21 octubre 2011

Tecnologías con futuro: La producción anaeróbica del biogás en detalle (I)


La producción de biogás en las granjas ha sido siempre un tópico de interés para los granjeros, con registros históricos de producción de biogás desde hace años. En los sistemas de producción de ganado modernos, los beneficios de producir biogás incluyen:

·         Provisión de energías renovables suplementarias.
·         Reducción del olor.
·         Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.
·         Control de patógenos.
·         Bioestabilización de residuos.

¿Qué es el biogás?

El biogás es un subproducto de la descomposición de la materia orgánica. La materia orgánica puede ser de distintos materiales, pero en la granja, a menudo comprende estiércol animal u otros residuos agrícolas.
 El componente más importante en biogás es metano, un gas inflamable que se usa en hornos, para cocinar, o incluso en motores de combustión. Sin embargo, el biogás también contiene dióxido de carbono y pequeñas cantidades de hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, nitrógeno y vapor de agua.

¿Qué es un digestor?

Un digestor es un recipiente sellado o contenedor en el que ocurre digestión anaeróbica de materia orgánica. Las bacterias alimentan al estiércol, y en el proceso se libera biogás como subproducto. Este producto se denomina digestión anaeróbica, y el recipiente o contenedor sellado se denominan digestores anaeróbicos. La digestión anaeróbica también ocurre en zonas anaeróbicas de pantanos y lagunas de aguas residuales.
Conforme el precio de la energía se incrementa, la mayoría de los granjeros están pensando en usar digestión anaeróbica como una forma de generar calor y electricidad suplementaria. Los digestores son una tecnología popular en áreas rurales del mundo en desarrollo, donde la electricidad y los hidrocarburos son costosos.

¿Cómo trabaja un digestor?

Físicamente, los digestores pueden trabajar de diferentes formas y tamaños, variando de una simple laguna en tierra a complejas estructuras de acero y hormigón. La mayoría de los digestores son tanques de hormigón con cobertura de plástico pesado.

¿Cómo trabaja un digestor?

La biomasa fresca entra en el digestor y se enriquece con bacterias anaeróbicas. Este ambiente conductor proporciona un ambiente conductivo para microbios anaeróbicos que digieren la biomasa, dando como resultado  sólidos digeridos, líquidos y biogás. En general, la digestión anaeróbica es un proceso vivo, que requiere condiciones favorables (temperatura, contenido de humedad, exclusión de oxígeno, y pH) y un suministro de alimento continuo para florecer.

¿Qué entra en un digestor?

El estiércol del ganado es el material más popular para la digestión anaeróbica en la granja, pero casi cualquier tipo de materia orgánica puede digerirse, incluyendo residuos alimenticios, residuos forestales, residuos de procesado de animales y cultivos de campo.

Problemas en el digestor

Probablemente el mayor problema en un digestor ocurre cuando el pH del digestor cae demasiado bajo. En general, las bacterias que forman ácidos crecen mucho más rápidamente que las bacterias formando metano. Esto puede reducir el pH a un nivel no favorable para las bacterias que forman metano, e inhibirse la actividad de metanogenes. Esto puede provocar el fallo del digestor anaeróbico en un proceso llamado souring. En la mayoría de los casos, sin embargo, el pH se auto-regula, pero a veces se usan bicarbonatos para mantener un pH consistente. El rango de pH óptimo está entre 6,8 y 8,5. Volver a activar un digestor que ha sufrido souring no es una tarea fácil.  Típicamente debe abrirse el digestor, escavar el material, rellenar y volver a poner en marcha el digestor. Se trata de una tarea costosa y desagradable que debe eludirse en lo que sea posible.
Hay también riesgos al tratar con biogás, incluyendo explosión, asfixia, enfermedad, o envenenamiento con sulfuro de hidrógeno.

¿Cómo se usa el biogás?

El biogás se genera en un proceso de digestión anaeróbico y se obtiene un combustible renovable.  Hay muchos tipos de uso para este combustible, incluyendo uso en motor, generación de electricidad, sistemas de calefacción y agua caliente, e incluso refrigeración.
Si bien las grandes granjas utilizan el biogás para calentar y obtener energía eléctrica, es valioso considerar todas las opciones antes de decidir la trayectoria a seguir, incluyendo la venta directa de biogás a otros compradores.
El biogás producido a partir de estiércol animal contiene entre un 55 y un 65 % de metano (CH4), 30 al 45 % de dióxido de carbono (CO2), trazas de sulfuro de hidrógeno (H2S) e hidrógeno (H2), y fracciones de vapor de agua. Para la digestión anaeróbica de lodos o procesos de vertederos, pueden encontrarse trazas de siloxanos en el biogás. Estos siloxanos principalmente se originan de compuestos que contienen silicio usados en varios materiales industriales o frecuentemente añadidos a los productos de consumo tales como detergentes y productos de cuidado personal. En este apartado no hablamos de la limpieza de biogás de siloxanos.
El biogás es alrededor de un 20 % más ligero que el aire y tiene una temperatura de ignición en el rango de 650 a 750 ºC. Es un gas sin olor y sin color que se quema con una llama azul clara similar a la del gas natural. Sin embargo, el biogás tiene un valor calorífico de 20 – 26 MJ/m3 (537 – 700 Btu/ft3) comparada con el valor calorífico del gas natural de calidad comercial de 39 MJ/m3 (1028 Btu/ft3).
El biogás puede potencialmente usarse en muchos tipos de equipos, incluyendo:
·         Motor de combustión interna (pistón) – generación de energía eléctrica, energía del eje.
·         Motor de turbina de gas (grande) – generación de energía eléctrica, energía en el eje.
·         Motor de microturbinas – generación de energía eléctrica.
·         Motor térmico Stirling – generación de energía eléctrica
·         Sistemas de calderas (vapor).
·         Sistemas de agua caliente. Calentadores de procesos (Hornos).
·         Calentadores de aire o del espacio.
·         Refrigeración a gas.
·         Refrigeración por absorción.
·         Calor y potencia combinados.

Producción de calor o vapor

El uso más directo del biogás es para energía térmica. En áreas donde los combustibles son escasos, los pequeños sistemas de biogás proporcionan energía térmica para cocinar y calentar agua.
Los quemadores convencionales pueden ajustarse fácilmente para biogás simplemente cambiando el ratio aire-a-gas. La demanda por calidad del biogás en los quemadores e lenta, requiriendo solamente una presión de gas de 8 a 25 mbar y manteniendo los niveles de H2S por debajo de 100 ppm para alcanzar un punto de rocío de 150 ºC.

Generación de calor y energía eléctrica combinados (CHP)

Los sistemas de potencia y calor usan tanto la capacidad para producir potencia como el inevitable calor residual. Algunos sistemas CHP producen principalmente calor, y la energía eléctrica es secundaria (bottoming cycle). Otros sistemas CHP producen principalmente energía eléctrica y el calor se usa para calentar agua de proceso (toppling cycle).  En cualquier caso, la eficiencia combinada de potencia y calor da mucha mayor eficiencia que usar el biogás para producir sólo potencia eléctrica o calor y da mucha mayor eficiencia que usar el biogás para producir solamente potencia o calor. Sin embargo, los motores de combustión interna son más comúnmente usados en las aplicaciones CHP. El uso de biogás en estos sistemas requiere la retirada de H2S (por debajo de 100 ppm) y vapor de agua.
Las células de combustible se consideran las plantas de potencia a pequeña escala del futuro para la producción de potencia y calor con eficiencias excediendo 60 % y bajas emisiones.
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