Fuente: elaboración propia
Como se muestra en la Figura 20, en la opción de Biogás, se adiciona la información
de los recursos de biomasa residual disponibles para la producción de biogás. Por ejemplo,
es posible seleccionar opciones como: bagazo de fruta, desechos biológicos municipales,
ganado lechero, entre otros.
Figura 21. Opción Combustible definido por el usuario – gas. Fuente: elaboración propia
72
Después de completar la opción de biogás se ingresa la información correspondiente
a la opción Combustible definido por el usuario – gas, con el porcentaje de metano producto
de la plantilla anterior.
Figura 22. Opción Combustible definido por el usuario. Fuente: elaboración propia
Con los resultados obtenidos en la opción Combustible definido por el usuario – gas,
se diligencia la información requerida en la plantilla Combustible definido por el usuario,
información necesaria para completar la hoja de trabajo Modelo de Energía.
Después de haber ingresado la información en las tres hojas de trabajo, se podrán ver
los resultados finales del análisis técnico, ambiental y económico en la hoja de Modelo de
Energía, que permiten analizar los resultados y concluir acerca de la viabilidad del proyecto
objeto de estudio.
Algunos resultados disponibles en la hoja Modelo de Energía son:
Proyecto de generación eléctrica: esta sección aparece únicamente cuando el usuario
define como tipo de red – Fuera de Red. Como resultado se obtiene la demanda de
electricidad anual en CC y CA para el caso base y el caso propuesto.
73
Sistema eléctrico de potencia del caso propuesto: se muestra la electricidad entregada
a la carga para proyectos en Fuera de red y la electricidad exportada a la red para
proyectos en Red aislada.
Análisis de emisiones: el software calcula las emisiones anuales de GEI tanto para el
caso base como para el caso propuesto. La reducción anual bruta de emisiones GEI es el
resultado de la diferencia entre las emisiones del caso base y el caso propuesto, y la
reducción de emisiones GEI anual neta considera un porcentaje en los derechos de
transacción por créditos GEI, el cual, entre mayor sea este porcentaje menor es la
reducción de emisiones.
Análisis financiero: se obtiene como resultado los costos anuales totales (suma del costo
de O y M anual, costo del combustible – caso propuesto y el pago de la deuda), el total
de renta y ahorros anuales (representados por la suma del costo del combustible – caso
base, el valor ingresado en la casilla otro y la renta por exportación de electricidad, este
último no se considera para el tipo de proyecto Fuera de red) y el gráfico de flujo de caja
acumulado durante el ciclo de vida del proyecto.
Dentro de este análisis se puede observar la viabilidad financiera del proyecto, la cual se
representa con el resultado de indicadores como la TIR antes de impuestos – capital, TIR
antes – impuestos – activos, el repago – capital, entre otros.
El análisis financiero se puede observar con mayor detalle en la hoja de trabajo Análisis
Financiero, la cual se encuentra oculta por defecto en el programa. Adicionalmente en
esta hoja se pueden ver otros indicadores como el Valor Presente Neto (VPN), Ahorros
anuales en ciclo de vida, Relación Beneficio-Costo, flujos de caja anuales durante el
tiempo de vida del proyecto, etc.
75
Capítulo 5
Estimación del potencial energético caso de estudio: Finca Quebrada Grande,
Municipio Briceño – Boyacá.
5.1 Ubicación y características principales
La Finca Quebrada Grande se encuentra ubicada a 5,65° Latitud Norte y 73,9°
Longitud Oeste, en la Vereda El Diamante del Municipio de Briceño – Boyacá, vereda que
presenta una temperatura media de 16,2 °C y una humedad relativa del 77,7 % (NASA,
2016).
Figura 23. Imagen satelital Finca Quebrada Grande, Briceño – Boyacá. Fuente: Google Earth
La Finca cuenta con una extensión de
15 hectáreas dedicadas exclusivamente
a la crianza de ganado vacuno para la
producción de leche, se evidencia que el
ganado no se encuentra estabulado y se
alimenta principalmente de pasto fresco
(pastoreo) y concentrado.
76
La Figura 24, presenta un registro fotográfico general de la Finca Quebrada Grande
Figura 24. Registro fotográfico Finca Quebrada Grande, Briceño – Boyacá. Elaboración propia
77
5.2 Cuantificación y clasificación del ganado vacuno por grupo etario
De acuerdo al estudio sectorial de carne bovina en Colombia presentado por la
Superintendencia de Industria y Comercio existen diversos criterios de diferenciación del
ganado vacuno, uno de ellos corresponde a la edad de las reses (grupo etario) subdividido
como se muestra en la Tabla 16.
Tabla 16. Clasificación de ganado vacuno por grupo etario
Subsector Grupo etario
[meses]
Terneros 0 - 12
Novillas 12 - 24
Vaca de primer parto 24 - 36
Vaca de producción > 36
Fuente: (Superintendencia de Industria y Comercio , 2012)
De acuerdo con lo anterior se realizó la cuantificación y clasificación del ganado
vacuno del caso de estudio tal como se muestra en la Tabla 17.
Tabla 17. Clasificación de ganado bovino Finca Quebrada Grande
N° Nombre Fecha de
nacimiento
Edad
[meses] Raza Clasificación
1 Maruja 09/12/2010 62 Normanda Vaca de Producción
2 Golondrina 09/01/2011 61 Normanda Vaca de Producción
3 Pepita 23/09/2011 53 Holstein Vaca de Producción
4 Chata 23/12/2011 50 Holstein Vaca de Producción
5 Luna 08/01/2012 49 Holstein Vaca de Producción
6 Chocolatina 08/05/2012 45 Jersey Vaca de Producción
7 Lola 02/07/2012 43 Holstein Vaca de Producción
8 Carmela 15/07/2012 43 Jersey Vaca de Producción
9 Violeta 04/08/2012 42 Normanda Vaca de Producción
10 Chavita 24/10/2012 40 Holstein Vaca de Producción
11 Candela 26/10/2012 39 Holstein Vaca de Producción
12 Cucaracha 27/10/2012 39 Jersey Vaca de Producción
13 Aroma 07/11/2012 39 Normanda Vaca de Producción
14 Lucero 12/01/2013 37 Normanda Vaca Primer Parto
15 Nieve 16/05/2013 33 Normanda Vaca Primer Parto
78
N° Nombre Fecha de
nacimiento
Edad
[meses] Raza Clasificación
16 Gitana 18/05/2013 33 Holstein Vaca Primer Parto
17 Curuba 14/08/2013 30 Holstein Vaca Primer Parto
18 Manzana 12/09/2013 29 Holstein Vaca Primer Parto
19 Crispeta 15/09/2013 29 Normanda Vaca Primer Parto
20 Lombriz 12/10/2013 28 Normanda Vaca Primer Parto
21 Beyota 09/03/2014 23 Normanda Novilla
22 Corbata 25/03/2014 23 Normanda Novilla
23 Mona 15/05/2014 21 Normanda Novilla
24 Brincos 18/05/2014 21 Jersey Novilla
25 Almendra 30/05/2014 20 Holstein Novilla
26 Caperuza 11/09/2014 17 Holstein Novilla
27 Paloma 11/09/2014 17 Normanda Novilla
28 Avispa 27/09/2014 16 Normanda Novilla
29 Mabel 06/10/2014 16 Normanda Novilla
30 Estrella 26/10/2014 15 Holstein Novilla
31 Primavera 29/12/2014 13 Holstein Novilla
32 Barbie 22/01/2015 13 Holstein Ternera
33 Lucha 24/02/2015 12 Jersey Ternera
34 Esmeralda 17/03/2015 11 Jersey Ternera
35 Michell 24/08/2015 6 Normanda Ternera
36 Celmi 07/12/2015 2 Normanda Ternera
37 Panela 18/12/2015 2 Holstein Ternera
38 Negra 11/01/2016 1 Normanda Ternera
Fuente: Elaboración propia. Datos tomados en febrero 2016
Para el caso de fincas dedicadas a la producción de carne, la edad promedio de
sacrifico del ganado bovino esta alrededor de los 2 a 3 años, edad en la que se considera que
el ganado tiene un peso apropiado. Sin embargo, de acuerdo con información de la revista
Contexto Ganadero, el ganado bovino en Colombia no maneja una edad y peso fijo para ser
sacrificado, es decir no existe una reglamentación vigente que obligue a los propietarios de
fincas ganaderas a cumplir estándares en cuanto a peso y edad para el sacrificio del ganado
bovino (Revista Contexto Ganadero, 2014).
79
5.3 Estimación de la cantidad de biomasa residual bovina disponible
Para determinar la cantidad de biomasa residual bovina (BRb) disponible se estima el
8 % del peso vivo del animal (Villamil, 2014) (Morais, 2014) (Avendaño, 2010), sin
embargo de acuerdo con la información suministrada por la UPME en el “Atlas del Potencial
Energético de la Biomasa Residual en Colombia” y el artículo “Metodología para la
estimación del potencial energético de biomasa y su aplicación en Colombia” se construye
la Tabla 18, donde se establece una tasa de producción de estiércol de acuerdo al grupo etario
del ganado bovino.
Tabla 18. Tasa de producción de estiércol
Subsector
Grupo
etario
[meses]
Tasa de producción
de estiércol a
[kg/cabeza*día]
Tasa de producción
de estiércol b
[kg/cabeza*día]
Terneros 0 - 12 4 4 - 4,0822
Novillas 12 - 24 9 9 - 11,78
Vaca de primer parto 24 - 36 14 9,53 - 14
Vaca de producción > 36 18 18 - 41,72
Fuente: a (UPME, 2010) b (Gonzales, y otros, 2014)
Para estimar la biomasa residual bovina disponible propia del caso de estudio se
consideró más acertado trabajar con los datos que definen un rango de producción de estiércol
(ver Tabla 18), considerando que factores como la alimentación, el estado fisiológico del
animal y las condiciones climáticas, pueden ocasionar variaciones en la producción del
recurso.
5.4 Caracterización de la biomasa.
Para determinar el potencial energético teórico y técnico (ver Capítulo 2) es necesario
establecer los valores que identifican variables como la fracción recuperable, factor de
conversión, rendimiento del biogás, poder calorífico inferior del metano (PCI), entre otros,
correspondientes a la caracterización de la biomasa (Véase Anexo 3).
80
Para el caso de estudio se optó por utilizar los valores recopilados en el Anexo 3
debido a los costos que representa los análisis de laboratorio de las muestras recuperadas
(Tablas 2 y 3, Anexo 1).
5.5 Estimación del potencial energético teórico
Para determinar el potencial energético se propone seguir una metodología enfocada
en los recursos a partir del análisis espacial. Aplicando la formulación matemática propuesta
en el Capítulo 2 y los valores recopilados en el Anexo 3, se determinó el valor de potencial
energético teórico teniendo en cuenta el recurso disponible para cada grupo etario. Los
resultados obtenidos se muestran en la Tabla 23.
5.6 Características de la ruta de conversión
Para el caso de estudio se determina que el porcentaje de humedad del recurso
disponible es superior al 75 % por lo tanto se establece que la ruta de conversión más
apropiada es la conversión biológica – conversión electromecánica que corresponde al
proceso de digestión anaerobia – motor de combustión interna (Ver figura 10), cuyo
componente principal es el biodigestor (para mayor información consultar Anexo 4, numeral
4.3)
5.6.1 Dimensionamiento del Biodigestor
De acuerdo con la cantidad de estiércol recolectado diariamente se lleva a cabo el
cálculo de las dimensiones del biodigestor, así como del tanque de recolección (entrada) y el
tanque del efluente (abono orgánico). Las tablas 21, 22 y 23 presentan las dimensiones del
biodigestor y los tanques de entrada y salida, así como la cantidad de biogás y abono orgánico
producido diariamente a partir de la digestión del estiércol (para más información véase Tabla
15 Anexo 4).
81
Tabla 19. Características del estiércol para el dimensionamiento del biodigestor
Masa del
residuo
[kg/día]
Fracción
recuperable
MCP
[kg/día]
%ST
ST
[kg/día]
MH2O
[kg/día]
C
[kg/día]
TR
[días]
798,515 0,125 99,814 16 15,970 299,443 399,258 64,052
Fuente: Elaboración propia
Tabla 20. Dimensiones biodigestor y tanques de recolección y del efluente
Volumen del digestor
[m3]
Tanque de recolección
[m3]
Tanque del efluente
[m3]
30,688 1,1978 10,780 Fuente: Elaboración propia
Tabla 21. Producción de biogás y bioabono diario
Producción de biogás
[m3]
Producción de abono orgánico
[m3]
23,469 0,279
Fuente: Elaboración propia
Para llevar a cabo la digestión de los recursos disponibles se ha elegido el sistema
Biobolsa debido a sus características de instalación, operación y mantenimiento (para mayor
información consultar Anexo 4, numeral 4.3.3). Teniendo en cuenta una recolección de
estiércol de 100 kg/día (ver Tabla 21) y los datos proporcionados en la Tabla 16 del Anexo
4, se determina que el modelo del sistema para el caso de estudio corresponde al BB60
compuesto por un sistema doble (BB30) como se muestra en la Figura 25.
Figura 25. Sistema Biobolsa BB60. Fuente : (Sistema Biobolsa, 2016)
82
Las dimensiones de las zanjas para la instalación del sistema son: 11 m de largo, 2.2
m de ancho y 1.2 m de profundo (ver Tabla 17, Anexo 4) y las dimensiones del chaflán
deberán ser de 0.6 m de alto por 0.6 m de profundo. Para realizar la conexión al motor se
deberá disponer de un adaptador para de ½”, esto para motores hasta de 5 HP. Los pasos para
la instalación del sistema se resumen en el numeral 4.3.3.1 del Anexo 4.
5.7 Tecnología de conversión
La tecnología de conversión seleccionada para la aplicación del caso de estudio es el
motor de combustión interna de encendido por chispa a gasolina, el cual se caracteriza porque
puede sustituirse el 100 % del combustible por biogás a través de un sistema de conversión,
el cual tiene un costo de $ 1´000.000 COP, valor que varía de acuerdo con la capacidad del
motor (Ver numeral 4.2.1, Anexo 4). Cabe resaltar que existen otras tecnologías como se
describe en el Anexo 4. La Tabla 22 especifica las características técnicas del motor.
Tabla 22. Placa característica del motor
MOTOR GENPAR 4 KVA
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
GENERADOR
Modelo GPG4000
Tipo de generador Monofásico
Regulador de voltaje AVR
Frecuencia 60 Hz
Potencia continua 3250 W
Potencia máxima 4000 W
Voltaje Disponible 220/120 V
MOTOR A GASOLINA
Tipo de Motor OHV, 4 tiempos
Desplazamiento 196 ml
Radio de compresión 8,5:1
Torque Max 13/2500 N.m/rpm
Consumo de Combustible 374 (g/HP-horas)
Potencia del Motor/RPM 7/3600 (HP/rpm)
83
MOTOR GENPAR 4 KVA
GRUPO ELECTRÓGENO
Sistema de arranque Manual
Nivel de Ruido 67@7 mts dB(A)
Horas de operación con tanque
lleno
8 hrs con el 50 % de la carga
Capacidad del tanque 15 L
Panel de control 2 Salidas 110 y 220 V y breaker de
Protección
Dimensiones LxAnxAl 600 x 450 x 460 mm
Peso Bruto/Neto 52/48 kg
Fuente: (Genpar, 2016)
A continuación, se presenta el plano con la localización del sistema de biodigestión,
así como el motor en la Finca Quebrada Grande (Ver Figura 26)
Figura 26. Plano ubicación sistema de biodigestión en la Finca Quebrada Grande. Fuente:
elaboración propia
5.8 Estimación del potencial energético técnico
La estimación del potencial energético técnico se realiza a partir de los resultados
concernientes al potencial energético teórico (Ver tabla 19) y a características que se definen
en la formulación matemática propuesta en el capítulo 2. La fracción recuperable
84
corresponde a 12,5 % del residuo, en cuanto a la eficiencia de la ruta de conversión
(biodigestor) se define un valor del 90 % (Moncayo, 2010) y la eficiencia eléctrica del
sistema corresponde al 35 % (Ver tabla 11, Anexo 4). Los resultados del potencial energético
técnico se muestran en la Tabla 19.
La información de la Tabla 19 se obtiene a partir de la aplicación de las ecuaciones
(19), (20), (22) y (23) presentadas en el capítulo 2. Por ejemplo, para el grupo etario de 0 –
12 meses tenemos:
𝑃𝐶𝐼𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠 = 33,948 ∗ 63,72 = 21,631 [𝑀𝐽
𝑚3]
𝑃𝑇𝑅 = 7 ∗ 4 ∗ 365 ∗ 0,855 ∗ 0,275 ∗ 21,631 = 51,976 [𝐺𝐽
𝑎ñ𝑜]
𝜂 = 0,35 ∗ 0,9 = 31,5 %
𝑃𝑇𝐶 = 51,976 ∗ 0,125 ∗ 0,315 ∗ 277,77 = 568,492 [𝑘𝑊ℎ
𝑎ñ𝑜]
Nota: para el ejemplo se tiene un valor de producción de estiércol definido por un
rango de (4 – 4,082) kg/cabeza – día, el cálculo de potencial energético teórico y técnico se
realiza teniendo en cuenta el valor mínimo.
85
Tabla 23. Potencial energético teórico y técnico caso de estudio Briceño – Boyacá
Subsector
Grupo
etario
[meses]
Tasa de
producción de
estiércol
[kg/cabeza*día]
Población
[cabezas]
Masa del residuo
[kg/año]
Fracción de
Sólidos Volátiles
[kgSV/kg]
Rendimiento del
Biogás Bo
[m3biogas/kgSV]
PCI Biogás
[MJ/m3]
Terneros 0 - 12 4 4,0822 7 10220 10430,021
0,855 0,275 21,631
Novillas 12 - 24 9 11,78 11 36135 47296,7
Vaca de
primer
parto
24 - 36 9,53 14 7 24349,15 35770
Vaca de
producción > 36 18 41,72 13 85410 197961,4
Total 38 156114,15 291458,121
Potencial Energético
Teórico
[GJ/año]
Potencial Energético
Técnico
[GJ/año]
Potencial Energético
Técnico
[kWh/año]
51,976 53,045 2,047 2,089 568,492 580,174
183,774 240,539 7,236 9,471 2010,025 2630,899
123,834 181,917 4,876 7,163 1354,432 1989,722
434,374 1006,783 17,103 39,642 4750,968 11011,688
793,958 1482,284 31,262 58,365 8683,917 16212,484
Fuente: Elaboración propia
86
De acuerdo a los resultados obtenidos en la Tabla 19 correspondientes al potencial
energético técnico, se tiene que la cantidad de energía eléctrica generada diariamente de
acuerdo a los recursos disponibles en la Finca Quebrada Grande es de 23,79 kWh/día.
La Tabla 20 muestra la comparación de los datos obtenidos a partir de la aplicación
de las metodologías descritas en el Capítulo 1 (“An assessment of the potential for non-
plantation biomass resources in selected Asian countries for 2010”, “Methodology for
estimating biomass energy potential and its application to Colombia”) y la metodología
propuesta. Para mayor información ver Anexo 8.
Tabla 24. Comparación de datos a partir de la estimación de potencial energético teórico y
técnico
Fuente: Elaboración propia
5.9 Simulación del caso de estudio Briceño – Boyacá en el software RETScreen
5.9.1 Proyecto: Generación de electricidad – Fuera de red
Para proyectos de autogeneración, la configuración inicial correspondiente del “tipo
de red” en la hoja Comenzar de RETScreen es la opción Fuera de red, por tanto, la primera
simulación es realizada teniendo en cuenta esta configuración.
5.9.1.1 Parámetros iniciales
Los parámetros seleccionados en la hoja de trabajo Comenzar son:
Metodología
Potencial Energético
Teórico
[GJ/año]
Potencial Energético
Técnico
[GJ/año]
Propia 793,958 31,262
1482,284 58,365
Caso estudio Colombia - Italia
610,047 73,206
146,411
2968,210 356,185
712,370
Caso estudio Asia (UPME) 80,36
87
Tipo de proyecto: Generación de electricidad
Tecnología: Motor a pistones
Tipo de red: Fuera de red
Tipo de análisis: Método 1
Poder calorífico de referencia: Poder Calorífico Inferior (PCI)
De acuerdo con lo anterior se hacen las siguientes observaciones:
1. La selección del motor a pistones como tecnología de conversión se debe a la
disponibilidad de estos equipos en potencias a pequeña escala (véase Tabla 9 Anexo 4).
2. Se elige como tipo de análisis el método 1 debido a la escasa información que presenta
RETScreen acerca del desarrollo de proyectos de generación de electricidad a partir del
aprovechamiento de la biomasa.
Los parámetros iniciales y valores ingresados en la hoja Modelo de Energía se
presentan en la Tabla 25.
Tabla 25. Información inicial, hoja Modelo de Energía
SECCIÓN PARÁMETRO VALOR
Pro
yec
to d
e
gen
eraci
ón
elé
ctri
ca
Sistema eléctrico de
potencia del caso base
Tecnología Electricidad de la red
Precio del combustible 267,428 COP/kWh (1)
Capacidad 3,00 kW
Características de la
carga
Demanda de electricidad - diaria
- CC
Caso base: 0,000 kWh
Caso propuesto: 0,000 kWh
Demanda de electricidad - diaria
- CA
Caso base: 1,931 kWh (2)
Caso propuesto: 3,000 kWh (3)
Porcentaje del mes
usado Carga punta – anual 3,00 kW
Sis
tem
a e
léct
rico
de
pote
nci
a d
el c
aso
pro
pu
esto
Motor a pistones
Tipo de combustible Combustible definido por el
usuario
Precio del combustible 0,00 COP/m3
Capacidad de generación
eléctrica 3,73 kW
Disponibilidad 100 %
Rendimiento Calórico 12.356 kJ/kWh
Costos iniciales incrementales 1.815.000 COP (4)
88
SECCIÓN PARÁMETRO VALOR
Sis
tem
a e
léct
rico
de
po
ten
cia
del
caso
pro
pu
esto
Sistema eléctrico de
potencia de carga punta Tecnología No requerido
An
áli
sis
de
emis
ion
es Caso base del sistema
eléctrico (línea base) Pérdidas T y D 12 %
Emisiones GEI Derecho de transacción por
créditos GEI 0,0 %
An
áli
sis
fin
an
cier
o
Parámetros financieros
Tasa de inflación 6, 77 % (5)
Tiempo de vida del proyecto 25 años
Relación de deuda 70 %
Tasa de interés de la deuda 10,62 % (6)
Duración de deuda 15 años
Costos iniciales Otro 14.131.907 COP (7)
Incentivos y donaciones Incentivos y donaciones 2.551.505 COP (8)
Costos anuales/pagos de
deuda Costos de O y M (ahorros) 114 COP (9)
Ahorros y renta anuales Otro 787.450 COP (10)
Fuente: elaboración propia
De acuerdo con la Tabla 25 se pueden hacer las siguientes observaciones:
1) El precio del combustible para el sistema eléctrico de potencia del caso base es el valor
promedio durante doce meses (junio 2015 - mayo 2016) de la tarifa subsidiada de energía
eléctrica para el sector residencial – estrato 2 por la Empresa de Energía de Boyacá –
EBSA. El subsidio en la tarifa se presenta para los estratos 1, 2 y 3, sin embargo, desde
el punto de vista del mercado es más adecuado trabajar con el costo unitario completo
del kWh.
2) La demanda de la electricidad – diaria – CA caso base se determina como el consumo
promedio diario durante el mismo periodo del numeral anterior.
3) La demanda de la electricidad – diaria – CA caso propuesto se establece asumiendo un
consumo del 55 % superior al caso base.
89
4) El costo inicial incremental es el valor de la planta eléctrica GENPAR GPG4000 al año
2015.
5) La tasa de inflación corresponde al año 2015.
6) La tasa de interés efectiva anual corresponde a un crédito de consumo con plazo superior
a 5 años y fecha de corte al 8 de julio de 2016 (Superintendencia Financiera de Colombia,
2016).
7) El valor registrado en la casilla otro de los costos iniciales corresponde a la suma de:
costo de conversión de la planta eléctrica de gasolina a gas (1.000.000 COP aprox.), costo
de instalación de la planta eléctrica (50 % costo del capital) y el valor del biodigestor
($12.224.407 COP, equipo, accesorios e instalación).
8) Los incentivos y donaciones se establecen como el 16 % (IVA) de los costos iniciales
totales.
9) De acuerdo con (Andrade, 2007) y (Guan, Zhao, Zhang, Shan, & Liu, 2009), el costo
mínimo de O y M es de 0,007 USD/kW; al 2015 este valor sería de 0,01 USD/kW. El
valor registrado en el software está referido en pesos colombianos al mes de agosto de
2016.
10) En la casilla otro de los ahorros y renta anuales se ingresa el valor del abono orgánico
vendido anualmente. El abono orgánico producido para el presente caso de estudio fue
de 0,279 m3 durante 64 días (véase Tabla 23), la producción de bioabono estimada
anualmente fue de 1,395 m3 o 1395 dm3, fijándose el precio de venta por cada 1 dm3 de
564,48 COP.
A continuación, se presenta la información ingresada en cada una de las opciones
seleccionadas en la hoja de trabajo Herramientas.
90
Biogás: se ha seleccionado como tipo de residuo la opción de “ganado lechero”
teniendo en cuenta un peso promedio de 230 kg para vacas jóvenes y 400 kg para
vacas maduras (IPCC, 1996), obteniéndose como resultado un contenido de metano
del 60 %.
Combustible definido por el usuario – gas: se ingresa en la casilla Metano del análisis
elemental el contenido de metano obtenido anteriormente y el porcentaje faltante para
completar el 100 % se ha establecido en Dióxido de carbono (40 %), consiguiendo
de esta forma los resultados del PCI y la densidad del biogás.
Combustible definido por el usuario: en las casillas Poder Calorífico Inferior (PCI)
y Densidad se registran los valores obtenidos en la opción anterior. Este combustible
será el que se considere en la hoja de trabajo Modelo de Energía.
5.9.1.2 Resultados obtenidos
Los resultados obtenidos a partir de la simulación en RETScreen, se presentan en la
Tabla 26 y en la Figura 27 se puede ver el flujo de caja acumulado durante el tiempo de vida
del proyecto.
Tabla 26. Resultados obtenidos, hoja Modelo de Energía
SECCIÓN PARÁMETRO VALOR
Pro
yec
to d
e
gen
eraci
ón
eléc
tric
a
Porcentaje del mes
usado
Demanda de electricidad - anual -
CC
Caso base: 0,000 MWh
Caso propuesto: 0,000 MWh
Demanda de electricidad - anual -
CA
Caso base: 0,705 MWh (1)
Caso propuesto: 1,095 MWh (2)
Sis
tem
a
eléc
tric
o d
e
pote
nci
a d
el
caso
pro
pu
esto
Motor a pistones Electricidad entregada a la carga 1,1 MWh (3)
91
SECCIÓN PARÁMETRO VALOR
An
áli
sis
de
emis
ion
es
Emisiones GEI
Emisiones GEI Caso base: 0,1 tCO2
Caso propuesto: 0,0 tCO2
Reducción anual bruta de
emisiones GEI 0,1 tCO2
Reducciones de emisiones GEI
anual neta 0,1 tCO2
An
áli
sis
fin
an
cier
o
Costos iniciales Costos iniciales totales 15.946.907 COP (4)
Costos anuales/pagos
de deuda
Pago de la deuda – 15 años 1.519.934 COP
Costos anuales totales 1.520.048 COP (5)
Ahorros y renta
anuales
Costo de combustible – caso base 188.487 COP (6)
Total renta y ahorros anuales 975.937 COP (7)
Viabilidad financiera
TIR antes de impuestos – capital 14,1 % (8)
Repago – capital 14,4 años (9)
Valor Presente Neto (VPN) 38.730.827 COP
Ahorros anuales en ciclo de vida 1.549.233 COP/año
Relación beneficio – costo 9,10
Fuente: elaboración propia
Figura 27. Gráfico de flujo de caja acumulado proyecto Fuera de red. Fuente: obtenido de
RETScreen. Elaboración propia
De acuerdo con la Tabla 26 se puede observar que:
1) La demanda de la electricidad – anual – CA caso base se determina como el producto
entre la demanda de la electricidad – diaria – CA caso base y los 365 días del año
92
2) La demanda de la electricidad – anual – CA caso propuesto se determina como el
producto entre la demanda de la electricidad – diaria – CA caso propuesto y los 365 días
del año
3) La electricidad entregada a la carga es la suma entre la demanda de la electricidad –
anual – CA caso propuesto y la demanda de la electricidad – anual – CC caso propuesto.
4) Los costos iniciales totales se determinan como la suma entre los costos iniciales
incrementales y el valor de la casilla otro de los costos iniciales.
5) Los costos anuales totales son el resultado de la suma entre el pago de la deuda – 15
años y los costos de O y M.
6) El costo del combustible – caso base se obtiene de la multiplicación entre el precio del
combustible del caso base y el valor resultante de la suma entre la demanda de
electricidad – anual – CA caso base y la demanda de electricidad – anual – CC caso
base.
7) El total renta y ahorros anuales es el resultado de la suma entre el costo de combustible
– caso base y el valor de la casilla otro de los ahorros y renta anuales.
8) La TIR se determina a partir de los valores del flujo de caja anuales (hoja de trabajo
Análisis financiero) durante el tiempo de vida del proyecto
9) El parámetro repago – capital indica el año en que el flujo de caja acumulado pasa a tener
valores positivos (véase Figura 27).
5.9.2 Proyecto: Generación de electricidad – Red aislada
Para el caso de estudio también se realiza la simulación en RETScreen considerando
el tipo de red – red aislada asumiendo que toda la electricidad producida será exportada a la
red. El análisis en este tipo de red se hace debido a que actualmente en el país los
93
autogeneradores a pequeña escala no pueden suministrar sus excedentes a la red ya que su
regulación se encuentra en proceso. Este tipo de simulación sería similar al de un sistema de
Generación Distribuida.
5.9.2.1 Parámetros iniciales
Los parámetros seleccionados en la hoja de trabajo Comenzar son los mismos que en
el caso anterior a diferencia del tipo de red donde se elige Red – Aislada.
Los parámetros iniciales y valores ingresados en la hoja Modelo de Energía se
presentan en la Tabla 27 .
Tabla 27. Información inicial, hoja Modelo de Energía Red aislada
SECCIÓN PARÁMETRO VALOR
Sis
tem
a e
léct
rico
de
pote
nci
a d
el c
aso
pro
pu
esto
Motor a pistones
Disponibilidad 46 % (1)
Tipo de combustible Combustible definido por el
usuario
Precio del combustible 0,00 COP/m3
Capacidad de generación
eléctrica 3,73 kW
Rendimiento Calórico 12.356 kJ/kWh
Costos iniciales incrementales 1.815.000 COP
Tarifa de exportación de
electricidad
Tarifa de exportación de
electricidad 152.212 COP/MWh (2)
An
áli
sis
de
emis
ion
es Caso base del sistema
eléctrico (línea base) Pérdidas T y D 12 %
Emisiones GEI Derechos de transacción por
créditos GEI 0,0 %
An
áli
sis
fin
an
cier
o
Parámetros financieros
Tasa de inflación 6, 77 %
Tiempo de vida del proyecto 25 años
Relación de deuda 70 %
Tasa de interés de la deuda 10,62 %
Duración de deuda 10 años (3)
Costos iniciales Otro 14.131.907 COP
Incentivos y donaciones Incentivos y donaciones 2.551.505 COP
Costos anuales/pagos de
deuda Costos de O y M (ahorros) 114 COP
Ahorros y renta anuales Otro 787.450 COP
Fuente: elaboración propia
94
De acuerdo con la Tabla 27 se pueden hacer las siguientes observaciones:
1. La disponibilidad se determina teniendo en cuenta la cantidad necesaria de biogás para
que el motor funcione de forma continua y el biogás producido a partir del recurso
disponible, es decir, si el biogás obtenido es igual al biogás requerido entonces la
disponibilidad será del 100 %.
2. Precio de distribución del kWh fijado por la Empresa de Energía de Boyacá – EBSA a
noviembre de 2015.
3. La duración de la deuda es cinco años menos respecto al tipo de proyecto Fuera de red
debido a que en el proyecto Red aislada se obtienen los ingresos provenientes de la venta
de electricidad a la red.
La información registrada en las opciones seleccionadas de la hoja de trabajo
Herramientas es la misma que en el tipo de proyecto Fuera de red.
5.9.2.2 Resultados obtenidos
Los resultados obtenidos en RETScreen, se presentan en la Tabla 28 y en la Figura
28 el flujo de caja acumulado.
Tabla 28. Resultados obtenidos, hoja Modelo de Energía proyecto Red aislada
SECCIÓN PARÁMETRO VALOR
Sis
tem
a
eléc
tric
o d
e
po
ten
cia
del
caso
pro
pu
esto
Motor a pistones Electricidad exportada a la red 15 MWh (1)
An
áli
sis
de
emis
ion
es
Emisiones GEI
Emisiones GEI Caso base: 3,0 tCO2 (2)
Caso propuesto: 0,4 tCO2
Reducción anual bruta de emisiones
GEI 2,6 tCO2
Reducciones de emisiones GEI anual
neta 2,6 tCO2
95
SECCIÓN PARÁMETRO VALOR
An
áli
sis
fin
an
cier
o
Costos iniciales Costos iniciales totales 15.946.907 COP
Costos
anuales/pagos de
deuda
Pago de la deuda – 10 años 1.865.365 COP
Costos anuales totales 1.865.479 COP
Ahorros y renta
anuales
Renta por exportación de electricidad 2.287.808 COP (3)
Total renta y ahorros anuales 3.075.258 COP (4)
Viabilidad
financiera
TIR antes de impuestos – capital 77,8 %
Repago – capital 1,5 años
Valor Presente Neto (VPN) 180.050.395 COP
Ahorros anuales en ciclo de vida 7.202.016 COP/año
Relación beneficio – costo 38,64
Fuente: elaboración propia
Figura 28. Gráfico de flujo de caja acumulado proyecto Red aislada. Fuente: obtenido de
RETScreen. Elaboración propia
A continuación, se realizan las observaciones de acuerdo con la Tabla 28:
1. La electricidad exportada a la red se calcula como la multiplicación entre la capacidad
de generación eléctrica, las horas del año (8760 horas) y la disponibilidad del motor.
96
2. Las emisiones GEI para el caso base son 7,5 veces mayor respecto al caso propuesto,
siendo considerables la reducción de emisiones GEI netas anuales con la implementación
del caso propuesto.
3. La renta por exportación de electricidad es el valor de la electricidad exportada a la red
anualmente multiplicada por la tarifa de exportación de electricidad establecida en el
programa.
4. El total renta y ahorros anuales se calcula sumando la renta por exportación de
electricidad y el valor de la casilla otro de los ahorros y renta anuales.
5.9.3 Análisis de resultados
De acuerdo con los resultados obtenidos en los proyectos Fuera de red y Red aislada,
se puede concluir lo siguiente:
1) Las emisiones de GEI calculadas por RETScreen se estiman teniendo en cuenta la
demanda de electricidad anual, por tanto, debido a que este consumo de electricidad para
el caso base es muy pequeño (0,705 MWh), las emisiones anuales de CO2 en el proyecto
Fuera de red son mínimas en comparación con el proyecto Red aislada en donde la
electricidad entregada a la red es de 21,27 veces mayor al consumo mencionado.
2) En la Figura 27 se puede observar que el flujo de caja acumulado es negativo durante casi
14 años, mientras que en la Figura 28 los valores por debajo de cero no superan los 2
años. El año en el que el flujo de caja es igual a cero (ingresos = egresos), se expresa en
el indicador financiero Repago – capital del RETScreen y conforme a los valores para
los proyectos Fuera de red y Red aislada (Tabla 26 y Tabla 28 respectivamente), se puede
ver que el repago del capital para el primer proyecto es 9,6 veces mayor respecto al otro
proyecto, esto es debido a que la electricidad exportada a la red (considerando la venta
total de la energía generada al operador de red) es 14,295 MWh mayor a la demanda de
97
electricidad – anual – CA caso base, por tanto, el Total de rentas y ahorros anuales para
el proyecto de red aislada es 3,15 veces mayor respecto al proyecto en fuera de red.
3) De acuerdo con los resultados de los indicadores correspondientes a la viabilidad
financiera para los dos tipos de proyectos, se puede observar que en ambos casos los
resultados de la TIR y el VPN son mayores a cero y la relación beneficio – costo mayor
a uno, el cual es un criterio que expresa la viabilidad económica positiva de ambos
proyectos, sin embargo estos valores son superiores en el proyecto de red aislada debido
a que sus ingresos anuales durante el ciclo de vida aumentan respecto al proyecto fuera
de red.
99
Capítulo 6
Estimación del potencial energético caso de estudio: Proyecto comunitario, Cajicá
Cundinamarca
En este caso se analiza un proyecto comunitario para la generación de energía a partir
de la recolección de los residuos de biomasa residual pecuaria provenientes de fincas
aledañas con el fin de hacer una comparación con respecto a un caso de estudio en el cual se
aprovechan los recursos de una finca familiar como se analizó en caso de estudio anterior.
6.1 Ubicación y características principales
Cajicá es un municipio de Cundinamarca ubicado a 4,91 ° Latitud Norte y -74,025 °
Longitud Oeste, en la provincia de Sabana Centro, está dividida en 5 sectores los cuales son:
Calahorra, Canelón, Chuntame, Centro y Rio grande. Hasta hace algunos años Cajicá era
considerado un municipio agrícola, debido a que contaba con extensiones de terreno dedicado
al cultivo de hortalizas, flores y a la crianza de ganado vacuno, porcinos, gallinas, entre otros,
debido a la proliferación de proyecto de vivienda, hoy en día son muy pocas las zonas que
continúan desarrollando estas actividades.
Para este caso se escogieron tres fincas aledañas dedicadas a la crianza de ganado
vacuno lechero, ubicadas en el sector de Calahorra. La Figura 29 muestra la ubicación de las
Fincas, las cuales se caracterizan por estar ubicadas cerca al Rio Bogotá y a la Planta de
Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) lo que asegura la disponibilidad de Agua.
100
Figura 29. Ubicación de las Fincas caso de estudio. Fuente: Google Maps
La Tabla 29 describe las características principales de las fincas objeto del caso de
estudio.
Tabla 29. Características principales de las fincas objeto de estudio
Ubicación
Nombre de la
Finca
Propietario /
Arrendatario
Extensión
[ha]
Latitud
[°]
Longitud
[°]
Cantidad de
animales
Las Huertas Seferino Gonzales 18 4,9 -74,019 30
La Esperanza Manuel Alarcón 6,43 4,9 -74,016 43
Joresva Benjamín Herrera 43,72 4,91 -74 55
Total 128
Fuente: Elaboración propia
La dieta del ganado está compuesta principalmente de pasto (pastoreo), concentrado,
cereal (Alpina) y melaza. Se evidencia que en la Finca Las Huertas y Joresva el ganado no
se encuentra estabulado, mientras que en la finca La Esperanza el ganado se estabula por un
periodo de 3 horas diarias para el ordeño.
A continuación, se presenta un registro fotográfico de las Fincas caso de estudio.
101
Figura 30. Registro fotográfico Finca Las Huertas. Fuente: Elaboración propia
Figura 31. Registro fotográfico Finca La Esperanza. Fuente: Elaboración propia
102
Figura 32. Registro fotográfico Finca Joresva. Fuente: Elaboración propia
6.2 Cuantificación y clasificación del ganado vacuno por grupo etario
De acuerdo a los datos de la Tabla 29 se tiene que la cantidad total de animales es de
128. A continuación, se realiza la clasificación etaria del ganado por finca, de acuerdo a la
información suministrada en la Tabla 16 del Capítulo 5, con el fin de determinar la cantidad
total de cabezas por grupo etario de las tres fincas. La Tabla 30 muestra la clasificación por
grupo etario de las Fincas Las Huertas, La Esperanza y Joresva.
Tabla 30. Clasificación por grupo etario
Subsector
Población
[cabezas] Total
[Cabezas] Las Huertas La Esperanza Joresva
Terneros 8 2 7 17
Novillas 19 14 25 58
Vaca de primer parto 3 27 10 40
Vaca de producción 13 13
30 43 55 128
Fuente: Elaboración propia.
103
6.3 Estimación de la cantidad de biomasa residual bovina disponible
De acuerdo a la información suministrada en la Tabla 18 del Capítulo 5, la cantidad
de estiércol que se estima teniendo en cuenta que el ganado no está estabulado ( Finca Las
Huerta y Joresva) y que el tiempo de estabulación en la Finca la Esperanza es de tan sólo 3
horas, oscila entre los 150, 65 kg/día a 231,874 kg/día ( La Tabla 34 presenta un valor total
de producción de estiércol al año teniendo en cuenta la recolección del 100 % del residuo,
para la estimación del potencial energético técnico se deberá tener en cuenta un porcentaje
de recolección del 12,5 % debido a que el ganado no se encuentra estabulado).
6.4 Caracterización de la biomasa
Para determinar el potencial energético teórico y técnico (ver Capítulo 2) es necesario
establecer los valores que identifican variables como la fracción recuperable, factor de
conversión, rendimiento del biogás, poder calorífico inferior del metano (PCI), entre otros,
correspondientes a la caracterización de la biomasa (Véase Anexo 3).
Para el caso de estudio se optó por utilizar los valores recopilados en el Anexo 3
debido a los costos que representa los análisis de laboratorio de las muestras recuperadas
(Tablas 2 y 3, Anexo 1).
6.5 Estimación del potencial energético teórico
Para la estimación del potencial energético se identifican las variables necesarias para
aplicar la formulación matemática propuesta en el Capítulo 2, dichas variables comprenden
el rendimiento del biogás, el poder calorífico inferior, entre otras, información recopilada en
el Anexo 3. Los resultados se presentan en la Tabla 34.
104
6.6 Características de la ruta de conversión
Como se había mencionado anteriormente la humedad del recurso es superior al 75%
por tanto la ruta de conversión más adecuada es la compuesta por el conjunto biodigestor –
motor de combustión interna. Cabe aclarar que existen otras tecnologías como las celdas
electroquímicas o las microturbinas (Ver Anexo 4). Sin embargo, se considera que son
sistemas más complejos y de alto costo, por tanto, se recomienda su aplicación en proyectos
a gran escala.
6.6.1 Dimensionamiento del biodigestor
Las dimensiones del biodigestor, el tanque de recolección (entrada) y el tanque del
efluente (abono orgánico) se muestran en las Tabla 31, Tabla 32 y Tabla 33, calculadas de
acuerdo a la información suministrada en la Tabla 15 del Anexo 4.
Tabla 31. Características del estiércol para el dimensionamiento del biodigestor
Masa del
residuo
[kg/día]
Fracción
recuperable
MCP
[kg/día]
%ST
ST
[kg/día]
MH2O
[kg/día]
C
[kg/día]
TR
[días]
1854,9974 0,125 231,875 16 37,100 695,624 927,499 64,052
Fuente: Elaboración propia
Tabla 32. Dimensiones biodigestor y tanques de recolección y del efluente
Volumen del digestor
[m3]
Tanque de
recolección
[m3]
Tanque del efluente
[m3]
71,290 2,7825 25,042
Fuente: Elaboración propia
Tabla 33. Producción de biogás y bioabono diario
Producción de biogás
[m3]
Producción de abono orgánico
[m3]
54,520 0,649 Fuente: Elaboración propia
105
De acuerdo a los resultados obtenidos se considera que el sistema más apropiado para
la digestión de los recursos disponibles es el sistema Biobolsa debido a sus características de
instalación, operación y mantenimiento (para mayor información consultar Anexo 4, numeral
4.3.3). Teniendo en cuenta una recolección de estiércol de 231,87 kg/día (ver Tabla 32) y los
datos proporcionados en la Tabla 16 del Anexo 4, se determina que el modelo del sistema
para el caso de estudio corresponde al BB160 compuesto por un sistema de 4 biodigestores
(BB40) como se muestra en la Figura 33.
Figura 33. Sistema Biobolsa BB160. Fuente : (Sistema Biobolsa, 2016)
Las dimensiones de las zanjas para la instalación del sistema son: 15 m de largo, 2.2
m de ancho y 1.2 m de profundo (ver Tabla 17, Anexo 4) y las dimensiones del chaflán
deberán ser de 0.6 m de alto por 0.6 m de profundo. Para realizar la conexión al motor se
deberá disponer de un adaptador de ½”, esto para motores hasta de 5 HP. Los pasos para la
instalación del sistema se resumen en el numeral 4.3.3.1 del Anexo 4.
Se recomienda que el biodigestor este ubicado en la Finca La Esperanza o en la Finca
las Huertas debido a que tienen disponibilidad de agua proveniente ya sea de la planta de
tratamiento de agua residual (teniendo en cuenta que el uso de agua residual puede
106
proporcionar mejores condiciones para la producción de biogás) o agua del Rio Bogotá,
recurso necesario para el proceso de biodigestión.
6.7 Tecnología de conversión
La tecnología de conversión que se recomienda es el motor de combustión interna
encendido por chispa a gasolina (Ver Figura 34), el cual se caracteriza porque puede
sustituirse el 100 % del combustible por biogás a través de un sistema de conversión, el cual
tiene un costo de $ 1´000.000 COP, valor que varía de acuerdo con la capacidad del motor
(Ver numeral 4.2.1 Anexo 4) . La placa característica se puede consultar en la Tabla 24 del
Capítulo 5.
Figura 34. Motor de combustión interna encendido por chispa a gasolina. Fuente: (Genpar,
2016)
Teniendo en cuenta la distancia que separa cada una de las Fincas se recomienda
ubicar el biodigestor en la Finca La esperanza y realizar un tendido de red eléctrica hacia la
Finca Joresva, adicionalmente, se considera no conveniente la instalación de una red eléctrica
hasta la Finca Las Huertas, debido a los costos asociados a la infraestructura eléctrica. Por
107
último, se considera más apropiado hacer la instalación de un sistema de biodigestión
individual debido a factores como la logística de recolección de los residuos y los costos
asociados a la infraestructura para la conexión a la red eléctrica, situación que influye en la
viabilidad técnica y económica del proyecto. Por otra parte, se considera viable la
implementación de este tipo de proyectos en el caso de que las fincas seas más cercanas.
La figura 35 presenta el plano con la ubicación del sistema de biodigestión y la planta
eléctrica.
108
Figura 35. Ubicación sistema de biodigestión Cajicá – Cundinamarca. Fuente: elaboración propia
109
6.8 Estimación del potencial energético técnico
La estimación del potencial energético técnico se realiza a partir de los resultados
concernientes al potencial energético teórico (Ver tabla 31) y a características que se definen
en la formulación matemática propuesta en el capítulo 2. La fracción recuperable
corresponde a 12,5 % del residuo, en cuanto a la eficiencia de la ruta de conversión
(biodigestor) se define un valor del 90 % (Moncayo, 2010) y la eficiencia eléctrica del
sistema corresponde al 35 % (Ver tabla 11, Anexo 4). Los resultados del potencial energético
técnico se muestran en la Tabla 31.
La información de la Tabla 31 se obtiene a partir de la aplicación de las ecuaciones
(19), (20), (22) y (23) presentadas en el capítulo 2. Por ejemplo, para el grupo etario de 0 –
12 meses tenemos:
𝑃𝐶𝐼𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠 = 33,948 ∗ 63,72 = 21,631 [𝑀𝐽
𝑚3]
𝑃𝑇𝑅 = 17 ∗ 4 ∗ 365 ∗ 0,855 ∗ 0,275 ∗ 21,631 = 126,28 [𝐺𝐽
𝑎ñ𝑜]
𝜂 = 0,35 ∗ 0,9 = 31,5 %
𝑃𝑇𝐶 = 126,28 ∗ 0,125 ∗ 0,315 ∗ 277,77 = 1380,62 [𝑘𝑊ℎ
𝑎ñ𝑜]
Nota: para el ejemplo se tiene un valor de producción de estiércol definido por un
rango de (4 – 4,082) kg, el cálculo de potencial energético teórico y técnico se realiza
teniendo en cuenta el valor mínimo.
110
Tabla 34. Potencial energético teórico y técnico caso de estudio Cajicá – Cundinamarca
Subsector
Grupo
etario
[meses]
Tasa de
producción de
estiércol
[kg/cabeza*día]
Población
[cabezas]
Masa del residuo
[kg/año]
Fracción
de Sólidos
Volátiles
[kgSV/kg]
Rendimiento del
Biogás Bo
[m3biogas/kgSV]
PCI
Biogás
[MJ/m3]
Terneros 0 - 12 4 4,0822 17 21221,1 21657,1936
0,855 0,275 21,631
Novillas 12 - 24 9 11,78 58 162903,15 213222,123 Vaca de
primer
parto
24 - 36 9,53 14 40 118962,99 174762
Vaca de
producción > 36 18 41,72 13 73025,55 169256,997
Total 128 376112,79 578898,314
Potencial Energético
Teórico
[GJ/año]
Potencial Energético
Técnico
[GJ/año]
Potencial Energético
Técnico
[kWh/año]
126,228 128,822 4,970 5,072 1380,623 1408,995
968,989 1268,298 38,154 49,939 10598,313 13872,015
707,622 1039,528 27,863 40,931 7739,611 11369,838
434,374 1006,783 17,103 39,642 4750,968 11011,688
2237,213 3443,432 88,090 135,585 24469,516 37662,536
Fuente: Elaboración propia
111
De acuerdo a los resultados de la Tabla 34 correspondientes al potencial energético
técnico se tiene que la cantidad de energía generada diariamente a partir de los recursos de
biomasa residual pecuaria equivalen a 67, 039 kWh/día
6.9 Simulación del caso de estudio Cajicá – Cundinamarca en el software RETScreen
6.9.1 Proyecto: Generación de electricidad – Fuera de red
Para proyectos de autogeneración, la configuración inicial correspondiente del “tipo
de red” en la hoja comenzar de RETScreen es la opción Fuera de red, por tanto, la primera
simulación es realizada teniendo en cuenta esta configuración.
6.9.1.1 Parámetros iniciales
Los parámetros seleccionados en la hoja de trabajo Comenzar son:
Tipo de proyecto: Generación de electricidad
Tecnología: Motor a pistones
Tipo de red: Fuera de red
Tipo de análisis: Método 1
Poder calorífico de referencia: Poder Calorífico Inferior (PCI)
De acuerdo con lo anterior se hacen las siguientes observaciones:
1. La selección del motor a pistones como tecnología de conversión se debe a la
disponibilidad de estos equipos en potencias a pequeña escala (véase Tabla 9 Anexo 4).
2. Se elige como tipo de análisis el método 1 debido a la escasa información que presenta
RETScreen acerca del desarrollo de proyectos de generación de electricidad a partir del
aprovechamiento de la biomasa.
Los parámetros iniciales y valores ingresados en la hoja Modelo de Energía se
presentan en la Tabla 35.
112
Tabla 35. Información inicial, hoja Modelo de Energía
SECCIÓN PARÁMETRO VALOR P
roy
ecto
de
gen
eraci
ón
eléc
tric
a
Sistema eléctrico de
potencia del caso base
Tecnología Electricidad de la red
Precio del combustible 227,694 COP/kWh (1)
Capacidad 3,00 kW
Características de la carga
Demanda de electricidad -
diaria - CC
Caso base: 0,000 kWh
Caso propuesto: 0,000 kWh
Demanda de electricidad -
diaria - CA
Caso base: 12,475 kWh (2)
Caso propuesto: 12,475 kWh (3)
Porcentaje del mes usado Carga punta – anual 3,00 kW
Sis
tem
a e
léct
rico
de
pote
nci
a d
el c
aso
pro
pu
esto
Motor a pistones
Tipo de combustible Combustible definido por el
usuario
Precio del combustible 0,00 COP/m3
Capacidad de generación
eléctrica 3,73 kW
Disponibilidad 100 %
Rendimiento Calórico 12.356 kJ/kWh
Costos iniciales incrementales 1.815.000 COP (4)
Sistema eléctrico de
potencia de carga punta Tecnología No requerido
An
áli
sis
de
emis
ion
es Caso base del sistema
eléctrico (línea base) Pérdidas T y D 12 %
Emisiones GEI Derecho de transacción por
créditos GEI 0,0 %
An
áli
sis
fin
an
cier
o
Parámetros financieros
Tasa de inflación 6, 77 % (5)
Tiempo de vida del proyecto 25 años
Relación de deuda 70 %
Tasa de interés de la deuda 10,62 % (6)
Duración de deuda 15 años
Costos iniciales Otro 29.130.040 COP (7)
Incentivos y donaciones Incentivos y donaciones 4.951.206 COP (8)
Costos anuales/pagos de
deuda Costos de O y M (ahorros) 114 COP (9)
Ahorros y renta anuales Otro 1.759.484 COP (10)
Fuente: elaboración propia
De acuerdo con la Tabla 35 se pueden hacer las siguientes observaciones:
1) El precio del combustible para el sistema eléctrico de potencia del caso base es el valor
promedio durante doce meses (septiembre 2015 – agosto 2016) de la tarifa subsidiada de
energía eléctrica para el sector residencial – estrato 2 por CODENSA S.A.
113
2) La demanda de la electricidad – diaria – CA caso base se determina como el consumo
promedio diario durante el mismo periodo del numeral anterior.
3) La demanda de la electricidad – diaria – CA caso propuesto se establece asumiendo el
mismo valor del caso base.
4) El costo inicial incremental es el valor de la planta eléctrica GENPAR GPG4000 al año
2015.
5) La tasa de inflación corresponde al año 2015.
6) La tasa de interés efectiva anual correspondiente a un crédito de consumo con plazo
superior a 5 años y fecha de corte al 8 de julio de 2016 (Superintendencia Financiera de
Colombia, 2016).
7) El valor registrado en la casilla Otro de los costos iniciales corresponde a la suma de:
costo de conversión de la planta eléctrica de gasolina a gas (1.000.000 COP aprox.), costo
de instalación de la planta eléctrica (50 % costo del capital) y el valor del biodigestor
($27.222.540 COP, equipo, accesorios e instalación).
8) Los incentivos y donaciones se establecen como el 16 % (IVA) de los costos iniciales
totales.
9) De acuerdo con (Andrade, 2007) y (Guan, Zhao, Zhang, Shan, & Liu, 2009), el costo
mínimo de O y M es de 0,007 USD/kW; al 2015 este valor sería de 0,01 USD/kW. El
valor registrado en el software está referido en pesos colombianos al mes de agosto de
2016.
10) En la casilla otro de los ahorros y renta anuales se ingresa el valor del abono orgánico
vendido anualmente. El abono orgánico producido para el presente caso de estudio fue
114
de 0,649 m3 (véase Tabla 23), la producción de bioabono estimada anualmente fue de
3,117 m3 o 3117 dm3, fijándose el precio de venta por cada 1 dm3 de 564,48 COP.
A continuación, se presenta la información ingresada en cada una de las opciones
seleccionadas en la hoja de trabajo Herramientas.
Biogás: se ha seleccionado como tipo de residuo la opción de “ganado lechero”
teniendo en cuenta un peso promedio de 230 kg para vacas jóvenes y 400 kg para
vacas maduras (IPCC, 1996), obteniéndose como resultado un contenido de metano
del 60 %.
Combustible definido por el usuario – gas: se ingresa en la casilla Metano del análisis
elemental el contenido de metano obtenido anteriormente y el porcentaje faltante para
completar el 100 % se ha establecido en Dióxido de carbono (40 %), consiguiendo
de esta forma los resultados del PCI y la densidad del biogás.
Combustible definido por el usuario: en las casillas Poder Calorífico Inferior (PCI)
y Densidad se registran los valores obtenidos en la opción anterior. Este combustible
será el que se considere en la hoja de trabajo Modelo de Energía.
6.9.1.2 Resultados obtenidos
Los resultados obtenidos a partir de la simulación en RETScreen, se presentan en la
Tabla 36 y en la Figura 36 se puede ver el flujo de caja acumulado durante el tiempo de vida
del proyecto.
115
Tabla 36. Resultados obtenidos, hoja Modelo de Energía
SECCIÓN PARÁMETRO VALOR
Pro
yec
to d
e
gen
eraci
ón
eléc
tric
a
Porcentaje del mes
usado
Demanda de electricidad - anual -
CC
Caso base: 0,000 MWh
Caso propuesto: 0,000 MWh
Demanda de electricidad - anual -
CA
Caso base: 4,553 MWh (1)
Caso propuesto: 4,553 MWh (2)
Sis
tem
a
eléc
tric
o d
e
po
ten
cia
del
caso
pro
pu
esto
Motor a pistones Electricidad entregada a la carga 4,6 MWh (3)
An
áli
sis
de
emis
ion
es
Emisiones GEI
Emisiones GEI Caso base: 0,9 tCO2
Caso propuesto: 0,0 tCO2
Reducción anual bruta de emisiones
GEI 0,9 tCO2
Reducciones de emisiones GEI
anual neta 0,9 tCO2
An
áli
sis
fin
an
cier
o
Costos iniciales Costos iniciales totales 30.945.040 COP (4)
Costos anuales/pagos
de deuda
Pago de la deuda – 15 años 2.949.439 COP
Costos anuales totales 2.949.553 COP (5)
Ahorros y renta
anuales
Costo de combustible – caso base 1.036.776 COP (6)
Total renta y ahorros anuales 2.796.260 COP (7)
Viabilidad financiera
TIR antes de impuestos – capital 25,9 % (8)
Repago – capital 6,5 años (9)
Valor Presente Neto (VPN) 134.132.367 COP
Ahorros anuales en ciclo de vida 5.365.295 COP/año
Relación beneficio – costo 15,45
Fuente: elaboración propia
116
Figura 36. Gráfico de flujo de caja acumulado proyecto Fuera de red. Fuente: obtenido de
RETScreen. Elaboración propia
De acuerdo con la Tabla 26 se puede observar que:
1) La demanda de la electricidad – anual – CA caso base se determina como el producto
entre la demanda de la electricidad – diaria – CA caso base y los 365 días del año
2) La demanda de la electricidad – anual – CA caso propuesto se determina como el
producto entre la demanda de la electricidad – diaria – CA caso propuesto y los 365 días
del año
3) La electricidad entregada a la carga es la suma entre la demanda de la electricidad –
anual – CA caso propuesto y la demanda de la electricidad – anual – CC caso propuesto.
4) Los costos iniciales totales se determinan como la suma entre los costos iniciales
incrementales y el valor de la casilla otro de los costos iniciales.
5) Los costos anuales totales son el resultado de la suma entre el pago de la deuda – 15
años y los costos de O y M.
6) El costo del combustible – caso base se obtiene de la multiplicación entre el precio del
combustible del caso base y el valor resultante de la suma entre la demanda de
electricidad – anual – CA caso base y la demanda de electricidad – anual – CC caso
base.
7) El total renta y ahorros anuales es el resultado de la suma entre el costo de combustible
– caso base y el valor de la casilla otro de los ahorros y renta anuales.
8) La TIR se determina a partir de los valores del flujo de caja anuales (hoja de trabajo
Análisis financiero) durante el tiempo de vida del proyecto
117
9) El parámetro repago – capital indica el año en que el flujo de caja acumulado pasa a
tener valores positivos (véase Figura 36).
6.9.2 Proyecto: Generación de electricidad – Red aislada
Para el caso de estudio en Cajicá Cundinamarca también se realiza la simulación en
RETScreen considerando el tipo de red – red aislada asumiendo que toda la electricidad
producida será exportada a la red, este tipo de simulación sería similar al de un sistema de
Generación Distribuida.
6.9.2.1 Parámetros iniciales
Los parámetros seleccionados en la hoja de trabajo Comenzar son los mismos que en
el caso anterior a diferencia del tipo de red donde se elige Red – Aislada.
Los parámetros iniciales y valores ingresados en la hoja Modelo de Energía se
presentan en la Tabla 37.
Tabla 37. Información inicial, hoja Modelo de Energía Red aislada
SECCIÓN PARÁMETRO VALOR
Sis
tem
a e
léct
rico
de
po
ten
cia
del
caso
pro
pu
esto
Motor a pistones
Disponibilidad 96 % (1)
Tipo de combustible Combustible definido por el
usuario
Precio del combustible 0,00 COP/m3
Capacidad de generación
eléctrica 3,73 kW
Rendimiento Calórico 12.356 kJ/kWh
Costos iniciales incrementales 1.815.000 COP
Tarifa de exportación de
electricidad
Tarifa de exportación de
electricidad 152.212 COP/MWh (2)
An
áli
sis
de
emis
ion
es Caso base del sistema
eléctrico (línea base) Pérdidas T y D 12 %
Emisiones GEI Derechos de transacción por
créditos GEI 0,0 %
An
áli
sis
fin
an
cier
o
Parámetros financieros
Tasa de inflación 6,77 %
Tiempo de vida del proyecto 25 años
Relación de deuda 70 %
Tasa de interés de la deuda 10,62 %
118
SECCIÓN PARÁMETRO VALOR A
ná
lisi
s
fin
an
cier
o
Parámetros financieros Duración de deuda 10 años (3)
Costos iniciales Otro 29.130.040 COP
Incentivos y donaciones Incentivos y donaciones 4.951.206 COP
Costos anuales/pagos de
deuda Costos de O y M (ahorros) 114 COP
Ahorros y renta anuales Otro 1.759.484 COP
Fuente: elaboración propia
De acuerdo con la Tabla 37 se pueden hacer las siguientes observaciones:
1) La disponibilidad se determina teniendo en cuenta la cantidad necesaria de biogás para
que el motor funcione de forma continua y el biogás producido a partir del recurso
disponible, es decir, si el biogás obtenido es igual al biogás requerido entonces la
disponibilidad será del 100 %.
2) La tarifa de exportación de electricidad se fija como el precio de distribución del kWh
fijado por CODENSA S.A para el mes de noviembre de 2015
3) La duración de la deuda es cinco años menos respecto al tipo de proyecto Fuera de red
debido a que en el proyecto Red aislada se obtienen los ingresos provenientes de la venta
de electricidad a la red.
La información registrada en las opciones seleccionadas de la hoja de trabajo
Herramientas es la misma que en el tipo de proyecto Fuera de red.
6.9.2.2 Resultados obtenidos
Los resultados obtenidos en RETScreen, se presentan en la Tabla 38 y en la Figura
37 el flujo de caja acumulado.
119
Tabla 38. Resultados obtenidos, hoja Modelo de Energía proyecto Red aislada
SECCIÓN PARÁMETRO VALOR S
iste
ma
eléc
tric
o d
e
po
ten
cia
del
caso
pro
pu
esto
Motor a pistones Electricidad exportada a la red 31 MWh (1)
An
áli
sis
de
emis
ion
es
Emisiones GEI
Emisiones GEI Caso base: 6,3 tCO2 (2)
Caso propuesto: 0,8 tCO2
Reducción anual bruta de emisiones
GEI 5,5 tCO2
Reducciones de emisiones GEI anual
neta 5,5 tCO2
An
áli
sis
fin
an
cier
o
Costos iniciales Costos iniciales totales 30.945.040 COP
Costos anuales/pagos
de deuda
Pago de la deuda – 10 años 3.619.749 COP
Costos anuales totales 3.619.867 COP
Ahorros y renta
anuales
Renta por exportación de electricidad 4.774.557 COP (3)
Total renta y ahorros anuales 6.534.041 COP (4)
Viabilidad financiera
TIR antes de impuestos – capital 90,6 %
Repago – capital 1,3 años
Valor Presente Neto (VPN) 386.411.163 COP
Ahorros anuales en ciclo de vida 15.456.447 COP/año
Relación beneficio – costo 42,62
Fuente: elaboración propia
Figura 37. Gráfico de flujo de caja acumulado proyecto Red aislada. Fuente: obtenido de
RETScreen. Elaboración propia
120
A continuación, se realizan las observaciones de acuerdo con la Tabla 38:
1) La electricidad exportada a la red se calcula como la multiplicación entre la capacidad
de generación eléctrica, las horas del año (8760 horas) y la disponibilidad del motor.
2) Las emisiones GEI para el caso base son 7,875 veces mayor respecto al caso propuesto,
siendo considerables la reducción de emisiones GEI netas anuales con la implementación
del caso propuesto.
3) La renta por exportación de electricidad es el valor de la electricidad exportada a la red
anualmente multiplicada por la tarifa de exportación de electricidad establecida en el
programa.
4) El total renta y ahorros anuales se calcula sumando la renta por exportación de
electricidad y el valor de la casilla otro de los ahorros y renta anuales.
6.9.3 Análisis de resultados
De acuerdo con los resultados obtenidos en los proyectos Fuera de red y Red aislada,
se puede concluir lo siguiente:
1) Las emisiones anuales de CO2 en el proyecto Fuera de red son mínimas en comparación
con el proyecto Red aislada en donde la electricidad entregada a la red es de 6,8 veces
mayor al consumo mencionado.
2) el repago del capital para el proyecto de fuera de red es 5 veces mayor respecto al
proyecto de red aislada debido a que la electricidad exportada a la red (considerando la
venta total de la energía generada al operador de red) es 26,4 MWh mayor a la demanda
de electricidad – anual – CA caso base, por tanto, el Total de rentas y ahorros anuales
para el proyecto de red aislada es 2,33 veces mayor respecto al proyecto en fuera de red,
esto hace que el tiempo en el que el flujo de caja es negativo disminuya.
121
3) Al igual que en los proyectos (red aislada y fuera de red) del caso de estudio de Briceño
los indicadores correspondientes a la viabilidad financiera del caso de estudio de Cajicá
presentan un mejor balance económico para el proyecto de red aislada que el de fuera de
red.
123
Conclusiones
Debido a que el manejo de ganado bovino en Colombia generalmente no es estabulado
(aproximadamente el 81,4 % del total de fincas), actualmente es más viable el
aprovechamiento de recursos de biomasa residual avícola. Por tanto, se recomienda la
construcción de establos que permitan la estabulación total o parcial de los animales con
el fin de incrementar el factor recuperable de los residuos y a su vez el potencial
energético asociado al recurso.
La producción de estiércol depende de factores como: peso corporal del animal, tipo de
alimentación, estado fisiológico, etc. Por tanto, se recomienda la construcción de una
base de datos del análisis fisicoquímico de diferentes muestras con el fin de proporcionar
información confiable que pueda usarse como referencia en el desarrollo de este tipo de
proyectos.
En el desarrollo del proyecto se evidenció la falta de información teórica para estimar el
potencial energético de los recursos de biomasa residual pecuaria, por tanto, fue necesario
recurrir a fuentes de información ajenas al país que ocasionan que los porcentajes de
incertidumbre aumenten afectando los resultados debido a que las características propias
de los recursos en cada país son diferentes.
La formulación matemática de los potenciales energéticos consideran factores que son
obtenidos a través de la bibliografía y son usados en la estimación para el
aprovechamiento de los recursos de la biomasa residual pecuaria en la autogeneración de
electricidad, sin embargo, los resultados pueden ser más acertados con la implementación
de valores propios provenientes de la caracterización fisicoquímica y los catálogos de los
equipos para el caso del potencial técnico.
124
Dentro de la fórmula para el cálculo del potencial energético teórico se puede obtener la
cantidad de biogás producido a través del recurso y con este resultado estimar el
aprovechamiento del biogás como biocombustible para cocción y la aplicación en
sistemas de calefacción como alternativa adicional a la generación de electricidad.
Para establecer la ruta de conversión es necesario tener en cuenta la humedad (H) del
recurso como una característica que permite decidir el tipo de proceso que se llevará a
cabo, ya sea digestión (H>75 %) y combustión o gasificación (H<50 %).
Para los sistemas de autogeneración a pequeña escala las tecnologías de conversión
eléctrica más adecuadas son los motores de combustión interna debido a los rangos de
potencia que estos manejan (0,5 kW – 5000 kW) y por tener una mayor disponibilidad
comercial.
La implementación de proyectos a partir de Fuentes No Convencionales de Energía en
Colombia se encuentra en espera del marco regulatorio donde se establezca la
normatividad que deberán cumplir este tipo de proyectos. Actualmente ya se definió
como límite máximo 1 MW para la autogeneración en plantas a pequeña escala. En lo
concerniente a la normatividad relacionada con los beneficios tributarios y las
certificaciones por parte del Ministerio de Medio Ambiente también se encuentran en
proceso. Por tanto, para el registro e interconexión de este tipo de proyectos se están
aplicando las normas definidas para proyectos de centrales hidroeléctricas y
termoeléctricas.
De acuerdo con los resultados de la simulación en RETScreen, se puede observar que
para ambos casos de estudio la viabilidad financiera presentó mejores resultados en los
proyectos de red aislada, dando como resultados una TIR 63,7 % superior, un repago de
125
capital 12,9 años menor y una relación beneficio-costo 29,54 unidades mayor respecto al
proyecto fuera de red para el caso Briceño; y para el caso Cajicá, una TIR 64,7 % mayor,
un repago de capital 5,2 años menor y una relación beneficio-costo 27,2 unidades superior
respecto al proyecto fuera de red; esto debido a que el programa consideró como ingresos
la venta total de la energía entregada a la red, la cual es mayor que la energía consumida
por las fincas en cada caso de estudio (electricidad generada por el motor de 4,295 MWh
superior respecto al proyecto fuera de red para el caso Briceño y de 26,4 MWh superior
respecto al proyecto fuera de red para el caso Cajicá).
La sostenibilidad en los proyectos de red aislada para ambos casos de estudio se debe en
gran parte a la venta del abono orgánico resultante en la digestión de estiércol
(presentando ingresos anuales de 787.450 COP y 1.759.484 COP para los casos de
estudio Briceño y Cajicá respectivamente), ayudando a disminuir el valor máximo del
flujo de caja acumulado durante el repago de capital y el tiempo del mismo.
De acuerdo con los resultados propios de cada caso de estudio se concluye que la
implementación de sistemas de digestión para la generación de energía eléctrica logra
suplir las necesidades propias de un hogar con una capacidad instalada de 3 kW. En
cuanto a la viabilidad de los proyectos hay que tener en cuenta que la inversión inicial es
bastante alta y el tiempo de pago de la deuda es superior al 50 % del tiempo de vida del
proyecto pero que existen características como la reducción de emisiones de gases de
efecto invernadero (2,6 tCO2 y 5,5 tCO2 anuales en los proyectos de red aislada para los
casos de Briceño y Cajicá respectivamente), reducción de focos de infección debido al
manejo inadecuado de la biomasa residual pecuaria, la producción de biofertilizantes
(1,395 m3 para el caso Briceño y 3,117 m3 para el caso Cajicá) y el aprovechamiento de
126
residuos en la generación de biogás que hacen recomendable la aplicación de este tipo de
proyectos.
La aplicación de sistemas comunitarios de recolección de estiércol permite obtener una
mayor cantidad de residuo para su aprovechamiento (2.13 veces mayor respecto al caso
Briceño), pero el sistema de logística para la recolección de los residuos y la
infraestructura para la conexión de la red se puede convertir en una desventaja al
momento de aplicar este tipo de proyectos, por tanto se considera viable la
implementación de sistemas individuales o comunitarios en el caso de que las fincas sean
más cercanas y como sistemas de generación distribuida.
Se plantea una metodología para el aprovechamiento de los recursos de biomasa residual
pecuaria analizando las diferentes formas de planteamiento y cálculo del potencial
energético.
Los aportes de este proyecto de investigación son la construcción de una metodología
para el aprovechamiento de los recursos de biomasa residual pecuaria y la formulación
matemática para determinar el potencial energético teórico y técnico asociado a este
recurso. Por otra parte, se presenta la aplicación de la metodología a dos casos de estudio
y se propone la evaluación técnica, económica y ambiental a partir de la utilización de un
software libre diseñado para verificar la viabilidad de proyectos de generación que
implican tecnologías asociadas a Fuentes No Convencionales de Energía como es
RETScreen.
127
REFERENCIAS
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http://www.agrowaste.eu/wp-
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ANEXOS
i
TABLA DE CONTENIDO
Anexo 1. Recomendaciones generales para el muestreo en el sector pecuario .................. 1
1.1 Elementos de protección y herramientas para la recolección de biomasa residual
pecuaria.. ............................................................................................................................. 2
1.2 Costos asociados a las bolsas para su recolección y al análisis fisicoquímico de las
muestras. ............................................................................................................................. 2
Anexo 2. Formato de diligenciamiento para recolección de muestras ............................... 4
Anexo 3. Caracterización de la biomasa residual pecuaria................................................. 7
Anexo 4. Métodos y tecnologías de conversión de biomasa residual pecuaria en energía
eléctrica ............................................................................................................................. 11
4.1 Métodos de conversión de la biomasa en energía .................................................. 11
4.1.1 Métodos termoquímicos ................................................................................. 11
4.1.2 Métodos bioquímicos ..................................................................................... 13
4.2 Tecnologías de conversión de la biomasa en energía eléctrica.............................. 15
4.2.1 Motor de Combustión Interna (MCI) ............................................................. 16
4.2.2 Microturbina ................................................................................................... 17
4.2.3 Celda de combustible ..................................................................................... 18
4.3 Biodigestor ............................................................................................................. 21
4.3.1 Tipos de biodigestor ....................................................................................... 22
4.3.1.1 Sistemas continuos ......................................................................................... 22
4.3.1.2 Sistemas Semicontinuos ................................................................................. 22
4.3.1.3 Sistemas discontinuos o tipo Bach ................................................................. 23
4.3.2 Clases de biodigestores de acuerdo a su construcción ................................... 24
4.3.2.1 Biodigestor tubular ......................................................................................... 24
4.3.2.2 Biodigestor de cúpula fija o modelo chino ..................................................... 25
ii
4.3.2.3 Biodigestor modelo hindú .............................................................................. 26
4.3.2.4 Sistemas de dos etapas .................................................................................... 27
4.3.3 Diseño y dimensionamiento del biodigestor .................................................. 29
4.3.4 Sistema Biobolsa ............................................................................................ 31
4.3.4.1 Selección e instalación del sistema ................................................................. 33
4.3.3.2 Operación del sistema Biobolsa ........................................................................ 40
4.3.3.3 Consideraciones del sistema.............................................................................. 42
Anexo 8. Estimación de potencial energético de acuerdo a diferentes metodologías .......... 53
REFERENCIAS ................................................................................................................... 56
iii
TABLA DE FIGURAS
Figura 1. Rutas de conversión energética de la biomasa .................................................. 11
Figura 2. Etapas de la digestión anaerobia ....................................................................... 15
Figura 3. Motor de combustión interna ............................................................................ 17
Figura 4. Microturbina ...................................................................................................... 18
Figura 5. Celda de combustible. ....................................................................................... 19
Figura 6. Clases de Biodigestor ........................................................................................ 21
Figura 7. Esquema general de un biodigestor de flujo continuo. ..................................... 23
Figura 8. Biodigestor discontinuo (Tipo Batch) ............................................................... 24
Figura 9. Biodigestor tubular ............................................................................................ 25
Figura 10. Biodigestor Chino ........................................................................................... 26
Figura 11. Biodigestor tipo Hindú .................................................................................... 27
Figura 12. Biodigestores de dos etapas ............................................................................ 28
Figura 13. Sistema de biodigestión modular. ................................................................... 32
Figura 14. Sistema Biobolsa (Biodigestor tubular) .......................................................... 32
Figura 15. Disposición del sistema de Biobolsa. .............................................................. 34
Figura 16. Biodigestor semienterrado. ............................................................................. 35
Figura 17. Biodigestor con muro de contención............................................................... 35
Figura 18. Pasos para la instalación del sistema Biobolsa ............................................... 40
Figura 19. Relación mezcla de estiércol agua. ................................................................ .41
Figura 20. Puntos de agitación del sistema ...................................................................... 42
iv
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Elementos de protección personal y herramientas para toma de muestras .............. 2
Tabla 2. Costos bolsa de recolección de muestras.................................................................. 2
Tabla 3. Costos análisis fisicoquímico ................................................................................... 3
Tabla 4.Recopilación bibliográfica datos Fracción de Materia Seca ..................................... 7
Tabla 5.Recopilación bibliográfica datos Fracción Recuperable del Residuo ....................... 7
Tabla 6. Recopilación bibliográfica datos fracción de Sólidos Volátiles ............................... 8
Tabla 7. Recopilación bibliográfica datos de rendimiento de biogás ..................................... 8
Tabla 8.Recopilación bibliográfica datos de Poder Calorífico Inferior.................................. 9
Tabla 9. Recopilación bibliográfica datos de Concentración de metano en el biogás ........... 9
Tabla 10. Tabla resumen características del estiércol .......................................................... 10
Tabla 11. Eficiencia eléctrica Motores de combustión interna ............................................ 20
Tabla 12. Eficiencia eléctrica Microturbinas ........................................................................ 20
Tabla 13.Eficiencia eléctrica celdas de combustible ............................................................ 20
Tabla 14. Características por tipo de biodigestor ................................................................. 28
Tabla 15. Diseño y dimensionamiento del biodigestor ........................................................ 29
Tabla 16. Selección de modelos de Biobolsa para una temperatura ambiente de 15°C –
23°C ...................................................................................................................................... 33
Tabla 17. Dimensionamiento de zanjas ................................................................................ 34
Tabla 18. Estimación de potencial energético a partir de metodología ASIA ..................... 53
Tabla 19. Estimación de potencial energético a partir de metodología artículo italiano
aplicado a Colombia ............................................................................................................. 54
1
Anexo 1. Recomendaciones generales para el muestreo en el sector pecuario
1. Verificar la limpieza del equipo de muestreo, guantes y bolsas plásticas con el fin de
proteger tanto la integridad de la muestra como del personal encargado de esta actividad
2. Dividir la zona de muestreo en un cuadrado de manera que se facilite la aplicación del
método de zig-zag
3. Para el caso de recolección en granjas tecnificadas de porcinos los cerdos se encuentran
separados de acuerdo a su grupo etario por tanto será necesario seleccionar dos porquerizas
por cada categoría.
4. Para la recolección en galpones se deberán identificar y seleccionar seis galpones que
contengan excretas frescas y no tengan aves enfermas.
5. Preferiblemente las muestras a recolectar no deberán superar las 72 horas de
permanencia en el sitio
6. Al momento de hacer la recolección se deberá remover la parte seca de la deyección y
tomar la muestra de la parte fresca, 15 a 16 paladas por lote para el caso de bovinos, 2 paladas
para el caso de granjas de porcinos tecnificadas, 3 para granjas de porcino no tecnificadas, 2
paladas para el caso de galpones donde las excretas no estén apiladas y 5 paladas a diferentes
profundidades en caso de que las excretas estén apiladas (no más de dos días).
7. Tomar el total de las muestras y mezclarlas hasta que sea homogénea, aplicar el método
de cuarteo y tomar una muestra equivalente a 1 kg en bovinos, 1,5 kg en porcinos y 2 kg para
el caso de aves de corral.
8. Se recomienda eliminar el aire de las bolsas plásticas donde se guarden las muestras y
evitar su contaminación con tierra o residuos de plantas
9. De ser necesario se deberá usar dos bolsas puestas en sentido contrario con el fin de
evitar pérdidas de la muestra al momento de ser trasportada.
10. Usar un sistema de refrigeración eficiente para el trasporte de la muestra al laboratorio,
las cuales pueden ser guardadas por 5 días sin que se modifiquen los resultados en el análisis.
2
11. Durante la recolección de las muestras se recomienda llevar registro de la información
que pueda incidir en su caracterización, como por ejemplo tipo de abono o alimento,
condiciones físicas del lugar, clima, fuentes de posible contaminación, uso de la biomasa,
etc.
1.1 Elementos de protección y herramientas para la recolección de biomasa residual
pecuaria
Los elementos de protección personal y herramientas necesarios para la recolección
de las muestras de biomasa se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Elementos de protección personal y herramientas para toma de muestras
Elementos de protección personal Herramientas
Guantes y tapabocas Pala (acero inoxidable o cromado)
Overol Balde
Botas de caña alta Bolsas plásticas de cierre hermético (Ziploc)
Casco Cava de refrigeración.
Fuente: Elaboración propia
1.2 Costos asociados a las bolsas para su recolección y al análisis fisicoquímico de las
muestras.
Los costos asociados a la bolsa de recolección de muestras y al análisis fisicoquímico
se muestran a continuación.
Tabla 2. Costos bolsa de recolección de muestras.
BOLSA VALOR
Bolsa 36 oz (1, 065 ml) $ 317.838,45
Bolsa 55 oz (1, 065 ml) $ 425.324,52
Bolsa 92 oz (1, 065 ml) $ 417.624,94
Fuente: (Nasco, 2016). Elaboración propia.
Nota: Los costos que se presentan en la Tabla 2 son calculados teniendo en cuenta el valor
del dólar para el día 5 de agosto del año 2016 ($ 3,079.83).
3
Tabla 3. Costos análisis fisicoquímico
ENSAYO NORMA VALOR
Densidad 1 (Acreditado ONAC) ASTM-D4052-11 $ 108.000,00
ASTM-D7777-13
Cenizas ASTM-D483-13 $ 97.000,00
Poder Calorífico ASTM-D240-14 $ 163.000,00
Contenido de azufre ASTM-D240-14 $ 118.000,00
ASTM-D516-11
Medición de PH $ 108.000,00
Sólidos totales ASTM-D4451-02(2014)
Cromatografía gas $ 260.000,00
Fuente: (Laboratorio de Ingeniería Química Universidad Nacional , 2016)
1 Densidad: Ensayo acreditado por el Organismo Nacional de acreditación de Colombia
ONAC, según Código del certificado de Acreditación 14- LAB-063 de 2015, en el intervalo
de medición de 0,6 g/cm3 a 1,3 g/cm3 ASTM D7777-13
Los costos asociados al análisis fisicoquímico fueron proporcionados por el
Laboratorio de Ingeniería química de la Universidad Nacional de acuerdo a su portafolio de
servicios (para mayor información consultar en el mail: [email protected]).
4
Anexo 2. Formato de diligenciamiento para recolección de muestras
EVALUADOR RESPONSABLE
PERSONAL QUE ATENDIÓ AL EVALUADOR
CUBIERTO TECNIFICADO NO TECNIFICADO OTRO
SUPLEMENTARIO OTRO
ALIMENTACIÓN ABONO
FIRMA DE QUIEN TOMA LA MUESTRA FIRMA ENCARGADO DEL SITIO
TODOS
LECHONES
LEVANTE
CEBA
REEMPLAZO REPRODUCTORES
CRÍA
OBSERVACIONES GENERALES
4. USO ACTUAL DEL ESTIÉRCOL
BIODIGESTIÓN COMPOSTAJE NINGUNO
OBSERVACIONES:
OBSERVACIONES:
4. TIPO DE ALIMENTACIÓN
CONCENTRADO
OBSERVACIONES:
HÚMEDO SECO
OBSERVACIONES:
2. CARACTERISTICAS DEL SITIO
DESCUBIERTO
OBSERVACIONES:
3. CARACTERISTICAS DEL TERRENO
1. CLASIFICACION PORCINOS
PLANTILLA INFORMATIVA DEL SITIO DE MUESTREO
(BIOMASA RESIDUAL PORCINA)
LUGAR ( Municipio / Departamento) DIRECCIÓN
5
EVALUADOR RESPONSABLE
PERSONAL QUE ATENDIÓ AL EVALUADOR
DOBLE PROPÓSITO
CUBIERTO ESTABULADO NO ESTABULADO OTRO
PASTO DE CORTE PASTOREO OTRO
ALIMENTACIÓN ABONO
FIRMA DE QUIEN TOMA LA MUESTRA FIRMA ENCARGADO DEL SITIO
OBSERVACIONES:
OBSERVACIONES GENERALES
OBSERVACIONES:
OBSERVACIONES:
4. USO ACTUAL DEL ESTIÉRCOL
BIODIGESTIÓN COMPOSTAJE NINGUNO
CONCENTRADO
2. CARACTERISTICAS DEL SITIO
DESCUBIERTO
OBSERVACIONES:
3. CARACTERISTICAS DEL TERRENO
HÚMEDO SECO
OBSERVACIONES:
4. TIPO DE ALIMENTACIÓN
4. TIPO DE GRANJA
LECHE CARNE
1. CLASIFICACION BOVINOS
< 12 MESES ENTRE 12 - 24 > 36 MESES TODAS ENTRE 24 - 36
PLANTILLA INFORMATIVA DEL SITIO DE MUESTREO
(BIOMASA RESIDUAL BOVINA)
LUGAR ( Municipio / Departamento) DIRECCIÓN
6
EVALUADOR RESPONSABLE
PERSONAL QUE ATENDIÓ AL EVALUADOR
CUBIERTO GALPÓN TRASPATIO OTRO
ALIMENTACIÓN ABONO
VIRUTA PAJA
FIRMA DE QUIEN TOMA LA MUESTRA FIRMA ENCARGADO DEL SITIO
PLANTILLA INFORMATIVA DEL SITIO DE MUESTREO
(BIOMASA RESIDUAL AVÍCOLA)
LUGAR ( Municipio / Departamento) DIRECCIÓN
3. CARACTERISTICAS DEL TERRENO
1. CLASIFICACION DE AVES
ENGORDE LEVANTE POSTURA REPRODUCTORAS TODAS
2. CARACTERISTICAS DEL SITIO
DESCUBIERTO
OBSERVACIONES:
CONCENTRADO MAÍZ OTROS ¿CUÁL?
HÚMEDO SECO
OBSERVACIONES:
4. TIPO DE ALIMENTACIÓN
OBSERVACIONES:
4. USO ACTUAL DEL ESTIÉRCOL
BIODIGESTIÓN COMPOSTAJE NINGUNO
OBSERVACIONES:
OBSERVACIONES GENERALES
OBSERVACIONES:
5. TIPO DE CAMA
CASCARILLA JAULA OTROS
7
Anexo 3. Caracterización de la biomasa residual pecuaria
Para el caso de estudio no se realizó análisis de la muestra de biomasa residual
(estiércol) en el laboratorio, por tanto para determinar los valores correspondientes a la
caracterización de la biomasa necesarios para desarrollar el modelo matemático que permite
estimar el potencial energético del donde se tiene en cuenta características propias del
estiércol (caso UPME y ASIA), se llevó a cabo la recopilación de material bibliográfico de
estudios realizados anteriormente en diferentes países a nivel mundial, tal como se muestra
en las tablas que se presentan a continuación.
Tabla 4.Recopilación bibliográfica datos Fracción de Materia Seca
Fracción de Materia Seca
( FMS)
[kgMS/kgEB]
REFERENCIA
0,09 - 0,14 (Bhattacharya, Thomas, &
Salam, 1997)
0,05 - 0,12 (Seadi, y otros, 2008)
0,015 - 0,132 (Moller & Muller, 2012)
0,18 (Junfeng, Runqing, Yanqin,
Jingli, Bhattcharya, & Salam,
2005)
0,1744 (Sajjakulnukit, Yingyuad,
Maneekhao, Pongnarintasut,
Bhattacharya, & Salam, 2005)
0,08 (Gruber, Hilbert, & Sheimberg,
2010)
Fuente: Elaboración propia
Tabla 5.Recopilación bibliográfica datos Fracción Recuperable del Residuo
Fracción recuperable del
residuo
(FR)
REFERENCIA
0,5 (Elauria, Castro, Elauria,
Bhattacharya, Salam, & Abdul, 2005)
0,6 (Junfeng, Runqing, Yanqin, Jingli,
Bhattcharya, & Salam, 2005)
8
Fracción recuperable del
residuo
(FR)
REFERENCIA
0,5
(Perera, Rathnasiri, Senarath,
Sugathapala, Bhattacharya, & Salam,
2005)
0,5
(Sajjakulnukit, Yingyuad, Maneekhao,
Pongnarintasut, Bhattacharya, &
Salam, 2005)
Fuente: Elaboración propia
Tabla 6. Recopilación bibliográfica datos fracción de Sólidos Volátiles
Fracción de Sólidos Volátiles
(FSV)
[kgSV/kg]
REFERENCIA
0,934 (Bhattacharya, Thomas, & Salam, 1997)
0,8 (Seadi, y otros, 2008)
0,76 (United States Environmental Protection
Agency, 1992)
0,934 (Elauria, Castro, Elauria, Bhattacharya,
Salam, & Abdul, 2005)
0,88 - 0,94 (UPME, 2003)
0,93
(Perera, Rathnasiri, Senarath,
Sugathapala, Bhattacharya, & Salam,
2005)
0,766
(Sajjakulnukit, Yingyuad, Maneekhao,
Pongnarintasut, Bhattacharya, & Salam,
2005)
0,7647 (Werner, Stöhr, & Hees, 1989)
0,85 - 0,95 (Alfonso, Brines, Peñalvo, & Peréz,
2009)
Fuente: Elaboración propia
Tabla 7. Recopilación bibliográfica datos de rendimiento de biogás
Rendimiento del
biogás (Bo)
[m3/kgSV]
REFERENCIA
0,2 (Bhattacharya, Thomas, & Salam,
1997)
0,23 - 0,40 (Gonzales, y otros, 2014)
0,20 - 0,30 (Seadi, y otros, 2008)
0,24 (United States Environmental
Protection Agency, 1992)
9
Rendimiento del
biogás (Bo)
[m3/kgSV]
REFERENCIA
0,31 (Elauria, Castro, Elauria, Bhattacharya,
Salam, & Abdul, 2005)
0,28 (Coldebella, Melegari, Souza, &
Koheler, 2006)
0,2 (Perera, Rathnasiri, Senarath,
Sugathapala, Bhattacharya, & Salam,
2005)
0,307 (Sajjakulnukit, Yingyuad, Maneekhao,
Pongnarintasut, Bhattacharya, & Salam,
2005)
0,24 (Secretaria general de agricultura,
ganaderia y desarrollo rural , 2008)
0,4 (Gruber, Hilbert, & Sheimberg, 2010)
Fuente: Elaboración propia
Tabla 8.Recopilación bibliográfica datos de Poder Calorífico Inferior
Poder Calorífico Inferior del Biogás
(PCI)
[MJ/m3]
REFERENCIA
16,99 - 25,46 (Gonzales, y otros, 2014)
18,82 - 27,196 (UPME, 2003)
19,66 - 23,01 (Bustamante, 2009)
27,196 (Nogués, 2002)
Fuente: Elaboración propia
Tabla 9. Recopilación bibliográfica datos de Concentración de metano en el biogás
Concentración de metano
en el biogás
[%] REFERENCIA
Vacas Gallinas Cerdos
50 – 75 50 – 75 50 – 75 (Payám, Noreña, & Velez, 2014)
60 60 60 (Seadi, y otros, 2008)
55 – 70 55 – 70 55 – 70 (Varnero, 2011)
50 – 80 50 – 80 50 – 80 (Coldebella, Melegari, Souza, &
Koheler, 2006)
60 – 80 60 – 80 60 – 80 (UPME, 2003)
55 – 70 55 – 70 55 – 70 (Deublein & Angelika, 2008)
65 60 65 – 70 (Hilbert, 2008)
50 – 70 50 – 70 50 – 70 (Bustamante, 2009)
10
Concentración de metano en
el biogás
[%] REFERENCIA
Vacas Gallinas Cerdos
50 – 85 50 – 85 50 – 85 (ICONTEC, 2006)
50 – 70 50 – 70 50 – 70 (Food and Agriculture Organization
of the United Nations (FAO), 1996)
60 – 80 60 – 80 60 – 80 (Nogués, 2002)
50 – 75 50 – 75 50 – 75 (Gruber, Hilbert, & Sheimberg, 2010)
54 – 70 54 – 70 54 – 70 (Medina & Luna, 2009)
60 – 70 60 – 70 60 – 70 (Silva, 2002)
65 60 67 (Herrera, 2010)
60 58 62 (Chami & Vivanco, 2007)
Fuente: Elaboración propia
De acuerdo con los datos recopilados en las tablas 2 – 7 se definieron los valores
promedio para cada una de las variables que permiten calcular el potencial energético a partir
de la caracterización de la biomasa, los valores promedio para cada una de las variables
propias del estiércol se muestran en la Tabla 8.
Tabla 10. Tabla resumen características del estiércol
Fracción de
materia seca
[kgMS/kgEB]
Fracción
Recuperable
del Residuo
Fracción de
Sólidos
Volátiles
[kgSV/kg]
Rendimiento
del Biogás
[m3/kgSV]
Poder Calorífico
Inferior del
Metano
[MJ/m3]
% CH4
[%]
0,12 0,5 0,855 0,275 33,948 63,72
Fuente: Elaboración propia
11
Anexo 4. Métodos y tecnologías de conversión de biomasa residual pecuaria en energía
eléctrica
4.1 Métodos de conversión de la biomasa en energía
Existen diversas formas para convertir la biomasa en energía que se puede
aprovechar. Estos métodos dependen de factores como el tipo y la cantidad de biomasa,
forma de energía deseada, requerimientos de uso final, exigencias ambientales, entre otros
aspectos; sin embargo, son dos los métodos usados generalmente para la transformación de
los residuos, estas son las rutas de conversión termoquímicas y bioquímicas (véase Figura 1).
Figura 1. Rutas de conversión energética de la biomasa. Fuente: recuperado de (Goldemberg,
2000)
4.1.1 Métodos termoquímicos
Los procesos termoquímicos son aquellos en los que se usa calor para la
transformación de la biomasa, permitiendo obtener combustibles sólidos, líquidos y gaseosos
12
(Rincón Martínez, 2014). Entre los procesos de transformación termoquímicos se
encuentran:
Pirólisis: la pirólisis es la descomposición de biomasa utilizando calor (a unos 500
°C) sin oxígeno. A través de este proceso se obtienen gases formados por hidrógeno,
óxidos de carbono, e hidrocarburos, líquidos hidrocarbonatos y residuos sólidos
carbonosos (Endesa Educa, s.f.). Los productos esenciales de la pirólisis provienen
de los tres principales componentes de la biomasa (celulosa, hemicelulosa y lignina),
siendo la lignina la fracción que más contribuye a la formación de carbón vegetal
(Rincón Martínez, 2014).
Gasificación: la gasificación es la conversión de biomasa en una mezcla de gases
combustibles (CO, H2, CH4) en condiciones de suministro controlado de oxígeno. La
eficiencia del gas combustible obtenido mediante la gasificación se encuentra en el
rango de 60 % a 90 %. En la gasificación es posible utilizar una amplia variedad de
materias primas: carbón, fuel pesado, residuos industriales y agrícolas, residuos
pecuarios con baja cantidad de humedad, entre otros, siendo posible la eliminación
de los contaminantes e impurezas en los gases resultantes del proceso (Rincón
Martínez, 2014).
Combustión: es la quema de biomasa empleando aire (una cantidad por encima de
lo necesario) como agente oxidante a temperaturas entre 600 y 1300 °C. La
combustión es el proceso más básico para recuperar la energía de la biomasa y
producir calor para ser usado en el hogar, la industria o para generar electricidad
(Endesa Educa, s.f.). Los productos principales provenientes de la combustión de la
biomasa son el dióxido de carbono, agua (en forma de vapor a la salida de la
13
combustión) y las sales minerales contenidas en la biomasa empleada como
combustible, además de pequeñas cantidades de óxidos de nitrógeno y azufre,
monóxido de carbono, partículas de carbono y otros productos orgánicos
(hidrocarburos) resultantes de la combustión incompleta de la biomasa (Carrasco,
2008).
Licuefacción: la licuefacción de biomasa se basa en hidrogenación indirecta, las
moléculas complejas de celulosa y lignina se rompen, el oxígeno es removido y se
adicionan átomos de hidrógeno; el producto de esa reacción química es una mezcla
de hidrocarburos que al enfriarse se condensan en un líquido. En el proceso de
licuefacción la biomasa se calienta con vapor y monóxido de carbono, o hidrógeno y
monóxido de carbono, a temperaturas de 250 a 450 °C y presiones de alrededor de 27
Mpa en presencia de un catalizador (Moragues & Rapallini).
4.1.2 Métodos bioquímicos
Los procesos bioquímicos se llevan a cabo utilizando diferentes microorganismos que
degradan las moléculas. La conversión bioquímica de la biomasa es realizada mediante dos
opciones: la fermentación (utilizada para la producción de combustibles) y la digestión
(utilizada para la producción de biogás, una mezcla de metano y dióxido de carbono
principalmente) (Rincón Martínez, 2014).
Fermentación alcohólica: técnica que consiste en la fermentación de hidratos de
carbono que se encuentran en las plantas y en la que se consigue un alcohol etílico
(etanol) que se puede utilizar para la industria. Los carbohidratos, compuestos
naturales formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, son la materia prima del
proceso; se clasifican en tres categorías generales según el orden de complejidad
14
creciente: azúcares, almidones y celulosas. La materia prima empleada para la
producción de alcohol es toda aquella que contenga alguna de esas tres categorías de
carbohidratos (Moragues & Rapallini).
Digestión anaerobia (biodigestión): es un proceso biológico de descomposición
bacteriana de la materia orgánica (residuos animales y vegetales) en ausencia de aire,
produciendo una mezcla gaseosa denominada biogás. Utilizando el proceso de
digestión anaeróbica es posible convertir gran cantidad de residuos vegetales,
estiércoles, efluentes de la industria alimentaria y fermentativa, de la industria
papelera y de algunas industrias químicas, en subproductos de gran utilidad. En la
biodigestión más del 90 % de la energía disponible por oxidación directa se
transforma en metano, consumiéndose solo un 10 % de la energía en crecimiento
bacteriano frente al 50 % consumido en un sistema aeróbico (Rincón Martínez, 2014).
La descomposición anaerobia de la materia orgánica se divide en cuatro etapas, estas
son: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. La descripción de las
etapas se muestra en la Figura 2.
15
Figura 2. Etapas de la digestión anaerobia. Fuente: (Varnero, 2011), Elaboración propia
4.2 Tecnologías de conversión de la biomasa en energía eléctrica
La generación de electricidad a partir del biogás obtenido de los recursos de biomasa
residual pecuaria se lleva a cabo con tecnologías de conversión electromecánica como el
motor de combustión interna, las turbinas a gas o microturbinas asociados a los ciclos
termodinámicos Otto y Brayton respectivamente, y con tecnologías de conversión
electroquímicas como las celdas de combustible. Actualmente por tener el menor costo de
inversión, los motores de combustión interna que están por encima de 1000 USD/kWel son
el sistema más empleado en la generación de energía eléctrica (Weber, Rojas, Torres, &
Pampillón, 2012).
16
4.2.1 Motor de Combustión Interna (MCI)
Los motores de combustión interna son máquinas que realizan trabajo gracias a la
explosión que ocurre por la reacción química del carburante (aire y combustible) dentro del
cilindro. La explosión se origina debido a la energía interna que contiene el combustible, esta
energía se manifiesta con un aumento de la presión y la temperatura, realizando de esta forma
trabajo. El ciclo de trabajo del MCI se conforma básicamente de cuatro etapas: admisión
(ingreso del carburante al cilindro), compresión (aumento de presión a la mezcla), expansión
(explosión de la mezcla) y escape (salida de gases quemados hacia el exterior) (Molina, s.f.).
En el caso de los MCI las opciones tecnológicas disponibles para el uso de biogás son
de tres tipos: cuatro tiempos (para motogeneradores pequeños, Pel < 100 kW), motor operado
por compresión llamado Diésel (para motogeneradores grandes, Pel > 400 kW) y de tipo
“ignition oil engine” (para motogeneradores de escala intermedia). Los motogeneradores de
cuatro tiempos trabajan a revoluciones mayores a 1500 rpm, sin embargo tienen una
eficiencia eléctrica menor, los motores “Ignition Oil Engine” tienen como desventaja que
necesitan para su operación la inyección equivalente del 2 al 10 % del poder calorífico del
biogás para asegurar la explosión de la mezcla en los cilindros, como ventaja presenta una
mayor eficiencia respecto al motor cuatro tiempos (Weber, Rojas, Torres, & Pampillón,
2012).
Observación: Se considera que los motores de combustión interna son la tecnología
de conversión más apropiada para proyectos de generación a pequeña escala, debido a que
maneja un rango de potencia que varía de 0,5 kW – 5000 kW y sus características comerciales
(costos, disponibilidad, etc.) los hacen equipos más asequibles.
17
Figura 3. Motor de combustión interna. Fuente: (Mechanical Engineering , 2014)
4.2.2 Microturbina
Las microturbinas son unidades que realizan la quema de combustibles líquidos o
gaseosos para generar electricidad. Su funcionamiento consiste en la absorción de aire que,
luego de pasar por un filtro de partículas, es comprimido para pasar por un intercambiador
de calor en donde se recupera parte de la energía de los gases de escape, esto con el fin de
incrementar la temperatura previamente a la entrada de la cámara de combustión,
consiguiendo aumentar la temperatura del proceso, siendo esta la principal diferencia de estos
equipos respecto a las turbinas de gas convencionales. Una vez en la cámara de combustión,
se realiza la inyección de biogás y se produce la combustión de la mezcla, los gases
provenientes de la combustión se expanden en la turbina, que al girar mueve el alternador
eléctrico y el compresor; por último, los gases expandidos se hacen circular a través del
intercambiador de calor (Relea, y otros, s.f.).
18
Las microturbinas se pueden clasificar conforme a la disposición física de los
componentes, según el número de ejes (eje sencillo y eje partido), o de acuerdo al ciclo de
calor empleado (ciclo sencillo o recuperado) (González, 2004). Las microturbinas generan
electricidad en rangos comprendidos entre 30 y 50 kW, produciendo bajas emisiones de
óxido de nitrógeno y otros contaminantes (Promigas, s.f.).
Figura 4. Microturbina. Fuente: (Capstone, 2008)
4.2.3 Celda de combustible
La celda de combustible es un dispositivo de conversión electroquímica que
transforma el hidrógeno y el oxígeno directamente en electricidad. Físicamente la celda se
compone de dos electrodos: un ánodo y un cátodo, separados por un electrolito que no es un
conductor eléctrico. En una celda, el combustible y el oxidante reaccionan isotérmicamente,
produciendo una reacción en cada electrodo por separado; en la superficie de un electrodo la
reacción ioniza el combustible enviando los electrones liberados a un circuito eléctrico
19
externo, y en la superficie del otro electrodo ocurre una reacción para recibir los electrones
del circuito que, al combinarse con el oxidante, produce iones que luego se mezclan en el
electrolito para así completar la reacción total. El electrolito transporta los iones entre los
electrodos para completar el circuito y continuar con el flujo de electrones (Acuña & Muñoz,
2001).
En general, la diferencia entre la mayoría de las celdas de combustible es el tipo de
electrolito, algunas clases de electrolitos empleados son: ácido fosfórico (PAFC: Phosphoric
Acid Fuel Cells), carbonato fundido (MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells), óxido sólido
(SOFC: Solid Oxide Fuel Cells), y la membrana de intercambio de protón (PEMFC: Proton
Exchange Membrane Fuel Cells). La principal ventaja de esta tecnología es que no posee
limitaciones termodinámicas como sucede en los sistemas convencionales de generación de
energía eléctrica, ya que evita pasos intermedios como la producción de calor y trabajos
mecánicos, permitiendo ser una tecnología con menor contaminación ambiental y alta
eficiencia (U.S. Department of Energy, 2004).
Figura 5. Celda de combustible. Fuente: (Becerra, y otros, 2013)
20
Las tablas que se muestran a continuación presentan la recopilación de datos de
eficiencia eléctrica para las diferentes tecnologías de generación de electricidad.
Tabla 11. Eficiencia eléctrica Motores de combustión interna
Motores de Combustión
Interna (MCI) REFERENCIA
Potencia [kW] Eficiencia [%]
0,5 – 6500 25 – 45 (González, 2004)
80 – 20000 25 – 43 (WADE, 2003)
5 – 5000 28 – 42 (Gómez, 2008)
5 – 5000 30 – 45 (De la Guerra, 2011)
Fuente: Elaboración propia
Tabla 12. Eficiencia eléctrica Microturbinas
Microturbinas REFERENCIA
Potencia [kW] Eficiencia [%]
25 – 300 23 – 30 (González, 2004)
25 – 500 20 – 30 (WADE, 2003)
25 – 200 25 – 30 (Gómez, 2008)
20 – 500 20 – 30 (De la Guerra, 2011)
Fuente: Elaboración propia
Tabla 13.Eficiencia eléctrica celdas de combustible
Tipos
Celdas de combustible
REFERENCIA Potencia
[kW]
Eficiencia
[%]
PAFC
100 – 200 36 – 42 (González, 2004)
100 – 200 36 – 42 (WADE, 2003)
200 – 2000 35 (Gómez, 2008)
50 – 11000 40 – 45 (De la Guerra, 2011)
SOFC
1 – 10000 45 – 60 (González, 2004)
1 – 10000 45 – 60 (WADE, 2003)
1 – 5000 50 – 55 (Gómez, 2008)
100 – 250 45 – 50 (De la Guerra, 2011)
MCFC 250 – 10000 45 – 55 (González, 2004)
250 – 5000 45 – 50 (WADE, 2003)
21
MCFC
Potencia
[kW]
Eficiencia
[%] REFERENCIA
250 – 2000 50 – 55 (Gómez, 2008)
100 – 2000 45 – 50 (De la Guerra, 2011)
PEMFC
3 – 250 30 – 40 (González, 2004)
3 – 250 30 – 40 (WADE, 2003)
1 – 250 35 (Gómez, 2008)
5 – 250 35 – 45 (De la Guerra, 2011)
Fuente: Elaboración propia
4.3 Biodigestor
El biodigestor o reactor anaerobio, es un contenedor cerrado, hermético e
impermeable donde se deposita materia orgánica (excretas de animales, desechos vegetales,
aguas residuales, residuos lácticos, etc.) que diluidos en agua llevan a cabo un proceso de
fermentación gracias a la acción de microorganismos, que convierten la materia orgánica en
gases y fertilizantes ricos en nitrógeno, fosforo y potasio (Twenergy, 2014).
A nivel general un biodigestor consta de una cámara de digestión donde ingresa la materia
orgánica, una campana en la cual se acumula el biogás producido en el proceso de
fermentación y un sistema de tuberías que conduce el biogás hasta el lugar de
aprovechamiento (Samayoa, Bueso, & Viquez, 2012).
Figura 6. Clases de Biodigestor. Fuente: (Samayoa, Bueso, & Viquez, 2012)
22
4.3.1 Tipos de biodigestor
Los biodigestores se clasifican de acuerdo al tipo de materia, el tiempo de degradación
y el proceso de carga de la materia, cada uno con unas características de diseño y
funcionamiento diferentes. De acuerdo con el proceso de carga de la materia se pueden
clasificar en sistemas continuos, sistemas discontinuos y sistemas de dos etapas (Samayoa,
Bueso, & Viquez, 2012).
4.3.1.1 Sistemas continuos
la alimentación es un proceso ininterrumpido, el efluente que descarga es igual al
afluente o material de carga
Son utilizados principalmente para el tratamiento de aguas residuales
Son utilizados a nivel industrial en plantas de gran capacidad donde se emplean
equipos comerciales para su alimentación, calefacción, agitación y control
4.3.1.2 Sistemas Semicontinuos
El flujo o afluente de materia es constante (diario)
Los tiempos de retención de la materia son menores al de los sistemas discontinuos y
dependen del diseño del biodigestor
Dentro de esta clasificación se encuentran los biodigestores de mezcla completa, filtro
anaerobio, plantas de lecho fluidizado, lecho de lodos, biodigestores tubulares, de
cúpula fija y móvil, entre otros (véase Figura 7) (Samayoa, Bueso, & Viquez, 2012)
23
Figura 7. Esquema general de un biodigestor de flujo continuo. Fuente: (Samayoa, Bueso,
& Viquez, 2012)
4.3.1.3 Sistemas discontinuos o tipo Bach
Se carga una sola vez y se descarga una vez la materia deja de producir gas
combustible.
El afluente o materia orgánica se mantiene por tiempos prolongados dentro de la
cámara de biodigestión
Consiste en un tanque hermético con una salida de gas conectada a un gasómetro
flotante donde se almacena el biogás
Es aplicable cuando la disposición de la materia es intermitente
Se pueden conectar diferentes biodigestores en serie con el fin de garantizar una
producción de biogás constante
Son eficaces para la digestión de materiales celulósicos que no pueden ser tratados en
sistemas de digestión continuos debido al posible taponamiento de conductos de
alimentación y salida (véase Figura 2) (Hilbert, 2008) (Samayoa, Bueso, & Viquez,
2012)
Ocupa del 60 % - 80 % menos agua que los digestores continuos
24
Se puede construir sobre el suelo o semienterrado, ideal para localidades de nivel
freático superficial o terreno rocoso (Varnero, 2011)
Figura 8. Biodigestor discontinuo (Tipo Batch) Fuente: (Samayoa, Bueso, & Viquez, 2012)
4.3.2 Clases de biodigestores de acuerdo a su construcción
4.3.2.1 Biodigestor tubular
Son conocidos como biodigestores salchicha o Taiwanés
Son sistemas continuos, estacionarios fabricados en goma o polietileno
Debido a sus características de flujo continuo, las propiedades físicas, químicas y
bacteriológicas cambian a medida que avanzan dentro del biodigestor, por tanto, la
producción de biogás difiere en cada sección del sistema
Se utiliza en afluentes donde la concentración de microorganismos es elevada
Es apropiado para granjas pequeñas debido a que su construcción es sencilla y
económica
Se opera a régimen semicontinuo entrando la carga por un extremo del biodigestor y
saliendo lodos por el extremo opuesto (Varnero, 2011) (Samayoa, Bueso, & Viquez,
2012)
25
Figura 9. Biodigestor tubular. Fuente: (Samayoa, Bueso, & Viquez, 2012)
4.3.2.2 Biodigestor de cúpula fija o modelo chino
Está compuesto por el registro de carga, el digestor y un tanque de compensación
Se caracteriza por tener una forma cilíndrica y estar enterrado, condición que reduce
la influencia de los cambios climáticos, favoreciendo el proceso de fermentación
La cúpula de gas requiere de impermeabilizante especial por tanto es necesario contar
con personal calificado con conocimiento técnico.
Su funcionamiento se resume en tres etapas mezcla, retención y trasporte. En primer
lugar se realiza la mezcla de la materia orgánica con lodos activos de otro biodigestor,
luego es transportada por tuberías hacia la cámara de digestión , donde se retiene por
un tiempo determinado para que los microorganismos realicen el proceso de
fermentación, esto disminuye la carga contaminante del residuo y genera dos
subproductos: el biogás que es almacenado en la cúpula fija y transportado por
tuberías y el biofertilizante que es un fluido semisólido que sale del sistema por medio
de una tubería a una caja de descarga donde se recolecta.
Tiene bajo costo y larga vida útil
Puede presentar fugas de gas
26
La presión del biogás es variable, situación que reduce la eficiencia en los equipos
consumidores
Es usado en mayor proporción para la generación de bioabono siendo poco eficiente
para generar biogás
Su tiempo de retención oscila entre 30 y 60 días
Se generan entre 0,15 y 0,20 volumen de gas por volumen de biodigestor /día
Figura 10. Biodigestor Chino. Fuente: (Samayoa, Bueso, & Viquez, 2012)
4.3.2.3 Biodigestor modelo hindú
Son enterrados verticalmente , se cargan una vez al día con un volumen de mezcla
que depende del tiempo de retención, produciendo una cantidad diaria constante de
biogás (Varnero, 2011)
Está compuesto por una caja de registro donde se recolectan los desechos, un conjunto
de tuberías que transportan la materia orgánica a la cámara de digestión para su
fermentación (producción de biogás), una campana de acero (cúpula) que flota dentro
del biodigestor, donde a medida que el biogás generado ejerce presión, esta se eleva
27
almacenando el biogás, por último presenta otro conjunto de tuberías que transporta
la materia luego del proceso de digestión para ser utilizado como biofertilizante
La cúpula de acero asegura la presión constante del biogás
Este sistema presenta un alto costo asociado a la cúpula y necesita de mantenimiento
constante
Presenta una vida útil corta debido a la cúpula (15 años, para regiones costeras
tropicales alrededor de 5 años)
Es limitada al uso de ciertos sustratos para evitar el bloqueo de la cúpula
Este biodigestor presenta una buena eficiencia, generándose entre 0,5 a 1 volumen de
gas por volumen de biodigestor día
Figura 11. Biodigestor tipo hindú. Fuente: (Samayoa, Bueso, & Viquez, 2012)
4.3.2.4 Sistemas de dos etapas
Consta de dos biodigestores en serie, cada uno con una función en el proceso de
digestión. En el primer biodigestor se hace una retención prolongada desarrollándose
la etapa de hidrólisis y la etapa acidogénica de la materia orgánica y el segundo
biodigestor maneja tiempos de retención cortos, dando por terminando el proceso de
descomposición (etapa metanogénica) y la producción del biogás
28
Aplicado en el tratamiento de residuos sólidos cuya etapa limitante es la hidrólisis
(frutas, verduras, residuos sólidos urbanos, etc.) (Samayoa, Bueso, & Viquez, 2012)
Figura 12. Biodigestores de dos etapas. Fuente: (Samayoa, Bueso, & Viquez, 2012)
Tabla 14. Características por tipo de biodigestor
TIPO DE BIODIGESTOR
Característica Tubular Cúpula fija (Chino) Cúpula flotante
(Hindú)
Vida útil [años] 10 a 15 ≥25 ≥15
Presión del biogás Baja – Variable Variable Constante
Tamaño típico del
biodigestor [m3]
4 – 100 5 5 – 15
Materiales de
construcción
Plástico - PVC (polietileno) Ladrillo, Cemento y
varillas de hierro
Ladrillo, cemento, cúpula de
acero anticorrosivo
Mantenimiento Bajo nivel de mantenimiento,
siempre y cuando se tomen
medidas de protección (Bolsa
PVC, cerco perimetral, techo
protector
Bajo nivel de
mantenimiento
Altos niveles de
mantenimiento relacionado
con la cúpula flotante,
eliminación de óxido y
recubrimiento con
anticorrosivo
Ubicación Semienterrado, excavación de
2,5 de profundidad y 50 cm de
largo por m3 de biogás
Enterrado
se requiere de espacio
para tubería de extracción
Enterrado
se requiere de espacio para
la cúpula flotante
Tipo de residuo aguas residuales de cualquier
sector, evitar uso de desechos
sólidos
Sin restricciones Residuos con mucha fibra
pueden ocasionar
problemas a la cúpula
Fuente: (Samayoa, Bueso, & Viquez, 2012)
29
4.3.3 Diseño y dimensionamiento del biodigestor
A continuación, se presentan algunas características que se deben tener en cuenta para
el diseño y dimensionamiento del biodigestor. La tabla 13 resume las formulas necesarias
para determinar el tiempo de retención, la carga diaria, el volumen de biodigestor, entre otras
características.
Tabla 15. Diseño y dimensionamiento del biodigestor
CARACTERÍSTICA FORMULA
% Sólidos totales
% 𝑆 =𝐸 ∗ % 𝐸𝑆𝑇
𝑀𝑃𝐶 (1)
Donde:
% 𝑆: Porcentaje de solidos totales contenidos en la materia
prima para la carga
𝑀𝑃𝐶: Materia prima para la carga (estiércol + orina) [kg/día]
% 𝐸𝑆𝑇: Porcentaje de sólidos en el estiércol (Ver tabla 14)
𝐸: Estiércol [kg/día]
Sólidos totales
𝑆𝑇 =% 𝑆𝑇 ∗ 𝑀𝑃𝐶
100 (2)
Donde:
𝑆𝑇: Cantidad de sólidos contenidos en la materia prima para la
carga [kg/día]
% 𝑆𝑇: Porcentaje de sólidos en la carga o materia prima
Masa de agua para la
mezcla
𝑀𝐻2𝑂 =𝑀𝑃𝐶 ∗ 𝑆𝑇
10− 𝑀𝑃𝐶 (3)
Donde:
𝑀𝐻2𝑂: Masa de agua para la mezcla [kg/día]
30
CARACTERÍSTICA FORMULA
Carga
𝐶 = 𝑀𝑃𝐶 ∗ 3 (4)
Donde:
𝐶: Carga diaria para alimentar el digestor [kg/día]
La relación de estiércol vs agua es de 1:3 (Sampablo Cruz, 2015),
(Avendaño, 2010), (Herrero, 2008).
Tiempo de retención
𝑇𝑅 = (−51,227 ∗ 𝐿𝑛(𝑇) + 206,72) (5)
Donde:
𝑇𝑅: Tiempo de retención [días]
𝑇: Temperatura promedio del sitio en el que se instalará el
biodigestor [°C]
Volumen del digestor
𝑉𝑑 = 𝐶 ∗ 𝑇𝑅 ∗ 1,2 (6)
Donde:
𝑉𝑑: Volumen del biodigestor [m3]
1,2: Volumen adicional para el almacenamiento de biogás
Producción de biogás
𝑃𝐺 = 𝑀𝑃𝐶 ∗ 𝐹𝑆𝑉 ∗ 𝐵𝑜 (7)
Donde:
𝑃𝐺: Gas producido [m3/día]
𝐹𝑆𝑉: Fracción de sólidos volátiles [kgSV/kg]
𝐵𝑜: Rendimiento del biogás [m3/kgSV]
Producción de
bioabono
𝑃𝐵 = 𝐶 ∗ 0,7 (7)
Donde:
𝑃𝐵: Producción de bioabono que corresponde al 70 % de la carga
diaria [m3]
31
CARACTERÍSTICA FORMULA
Tanque de recolección
𝑇𝑟 = 𝐶 ∗ 3 (8)
Donde:
𝑇𝑟: Volumen del tanque de recolección [m3]
Tanque del efluente 𝑇𝑒 = 𝑇𝑟 ∗ 9 (9)
Donde:
𝑇𝑒: Volumen del tanque del efluente [m3]
Fuente: (UPME, 2003) (Mantilla, Duque, & Galeano, 2007). Elaboración propia
4.3.4 Sistema Biobolsa
Es un sistema biodigestor tubular de flujo continuo, prefabricado, modular, flexible y
de alta calidad diseñado para la aplicación en proyectos a pequeña y mediana escala, permite
la expansión de acuerdo al ritmo de crecimiento del usuario.
Está fabricado en geomembrana de polietileno linear de baja densidad (LLDPE) de 1
a 1,5 mm de espesor, el cual es un material flexible, resistente a los rayos UV, que garantiza
una vida útil prolongada y la resistencia a las variaciones climatológicas de la zona de
instalación. Las tuberías de alimentación y descarga se encuentran fabricadas en PVC
sanitario para mayor durabilidad.
El tiempo promedio de instalación es de 2 horas. El tamaño de la Biobolsa varía desde
4 m3 hasta 200 m3. Los reactores están diseñados para conectarse entre sí con el fin de
aumentar la capacidad de volumen de tratamiento, como se muestra en la Figura 13.
Observación: debido a las características del sistema Biobolsa en cuanto a
durabilidad, calidad de los materiales de fabricación, facilidad de instalación y servicio de
32
monitoreo de funcionamiento por 1 año y de capacitación a sus propietarios se considera que
es un sistema apropiado para la implementación de proyectos de generación a pequeña escala
a partir de biomasa residual pecuaria.
Figura 13. Sistema de biodigestión modular. Fuente: (Sistema Biobolsa, 2016)
El sistema Biobolsa está compuesto de las siguientes partes:
1. Reactor anaerobio
2. Protector Geotextil
3. Conexiones de PVC
4. Registro de entrada
5. Tanque de almacenamiento
6. Válvula de salida del Biogás
7. Válvula de alivio de presión y
Válvula de paso (controla el paso del
biogás del reactor a los puntos de uso)
8. Filtro de Biogás: Permite la
reducción de ácido sulfhídrico (H2S)
9. Línea de Biogás
10. Trampa de Agua
La Figura 14 muestra el sistema Biobolsa y sus partes.
Figura 14. Sistema Biobolsa (Biodigestor tubular). Fuente: (Sistema Biobolsa, 2016)
33
4.3.4.1 Selección e instalación del sistema
Para la selección del sistema se deberá tener en cuenta en primer lugar la cantidad de
estiércol que se produce diariamente de manera que se pueda dimensionar el biodigestor. La
Tabla 16 muestra el modelo Biobolsa de acuerdo a la cantidad de animales semiestabulados
para una temperatura ambiente de 15 °C a 23 °C (la producción de biogás es un estimativo
basado en un biodigestor estándar y depende de las condiciones en las que opere el sistema).
Luego de escoger el sistema de Biobolsa será necesario remitirse a la Tabla 17 donde
se especifica las dimensiones de las zanjas necesarias para la instalación del sistema.
Tabla 16. Selección de modelos de Biobolsa para una temperatura ambiente de 15 °C – 23
°C
Fuente: (Sistema Biobolsa , 2016)
34
Tabla 17. Dimensionamiento de zanjas
Fuente: (Sistema Biobolsa , 2016)
De acuerdo a las medidas del sistema se deberá escoger el sitio de instalación el cual
no debe estar a más de 50 metros del punto de uso del biogás. Se recomienda usar sistemas
por gravedad o tuberías para la alimentación del sistema y considerar por lo menos 1,5 m de
espacio para ubicar el registro de alimentación del biodigestor al igual que para el tanque de
almacenamiento del abono orgánico, tal como se muestra en la Figura 15.
Figura 15. Disposición del sistema de Biobolsa. Fuente: (Sistema Biobolsa , 2016)
35
Existen dos métodos de instalación del sistema, el primero semienterrado es decir en
una zanja de acuerdo a las especificaciones de la Tabla 15, tal como se muestra en la Figura
16 o sobre el suelo contenida en un muro de contención tal como se muestra en la Figura 17
Figura 16. Biodigestor semienterrado. Fuente: (Sistema Biobolsa , 2016)
Figura 17. Biodigestor con muro de contención (Sistema Biobolsa , 2016)
En resumen, los pasos para la instalación del sistema son (Sistema Biobolsa, 2016):
1. Confirme las dimensiones de la zanja de acuerdo a los datos suministrados en la tabla
15.
2. Marque el terreno de acuerdo a las dimensiones elegidas
3. Inicie el excavado en forma recta 40 cm para modelos tubulares y 60 cm para modelos
dobles
4. Dentro de la marca del chaflán escavar otros 30 cm para modelos tubulares y 60 cm
para modelos dobles
5. Marcar el chaflán entre los dos niveles, este no debe tener ningún escalón y todas las
transiciones deben ser rectas
36
6. Confirmar los niveles de la zanja con el fin de asegurar el buen funcionamiento del
sistema
7. Confirmar que las entradas y salidas al sistema estén libres de tierra
8. Adecuar el terreno para la instalación de los tubos de 4” de PVC que irán tanto a la
entrada como a la salida del sistema siguiendo las medidas para cada modelo
9. Trazar el perímetro alrededor de la zanja
10. Bordear todo el perímetro de la zanja, el cual deberá estar a 40 cm de la zanja y debe
ser de 30 cm de ancho y 20 cm de profundidad
11. Revisar el terreno y retirar cualquier objeto que pueda dañar la Biobolsa
12. Coloque la manta o geotextil sobre la zanja cubriéndola en su totalidad, los cuatro
extremos del geotextil deberán ser anclados y fijados con arena o tierra.
13. Coloque el reactor dentro de la zanja preferiblemente doblado y con la salida de 2”
apuntando hacia arriba
14. Desdoble con cuidado a lo largo de la zanja llevando cada salida a los extremos de
la misma
15. Confirmar que la Biobolsa se encuentra nivelada
16. Iniciar el llenado de agua hasta que llegue al nivel de los tubos de 4” de la entrada y
la salida (70 % de la bolsa), conectar la manguera de salida del biogás y la válvula de
control
17. Una los tubos de la entrada y la salida con los codos de 45°, cuando el agua toque los
tubos se logrará el sello hidráulico, lo que permitirá el ingreso de desechos orgánicos
18. Conectar el registro a la entrada del biodigestor usando las Y de 4”
19. Llenar el sistema con el equivalente a 10 días de alimentación normal, lo que se
considera la semilla del biodigestor
37
20. Para la instalación de la línea de gas hacer un plan del recorrido que deberá seguir la
manguera.
21. Fijar la manquera a través de abrazaderas, si es necesario unir varios tramos hacerlo
a partir de uniones de espiga, teniendo cuidado de garantizar la impermeabilidad de
la instalación
22. Conectar la línea de gas a la válvula de salida de la Biobolsa
23. Para la conexión a motores es necesario usar un adaptador de acuerdo a la potencia
del motor y un filtro de reducción de ácido sulfhídrico para la protección del motor
La Figura 18 describe cada uno de los pasos mencionados anteriormente.
38
39
40
Figura 18. Pasos para la instalación del sistema Biobolsa. Fuente: (Sistema Biobolsa , 2016)
4.3.3.2 Operación del sistema Biobolsa
Una vez instalado el sistema se deberá introducir al reactor una carga inicial de mezcla
de estiércol y agua equivalente a la carga de 10 días, el estiércol debe ser fresco y libre de
tierra, rocas, plástico u otro elemento contaminante y el agua libre de detergentes y productos
químicos. Se recomienda no ingresar el estiércol de animales a los cuales se les haya
suministrado antibióticos 5 días antes.
La proporción de la mezcla de estiércol y agua para el caso de los porcinos, ovejas y
conejos estará en una relación 1:5 mientras que para el caso de bovinos se tendrá una relación
de 1:3 tal como se muestra en la Figura 19
41
Figura 19. Relación mezcla de estiércol agua. Fuente: (Sistema Biobolsa, 2016)
Cuando la alimentación del biodigestor se hace de forma manual se recomienda
recoger el excremento con pala y carretilla y diluirlo con agua directamente en el tanque de
registro de manera que se deshaga cualquier solido presente en la mezcla.
Se recomienda agitar el sistema por un periodo de 30 a 60 segundos diariamente antes
de la alimentación, preferiblemente cuando tenga un mínimo de biogás y cuando la
geomembrana no este caliente, es decir en la mañana o en la noche. La agitación tiene tres
funciones que son:
1. Ofrecer un ambiente propicio para la descomposición microbiológica del estiércol
2. Evita que se forme una nata en la superficie de los lodos dentro del reactor
3. Evita que se acumulen grumos en las esquinas del sistema
42
Cada sistema cuenta con 8 puntos de agitación y se recomienda evitar hacerlo en las
esquinas del reactor. La Figura 20 ilustra los puntos de agitación del sistema.
Figura 20. Puntos de agitación del sistema. Fuente: (Sistema Biobolsa, 2016)
4.3.3.3 Consideraciones del sistema
a. Válvula de alivio de presión: Está diseñada para dejar escapar el biogás cuando la
presión en el reactor supera los 30 cm de columna de agua. Cuando el biogás sobrepasa esta
presión, podrá escapar a través de la manguera dentro del contenedor de agua (Sistema
Biobolsa, 2016)
Consideraciones
1. Esta válvula puede instalarse en la tierra junto al reactor o en un muro manteniendo
siempre el mismo efecto.
2. La válvula siempre deberá estar llena de agua por tanto es necesario que el lugar de
instalación sea concurrido de manera que se pueda inspeccionar a diario el nivel del
agua y reponer la cantidad que se pueda perder (entre menos centímetros de agua este
sumergido, menos columna de agua de presión tendrá el biodigestor).
43
3. La válvula debe instalarse en un lugar ventilado para que el biogás se disipe con
facilidad en la atmosfera. Sin embargo, se recomienda quemar el excedente en una
estufa o quemador
b. Línea de gas: Es una manguera flexible o tubería de PVC que conduce el biogás
desde el reactor al punto de uso (motor) (Sistema Biobolsa, 2016).
Consideraciones
1. Esta línea no es igual a las líneas que conducen gas GLP, natural o butano (gases
presurizados bajo alta presión). El biogás se encuentra a presión atmosférica, es decir,
no está comprimido, por tanto, se pueden usas mangueras de agua o tubería PVC.
2. El biogás contiene un porcentaje de agua que se evapora y después se condensa a lo
largo de la línea de gas. Por tanto, es necesario que sea visible durante su recorrido,
por ningún motivo puede ir enterrada.
3. Se recomienda evitar que la línea de gas forme curvas donde se pueda acumular agua,
si no es posible evitar estas curvas se recomienda instalar trampas de agua
4. Garantizar que el recorrido que sigue la línea de gas no obstaculice el tránsito de
personas, animales o maquinaria en la granja y evitar sitios donde se puedan presentar
averías
c. Trampas de agua: está diseñada para dar una salida fácil al agua que se acumula en
la línea de gas cuando ésta forma curvas en su recorrido (Sistema Biobolsa, 2016).
Consideraciones
1. Verifique en qué lugares se acula el agua para instalar las trampas, posteriormente
corte la línea de gas e inserte las espigas de la trampa de agua dentro de los extremos
de corte, por último, fíjelas con las abrazaderas y revise que no haya ningún escape.
44
2. Instale las trampas de agua en un sitio de fácil acceso donde sea posible retirar el
tapón y dejar salir el agua
d. Filtro de biogás: el filtro de biogás está diseñado para quitar cantidades excesivas de
ácido sulfhídrico (H2O) en el biogás, que puede dañar y oxidar los equipos, así como
ocasionar malos olores. El filtro está compuesto por una tuerca de unión que permite acceso
al medio filtrante en el interior, cuenta con espigas en los dos extremos para facilitar la
instalación rápida en cualquier parte de la línea de gas (Sistema Biobolsa, 2016).
Consideraciones
1. El filtro de biogás deberá ser remplazado cada mes, por tanto, el lugar de instalación
tiene que ser de fácil acceso
2. Se recomienda instalar todos los componentes del sistema de biogás en un mismo
lugar (válvula de alivio de presión y filtro de biogás)
3. El filtro debe ser instalado de tal forma que no se acumule agua en su interior
4. Para su instalación tenga en cuenta los siguientes pasos: Identifique el sitio de
instalación, posteriormente haga un corte a la línea de gas, inserte las espigas del filtro
dentro de los dos extremos, por último, instale la abrazadera y verifique que la tuerca
de unión del filtro se encuentre bien cerrada.
45
Anexo 5. Formato de presentación para la solicitud de incentivos para FNCE y formato de
especificación de elementos, equipos y maquinarias
IVA ARANCEL ACTUALIZACIÓN LISTA
Preinversión Inversion
,
FORMATO DE PRESENTACIÓN
SOLICITUD DE INCENTIVOS PARA FUENTES
NO CONVENCIONALES DE ENERGÍA
LEY 1715 DE 2014
DECRETO 2143 DE 2015
RESOLUCIÓN UPME 045/2016
1. SOLICITANTES
1.1 Soliciante Secundario
Nombre o razón social Nombre o razón social
1.1 Solicitante Principal
Domicilio
Dirección
Sector productivo
Código CIIU
C.C ó NIT
Sector productivo
Código CIIU
C.C ó NIT
Domicilio
Dirección
2. TIPO DE BENEFICIO AL QUE DESEA ACCEDER
Fax
Correo Electronico
Persona de contacto
Teléfono
Fax
Correo Electronico
Persona de contacto
Teléfono
3. NOMBRE DEL PROYECTO EN FNCE O GESTION EFICIENTE DE LA ENERGÍA
5. LUGAR DE UBICACIÓN DE LA INVERSION
4. ETAPA DEL PROYECTO EN FNCE O GESTION EFICIENTE DE LA ENERGÍA
6. VALOR DE LA INVERSION OBJETO DEL BENEFICIO
Valor Total en Pesos
Departamento Municipio
46
ELEMENTO
EQUIPO
MAQUINARIA /
SERVICIO
SUBPARTIDA
ARANCELARIA
CA
NT
IDA
D
MA
RC
A MODELO
REFERENCIA
/ TIPO DE
SERVICIO
FABRICANTE
PROVEEDOR
PROVEEDOR
VENDEDOR IVA
RE
NT
A
AR
AN
CE
L
DE
PR
EC
IAC
ION
ACTUALIZACIÓ
N DE LA LISTA
VALOR TOTAL
EN PESOS
COLOMBIANOS
(Sin incluir IVA)
VALOR IVA EN
PESOS
COLOMBIANOS
FORMATO ESPECIFICACIONES DEL ELEMENTO, EQUIPO, MAQUINARIA Y/O SERVICIOS
INSTRUCCIONES: i. Elemento, Equipo, Maquinaria y/o Servicio: Indicar el nombre de cada uno de los elementos, equipos, maquinaria y/o servicio objeto de
la solicitud. ii. Subpartida Arancelaria: Indicar el número de Subpartida Arancelaria del elemento, equipo y/o maquinaria Esta casilla debe
diligenciarse en caso de realizar la importación de los elementos, equipos y/o maquinaria, si el elemento, equipo y/o maquinaria es nacional
dejar en blanco. Si se trata de un servicio dejar en blanco. iii. Cantidad: Indicar la cantidad o unidad de medida de los elementos, equipos, maquinaria y/o servicio objeto de la solicitud. iv. Marca: indicar la marca del elemento, equipo y/o maquinaria. En caso de servicio dejar en blanco v. Modelo o referencia: Indicar el modelo o referencia comercial del elemento, equipo y/o maquinaria. En caso de servicio especificar el
tipo de servicio. vi. Fabricante/Proveedor: Indicar el nombre del fabricante del elemento, equipo y/o maquinaria o el proveedor del servicio. Si no tiene
información sobre el nombre del fabricante indicar el nombre del proveedor. vii. Vendedor/Proveedor: Indicar el nombre del vendedor o proveedor del elemento, equipo y/o maquinaria. Solo se puede relacionar un
solo vendedor/proveedor por ítem. viii. Función: realizar una breve descripción de la función que cumple en particular cada elemento, equipo, maquinaria y/o servicio objeto
de la solicitud dentro del sistema de control ambiental al que van a ser incorporados.
47
Anexo 6. Formulario para el registro de proyectos a partir de biomasa
1. Razón social de la Empresa /Persona Natural
Primera Segunda Tercera
16. Costo AOM variable (US$/MWh)
17. Energía media estimada (GWh/año)
18. Posible(s) mercado(s) a atender
Resolución N° 143 de 2016 por medio de la cual se establece el registro de proyectos de generación
BIOMASA
23. Construcción (meses)
24. Fecha estimada de entrada en operación
(ddmmaa)
25. Fecha estimada de inicio de construcción
(ddmmaa)
20. Posibles fuentes de financiación
21. Periodo de Ejecución
22. Preconstrucción (meses)
15. Costo AOM fijo (US$/kW)
19. Costo total aproximado con impuestos vigentes
(Millones de dólares vigentes a la fecha de
inscripción)
14. Ubicación
Departamento
Municipio
SIN (Sistema Interconectado Nacional)
ZNI (Zona No Interconectada)
10. Nombre de quien Registre
11. Nombre del proyecto
12. Fase a la que registra el proyecto (Marca con X)
13. Capacidad estimada (MW)
7. Fax
8. Email:
9. Nombre del Representante Legal
4. Departamento:
5. Municipio:
6. Teléfono:
INFORMACIÓN GENERAL
2. Número de NIT/C.C
3. Dirección:
48
Cultivo energetico
¿Cuál?
Resolución N° 143 de 2016 por medio de la cual se establece el registro de proyectos de generación
BIOMASA
1 La información vectorial debe entregarse en el sistema de coordenadas planas (metros) Magna SIRGAS
origen Bogotá.2
Consutar Casificación Atlas de Biomasa. Anexo A. 20103 Resisduo Agrícola del Cultivo
29. Recurso Energético
Localización de
fuentes 1
Procedencia de la biomasa2 Poder calorífico
(kJ/kg)
Humedad Media
(%)
Nivel de tensión (kV)
27. Descripcion de posible(s) impacto(s) ambiental(s)
CARACTERISTICAS PARTICULARES PROYECTOS DE BIOMASA
26. Posible punto de conexión a la red de trasmisión
Nombre de S/E
Transportador
22. Declaración
El suscrito, ________________________ en mi condición de ____________________ (responsable del
proyecto de que se trate), declaro, bajo la gravedad de juramento:
1. Que toda la información que se entrega relacionada con el proyecto ___________ es veraz, y cumple con
toda la legislación asociada a derechos de autor y propiedad intelectual.
2. Que me comprometo a su actualización en todos los casos cuando se introduzcan modificaciones en
cualquier aspecto del proyecto.
3. Que ______________________________ (Agente Responsable del Proyecto) autoriza a la subdirección
de energía eléctrica de la UPME, para verificar el contenido de la misma, en cuanto lo requiera.
4. Que la siguiente información suministrada esta sujeta a reserva de confidencialidad, por cuanto
___________________________________________________________________________________
_____________________(escriba numeral del formulario y fundamento legal que justifique lo afirmado).
5. Que las firmas impuestas en los documentos soporte de la información que se entrega, corresponden a las
personas que los suscriben.
6. Se reconoce que la certificación de registro de proyectos expedida por la UPME no otorga derechos de
propiedad, exclusividad, ni tituralidad sobre los proyectos registrados, ya que esto no es potestad de la
entidad.
___________________________________
Firma
Nombre
No Documento Identificación
INFORMACIÓN GENERAL
49
Residuos
a) Agrícola
¿Cuál?
Tipo
RAC3
RAI4
b) Pecuaria
¿Cuál?
c) RSU5
¿Cuál?
31. Método de Conversión
Combustion Fermentación Alcoholica
Pirolisis Fermentación Metanica
Gasificación
Termolisis
Otro Otro
Resolución N° 143 de 2016 por medio de la cual se establece el registro de proyectos de generación
BIOMASA
3 Resisduo Agrícola del Cultivo
4 Residuo Agrícola Industrial
5 Residuos Sólidos Urbanos (Domestico, Lodos PTAR, Biogás, otros)
6 Mínimo 12 meses de medición continua y consecutiva bajo estandares internacionales. Se aceptan series
estimadas siempre y cuando esten suficientemente bien sustentadas y podrán ser verificadas por la UPME
Capacidad (MW)
36. Turbina
Tipo
Número de unidades
34. Otras caracteristicas del Recurso
35. Caldera
Tipo
Eficiencia (%)
¿Cúal? __________¿Cúal? __________
Termoquimico Bioquímico
32. Coeficiente de rendimiento
(km2
cultivo/kg de biomasa)
33. Costo Total estimado Biomasa (US$/Ton)
30. Produccción Mensual de Biomasa (Ton/mes)6
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
32. Costo estimado del transporte (US$/Ton)
CARACTERISTICAS PARTICULARES PROYECTOS DE BIOMASA
50
Consumo especifico bruto turbogrupo (MBTU/MWh)
Resolución N° 143 de 2016 por medio de la cual se establece el registro de proyectos de generación
BIOMASA
Velocidad (rpm)
Tensión (kV)
Factor de potencia
37. Generador
Tipo
Capacidad (MVA)
Velocidad (rpm)
Eficiencia (%)
CARACTERISTICAS PARTICULARES PROYECTOS DE BIOMASA
51
Anexo 7. Formulario para proyectos menores a 1 MW
1. Razón social de la Empresa /Persona Natural
Unidades : kWh MWh
19. Fecha estimada de inicio de la construcción (dd/mm/aa)
20. Posible punto de conexión a la red de distribución Local (Si se
va a conectar)
Nivel de tensión (kV)
INFORMACIÓN GENERAL
7. Fax
8. Email:
11. Nombre del proyecto
10. Nombre de quien Registre
9. Nombre del Representante Legal
2. Número de NIT/C.C
3. Dirección:
4. Departamento:
5. Municipio:
6. Teléfono:
12. Capacidad estimada (MW)
13. Ubicación Departamento
Municipio
18. Fecha estimada de entrada en operación (dd/mm/aa)
21. Descripción de posible(s) impacto(s) ambiental(s)
Biomasa
Geotermia
Otro
¿Cúal?
16. Costo total aproximado con impuestos vigentes (Millones de
dólares vigentes a la fecha de inscripción)
17. Periodo de Ejecución (días)
ZNI (Zona No Interconectada)
14. Recurso
15. Energía media estimada anual (Marque con una X la unidad y
escriba el valor estimado)
Resolución N° 143 de 2016 por medio de la cual se establece el registro de proyectos de generación < 1 MW
SIN (Sistema Interconectado Nacional)
Agua
Sol
Viento
52
INFORMACIÓN GENERAL
22. Declaración
El suscrito, ________________________ en mi condición de ____________________ (responsable del proyecto de que
se trate), declaro, bajo la gravedad de juramento:
1. Que toda la información que se entrega relacionada con el proyecto ___________ es veraz, y cumple con toda la
legislación asociada a derechos de autor y propiedad intelectual.
2. Que me comprometo a su actualización en todos los casos cuando se introduzcan modificaciones en cualquier aspecto del
proyecto.
3. Que ______________________________ (Agente Responsable del Proyecto) autoriza a la subdirección de energía
eléctrica de la UPME, para verificar el contenido de la misma, en cuanto lo requiera.
4. Que la siguiente información suministrada está sujeta a reserva de confidencialidad, por cuanto
______________________________________________________________________________________________
__________(escriba numeral del formulario y fundamento legal que justifique lo afirmado).
5. Que las firmas impuestas en los documentos soporte de la información que se entrega, corresponden a las personas que
los suscriben.
6. Se reconoce que la certificación de registro de proyectos expedida por la UPME no otorga derechos de propiedad,
exclusividad, ni titularidad sobre los proyectos registrados, ya que esto no es potestad de la entidad.
___________________________________
Firma
Nombre
No Documento Identificación
Resolución N° 143 de 2016 por medio de la cual se establece el registro de proyectos de generación < 1 MW
53
Anexo 8. Estimación de potencial energético de acuerdo a diferentes metodologías
A continuación, se presentan los datos que dan como resultado los valores presentados en la Tabla 20 del capítulo 5. Las
metodologías que se escogieron para la estimación del potencial energético tanto teórico como técnico se dividen en dos
principalmente: la primera tiene en cuenta la caracterización del estiércol, es decir la cantidad de materia seca y solidos volátiles
propios de la muestra, mientras que la segunda se caracteriza por tener en cuenta características como el rendimiento y el poder
calorífico del biogás.
Tabla 18. Estimación de potencial energético a partir de metodología ASIA
Fuente: Elaboración propia
1. Los datos correspondientes a tasa de producción de estiércol se calcularon a partir de la Tabla 35 del Atlas de potencial energético de la biomasa en Colombia (UPME,
2010)
Subsector
Grupo
etario
[meses]
Tasa de
producción de
estiércol
[kg/cabeza*día]1
Población
[cabezas]
Masa del
residuo
[kg/año]
Materia
Seca
[kgMS/año]
Biogás recuperable
[m3biogas/kgSV]
Potencial
Energético
teórico
[GJ/año]
Terneros 0 - 12 4 7 10220 638,75 150,2 5,11
Novillas 12 - 24 9 11 36135 2258,43 531 18,05 Vaca de
primer parto 24 - 36 14 7 35770 2235,62 525,7 17,87
Vaca de
producción > 36 18 13 85410 5338,12 1255,1 42,67
Total 38 167535 10470, 93 2462 83,71
54
Tabla 19. Estimación de potencial energético a partir de metodología artículo italiano aplicado a Colombia
Subsector
Grupo
etario
[meses]
Tasa de
producción de
estiércol
[kg/cabeza*día]
Población
[cabezas]
Masa del residuo
[kg/día]
Masa del residuo
[kg/año]
Terneros 0 - 12 4 4,0822 7 28 28,5754 10220 10430,021
Novillas 12 - 24 9 11,78 11 99 129,58 36135 47296,7
Vaca de primer
parto 24 - 36 9,53 14 7 66,71 98 24349,15 35770
Vaca de
producción > 36 18 41,72 13 234 542,36 85410 197961,4
Total 38 427,71 798,5154 156114,15 291458,121
Rendimiento
del Biogás1
[m3/kgSV]
PCI del Biogás2
[MJ/m3]
Potencial Energético
teórico
[GJ/año]
Potencial Energético técnico
[GJ/año]
0,12 0,24 0,12 0,24
0,23 0,4 16,99 25,46
39,937 106,219 4,792 9,585 12,746 25,493
141,205 481,670 16,945 33,889 57,800 115,601
95,149 364,282 11,418 22,836 43,714 87,428
333,757 2016,039 40,051 80,102 241,925 483,849
610,047 2968,210 73,206 146,411 356,185 712,370
Fuente: Elaboración propia
1-2 Los datos correspondientes al rendimiento del biogás y PCI se tomaron de la Tabla 3 del documento “Methodology for estimating biomass energy potential and its
application to Colombia” (Gonzales, y otros, 2014)
Nota: Los valores 0,12 y 0,24 definen el valor de disponibilidad (Ver ecuación 12, Capitulo 1)
55
La información presentada en la Tabla 18 se obtiene a partir de la aplicación de las
ecuaciones (16), (17) y (18) del Capítulo 1. Por ejemplo, para el grupo etario de 0-12 meses
tenemos:
𝐷𝑀𝑅 = 10220 ∗ 0,12 ∗ 0,5 = 613,2 [𝑘𝑔𝑀𝑆
𝑎ñ𝑜]
𝐴𝐵𝑃𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 = 613,2 ∗ 0,855 ∗ 0,275 = 144,2 [𝑚3𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠
𝑎ñ𝑜]
𝐸𝑃𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 = 144,2 ∗ 34
1000= 4,9 [
𝐺𝐽
𝑎ñ𝑜]
Los datos de la Tabla 19 se definen teniendo en cuenta las ecuaciones (10) y (11) del
Capítulo 1. Teniendo en cuenta el mismo ejemplo del caso anterior tenemos.
𝑄𝐴𝑅 = 7 ∗ 4 ∗ 365 ∗ 0,23 ∗ 16,99 = 39,7 [𝐺𝐽
𝑎ñ𝑜]
𝑄𝐴𝑅𝑇 = 39,7 ∗ 0,12 = 4,792 [
𝐺𝐽
𝑎ñ𝑜]
Nota: para el ejemplo se tiene un valor de producción de estiércol definido por un
rango de (4 – 4,082) kg/cabeza – día, el cálculo de potencial energético teórico y técnico se
realiza teniendo en cuenta el valor mínimo.
56
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