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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANAUNIDAD IZTAPALAPA

DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

INGENIERÍA EN ENERGÍA

SEMINARIO DE PROYECTOS I Y II

“AUTOABASTECIMIENTO ENERGÉTICO POR MEDIO DE LA BIOMASA EN UNACOMUNIDAD RURAL”

ANA LILIA CANO AGUILARMATRICULA: 97215262

ING. TRISTÁN E. ESPARZA INSUNZAASESOR

MÉXICO, D. F., JULIO DEL 2004

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INDICE

Página

Justificación 5

Introducción 9

Objetivos 11

Capitulo 1 Fuentes Renovables de Energía 12

Capítulo 2 Energía Solar 14

2.1 Aplicaciones de la Energía Solar 15

2.2 Calentadores Solares 17

2.3 Superficies Selectivas 20

2.4 Cocinas Solares a la Intemperie 23

2.5 Conversión Fotovoltaica 24

Capítulo 3 Energía Eólica 31

3.1 Aerogeneradores 32

3.2 Aerobombas 35

Capítulo 4 Biomasa 36

4.1 Métodos de Conversión de la Biomasa en Energía 36

4.2 Digestores 39

4.3 Tipos de Digestores 46

4.4 Efectos Ambientales 50

4.5 Efectos a la Salud 52

Capítulo 5 Propuesta de Autoabastecimiento Energético en una Comunidad Rural 54

5.1 Metodología Básica para Seleccionar una Comunidad Rural 54

5.2 Metodología para Elaborar un Proyecto de Autoabastecimiento Energético 54

5.3 Lugar de Estudio 55

5.4 Estructura de la Demanda Energética 56

5.5 Modelo Energético de la Producción de Biomasa en la Comunidad Rural 57

5.6 Cuantificación de los Requerimientos de Potencia 59

5.7 Oferta de Biogas y Cálculo del Biodigestor 65

5.8 Análisis Económico del Proyecto 69

2

Página

Conclusión 72

Citas 73

Referencias 75

APÉNDICE I 76

APÉNDICE II 81

3

INDICE DE FIGURAS

Página

Figura 1.1 Uso directo o natural de la energía solar 12

Figura 2.1 Radiación solar incidente 15

Figura 2.2 Partes de un calentador solar 17

Figura 2.3 Colector solar plano 18

Figura 2.4 Placa colectora y tubos en un colector solar plano 19

Figura 2.5Alternativas para calentadores de agua de placas a) Tubo único y b) Tubo de

placa ondulada19

Figura 2.6 Colector solar con deposito de almacenamiento 19

Figura 2.7 Factores que intervienen en el balance de energía para captadores solares 21

Figura 2.8 Colector solar con película selectiva 23

Figura 2.9 Cocina solar tipo caja 24

Figura 2.10 Cocina solar tipo caja 24

Figura 2.11 Esquema básico de una célula fotovoltaica 25

Figura 2.12 Generación eléctrica de una celda fotovoltaica 25

Figura 2.13 Arreglo de varias celdas 28

Figura 2.14 Inclinación de paneles solares 29

Figura 2.15 Movimiento aparente del Sol en función de la hora y época del año 29

Figura 2.16 Orientación de paneles solares 29

Figura 2.17 Esquema de un sistema fotovoltaico 30

Figura 3.1 Flujo de los vientos en la Tierra 31

Figura 3.2 Vientos locales de montaña 32

Figura 3.3 Aerogenerador 33

Figura 3.4 Configuración de un aerogenerador 34

Figura 3.5 Potencia obtenible con tres tipos de rotor de eje horizontal 34

Figura 3.6 Principios de operación de los rotores hemisféricos de eje vertical 35

Figura 3.7 Aerobomba 35

Figura 3.8 Esquema de una aerobomba 35

Figura 4.1 Esquema general de Biomasa 36

Figura 4.2 Esquema de un digestor 38

Figura 4.3 Digestor tipo hindú 46

Figura 4.4 Digestor de domo fijo 48

4

Página

Figura 4.5 Detalles del digestor de domo fijo tipo chino 48

Figura 4.6 Operación esquemática del digestor de filtro anaeróbico 49

Figura 4.7 Vista del domo 49

Figura 4.8 Esquema de un digestor de domo fijo 50

Figura 5.1 Bombeo y Distribución de agua a la comunidad 63

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JUSTIFICACIÓN

Durante la segunda mitad del siglo XX se incrementó de manera alarmante el usoindiscriminado e intensivo de combustibles fósiles en casi todo el mundo (ver tablas 1 y 2). Durantelas últimas 3 décadas del siglo pasado los trabajos de exploración y explotación de nuevosyacimientos petroleros se aceleraron ante la perspectiva de un desabasto internacional del crudo.Aunque las reservas probadas mundiales se incrementaron levemente (tab. 3), el consumo de esterecurso es cada vez más elevado en la actualidad y, ante la perspectiva de escasez en el futuroinmediato, se han desatado invasiones a países asiáticos (Irak y Afganistán) y se han disparado losprecios del barril hasta en un 500 % (42.00 USD/barril) en los últimos días del mes de junio,alcanzando valores récord a nivel mundial como lo muestra la gráfica [1].

Total Mundial d 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2001

Petróleo a 31,234 46,086 54,947 61,748 59,042 66,268 69,195 75,295 75,291Gas Natural b 67.9 99.4 115.5 140 160.3 190.9 205.9 231.9 232.4Carbón cc 1,485.8 1,553.3 1,613.6 1,814.9 2,105.6 2,266 2,255.3 2,216.8 2,255.1

Tabla 1. Consumo de Combustibles fósiles a nivel mundial.

Total Mundial d 2000 2001

Petróleo 3,519 3,510.6Gas Natural 2,157.5 2,164.3Carbón 2,216.8 2,255.1Energía Nuclear 585 601.2Hidroeléctrica 616.9 594.5Total 9,095.6 9,124.8

Tabla 2. Consumo de combustibles fósiles para la producción de energía primaria (millónde toneladas de petróleo equivalente).

d Norte América, Centro y Sur América, Europa, Unión Soviética, Medio Oriente, África, Asia –Pacifico.a Miles de millones de barrilesb Billones de pies cúbicosc Miles de millones de toneladas

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Hidrocarburo 1993 1997 1998 1999 2001

Petróleo crudoa 997 - 1,019.5 1,034.7 1,050Gas Naturalb 4,885.4 - 5,086.5 5,144.7 5476.7Carbónc 1,039.18 1,031.61 1,039.2 1.2 -

Tabla 3. Reservas probadas de hidrocarburos a nivel Mundial

Gráfica 1. Precio del Petróleo

En particular, en México, las reservas probadas de hidrocarburos han disminuidodrásticamente durante la última década del siglo pasado, como lo muestra la Tabla 4.

Hidrocarburo 1991 1993 1996 1998 1999 2001

Petróleo crudoa 50.9 51.2 48.8 - 46.6 26.9Gas Naturalb 71 70 67.6 - 62.2 -Carbónc 1.72 1.7 1.2 1.2 - -

Tabla 4. Reservas probadas de hidrocarburos en México

Cabe mencionar que las reservas probadas de petróleo y de gas natural en México y en muchasotras partes del mundo han sido infladas desde inicios de la época llamada de petrolización de laeconomía, como lo asegura Antonio Gershenson [2]. Esta manipulación de aumento obedece a quelas reservas petroleras se dejan como garantía para obtener préstamos de los bancosinternacionales.

Recientemente (Junio de 2004), la Comisión de Valores de Estados Unidos (SEC), reclasificó lasreservas probadas de México para considerarlas como probables o posibles, con el fin de darprotección a los inversionistas de su país en relación a los bonos de deuda que emite PetróleosMexicanos (PEMEX) en la bolsa de valores de aquel país. De esta manera, el Secretario de Energíade México, Fernando Elizondo Barragán, no tuvo más remedio que aceptar que las reservas depetróleo y gas en México se habrían desplomado en un 45% en el periodo 2000-2003, pasando de32,614 millones de barriles de crudo equivalente a tan solo 18,985 millones a inicios de 2004 (ver

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tabla 5); esta cantidad, al ritmo actual de explotación, se agotará en tan solo 11 ó 12 años para elpetróleo y 11 a 13 años para el gas natural. La consecuencia lógica de esta situación será que, para elaño 2018, México pase de ser un exportador neto de hidrocarburos a ser un país importador de losmismos y, por lo tanto, de energía [3].

Año

Reservasal

iniciode año

DescubrimientosDesarrollos

ydelimitaciones

Revisiones Producción

Reservasal

finalde año

Variación (%)vs 2000

TOTALES (3P)2000 58,204.10 313.4 -332.4 -562.5 -1468.70 56,153.902001 56,153.90 215.8 -39.3 -1885.9 -1493.60 52,950.902002 52,950.90 611.8 -602.5 -1420.6 -1507.50 50,032.102003 50,032.10 708.8 -185.1 -928 -1587.00 48,040.80 -17%2004 48,040.80

PROBADAS + PROBABLES (2P)2000 46,244.60 145 -28.1 -82.2 -1468.70 44,810.602001 44,810.60 56.2 33.7 -706.9 -1493.60 42,700.002002 42,700.00 342.4 -316.4 -4176.3 -1507.50 37,042.202003 37,042.20 435.4 35.9 -1026.2 -1587.00 34,900.30 -25%2004 34,900.30

PROBADAS (1P)2000 34,103.80 26.4 -24.1 -23 -1468.70 32,614.402001 32,614.40 20.4 92.7 -396.4 -1493.60 30,837.502002 30,837.50 124.8 -96.2 -9281.4 -1507.50 20,077.202003 20,077.20 151.7 281.7 -28.5 -1587.00 18,895.10 -45%2004 18,895.10

Tabla 5. Evolución histórica de las reservas de hidrocarburos (millones de barriles depetróleo crudo equivalente).

Por otro lado, entre las principales desventajas de los combustibles fósiles se encuentran sufinitud y su efecto contaminante. Estos combustibles son los responsables del calentamiento globalde la Tierra (efecto invernadero, ver fig. 1) y, junto con la creciente necesidad energética de lapoblación mundial, harían necesaria una sustitución de los energéticos convencionales(hidrocarburos fósiles) por otras fuentes de energía renovables como la solar, eólica y biomasa,cuyos beneficios para el planeta y la economía social están más que comprobados; en este contexto,las fuentes renovales de energía (FRE) constituyen una alternativa viable a el consumo nacional deenergía, pues tienen algunas ventajas en comparación con las fósiles, como son:

1) son inagotables

2) gran disponibilidad en todo el país

3) son renovables

4) no degradan el medio ambiente y

5) en cuanto se promueva su uso masivo serán más baratas aún.

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A: Absorción de la radiación emitida por el Sol en las capas atmosféricas.B: Reflexión de la radiación solar (aproximadamente un 30% de la radiación absorbida).C: Captación de la radiación solar reflejada por los gases de invernadero.D: Radiación solar liberada al espacio

El ciclo formado por los puntos B y C, es el responsable de la elevación de la temperatura en las capas máscercanas a la superficie terrestre.

Figura 1. Descripción del Efecto Invernadero

Debido a todas las ventajas que nos ofrecen las FRE y a la creciente necesidad de energía quehay en las comunidades rurales, este proyecto es de gran utilidad, ya que como se podrá verdurante el desarrollo del mismo, estas comunidades cuentan con una amplia variedad de recursosque mediante un apropiado y eficiente tratamiento tecnológico y a través de la conversiónenergética correspondiente, permitirá en gran medida la autosuficiencia energética de lacomunidad y el desarrollo económico sustentable.

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INTRODUCCIÓN

México es un país con extensas zonas rurales donde habita el 25.4% de la población (24,608,597)[4]. Muchas comunidades del país carecen del servicio eléctrico por estar muy dispersas y alejadasde la red eléctrica, lo cual hace muy costosa su conexión. En este contexto, y en el marco de undeseable desarrollo económico sustentable para éstas regiones, las energías renovables seconstituyen como una excelente opción para lograr dicho propósito.

La aplicación en México de las energías renovables o alternativas, con fines de generacióneléctrica, como la energía eólica, solar y biomasa, diversifican el mercado energético, contribuyen ala protección del ecosistema y atenúan los problemas de cambio climático, ya que no ocasionandeterioro o degradación al medio ambiente. Por esta razón, este trabajo destaca la importancia quepodrían tener ciertas fuentes de energía renovables para el autoabastecimiento energético de unacomunidad rural y se muestra la viabilidad de sus aplicaciones tecnológicas.

En la sección correspondiente a las aplicaciones de la energía solar veremos que estás se puedenllevar a cabo fácilmente en el medio rural. Muchos dispositivos solares usan tecnologíasrelativamente simples, gran parte de ellos son de autoconstrucción y su implementación puedeayudar a solucionar problemas importantes, tales como:

a) Calentar agua para uso doméstico.b) Calentar aire para secar productos agropecuarios.c) Cocinas solares para cocer alimentos.d) Irrigación y bombeo de agua de pozos para alimentar a pequeñas comunidades.e) Destilación de agua de mar, o salobre, existente en el subsuelo.

La generación de electricidad a partir de energía solar, comúnmente se realiza mediante lautilización de dos tipos de sistemas, a saber: fotovoltaicos (conversión directa) y termosolares. Eluso de dispositivos fotovoltaicos presenta oportunidades para electrificación de zonas aisladas, asícomo para el soporte de la red en regiones con fuerte demanda.

La energía eólica, se genera a partir de la energía cinética del viento, la cual se aprovecha parahacer trabajo mecánico, por ejemplo, en la utilización de una aerobomba o para generar electricidaddirectamente como lo hace un aerogenerador.

La biomasa constituye una amplia variedad de recursos con gran disponibilidad en todo el paísy en especial en zonas rurales [5], lo cual la hace factible, mediante un adecuado y eficientedesarrollo tecnológico, para cubrir la necesidad energética de muchas comunidades de nuestropaís.

Una de las aplicaciones energéticas de la biomasa es el aprovechamiento de los residuosagrícolas, forestales y ganaderos, los cuales mediante la descomposición por bacterias anaeróbicasproducen gas metano, entre otros (hidrógeno, dióxido de carbono, nitrógeno, monóxido de carbonoy oxígeno). El metano obtenido se puede aprovechar, para satisfacer necesidades como la cocciónde alimentos, calentamiento de agua y como fuente de luz artificial. Además, los subproductos delproceso, nitrógeno, fósforo y potasio, se pueden usar como fertilizantes.

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En particular, en este trabajo se propone un proyecto viable con el uso de la biomasa comofuente de abastecimiento energético en el medio rural; en el se ilustra la forma en que dicha fuentepodría contribuir a la solución del problema de desabasto energético, ya que al estar lascomunidades alejadas de la red eléctrica, les es imposible conectarse debido a los altos costos queesto implica. También se compara el beneficio económico de este proyecto contra la alternativa deconectarse a la mencionada red.

Por tanto, en este trabajo se propone a la biomasa como la fuente de energía que se puedeemplear para satisfacer las principales necesidades energéticas de una comunidad rural: parailuminación de viviendas, para la obtención de forraje, fibra y materia prima que sirve como abonopara los cultivos y sembradíos; de igual forma, la comercialización de los subproductos de labiomasa, constituyen una fuente importante de ingresos económicos para los pobladores locales,elevando así su calidad de vida.

El futuro de la biomasa como fuente de energía es prometedor, entre las mayores ventajas sobrelos combustibles convencionales destacan:

• Es un recurso abundante y utilizándolo de forma renovable se garantiza su sustentabilidad.

• Al convertirse en un combustible, sus costos de producción son competitivos.

• Puede desempeñar un papel importante en la economía rural, contribuyendo al desarrollosustentable del país al asegurar la conservación del medio ambiente y la disponibilidad delos recursos naturales.

• Puede impulsar el desarrollo de las áreas rurales, para un crecimiento económico equitativoy sostenido, mejorando de manera constante el nivel de bienestar de la población.

La necesidad de fomentar un desarrollo sustentable, se genera a partir de una mayor concienciaacerca del deterioro ambiental y especialmente de sus repercusiones globales. En México, se cuentadesde 1988 con la Ley general del equilibrio y la protección al ambiente, en la que (Artículo 3º,inciso XI) el desarrollo sustentable se concibe como “el proceso evaluable mediante criterios eindicadores de carácter ambiental, económico y social que tiende a mejorar la calidad de vida y laproductividad de las personas, que se funda en medidas apropiadas de preservación del equilibrioecológico, protección del ambiente y aprovechamiento de recursos naturales, de manera que no secomprometa la satisfacción de las necesidades de las generaciones futuras”.

Independientemente de la definición que se adopte del término y de sus implicaciones paracada ámbito o región, sea urbana o rural, la mayoría coincide con un desarrollo que considere al serhumano como centro o eje de toda estrategia, en la cual el mejoramiento de la calidad de vida se décon eficiencia productiva y de manera armónica con la preservación de los recursos naturales.

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OBJETIVOS

Por lo expuesto con anterioridad, este proyecto tiene los siguientes objetivos:

1. Describir tanto los principios básicos como las aplicaciones tecnológicas de algunas fuentesde energía renovables como la Eólica, Biomasa y Solar.

2. Puntualizar la importancia de estas fuentes para el desarrollo rural sustentable.

3. Proponer una metodología básica para seleccionar una comunidad rural típica que seasusceptible de autoabastecerse energéticamente.

4. Proponer una metodología para elaborar un proyecto de autoabastecimiento energéticosustentable en una comunidad rural.

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CAPITULO 1FUENTES RENOVABLES DE ENERGIA

Las fuentes renovables de energía son aquellas que producen energía de forma continua einagotable. Dichas fuentes podrían clasificarse de acuerdo a la naturaleza del recurso utilizadocomo: biomasa, eólica, geotérmica, hidráulica, maremotriz y solar.

Cabe mencionar que las energías renovables ofrecen ventajas medioambientales importantes (aexcepción de la hidráulica), podemos destacar la no emisión de gases contaminantes como losresultantes de los combustibles fósiles, responsables del calentamiento global del planeta (CO2) y dela lluvia ácida (SO2 y NOx) y la no generación de residuos peligrosos de difícil tratamiento y quesuponen una amenaza a largo plazo para el medio ambiente como los residuos radiactivosrelacionados con el uso de la energía nuclear.

El Sol es realmente la única fuente natural de energía, pues todos los combustibles fósiles, comoel carbón, madera o productos petrolíferos, tienen su origen en la energía del sol. En tan sólo 100años ha sido consumida ya la mayor parte de la reserva conocida de combustibles fósiles (carbón,petróleo, gas natural), cuya formación como materias vegetales y ulterior transformación yalmacenamiento data de cientos de millones de años [6]. Además el Sol provoca en la Tierra lasdiferencias de presión que dan origen a los vientos: fuentes de la energía eólica. Ordena el ciclo delagua, causa la evaporación que provoca la formación de las nubes y por tanto, las lluvias: fuente dela energía hidráulica. Sirve a las plantas para su vida y crecimiento: fuente de la biomasa y es lafuente directa de la energía solar, tanto la térmica como fotovoltaica.

Figura 1.1. Uso directo o natural de la energía solar.

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La tierra recibe anualmente del Sol una cantidad de energía de unos 7 x 107 kWh, no obstante, elhombre sólo puede generar por año 4 x 1013 kWh con centrales eléctricas y otro tipo deinstalaciones [7]. La radiación extraterrestre es de 1,367 W/m2 y la terrestre varia según el sitio,hora, época del año, sin embargo se tiene una radiación solar pico de 1,000 W/m2 [8].

Esta es precisamente la energía que no nos cuesta y que podemos aprovechar para variasaplicaciones como: calefacción de viviendas, producción y acumulación de agua caliente,accionamiento de equipos, iluminación, así como para cocinar alimentos y otras aplicaciones másque hasta ahora requerían un consumo de combustible.

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CAPITULO 2ENERGÍA SOLAR

El Sol es un reactor termonuclear, hecho que pudo demostrar el científico alemán Hans Betheen 1939. En un proceso termonuclear se libera continuamente energía por fusión de cuatro átomosde hidrógeno en helio. La bomba de hidrógeno se basa en este mismo principio.

Según George Gamow quien enunció la teoría de las transformaciones nucleares en el Sol, lasenormes presiones y temperaturas a que se realiza la fusión en el interior del Sol (16 millones degrados Kelvin), son los factores más decisivos.

La energía liberada de 1 kg de hidrógeno, en la producción de helio es de 190 x 106 kWh. Encambio, en la desintegración de 1 kg de uranio235, la energía producida es menor: 19 x 106 kWh (1kWh equivale a 3.6 MJ). El siguiente cálculo puede servir como referencia: la energía que se liberaen la fisión de todos los núcleos atómicos en 1 kg de uranio235 equivale a la energía térmica que seobtendría quemando 2,500 toneladas de carbón mineral, mientras que la formación de 1 kg de heliopartiendo del hidrógeno, libera una energía equivalente a la combustión de 27,000 toneladas decarbón mineral.

La reacción termonuclear fue descrita como “cadena circular cerrada” o proceso cíclico, nocomo una sucesión de transformaciones nucleares. En este ciclo de reacciones están tambiéninvolucrados los núcleos de carbono y nitrógeno, que son continuamente regenerados, es decir,transformados de isótopos estables en inestables. Finalmente sirven como catalizadores en elproceso principal de la transformación del hidrógeno en helio, acompañada de la liberación deenergía.

Al producir su energía, el Sol desprende rayos gamma que se transforman en rayos X yultravioletas (UV), los cuales sacuden a los electrones de los átomos y los hacen generar luz y calor.La luz es lanzada al espacio, que en general está muy cargada de rayos ultravioletas, entre otros queincluyen la luz visible. Esto se llama energía solar, la cual llega en longitudes de onda corta entre 0.2y 0.4 micrones; sin embargo, del 100 %, prácticamente llega el 50 % a la superficie terrestre, pero enalrededor del 25 % la radiación es directa y el otro 25 % se refleja por las nubes e impurezas de laatmósfera (loc. cit.), como lo muestra la figura 2.1.

Desde que se desprende el rayo solar hasta que llega a la atmósfera terrestre, ha perdido algode energía, de modo que el 100 % mostrado en la figura 2.1, corresponde supuestamente a laintensidad de rayos que empiezan a penetrar en la ionosfera, porque al llegar a la mesosfera pierdeel 30 %, debido a las reflexiones provocadas por las nubes (llamadas noctucilantes) y a la faja depolvo existente. Al mismo tiempo, pierde 6 % en dispersión difusa y 14 % en absorción de gases dela misma atmósfera. Entre los gases, la capa de ozono es un verdadero filtro de rayos UV. Del 50 %restante de energía se mencionó que sólo el 25 % llega de manera directa.

La energía solar medida es de 379 x 1026 J/s, de la que 1 cm2 de la superficie de nuestro planetarecibe tan sólo 0.135 J/s (loc. cit.).

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Figura 2.1. Radiación solar incidente.

2.1 APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR

Este tipo de energía se puede aprovechar directamente en forma de calor o bien se puedeconvertir en electricidad. La Tecnología Solar Térmica, permite el aprovechamiento de la radiaciónque proviene del Sol para: producción de agua caliente para consumo doméstico, climatización depiscinas, calefacción de hogares, etc. La Tecnología Solar Fotovoltaica, permite transformar laradiación solar en electricidad, a través de celdas fotovoltaicas o placas solares. La electricidadproducida puede usarse de manera directa, por ejemplo: para bombear agua de un pozo medianteun motor eléctrico, o bien ser almacenada en baterías para usarse en las horas nocturnas.

Actualmente las aplicaciones más interesantes son la electrificación rural referida al sectordoméstico, las aplicaciones agrícolas y ganaderas, radio y televisión, calefacción doméstica,refrigeración, calentamiento de agua, destilación, generación de energía, hornos solares, cocinas,evaporación de aire así como acondicionamiento de aire y secado.

A continuación se mencionan algunas aplicaciones de la energía solar térmica y fotovoltaica.

I. Energía Solar Térmica (calor):

a. Arquitectura bioclimáticab. Calentamiento de agua caliente para consumo doméstico [9]c. Climatización de piscinas [10]d. Calefacción de hogares [11]

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e. Destiladores solares (ibid. p. 46)f. Desalinización de aguas (ibid. p. 56)g. Hornos solares [12]h. Secadores [13]i. Sistemas de refrigeración [14]

II. Energía Solar Fotovoltaica:

a. Alumbrado público [15]b. Bombeo de agua [16]c. Electrificación de viviendas rurales [17]d. Telecomunicaciones (ibid. p. 15)e. Tratamiento de aguas: desalinización, cloración.f. Señalizaciones (marítimas, ferroviarias, terrestres y aéreas) (ibid. p. 16)g. Sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica (su misión es incrementar la producción

de electricidad)

En este trabajo solo se describirán algunas de las aplicaciones mencionadas.

Como ya se menciono, la energía solar térmica se aprovecha para la producción de aguacaliente, esto involucra la descripción del funcionamiento de colectores solares de placa plana con ysin superficies selectivas.

Algunas aplicaciones fundamentales de la energía solar se llevan a cabo en el medio rural; yaque muchos dispositivos solares usan tecnologías relativamente simples, gran parte de ellos son deautoconstrucción y su creación puede ayudar a solucionar problemas importantes en este medio,tales como:

• Calentar agua para su uso en baños• Digestores de metano• Calentar aire para secar grano, fruta, chile, madera, pescado entre otros productos

agropecuarios.• Cocinas solares para cocción de alimentos• Irrigación y bombeo de agua de pozos, para uso en pequeñas comunidades• Desalación de agua de mar

El medio rural mexicano, básicamente el sector doméstico, se caracteriza por consumir energíaproveniente de la leña. Según diversas estadísticas, el uso de leña y algún tipo de residuo vegetal oanimal, representa alrededor del 80 % del consumo energético de dicho sector [18]. Se consideraque la población rural con pocos ingresos usa principalmente leña para cocinar. Además se afirmaque la reposición de los bosques solo cubre el 17 % de la madera que se extrae, y la deforestacióncrece día con día.

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2.2 CALENTADORES SOLARES

Un calentador solar es un dispositivo que capta la radiación solar por medio de una placa queabsorbe la energía y la transmite a un fluido en circulación.

Un calentador solar de agua consta principalmente de tres partes (ver fig. 2.2):

I. El colector solar plano, que se encarga de capturar la energía del sol y transferirla alagua.

II. Sistema de tuberías por donde el agua circula.

III. El deposito de almacenamiento de agua caliente.

Figura 2.2. Partes de un calentador solar.

En las ciudades donde se alcanzan temperaturas muy bajas durante las noches, los calentadoresdeben estar provistos de un dispositivo que evite el congelamiento del agua al interior del colectorsolar plano.

I. Colector solar plano.

Para convertir la radiación solar en una forma útil de energía se emplean materialesabsorbedores negros, es decir, una lamina y tubo de cobre se pintan de negro para que absorba lamayor cantidad posible de energía térmica.

Un cuerpo negro, es aquel que tiene la propiedad de absorber la totalidad de la radiaciónelectromagnética recibida, sin reflejar radiación en ninguna longitud de onda. En la naturaleza noexiste un cuerpo negro perfecto, incluso el negro de humo refleja el 1% de la energía incidente. Sinembargo, un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximación por una cavidad con unapequeña abertura. La energía radiante incidente a través de la abertura, es absorbida por lasparedes en múltiples reflexiones y solamente una mínima proporción escapa (se refleja) a través de

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la abertura. Podemos por tanto decir, que toda la energía incidente es absorbida; esta se puedetransferir al agua o a un gas que fluya a través del absorbedor negro (placas, tubos, etc).

Un buen calentador solar tendrá una o dos placas de vidrio o plástico sobre el absorbedor , conel fin de reducir pérdidas de calor por convección y radiación infrarroja; en este calentador, laradiación que se transmite a través de la placa es de 80 a 85 %, mientras que el absorbedor negrocapta la radiación con un porcentaje de eficiencia similar o mayor. Los colectores de placa plana soncapaces de calentar fluidos hasta 82 °C y obtener entre el 40 y el 80% de eficiencia.

El funcionamiento de un calentador solar de agua es muy sencillo: Empieza por circular el aguafría a través del sistema de tuberías del colector, posteriormente sale el agua ya caliente y entra aldepósito de almacenamiento (tanque) para que se acumule para su uso posterior.

El colector solar plano se instala normalmente en el techo de la casa y orientado de tal maneraque quede expuesto a la radiación del sol todo el día. Para lograr la mayor captación de la radiaciónsolar, el colector solar plano se coloca con cierta inclinación, la cual depende de la latitud del lugardonde sea instalado.

Se recomienda que para un rendimiento estacional óptimo del colector solar plano, deberíaaumentarse la inclinación de modo que además de la latitud se tuviesen 15° adicionales. El colectorentonces señala 15° por debajo de la posición del sol de mediodía en el equinoccio.

En la figura 2.3 vemos cómo está constituido el componente colector de energía solar:

1.- Marco de aluminio2.- Cubierta de vidrio templado3.- Placa colectora, (enrejado con aletas y tubos de cobre)4.- Cabezales de alimentación y descarga de agua.5.- Aislante6.- Caja del colector

Figura 2.3. Colector solar plano

II. Sistema de tuberías.

El sistema de tuberías consta de tubos de cobre por cuyo interior circula el agua fría, estándispuestos paralelamente y tienen diámetros comprendidos entre 1.2 cm y 1.5 cm con unaseparación (esta varia de acuerdo al fabricante) y van soldados o embutidos tanto a la placacolectora como a los tubos distribuidores, que tienen un diámetro de 2.5 cm aproximadamente (verfig. 2.4).

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Figura 2.4. Placa colectora y tubos en un colector solar plano.

Se pueden utilizar otros tipos de tubos para transferir la energía captada en la placa colectora alfluido que circula, como un tubo único en forma de serpentín en lugar de los tubos paralelos, o unconjunto formado por una placa plana y otra ondulada unidas por soldadura, de tal forma que através de las ondulaciones entre placas circule el agua (ver fig. 2.5).

a) b)Figura 2.5. Alternativas para calentadores de agua de placas, a) Tubo único; b) Tubo de placa

ondulada.

Pero ¿cómo circula el agua por todo el sistema? Esto se logra mediante el efecto denominado“termosifónico ”, que provoca la diferencia de temperaturas. Como sabemos, el agua caliente esmás ligera que la fría y, por lo tanto, tiende a subir. Esto es lo que sucede entre el colector solarplano y el tanque (ver fig. 2.6), con lo cual se establece una circulación natural, sin necesidad deningún equipo de bombeo.

Figura 2.6. Colector solar con deposito de almacenamiento.

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III. El deposito de almacenamiento de agua caliente.

Los depósitos de almacenamiento tienen que estar aislados térmicamente; por regla general sepuede utilizar un aislamiento de lana mineral en los costados, en la parte superior, y en la inferior,de unos 20 cm de espesor; también hay que aislar térmicamente las tuberías que van desde elcolector al depósito, por lo que se tienen que diseñar y calcular muy bien, para reducir al mínimolas pérdidas de carga y las caídas de presión. Es muy importante su situación y posición, como eldiseño de las conexiones de los depósitos, su volumen varia de acuerdo a las necesidades delusuario su almacenamiento va de los 70 hasta 300 lt. Por ejemplo los depósitos de 200 lt son, de 1.60m de altura; la instalación completa mide sólo 2.05 m de ancho y 1.80 m de profundidad. El pesototal en vació es de 1.76 kg.

Como se observa en la fig. 2.6 en el punto 1, entra agua fría por el deposito de almacenamiento,sale de este y circula por la tubería de distribución a la entrada del colector solar (2) la cuál recorrela tubería interna de colector, para transferir la energía captada en la placa colectora al agua queesta en circulación mediante el efecto denominado termosifónico y como el agua caliente es másligera que la fría tiende a subir (3) para que sea depositada en el tanque de almacenamiento (4) yfinalmente este disponible para su uso (5).

2.3 SUPERFICIES SELECTIVAS

Las superficies selectivas surgieron de la necesidad de hacer más eficiente el colector, así comodel estudio de nuevos materiales para el aprovechamiento de la energía solar aplicado en colectoressolares, ya que no todas las superficies emiten o absorben la misma cantidad de energía radiantecuando se calientan a la misma temperatura.

Las superficies selectivas tienen la propiedad de ser altamente absorbentes de la luz solar yposeer una baja emitancia1 térmica, o sea poseen una elevada absortancia2 α y una baja emisividadε. Dichas cualidades son las exigidas para desempeñar correctamente la función de absorbedor,donde si un cuerpo absorbe energía solar y emite energía radiante característica de su temperatura,la temperatura en equilibrio final del cuerpo es directamente proporcional a la relación de α/ε.Para ello se necesita una superficie con alta absorción en la banda de emisión solar y baja emitanciaen el intervalo de emisión de un cuerpo negro (o sea una relación alta de µ/e), esta superficie sellama selectiva. A dicha superficie se le llama gris debido a que se considera de este color en elespectro solar (para longitudes de onda menores de 3.0 mm) pero con diferentes propiedades en elespectro infrarrojo (longitudes de onda mayores de 3.0 mm).

Las pérdidas de energía en un absorbedor serán térmicas: conducción, convección y radiación,u ópticas: reflexión. Logrando bajar la emitancia térmica del absorbedor se logra reducir laspérdidas radiativas del IR (infrarrojo), y aumentando la absorbancia de éste reducir las pérdidaspor reflexión del visible. Además las pérdidas por radiación pueden llegar a reducirse hasta en 79% mediante el uso de superficies selectivas [19].

Las superficies selectivas más comunes son películas de óxidos metálicos sobre sustratosmetálicos, por ejemplo las de CuO, Cu2O, Fe3O4, etc.

1 Emitancia, es el total de energía radiada en todas direcciones por unidad de área y por unidad de tiempo.2 Absortancia es la cantidad de luz absorbida.

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Existen diversas técnicas de formación para este tipo de superficies: por electrodeposición,existiendo varios procesos patentados (Driver et al.,1982), químicos, térmicos, etc. Para aplicacionesde altas temperaturas (T>150°C) resulta fundamental que el compuesto no sufra degradación y asímantener sus buenas características selectivas. Los procesos térmicos (a altas temperaturas), son losque ofrecen películas con menor degradación con su uso a elevadas temperaturas.

2.3.1 Empleo de la superficies selectivas en captadores solares.

Para la evaluación cuantitativa de captadores solares de placas planas, se puede considerar elmodelo simplificado en la figura 2.7, la superficie del captador consiste en una placa plana colocadade manera que coincida con la dirección de los rayos solares. Para el análisis se supone que latemperatura del captador es uniforme y constante y que energía útil se extrae de la parte trasera dela superficie mediante un fluido en circulación.

Las superficies selectivas incluyen al menos dos mecanismos diferentes. Según una de lashipótesis, una superficie metálica brillante refleja la luz, y por tanto, cuando se calienta emite sólouna pequeña parte de la radiación emitida en las mismas condiciones por el cuerpo negro perfecto.Cuando esta superficie brillante que emite poca radiación, se cubre con una capa muy delgada deun semiconductor negro de un espesor entre 10-4 y 10-5 cm, se produce una superficie selectiva. Elespesor de la capa negra es aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz visible entre 0.3y 2.5 µ, pero no emite ni absorbe mucha radiación infrarroja. La cantidad de radiación infrarrojaemitida depende mucho de la naturaleza de la superficie debajo del recubrimiento; si es un metalbrillante tal como la plata, el aluminio o el níquel, la emisión de infrarrojo es poca.

Las propiedades selectivas dependen también de las características superficiales delrecubrimiento negro. Si éste es irregular y presenta muchas microcavidades, y estás tienen untamaño superior al de la longitud de onda de la luz solar, tenderán a absorber la radiación como loharía un cuerpo negro ideal; pero si las cavidades son mucho más pequeñas que esta longitud deonda, la superficie ni absorberá ni emitirá la radiación. Los factores determinantes sonprobablemente tanto el espesor del recubrimiento, como las microcavidades del mismo. Paraconseguir un recubrimiento permanente, es importante considerar la resistencia a la corrosión, a lahumedad y a la intemperie que presentan los recubrimientos.

Figura 2.7. Factores que intervienen en el balance de energía para captadores solares (colectorplano)

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Dado que el valor de un captador solar depende de su capacidad para captar y retener la mayorparte de insolación3 posible, la eficiencia de el colector se puede definir como la relación de energíacaptada qf a la radiación solar global G o directa recibida Gd esto es, la relación de rendimientosolar a insolación:

η = qf / G

2.3.2 Avances de Película selectiva.

Unos de los compuestos más estudiados para su empleo como película selectiva para lautilización en conversión fototérmica de la luz solar es el cromo negro (Cr2O3). Estas películasselectivas tienen la propiedad de ser altamente absorbentes de la luz solar y poseer unarelativamente baja emitancia térmica, como ya se ha mencionado. Una superficie selectiva de cromonegro, se logra con la técnica de electrodepositado4. El proceso de cromado, o electrodepositado decromo, requiere los siguientes pasos previos: pulido mecánico, desengrase al vapor, desengraseelectrolítico, activación y niquelado.

o Pulido mecánico: los sustratos o piezas a tratar son pulidos mecánicamente con una pastade origen vegetal.

o Desengrase al vapor: se efectúa para eliminar residuos de la pasta usada en el pulidomecánico. Se realizó mediante el lavado de las piezas con vapores de tricloroetilenodurante 10 min. Las piezas se suspenden sobre el tricloroetileno colocado en un recipientede vidrio y se calientan hasta ebullición (suave) en una parrilla eléctrica.

o Desengrase electrolítico: se realiza para eliminar cualquier residuo, a escala microscópica,que puedan contener las piezas. En la tina electrolítica destinada para este fin se disuelve eldesengrasante en agua y después de colocar las piezas y los ánodos, se pasa la corrientedeseada. El primer desengrasante usado fue una disolución acuosa al 6% de RAM 1004, elcual fue cambiado, para mejorar la limpieza, por un desengrasante alcalino con agentequelante al 9%. Cabe mencionar que el agua usada para todos los procesos de pruebas esagua desmineralizada.

o Niquelado: antes de pasar las piezas al baño niquelado, su superficie es activada bañándolaen una solución de ácido clorhídrico al 25%.

Una excelente combinación es utilizar al SnO2 (dióxido de estaño) conductivo para formar laestructura SnO2 conductivo/Cr2O3, que debido al hecho de que el compuesto SnO2 es altamentereflectante del IR, logra bajar la emitancia térmica del absorbedor, pudiéndose obtener valores de α= 0.92 y ε = 0.15, además de buena estabilidad térmica a altas temperaturas. Un material selectivoideal presentará las características tales que para valores menores que un cierto valor de longitudde onda λ i (denominada longitud de onda de corte) se comporta como un cuerpo negro, y paravalores por encima de éste se comporta como un cuerpo blanco. Dicho valor de λi depende de latemperatura del absorbedor y del grado de concentración solar.

3 Es el promedio diario de energía solar (directa y difusa) recibida en una superficie horizontal de un lugar. Se expresa encal/cm2 día o en W/m2 día y se promedia a lo largo de un mes o de un año.4 Baño electrolítico acuoso cuyos principales componentes son sales u otros compuestos solubles del metal deseado parael recubrimiento.

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Se ha observado que si bien la pintura negro mate y los depósitos de Cr2O3 negro son altamenteabsorbentes de la luz visible (95% y 90 % de absortancia respectivamente) la pintura negro mateposee una emisividad térmica muy alta, lo cual no ocurre con el depósito que se propone.Agregando además la gran resistencia a las altas temperaturas de la película de Cr2O3 encomparación con la de la pintura. Se estableció que las mejores películas en cuanto a uniformidad seconsiguen en el rango de temperaturas entre 430°C y 440°C con 10 minutos de duración.

Figura 2.8. Colector solar con película selectiva.

2.4 COCINAS SOLARES A LA INTEMPERIE

Gran parte de la superficie del país se caracteriza por tener muchos días soleados al año, conuna radiación solar incidente muy alta. En general, la temperatura que se logra con la radiaciónsolar no es lo suficientemente grande como para aprovecharla de manera práctica al cocinaralimentos. Esto se debe a que la cantidad de energía solar que llega a un área dada alcanza sólo unvalor máximo posible en condiciones normales, que depende de diversos factores: época del año,hora del día, situación geográfica, nubosidad y otros parámetros meteorológicos.

Una cocina solar es un dispositivo que capta energía solar y la entrega de tal manera que es fácilaprovecharla en forma de calor. Por tanto, la función de la cocina solar debe ser captar suficienteenergía a fin de obtener una temperatura alta que pueda utilizarse para cocinar; esto se puederealizar concentrando el componente directo de la radiación solar por medio de dispositivos ópticosconcentradores.

La cocina solar consiste en un espejo cóncavo (paraboloide de revolución) que teóricamenteconcentra en un punto toda la radiación solar directa que incide en dirección paralela al eje delespejo, aunque en la práctica dicha radiación se concentra en una pequeña área.Si bien este dispositivo cumple con su objetivo, tiene algunas limitaciones. En virtud de queconcentra únicamente la radiación directa, sólo funciona cuando hay Sol brillante y cielo despejado.Por otro lado, solamente concentra la radiación que incide en forma paralela al eje del espejo, lo quehace necesario enfocar periódicamente la posición del espejo al avanzar el Sol en su diariorecorrido.

2.4.1 Geometría

El espejo concentrador es la parte más importante de la cocina y sus características principalesson:

1) Concentrar la radiación que incide sobre él en un área lo más pequeña posible.2) Reflejar la mayor cantidad posible de radiación incidente.

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Los espejos parabólicos (paraboloides de revolución) tienen la peculiaridad de reflejar hacia elfoco de la parábola la radiación que incide paralelamente al eje de la misma; de ahí que se hayaelegido una parábola en la geometría del espejo de las cocinas.Con objeto de reflejar la mayor cantidad de radiación incidente, se empleó aluminio evaporadosobre acrílico como superficie reflectora ya que, en esas condiciones, este metal posee excelentereflejancia, además de que su costo es razonable.

El espejo se fabrica con acrílico cristal de 3 mm de espesor, al cual se le da la forma requeridacon un molde de fibra de vidrio que se obtiene a partir de un espejo parabólico de buena calidadóptica; de este último espejo se obtiene un molde de fibra de vidrio con un diámetro de 1.20 m, quees el de los espejos terminados; el proceso de moldeado se hace en hornos a temperatura del ordende 200°C.

Posteriormente, a los paraboloides de acrílico se les evapora aluminio para transformarlos enespejos. El evaporado se hace en la cara cóncava de las piezas de acrílico.En el siguiente proceso, se recubre la película de aluminio con un barniz epóxico para protegerla, yel ensamble final se lleva a cabo al sobreponer otro paraboloide de acrílico por la parte cóncava delespejo; como protección ambos paraboloides se sujetan con tornillos.

Se recomienda que la distancia focal real de dicho espejo esté alrededor de los 65 cm. En lafigura 2.9 y figura 2.10 se muestra una estufa solar funcionando para calentar agua en un recipiente.

Figura 2.9. Cocina solar tipo caja Figura 2.10. Cocina solar tipoparabólica.

2.5 CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA

Otra forma de aprovechamiento de la radiación solar consiste en su transformación directa enenergía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico (los electrones son excitados por la luz solar y semueven a través del silicio; este es conocido como el efecto fotovoltaico y produce una corrienteeléctrica directa. En un captador solar el efecto fotovoltaico se presenta como una diferencia devoltaje en sus terminales cuando está bajo iluminación). La energía solar es captada y transformadaa energía eléctrica en los dispositivos llamados módulos fotovoltaicos. Con la tecnologíaactualmente disponible, la utilización de la energía por procedimientos fotovoltaicos presentaventajas para cubrir pequeños consumos aislados de la red de distribución eléctrica y asociada aaplicaciones domésticas, instalaciones agrícolas y ganaderas, iluminación, señalización ycomunicaciones.

A continuación se describe la constitución de una celda fotovoltaica, su funcionamiento y lostipos de celdas que existen:

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2.5.1 Constitución de la celda fotovoltaica.

Las celdas solares comerciales se fabrican con lingotes de silicio de alta pureza (material muyabundante en la arena). El lingote es rebanado en forma de placas delgadas llamadas obleas. Elespesor típico usado es del orden de 300 nm (0.3 mm). Una fracción muy pequeña de tal espesor(del orden de 0.5 nm) es impregnado con átomos de fósforo. A esta capa se le conoce como tipo-n.El resto de la oblea es impregnada con átomos de boro y se forma la capa conocida como tipo-p.Estas capas forman un campo eléctrico (voltaje interno) dentro de la oblea y cerca de la superficieque recibe la luz del sol. Dicho voltaje es el responsable de separar las cargas positivas (huecos) ynegativas (electrones). A continuación se presenta un esquema básico de una celda fotovoltaica.

Figura 2.11. Esquema básico de una celda fotovoltaica.

La celda cuenta con dos terminales que se conectan a un circuito externo para extraer lacorriente eléctrica producida. La cara de la oblea expuesta a la luz solar, posee un enrejadometálico muy fino (plata y/o aluminio), el cual colecta los electrones. Esta capa corresponde a laterminal negativa. Sobre este enrejado está conectado uno de los conductores del circuito exterior.La otra cara cuenta con una capa metálica, usualmente de aluminio. Esta corresponde a la terminalpositiva ya que en ella se acumulan las cargas positivas. Sobre esta capa está conectado el otroconductor del circuito exterior (ver figura 2.12). En la unión p-n impide que los electrodos y loshuecos se combinen instantáneamente y obliga a los electrones a recorrer el conductor, lo queproduce energía eléctrica utilizable. También la celda esta cubierta con una película delgadaantireflejante5 para disminuir las pérdidas por reflexión.

Figura 2.12. Generación eléctrica de una celda fotovoltaica.

5 para disminuir el porcentaje de luz reflejada y aumentar el porcentaje de luz trasmitida.

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2.5.2 Como funcionan las celdas fotovoltaicas.

Fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico. Algunos materialespresentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico que consiste en que absorban fotonesde luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es unacorriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

Los semiconductores son utilizados en la fabricación de las celdas solares porque la energía queliga a los electrones de valencia al núcleo es similar a la energía que poseen los fotones queconstituyen a la luz solar. Por lo tanto, cuando la luz solar incide sobre el semiconductor(generalmente silicio), sus fotones suministran la cantidad de energía necesaria a los electrones devalencia para que se rompan los enlaces y queden libres para circular por el material. Por cadaelectrón que se libera, aparece un hueco. Dichos huecos se comportan como partículas con cargapositiva (+). Estos portadores son forzados a separarse por medio de un campo eléctrico interno,que obliga a los electrones a acumularse en una superficie del dispositivo, y a los huecos, en la otrasuperficie. Este flujo de electrones forma lo que se llama una corriente fotovoltaica.

Como ya se menciono las celdas fotovoltaicas, están compuestas de una unión p-n en unsemiconductor entre una capa positiva (p) que contiene cargas móviles positivas o “huecos” y unacapa negativa (n) que contiene electrones móviles. Cuando la celda recibe luz solar, los electronesse liberan y fluyen hacia un electrodo, y a través de un conductor a otro electrodo en donde secombinan con los huecos positivos como se observa en la figura 2.12.

Las celdas fotovoltaicas son las únicas que poseen una absorción óptica muy alta y unaresistencia eléctrica lo suficientemente baja como para poder convertir la energía solar en energíaútil de modo económico. Gracias a que hay una amplia elección de semiconductores con elintervalo apropiado de absorción espectral, podemos seleccionar un material apropiado queabarque el espectro solar. Éstos semiconductores se hacen uniendo partes positivas y negativas desilicio, que actualmente es el que más rinde. Todas las celdas solares actuales tienen en común trescaracterísticas:

1. Un absorbente óptico que convierte los fotones en pares electrón-hueco.2. Un campo eléctrico interno que separe estas cargas.3. Contactos en los extremos del semiconductor para la conexión con una carga externa.

Las celdas se agrupan en lo que se denomina el módulo solar o fotovoltaico. Este conjunto deceldas deben estar convenientemente conectadas, de tal forma que reúnan las condiciones óptimaspara su integración en sistemas de generación de energía, siendo compatibles con las necesidades ylos equipos estándares existentes en el mercado. Las celdas se pueden conectar en serie o enparalelo.

Comercialmente, las celdas solares se conectan en serie, se agrupan, se enlaminan y seempaquetan entre hojas de plástico y vidrio, formando la unidad del módulo solar. El módulotiene un marco (usualmente de aluminio) que le da rigidez y facilidad en el manejo ytransportación. Además, en éste se encuentran las cajas de conexiones eléctricas para conectar elcableado exterior. El número de celdas que contienen los módulos depende de la aplicación para laque se necesita. Es costumbre configurar el número de celdas conectadas en serie para tenermódulos que sirvan para cargar baterías (o acumuladores) de 12 volts. Se pueden encontrargeneralmente módulos de 36 celdas conectadas en serie. Estos módulos proporcionan un voltaje desalida que sirve para cargar baterías a 12 volts.

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2.5.3 Tipos de celdas.

Hay diferentes tipos de celdas solares en cuanto a su proceso de fabricación, eficiencia y preciose refiere:

2.5.3.1 Celdas Monocristalinas:

Son celdas formadas por un sólo tipo de cristal, son caras y difíciles de conseguir. A pesar deeso, consiguen eficiencias muy buenas, las más grandes, superiores al 30%.

2.5.3.2 Celdas policristalinas:

Se construyen básicamente con silicio, mezclado con arsénico y galio, son un agregado demateriales, ya que el silicio por sí solo no tiene ni electrones de más ni de menos, tiene cuatroelectrones en la última capa, entonces ¿Cómo se llega a tener un silicio positivo y otro negativo?Esto se logra a través del dopado. El dopado consiste en introducir otros materiales contaminantesen menor cantidad o impurezas en el silicio. Así si introducimos fósforo en el silicio conseguiremostener un electrón de más cada vez, puesto que el fósforo tiene cinco electrones en la última capa yobtendremos silicio negativo, por contra si introducimos aluminio tendremos un electrón de menoso hueco ya que el aluminio tiene tres electrones en la última capa.

2.5.3.3 Celdas amorfas:

Las más baratas, menos duraderas y con eficiencias muy bajas de alrededor de un 6% quetienden a cero con el envejecimiento. Son las utilizadas en calculadoras y aparatos por el estilo yaque la energía que proporcionan es muy baja. Se construyen a base de evaporar sobre un cristal enuna cámara de efluvios el material semiconductor o foto-reactivo y colocar un par de electrodos encada una de las unidades correspondientes.

Las celdas fotovoltaicas son elementos frágiles y se deben proteger por ambos lados. Esto seconsigue colocándolas entre una capa de protección superior y otra inferior. El coeficiente deexpansión térmica de los materiales protectores, tanto el superior como el inferior, debe ser similary compatible además con el de las celdas. En la actualidad los plásticos y el vidrio son los materialesmás empleados. El vidrio tiene la ventaja de mantener intactas sus propiedades ópticas y eléctricasdurante largos periodos. Los polímeros no impiden la penetración de la humedad en las uniones.Los plásticos son más ligeros que el vidrio, pero se deben escoger cuidadosamente puesto quealgunos tipos pueden perder su transparencia a la luz y su solidez después de una larga exposicióna la luz solar y a la atmósfera.

2.5.4 Paneles o módulos fotovoltaicos.

Al conjunto formado por celdas conectadas en serie y en paralelo, convenientementeensamblado y protegido contra los agentes externos, se le denomina panel o módulo fotovoltaico(ver fig. 2.13). La forma más usual no es construir un generador solar de un sólo panel, sinodividirlo en varios paneles de igual voltaje y potencia. Para varias aplicaciones se pueden diseñarmódulos estándar, cumpliendo condiciones específicas.

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Figura 2.13. Arreglo de varias celdas.

Frecuentemente sólo se usan ciertos voltajes estándar, como 1.5 V, 6 V, 12 V, 24 V, 36 V y 48 V,que son múltiplos unos de otros. Cualquier pedido específico de potencia se puede satisfacerconectando el número adecuado de módulos en serie y en paralelo. La asociación en serie depaneles permite alcanzar la tensión pedida mientras que la asociación en paralelo permite obtenerla potencia deseada.

2.5.5 Condiciones de Operación.

La energía colectada no es la máxima posible pero puede resultar aceptable si se da al colectoruna determinada inclinación y orientación, para conseguir algunas mejoras.

2.5.6 Inclinación.

La radiación solar que incide sobre una placa variará con el ángulo que forme la misma con laradiación. La captación de energía solar será máxima cuando la posición de la placa solar seaperpendicular a la radiación (ver fig.2.14).

La inclinación de los rayos del sol respecto a la superficie horizontal es variable a lo largo delaño (máxima en verano y mínima en invierno, ver fig. 2.15) y por tanto, en aquellas instalacionescuyos paneles estén fijos, existirá un ángulo de inclinación que optimizará la colección de energíasobre una base anual. Es decir, conviene buscar el ángulo de inclinación de los paneles respecto alplano horizontal que hace máxima la potencia media anual recibida. En la mayoría de los casos esteángulo coincide con la latitud del lugar de la instalación. Normalmente se suele tomar un ángulomayor, en beneficio de una mayor captación durante el invierno, cuando la luminosidaddisminuye, a costa de una peor captación en verano, cuando hay una mayor cantidad de luz.

Puede ocurrir que la instalación no vaya a usarse todo el año sino sólo en ciertas épocas. Así, sila instalación se va a usar preferentemente en verano conviene que la inclinación del colector seamenor que la latitud del lugar, aproximadamente en 15º.

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Evidentemente, las pérdidas de las superficies horizontales con respecto a las que estáninclinadas aumentan progresivamente a medida que nos acercamos al norte (en el hemisferio norte)o al sur (en el hemisferio sur). En los polos, los planos horizontales son inútiles. No obstante, esextremadamente difícil valorar las pérdidas en los climas templados ya que la proporción de luzdifusa del sol es más grande debido a la presencia de polvo, vapor de agua y nubes. La orientaciónno ofrece ninguna ventaja en cuanto a la energía recibida desde la radiación indirecta. Por elcontrario, debido a que los paneles inclinados reciben la luz de una parte del hemisferio, estosrecogen menos luz difusa que los receptores horizontales.

Figura 2.14. Inclinación de paneles solares. Figura 2.15. Movimiento aparente del Sol en funciónde la hora del día y la época del año.

2.5.7 Orientación.

La orientación preferida de los colectores es hacia el Sur, debido a que la trayectoria del Sol enmovimiento Este a Oeste es simétrica respecto de la posición que ocupa al mediodía y a que esprecisamente en este momento cuando la captación de energía solar es máxima.

Las desviaciones hacia el Oeste o hacia el Este en un ángulo inferior a 30º hacen disminuir laradiación diaria recibida en un pequeño valor que se cifra en menos del 5%. Por el contrario, paraángulos superiores a este valor, las pérdidas en la radiación captada son considerables. En resumen,la orientación óptima de un colector es la que mira directamente hacia el Sur, pero si esto no esposible puede determinarse una variación aproximada de 15º (ver fig. 2.16).

Figura 2.16. Orientación de paneles solares.

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2.5.8 Descripción de un Sistema Fotovoltaico

A continuación se describe un sistema fotovoltaico instalado en una casa habitación.

1. Modulo (o panel) Solar. Los módulos solares generan electricidad (corriente continua, C.C.)directamente de la luz del Sol.

2. Regulador de la Carga. Los reguladores de la carga son el acoplamiento entre los módulos,batería y carga. Protegen la batería contra cargo excesivo o descarga excesiva.

3. Inversor. Los inversores convierten la energía eléctrica C.C (corriente directa o continua) en CA(corriente alterna) para funcionar una variedad de aplicaciones y de equipo.

4. Batería. Las baterías almacenan la energía generada por los módulos solares. Se recomiendautilizar batería solar de carga profunda.

5. Carga. Se refiere a los dispositivos que se instalen para iluminación, radio, TV o teléfono.

Figura 2.17. Esquema de un sistema fotovoltaico.

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CAPITULO 3ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica es la energía producida por el viento la cuál es una variable de la energíasolar, pues se deriva del calentamiento diferencial de la atmósfera y de las irregularidades derelieve de la superficie terrestre. Durante el día el sol calienta el aire sobre tierra firme más que elque está sobre el mar. El aire continental se expande y eleva, disminuyendo así la presión sobre elterreno y haciendo que el viento sople desde el mar hacia las costas. La rotación terrestre, ladiferencia de temperatura y la presión atmosférica tienen influencia en la dirección del viento. Elcontenido energético del viento depende de su velocidad. Cerca del suelo, la velocidad es baja, peroaumenta rápidamente con la altura. Es por esto, que las mejores localizaciones para las turbinas seencuentren en el mar, sobre colinas, cercanas a la costa y con poca vegetación.

Hasta hace comparativamente poco tiempo, las instalaciones usadas para obtener energía delviento se conocían como molinos de viento. En la actualidad se utilizan algunos nombres más,incluyendo turbogeneradores eólicos, aerogeneradores, aeromotores, máquinas eólicas, entre otros.

Cómo afecta la fuerza de Coriolis a los vientos globales. La fuerza de Coriolis provoca undesplazamiento lateral provocado por el movimiento giratorio de la tierra sobre su eje. Ésta esmáxima en el ecuador y nula en los polos. Por contra, este efecto es independiente de la latitud. Elviento sube desde el ecuador y se desplaza hacia el norte y hacia el sur en las capas más altas de laatmósfera (ver fig. 3.1). Alrededor de los 30° de latitud en ambos hemisferios la fuerza de Coriolisevita que el viento se desplace más allá. En esa latitud se encuentra un área de altas presiones, porlo que el aire empieza a descender de nuevo.

Cuando el viento suba desde el ecuador habrá un área de bajas presiones cerca del nivel delsuelo atrayendo los vientos del norte y del sur. En los polos, habrá altas presiones debido al airefrío. Teniendo en mente la fuerza de curvatura de la fuerza de Coriolis, las direcciones dominantesdel viento son importantes para el emplazamiento de un aerogenerador, ya que obviamentequerremos situarlo en un lugar en el que haya el mínimo número de obstáculos posibles para lasdirecciones dominantes del viento.

Figura 3.1. Flujo de los vientos en la Tierra.

Aunque los vientos globales son importantes en la determinación de los vientos dominantes deun área determinada, las condiciones climáticas locales pueden influir en las direcciones de vientomás comunes.

Los vientos locales siempre se superponen en los sistemas eólicos a gran escala, esto es, ladirección del viento es influenciada por la suma de los efectos global y local.

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Cuando los vientos a gran escala son suaves, los vientos locales pueden dominar los regímenesde viento.

Dentro de éstos vientos locales existen vientos de montaña. Las regiones montañosas muestranmodelos de clima muy interesantes. Un ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderasque dan al sur (ó en las que dan al norte en el hemisferio sur). Cuando las laderas y el airepróximo a ellas están calientes la densidad del aire disminuye, y el aire asciende hasta la cimasiguiendo la superficie de la ladera (ver fig. 3.2). Durante la noche la dirección del viento se invierte,convirtiéndose en un viento que fluye ladera abajo. Si el fondo del valle está inclinado, el aire puedeascender y descender por el valle; este efecto es conocido como viento de cañón.

Figura 3.2. Vientos locales de montaña.

Densidad del aire: La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa(o peso). Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa porunidad de volumen.

En otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire más energía recibirá la turbina. A presiónatmosférica normal y a 15 °C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por metro cúbico, aunque ladensidad disminuye ligeramente con el aumento de la humedad. Además, el aire es más densocuando hace frío que cuando hace calor y a grandes altitudes (en las montañas) la presión del airees más baja y el aire es menos denso.

Los equipos que pueden ser usados directamente en las aplicaciones de bombeo de agua opueden almacenar la electricidad en un banco de baterías para su uso posterior se describen acontinuación.

3.1 AEROGENERADORES

Los aerogeneradores producen energía eléctrica mediante un proceso de dos etapas. La primeraconsiste en captar la energía eólica y transformarla en energía mecánica por medio de un rotoraerodinámico. La segunda etapa transforma la energía mecánica en eléctrica en un generadorsincrono. La energía eléctrica pasa luego a través de un regulador de voltaje, que corrige lasvariaciones producidas dentro de este y permite su almacenamiento en baterías. La corrienteprocedente de las baterías es repartida en dos circuitos. Uno de ellos es de corriente continua y tienecapacidad para alimentar circuitos de alumbrado y todos aquellos aparatos que poseen resistenciasohmicas. El segundo circuito se conecta a un convertidor que cambia la corriente continua enalterna, y eleva los 12, 24 o 36 voltios de la batería a 110 o 220 voltios.

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3.1.1 Aplicaciones.

La potencia eléctrica que el aerogenerador puede suministrar permite alimentar una granvariedad de artefactos eléctricos de pequeña potencia, entre ellos electrobombas de hasta ½ HP. Deesta manera, se puede bombear agua ya sea desde pozos subterráneos o desde la superficie hastaniveles mas altos.

Ya que un aerogenerador (ver fig. 3.3) obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza delviento en un par (fuerza de giro) actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energíatransferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área de barrido del rotor y dela velocidad del viento.

Figura 3.3. Aerogenerador.

3.1.2 Clasificación de los Aerogeneradores.

Los aerogeneradores se pueden clasificar por capacidad o configuración.

3.1.2.1 Capacidad: La clasificación de acuerdo con la capacidad nominal tiende a ser arbitraria. Unaclasificación conveniente de los aerogeneradores es la siguiente:

i) pequeños, de 0 a 9 kilowatts;ii) medianos, de 10 a 99 kilowatts; yiii) grandes, de 100 a 3000 kilowatts. (0.1 a 3 megawatts)

3.1.2.2 Configuración: Los aerogeneradores también se pueden clasificar de acuerdo con laconfiguración de los diversos componentes que forman el sistema. Por ejemplo, losaerogeneradores se podrían categorizar como de eje horizontal o de eje vertical (ver fig.3.4).

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a) b)Figura 3.4. Configuración de un aerogenerador: a) Rotor de eje horizontal con sus componentescomplementarios situados en lo alto de la torre. b) Rotor de eje horizontal con sus componentescomplementarios situados cerca del suelo. T = transmisión; C = controles; G = generador; CD =

corona dentada.

3.1.3 Diseño de un Sistema Eólico.

Un diseño económico requiere analizar los diversos componentes del aerogenerador,incluyendo el rotor, la transmisión, los controles, el generador y la torre, en relación con el régimenlocal de vientos. Algunas características de estos componentes se describen a continuación:

3.1.3.1 Rotores.

En general, los rotores se diseñan para funcionar con el eje horizontal o vertical. Los rotores deeje horizontal son los que se usan en la mayoría de los aerogeneradores.

3.1.3.1.1 Rotores de Eje Horizontal.

Estos rotores vienen en muchos diseños. En la figura se presentan tres tipos muy conocidos ysus características de operación. Cuando se usa la hélice moderna en los aeroturbinas se elige la depaso variable para poder regular la velocidad de rotación del eje y lograr así la máxima eficiencia.Otros tipos de rotor son el de aspas flexibles y uno que consiste en un arreglo circular de 48 aspasangostas y delgadas mantenidas en tensión por un aro que las rodea y las hace girar a altavelocidad sin necesidad de instalar engranajes multiplicadores en el eje de un generador.

Figura 3.5. Potencia obtenible con tres tipos de rotor de eje horizontal.

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3.1.3.1.2 Rotores de Eje Vertical.

El rotor de eje vertical más conocido está formado por dos semicírculos idénticos con sus ejesverticales. Los patrones de flujo de aire alrededor de los semicilindros y la presión del aire sobreellos se muestran en la figura 3.6. Este rotor de eje vertical fue desarrollado hace muchos años por elingeniero finlandés Savonius, y se está usando cada vez más en instalaciones eólicas pequeñas.Debido a su simetría vertical, el rotor no necesita mantenerse dirigido hacia el viento.

a) b)Figura 3.6. Principios de operación de los rotores hemisféricos de eje vertical. a) Configuración de

baja eficiencia, b) Configuración de alta eficiencia de Savonius.

3.2 AEROBOMBAS

Estas máquinas transforman la energía eólica en energía mecánica. Esto se consigue medianteun rotor que gira movido por el arrastre de la velocidad del viento (ver figura 3.7). Por medio deuna transmisión de biela-manivela, se impulsa una bomba de pistón que a su vez eleva el agua (5),ver fig. 3.8.

3.2.1 Aplicaciones.

Esta aerobomba puede elevar agua hasta una altura máxima de 20 m. El caudal máximo que sepuede obtener de este equipo es de aproximadamente 4 lt/s. Por lo tanto puede ser usada paraextraer agua desde pozos subterráneos o para elevar el agua desde estanques hacia nivelessuperiores.

Figura 3.7. Aerobomba. Figura 3.8. Esquema de una aerobomba.

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CAPITULO 4BIOMASA

La biomasa es la masa de la materia orgánica (solamente). La energía de la biomasacorresponde entonces a toda aquella energía que puede obtenerse de ella, bien sea a través de suquema directa o su procesamiento para conseguir otro tipo de combustible (fig. 4.1).

Los usos de la biomasa en aplicaciones energéticas son principalmente la producción de gas,quema de biomasa como fuente de energía calorífica y energía eléctrica.

Figura 4.1. Esquema general de Biomasa.

4.1 MÉTODOS DE CONVERSIÓN DE LA BIOMASA EN ENERGÍA

Estos métodos se dividen básicamente en termoquímicos y biológicos, los cuales se explican acontinuación:

4.1.1 Métodos termoquímicos.

Estos métodos se basan en la utilización de la biomasa como fuente de calor. Están bienestudiados en el caso de la biomasa seca, y, en particular, la paja y la madera.

A. La combustión: Es la oxidación completa de la biomasa por el oxígeno del aire, liberasimplemente agua y gas carbónico, y puede servir para la calefacción doméstica y para laproducción de calor industrial.

B. La pirólisis: Es la descomposición de sustancias químicas mediante el calor, a unos 500ºC,se utiliza desde hace mucho tiempo para producir carbón vegetal. Aparte de esté, lapirólisis lleva a la liberación de un gas pobre, mezcla de monóxido y dióxido de carbono,de hidrógeno y de hidrocarburos ligeros. Este gas de débil poder calorífico, puede servirpara accionar motores diesel, o para producir electricidad, o para mover vehículos. Unavariante de la pirolisis, llamada pirolisis flash, eleva la temperatura a 1000 ºC en menos deun segundo, tiene la ventaja de asegurar una gasificación casi total de la biomasa. De todas

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formas, la gasificación total puede obtenerse mediante una oxidación parcial de losproductos no gaseosos de la pirolisis. Las instalaciones en las que se realizan la pirolisis y lagasificación de la biomasa reciben el nombre de gasógenos. El gas pobre producido puedeutilizarse directamente como se indico antes, o bien servir de base para la síntesis de unalcohol muy importante, el metanol, que podría sustituir las gasolinas para la alimentaciónde los motores de explosión (carburol).

4.1.2 Métodos biológicos.

A. La fermentación alcohólica de los azucares es una técnica empleada desde hace mucho, estemétodo puede utilizarse también con la celulosa y el almidón, a condición de realizar unahidrólisis previa (en medio ácido) de estas dos sustancias. Pero la destilación, que permiteobtener alcohol etílico prácticamente anhídrido, es una operación muy costosa en energía.En estas condiciones, la transformación de la biomasa en etanol y después la utilización deeste alcohol en motores de explosión, tiene un balance energético global negativo.

B. La fermentación metánica es la digestión anaerobia de la biomasa por bacterias. Es idóneapara la transformación de la biomasa húmeda (más del 75 % de humedad relativa). En losfermentadores, o digestores, la celulosa es esencialmente la sustancia que se degrada en ungas, que contiene alrededor de 60 % de metano y 40 % de gas carbónico. El problemaprincipal consiste en la necesidad de calentar el equipo, para mantenerlo a la temperaturaóptima de 30 a 35 ºC. No obstante, el empleo de digestores es un camino prometedor haciala autonomía energética de las comunidades agrícolas.

4.1.3 ¿Qué es el biogás?

Mezcla de metano y otros gases (Hidrógeno, Dióxido de carbono, Nitrógeno, Monóxido deCarbono y Oxígeno) que se desprenden durante la degradación anaerobia de la materia orgánicapor la acción de microorganismos.

El biogás se obtiene mediante un digestor, la forma de obtenerlo va a depender del tipo dedigestor que se utilice; los tipos de digestores se explican con más detalle en las siguientes páginas.

En caso de utilizar un digestor, la temperatura debe mantenerse a unos 50 ºC; de este modo selogra que el pH este comprendido entre 6.2 y 8, lo que favorece la actividad de losmicroorganismos. La degradación bioquímica, de gran complejidad y que dura entre 10 y 25 días,se desarrolla en cuatro fases principales: la hidrólisis6 y acidogénesis7, la acetogénesis8 y lametanogénesis9. Tanto el tipo de sustrato orgánico como las condiciones del proceso y el grado queeste alcanza hacen que las proporciones de los componentes del biogás (54% a 70% para el metano,27% a 45% para el CO2, etc.) varíen mucho. El biogás se emplea tanto para la generación de calormediante combustión como para la generación de energía mecánica o eléctrica, principalmente enlas mismas plantas donde se obtiene.

6 Descomposición de una molécula de ciertos compuestos orgánicos por acción del agua.7 Implica la conversión bacteriana de los compuestos producidos en la primera etapa de la digestiónanaeróbica, en compuestos intermedios identificables de menor peso molecular.8 Producción de hidrógeno9 Formación de metano a partir de substratos monocarbonados o con dos átomos de carbono unidos por unenlace covalente: acetato, H2, CO2, formato, metanol y algunas metilaminas.

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4.1.4 ¿Qué es el digestor?

Es un dispositivo que permite llevar a cabo la degradación anaerobia controlada de residuosorgánicos para obtener biogás y otros productos útiles.

El dispositivo más simple de este tipo esta formado por un recipiente cerrado (fig. 4.2), de basecónica saliente, dotado con un conducto lateral para la entrada de los residuos, otro superior deescape del gas y un tercero inferior para evacuar los demás productos de la digestión (digestordiscontinuo). Los digestores más perfeccionados disponen de un agitador y de un calefactor queregulan la homogeneidad y la temperatura del proceso (digestor de mezcla completa), y de otrossistemas para enriquecer la flora bacteriana (digestores de contacto y de filtro anaerobio). Unainstalación básica comprende el sistema de almacenamiento y alimentación, el digestor y losdepósitos de gas y de los demás productos resultantes de la digestión. El digestor se alimenta conresiduos orgánicos en las plantas de compostaje, con lodos de decantación en las depuradoras deaguas y con las deposiciones de los animales en las explotaciones ganaderas; además del biogás, losproductos de la digestión son la composta10, los lodos útiles para obtener más composta y losfertilizantes.

Figura 4.2. Esquema de un digestor.

4.1.5 ¿Qué es el compostaje?

El compostaje, es decir, la fermentación controlada de residuos orgánicos para obtenercomposta, es un proceso de transformación de residuos poco costosos (residuos orgánicosprovenientes del digestor) a productos útiles como los fertilizantes.

La materia prima del proceso proviene de residuos sólidos urbanos (RSU), estiércol y lodos dedepuradora. Para los RSU, hay que prever un tratamiento de separación de la fracción orgánica, asícomo la eliminación del rechazo final del compostaje en un vertedero o incineradora.

Por otra parte, como no se puede llevar a cabo la combustión directa de la biomasa residualhúmeda, su contenido energético puede determinarse en función del que posee el biogás obtenidode su digestión anaerobia. La cantidad de biogás generado y su contenido energético dependen de

10 Fermentación controlada de residuos orgánicos, provenientes de los residuos sólidos urbanos.

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las características del sustrato tratado y de la tecnología empleada, en la tabla 4.1 se muestra elpotencial energético medio de algunos recursos (www.biofuels.fsnet).

Sustrato Cantidad de gas a 30 ºCen l/kg de residuo seco

Contenido en metano(%)

P.C.I. (kcal/m3N debiogás)

Estiércol con paja 286 75 6.100

Excrementos de vaca 237 80 6.500

Excrementos de cerdo 257 81 6.600

Agua residual urbana 100 (por m3 de aguatratado) 65 5.300

Tabla 4.1. Potencial energético de algunos recursos.

En el caso de los biocarburantes, éstos presentan un P.C.I. (Poder Calorífico Inferior)ligeramente inferior al de los combustibles fósiles tradicionales, aproximadamente el 10%.

4.2 DIGESTORES

El biogás es una de las fuentes alternativas de energía que puede tener éxito en lascomunidades rurales, ya que en la mayoría de ellas se encuentra la materia prima necesaria paraobtenerlo (estiércol, residuos agrícolas y forestales).

Si se llegase a un uso generalizado de este combustible, se lograría un ahorro en el consumo deotros energéticos tales como petróleo, carbón y leña; esto es lógico ya que al tratarse de uncombustible más barato, que no contamina tanto (en comparación con los anteriores) y muyabundante, su consumo aliviaría el de origen fósil. Pero por el momento se deben resolver algunosinconvenientes que su uso presenta, ya que para producir grandes cantidades de biogasnecesitaríamos un biodigestor de gran tamaño, además necesitamos mejorar la técnica derecolección de los residuos orgánicos ganaderos.

El digestor anaeróbico es un recipiente en el cual se lleva a cabo una descomposiciónanaeróbica (en ausencia de aire) de materia orgánica. Esta descomposición tiene como productosfinales una mezcla de gases (metano y bióxido de carbono, principalmente) que puede utilizarsecomo combustible, y un efluente líquido que sirve como fertilizante.

Existen dos tipos de digestores anaeróbicos:

1. Continuos: Aquí hay que alimentar al digestor diariamente con materia orgánica,obteniéndose así gas y efluente todos los días.

2. Intermitentes: En este tipo se llena el digestor anaeróbico con materia orgánica y luego seespera a que toda esta materia sea digerida antes de vaciarlo y volverlo a llenar; aquí, laproducción de gas aumenta durante algún tiempo y luego disminuye a medida que seagota el material digerible. Se obtiene el efluente al vaciar todo el digestor.

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En este trabajo sólo se plantea la operación de un digestor anaeróbico de tipo continuo. Loscomponentes de un digestor de este tipo son:

1) Tanque de alimentación. Es el lugar donde se mezcla el estiércol con agua.

2) Pozo con estiércol. En él se digiere el estiércol alimentado y se produce el gas.

3) Tanque de descarga. Al alimentar el digestor, se vierten aquí los lodos digeridos que sirvencomo fertilizantes.

4) Campana del digestor. Dentro de ella se almacena el gas.

5) Válvula de seguridad. Se utiliza para purgar el gas cuando sea necesario.

6) Válvula de salida del gas hacia la cocina. Se abre para usar gas en la cocina.

7) Tanque de trampa de agua. Elimina el agua que lleva el gas; conviene pintarlo de colorblanco y mantenerlo en la sombra.

8) Llave para purgar el agua retenida en el tanque de trampa de agua. Es conveniente abrirlauna a dos veces por semana, al amanecer o anochecer, para dejar salir toda el agua.

9) Soporte de contrapeso. Es donde se cuelga el contrapeso para que la campana suba alproducirse gas. Conviene mantenerlo pintado a fin de evitar su oxidación.

10) Cubetas. Funcionan como contrapeso; se llenan con piedras o tierra para que pesen 20 kg.

La descomposición de la materia orgánica en el digestor se lleva a cabo en dos fases, cada faseestá caracterizada por diferentes tipos de bacterias. En el digestor anaeróbico continuo, se trata delograr que ambas fases se presenten simultáneamente, a continuación se describen en que consistenlas dos fases:

- Licuefacción: consta de dos grandes reacciones: en la primera, las grandes moléculasorgánicas complejas (grasas, proteínas, almidones) se descomponen en sustancias mássencillas (azúcares, alcoholes, glicéridos, péptidos y aminoácidos) por la acción de lasbacterias fermentadoras, las que están representadas por los géneros bacteroides yButyrovibrio cuando el digestor trabaja en el intervalo de temperatura conocido comomesofílico (0 a 40 °C) y por el género Clostridium cuando se halla en el intervalo detemperatura designado como termofílico (50 a 70 °C). La segunda reacción toma losproductos de la primera y los transforma principalmente en ácidos carboxílicos comoacético, propiónico, butírico, etcétera, siendo el primero de ellos el más importante. En estareacción intervienen las bacterias acetogénicas.

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- Gasificación: se caracteriza por la reacción de los ácidos carboxílicos hacia metano, efectuadapor la intervención de las bacterias metanogénicas. Las bacterias de esta fase se multiplicanmás lentamente que las de la primera, y son más sensibles a las variaciones del medioambiente dentro del pozo del digestor; por tanto, es necesario mantener en dicho pozo elambiente apropiado para las bacterias metanogénicas a fin de asegurar un buen proceso dedigestión. Para ello, hay que mantener ciertas condiciones ambientales dentro del digestor;por ejemplo, la ausencia de oxígeno, ya que las bacterias que intervienen en la fase degasificación (llamadas metanogénicas) son estrictamente anaeróbicas (es decir, mueren alestar en contacto con el oxígeno).

Debido a que el digestor anaeróbico trabaja mensualmente con estiércol, es conveniente que losoperarios sigan ciertas medidas de higiene:

1) De ser posible, vacunarse contra el tétanos (actualmente, en el IMSS11 existe una vacunacuyo efecto dura diez años, y se aplica en una sola dosis).

2) Lavarse cuidadosamente las manos después de cualquier contacto con el estiércol. Tambiénse recomienda que al terminar el lavado, se introduzcan las manos en una cubeta quecontenga 10 lt de agua con hipoclorito de sodio.

3) Mantener cortadas las uñas de las manos para evitar la acumulación de sustancias dañinas.

4) Abstenerse de comer o fumar al estar trabajando en el digestor.

5) Evitar trabajar de cara al viento.

6) Tratar de usar siempre la misma ropa al manejar el estiércol, y lavarla por separado.

7) Quitar el estiércol de los zapatos antes de entrar en la casa.

Los factores más importantes que condicionan el éxito del proceso de descomposición dedesechos orgánicos para la obtención de metano son:

a. La temperatura,b. El pH yc. La composición química de los materiales empleados, en especial, la proporción de

sólidos y líquidos, y de nitrógeno y carbono.

A continuación se presentan los intervalos de valores de estos factores que aseguran el buenfuncionamiento del digestor anaeróbico.

Respecto a la temperatura, el intervalo de valores en el cual hay descomposición orgánica es de 0hasta 70 °C. La velocidad de descomposición y producción de gas es muy sensible a la temperatura[20]; por ejemplo, al aumentar ésta, el proceso se acelera, excepto en el intervalo de 40 a 50 °C,donde el comportamiento es errático, mientras que por encima de dicho intervalo, existe un tipo debacterias metanogénicas, conocidas como termofílicas, que son muy sensibles a los cambios detemperatura. Sin embargo, para el medio rural, se recomienda trabajar con bacterias metanogénicas

11 Instituto Mexicano del Seguro Social.

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del tipo mesofilícas, las cuales además de que se reproducen mejor en el intervalo de 25 a 35 °C, noson tan sensibles a cambios de temperatura. Lo más importante es tratar de evitar fluctuacionesamplias en la temperatura del digestor anaeróbico.

El pH tiene efectos pronunciados sobre cualquier actividad biológica; en cuanto a los digestoresanaeróbicos, una vez que produzcan gas, el pH deberá tener un valor entre 6.5 y 8.5 (7 indica un pHneutro; valores menores de 7, un pH ácido; valores mayores de 7, un pH básico o alcalino). Si el pHes menor de 6.0, la excesiva acidez inhibe la reproducción de bacterias metanogénicas (inclusopuede matarlas); si el pH es muy elevado, conviene esperar a que la producción de ácido lodisminuya y empiecen a trabajar las bacterias metanogénicas.

El contenido de sólidos recomendables para una rápida y eficiente digestión, debe estar entre 7 y9 por ciento. El estiércol fresco de vaca contiene un porcentaje total de sólidos entre 17 y 20; portanto, el estiércol que alimente al digestor deberá ser mezclado con agua en una proporción de 1:1 o2:3 dependiendo de la concentración de sólidos, logrando una consistencia lodosa líquida (comocrema).

Las bacterias que intervienen en el proceso de descomposición consumen aproximadamente 30veces más carbono que nitrógeno; por ello, se debe tratar de tener una relación carbono/nitrógeno(C/N) de 30:1 en la materia orgánica que alimenta al digestor. Si la relación C/N es mayor de 30,habrá un exceso de carbono que se oxidará a CO2 y se obtendrá menos metano en el gas producido;en este caso, el proceso será muy lento debido a la deficiencia de nitrógeno. Si se tiene nitrógeno enexceso (C/N menor de 30), el carbono existente se acabará antes que el nitrógeno, y el proceso sedetendrá mientras el nitrógeno remanente se pierde en forma gaseosa.

En la literatura (loc. cit.) se mencionan diferentes valores de la relación carbono/nitrógeno segúnla materia orgánica elegida; a continuación se presentan algunos de ellos (ver tab. 4.2).

Materia Orgánica Razón de C/N

Estiércol de vaca 18:1 a 25:1Estiércol de caballo 25:1Estiércol de oveja 20:1Estiércol de cerdo 18.6:1Estiércol de gallina 5:1 a 15:1Hojas y tallo de maíz 52:1Hojas de plantas 203:1Heno 12:1 a 20:1Paja de trigo 128:1 a 150:1Aserrín podrido 200:1 a 208:1Aserrín crudo 500:1 a 511:1

Tabla 4.2. Razón de C/N para diversas materias orgánicas.

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En la tabla anterior se aprecia que el estiércol de vaca tiene una relación C/N un poco menorque la necesaria para un proceso digestivo óptimo. A fin de aumentar dicha relación a 30, se lepuede agregar cualquier materia prima con una relación C/N elevada (si es de origen vegetal,convendrá romperla en trozos pequeños, de 3 cm máximo por lado, para que se pueda digerir).También se recomienda eliminar los tallos de maíz y la corteza de árboles, ya que contienen lignina,la cual no puede ser digerida por las bacterias de este proceso y propicia la formación de nataespumosa.

Por último, otro factor importante en la digestión es el tiempo de residencia, o sea, el tiempopromedio que permanecen los microorganismos en el sistema. Se calcula dividiendo la masa totalque se encuentra en el digestor entre la masa de la alimentación diaria. El tiempo de residencianecesario para la digestión de la materia prima alimentada depende de la temperatura a la quetrabaje el digestor y del tipo de éste; a mayores temperaturas corresponden menores tiempos deresidencia. Para una temperatura de operación de 25 °C, el tiempo de residencia es de 30 a 35 días;en este caso, se deberá alimentar al digestor con alrededor de 1/30 de su volumen total cada día.Estos datos son para los tipos de digestores continuos que se mencionan en este trabajo.

4.2.1 Arranque del digestor anaeróbico.

En la etapa inicial de la acción de llenarlo con materia orgánica, en la literatura (loc. cit.) seproponen varios métodos para arrancar un digestor; a continuación se describe el más común.

El pozo del digestor se deberá llenar a la brevedad posible con una mezcla de estiércol fresco-agua y lodos activos. Dichos lodos pueden ser el efluente de algún otro digestor que estáfuncionando, el material podrido de una fosa de estiércol, el flotante de un alcantarillado, o elefluente del digestor municipal de una planta de tratamiento de aguas negras. Estos lodos tienenuna gran población de bacterias y servirán para inocular la mezcla de estiércol fresco-agua.

Se recomienda llenar con lodos activos al menos 1/10 del volumen total del digestor. Convienecolocar capas alternadas de lodos activos y estiércol fresco-agua (incluso, mezclar estas capas si esposible) para que haya más bacterias en contacto con el estiércol fresco y se acelere la digestión. Elpozo se debe llenar rápidamente a fin de lograr condiciones anaerobias (sin aire) en un tiempomínimo, ya que las bacterias metanogénicas sólo pueden vivir en este tipo de ambiente.

Una vez lleno el pozo del digestor, se sumirá la campana recolectora de gas en el estiércol,abriendo primero la válvula de seguridad para sacar todo el aire que pueda haber dentro de lacampana. Cuando haya salido totalmente el aire, se cerrará la válvula y se esperará a que el digestorproduzca gas.

El gas producido al principio es en su mayoría CO2 (bióxido de carbono), no combustible.Después de que el digestor produzca gas, se realimentará con una mezcla de estiércol fresco y agua,a la cual conviene agregar lodos activos (se pueden utilizar los semidigeridos). La realimentación sellevará a cabo dos o tres veces por semana, y se aumentará gradualmente la frecuencia hasta llegara una alimentación diaria durante un mes.

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4.2.2 Operación del digestor anaeróbico.

La operación correcta del digestor implica saber alimentarlo diariamente, conocer cómo usar elgas y lodos digeridos que produzca y, por último, darle un mantenimiento apropiado.

Considerando la temperatura y tiempo de residencia con los cuales trabajará el digestor de 3 m3,se recomienda alimentarlo diariamente con una mezcla de 40 kg de estiércol fresco de vaca y 60 ltde agua caliente (a unos 45 °C). Sí un día no se puede llevar a cabo la alimentación, es convenienteno duplicar la cantidad al día siguiente.

La mezcla deberá tener una consistencia lodosa líquida. Si es necesario agregar más de 70 lt deagua a los 40 kg de estiércol, se recomienda reducir la proporción de este último (30 a 35 kg) alpreparar la siguiente mezcla, con el fin de que la alimentación diaria del digestor no sobrepase 110lt. La mezcla deberá ser lo más homogénea posible; por tanto, es indispensable revolverpreviamente los ingredientes en la pileta de carga.

En el momento en que la mezcla rebase el pozo de estiércol, se vertirá en el canal de descarga unlodo digerido que es un buen fertilizante. Debido a su alto contenido de nitrógeno amoniacal, parautilizar dicho lodo como abono se deben tomar las siguientes medidas de precaución:

1) Si el lodo es fresco, antes de echarlo en las plantas conviene:

a. Diluirlo, mezclando una parte de lodo con dos de agua;b. Dejarlo que “envejezca” durante algunas semanas (2 ó 3) en un lugar abierto;c. Secarlo al Sol y luego aplicarlo como un fertilizante comercial.

2) La aplicación continua de lodo digerido en un mismo lugar tiende a volver ácida la tierra;para evitar esto, se puede echar un poco de piedra caliza en el terreno. Se recomiendaesparcir dicha piedra en cantidades ascendentes hasta que se controle la situación anómala,dejando pasar un mínimo de dos semanas entre aplicaciones sucesivas.

3) Conviene experimentar primero en pequeñas parcelas, a fin de conocer cómo se comportael efluente de lodos digeridos.

El digestor deberá producir diariamente una cantidad de gas entre la mitad y el total de suvolumen. La campana subirá cuando se produzca gas, y bajara si éste se utiliza (ver fig. 4.3). Con elpropósito de asegurar tal funcionamiento, se tienen tres cubetas (cada una con 20 kg de piedras otierra) que sirven como contrapeso.

Para usar en la cocina el gas almacenado en la campana, la cual esta hecha de fibra de vidrio;primero se colocará un círculo de piedras o pesas sobre la campana (alejadas un poco del borde conobjeto de evitar que caigan dentro del digestor), suficientes para dar presión al gas y poderutilizarlo en el quemador. (Otra opción es quitar 2 ó 3 piedras de cada contrapeso mientras se use elgas). Luego se abrirá la llave de la campana que da salida al gas hacia la cocina; ya en ésta, seprenderá un cerillo y enseguida se abrirá la llave de gas del quemador. La flama obtenida deberámantenerse a una altura de 5 cm con el fin de evitar el desperdicio de gas. La flama es generalmenteazul, aunque a veces tiene trazas naranjas originadas por la combustión de pequeñas cantidades depropano producidas en el digestor. Es conveniente apagar el quemador cuando en el se estéacabando el gas; luego, se cerrará la válvula de salida del gas en la campana y, por último, sequitará el círculo de piedras que está sobre la campana (o se devolverán las piedras a los

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contrapesos, según sea el caso). De esta manera, siempre se tendrá una presión positiva de gas en latubería evitando, que entre aire y se forme una mezcla potencialmente explosiva (el metano,principal componente del biogás, es explosivo al mezclarse con aire en una proporción volumétricade 5 a 15 por ciento). Frecuentemente se deberán hacer pruebas de fugas con agua jabonosa.

El mantenimiento del digestor se reduce a lo siguiente:

1) Realizar periódicamente pruebas de fugas con agua jabonosa, y tapar cualquier perdidaque se detecte.

2) Abrir al menos una vez por semana la llave de escape de agua localizada en la parteinferior del tambo de trampa, dejando salir el agua colectada.

3) Mantener a la sombra y pintado de blanco el tambo de la trampa de agua.

4) Mantener pintados los soportes de los contrapesos para evitar su corrosión.

5) Reemplazar las válvulas y los conductos de gas cuando sea necesario.

6) Remover al menos una vez por año la capa de nata espumosa que se puede formar en elpozo de estiércol. Esto deberá hacerse después de purgar todo el gas, tomando lasprecauciones necesarias para evitar una explosión (No fumar, usar zapatos con suela dehule, etc.).

El hecho de que la campana no suba se puede deber a que su movimiento esté impedido poruna piedra, a la presencia de fugas por las cuales escapa el gas producido, o a un desequilibrio en elpH, temperatura o razón C/N en el digestor, que inhiba la producción de metano.

Primero se verificará que no haya caído una piedra en el espacio existente entre la campana y lapared del pozo del digestor.

En el caso de que no se encuentre ninguna piedra, se investigara si existen fugas de gas; unindicio de fuga es la presencia de un olor a huevo podrido, debido al ácido sulfhídrico que produceel digestor. Si existen fugas en la campana, conviene taparlas por la parte inferior; para ello, esnecesario quemar todo el gas que hay dentro de la campana antes de quitarla.

Cuando la prueba de fuga resulte negativa el problema se deberá a un desajuste en losparámetros que afectan el proceso digestivo. Para determinarlo y corregirlo, se medirán el pH y latemperatura dentro del digestor y en el efluente.

Se recomienda observar si el interior del digestor esta seco; la mezcla dentro de el deberá sercasi totalmente líquida, y entonces la campana se podrá mover libremente. Cuando dicha mezcla senote seca, habrá que aumentar la cantidad de agua caliente incorporada al estiércol en laalimentación. Si de un día a otro el digestor se seca considerablemente, convendrá vaciarlo yprobarlo para encontrar posibles filtraciones.

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4.2.3 Construcción.

Se pretende, además de un buen funcionamiento, reducir el gasto de construcción y enseñar a lagente de la comunidad la forma de autoconstruir gran parte de este tipo de dispositivos.

La construcción del pozo es la parte que requiere mayor tiempo y esfuerzo, sobre todo la etapade excavación.

Las campanas de los digestores y los depósitos del gas producido se deben hacer de fibra devidrio para evitar su deterioro al estar expuestos a un ambiente corrosivo; además este material norequiere mantenimiento.

Las estufas que se utilizan para quemar el gas son comerciales, del tipo cocineta; por lo que esnecesario modificar los quemadores, ya que están diseñados para gas LP.

4.3 TIPOS DE DIGESTORES.

4.3.1 - De campana flotante o tipo hindú.

Es el más popular en la India, país en el que varias instituciones hasta el año de 1985 hanconstruido diferentes tipos de estas plantas, resultando en la instalación de más de 460,000unidades. El biodigestor hindú (fig. 4.3) se distingue por el uso de una campana móvil, queasciende al aumentar la presión del gas dentro de ella; esta puede ser de metal, hormigón o plástico.Además, el digestor está compuesto por un tanque de almacenamiento en forma cilíndrica, quepuede ser construido de piedra, ladrillo y hormigón. Para permitir la entrada de la materia orgánicay la salida del biofertilizante se emplean dos tubos (de plástico, fibrocemento, cerámica u otros) queconectan el tanque de almacenamiento con el de carga y descarga; también cuenta con tuberías,válvulas de corte y seguridad que garantizan el buen funcionamiento del biodigestor.

Figura 4.3. Digestor de domo flotante Tipo Hindú.

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4.3.2 - Digestores con domo fijo tipo chino.

Este tipo de digestor consiste en un cilindro de concreto de 1.5 m de diámetro y 0.85 m dealtura, encima del cual hay que colocar un casquete esférico con una altura de 0.3 m (figuras 4.4y 4.5). En la parte central del casquete esférico es necesario dejar un hoyo de 50 cm de diámetro,al cual hay que colocarle una tapa cónica que pueda removerse para inspeccionar el interior deldigestor en caso de presentarse algún problema. A un lado de la tapa e inclinado, hay quecolocar embebido en el concreto un tubo de hierro de 6 mm de diámetro por el cual va a fluir elgas hacia un medidor de flujo. La presión del gas se regula a través de la diferencia de nivelesentre las piletas del influente-efluente (nivel exterior) y de la mezcla (nivel interior) que seencuentra en el digestor (ver fig. 4.5). La diferencia de niveles se necesita para que cuando seempiece a utilizar el gas, esté ejerza una presión por el nivel interior que se transmite al gas, detal manera que al ir disminuyendo el volumen del gas en el domo, entonces el nivel interiorsube de modo que exista una presión mayor a la atmosférica en el gas. Los pasos que se debenseguir durante la construcción del digestor son los siguientes:

a) Hacer un hoyo de 2 m de diámetro y una altura de 2.5 m y nivelar el piso.

b) Hacer un armado con tela de gallinero y vaciar concreto, formando así un cilindro de1.5 m de diámetro y 0.85 m de altura. A 0.75 m de altura se colocan en forma opuestaentre sí los tubos de salida y entrada de 0.15 y 0.12 m de diámetro, respectivamente. Lostubos son de asbesto. La tela de gallinero se usa para evitar fracturas del concretodurante su expansión térmica, debida a cambios en la temperatura ambiental.

c) Construir las piletas de entrada y salida con tabique. La de entrada es cuadrada, de 0.3x 0.3 m por 0.3 m de altura. La de salida también es cuadrada, de 0.6 x 0.6 m con 1.10 mde altura.

d) Para construir el domo es necesario hacer un molde de yeso sobre arena. Utilizandoguías de lámina con sección circular y un anillo sólido en la parte central, el cual alquitarse dejará el hoyo donde se colocará la tapa cónica.

e) El modelo de yeso para el casquete esférico se debe colocar encima del cilindro.También se necesita hacer un armado con alambrón unido a la tela del gallinero paraque estructuralmente trabaje bien. Los alambrones del armado usado en el cuerpo delmolde de yeso se necesitan alargar formando lo que después serán las paredes dondese colocará la tapa cónica, usando una cimbra de madera construida con está geometría.

f) Los armados de alambrón y tela de gallinero se cubrirán con una mezcla de cemento yarena con un espesor de 5 cm. Utilizar otro molde de madera para hacer la tapa cónicacon 3 asas y con un espesor de 15 cm. Los hoyos mostrados en el anillo de concreto sonpara introducir maderas a modo de topes y evitar que el gas empuje la tapa.

Finalmente hay que poner un impermeabilizante para sellar las fugas por donde pudieraescapar el gas.

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Figura 4.4. Digestor con domo fijo.

Figura 4.5. Detalles del digestor con domo fijo (tipo chino).

4.3.2 - Digestores con filtro anaeróbico.

Dentro del proceso de la digestión anaeróbica de alta eficiencia existen tres parámetros de sumaimportancia con respecto a la producción de gas: la temperatura, el pH y la agitación, los cuales yase explicaron anteriormente.

El digestor consiste en una fosa séptica de 1.9 m de altura total, 1.48 m de diámetro y 0.9 m dealtura hasta el tubo de salida, lo cual da un volumen líquido aproximado de 1.4 m3. La caja superiorde la fosa, debe ser dejada cerca del tubo de entrada, así como los residuos de placas a las orillas, lascuales serán incrustadas en la propia fosa. Después hay que atornillar una placa de asbesto de 5mm de espesor a la pared de la caja y hacer una serie de perforaciones con un diámetro de 2.5 cmen la parte superior de esa placa; los huecos dejados entre la placa y el fondo y las orillas de la fosase llenan con yeso.

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El digestor está enterrado en el suelo, lo que ayuda un poco a aislarlo térmicamente. Esnecesaria la construcción de una pileta de carga arriba y a un lado del digestor, conectada al tubo deentrada del digestor mediante un codo; ésta deberá tener una sección cuadrada de 60 x 60 cm y 1.10m de altura.

La operación del digestor es mostrada esquemáticamente en la figura 4.6; se carga la mezclaestiércol-agua junto con su inóculo en la pileta de carga hasta llenar la primera división. Se estimaque los sólidos gruesos se irán al fondo, sobrenadando solamente la materia soluble. Debido a lapresión ejercida por la pileta de carga, la materia digerible rebasará hacia la segunda división deldigestor llena con grava y fluirá a través de los espacios vacíos rumbo a la tercera división deldigestor, también llena de grava. Finalmente, el líquido ya digerido saldrá por el tubo de salidarumbo al drenaje.

Figura 4.6. Operación esquemática del digestor de filtro anaeróbico.

El domo que cubre el digestor puede ser construido con fibra de vidrio y se puede reforzar conalambrón; en su parte central puede tener un tubo de hierro de 0.6 cm de diámetro, adaptado a unmedidor para determinar el volumen de gas producido diariamente (ver fig. 4.7).

Figura 4.7. Vista del domo.

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Figura 4.8. Esquema de un digestor de domo fijo.

4.4 EFECTOS AMBIENTALES

Como se menciona a continuación, es posible que algunas instalaciones grandes ocasionendaños en el medio ambiente, pero esto no sucede con instalaciones pequeñas, que son las que nosocupan.

Ahora que ya se conoce como funciona un digestor y como se produce el biogas es convenienteque hablemos un poco sobre cuales pueden ser sus efectos en el medio ambiente, si los residuos deldigestor se utilizan periódicamente en las siembras pueden ayudar a la fertilización y estabilizaciónde los suelos, además reduce la filtración de agua. Se considera que no produce CO2 por que en elproceso de combustión libera la misma cantidad de CO2 que absorbe del ambiente. Un efectonegativo es el que encontramos en las plantaciones energéticas ya que la producción constante debiomasa en el mismo terreno puede generar considerables efectos negativos sobre la fertilidad delos suelos, el agua, el balance de nutrientes y el paisaje. Además la recolección y transporte de labiomasa incrementa el uso de vehículos y de infraestructura, esto ocasiona que también lasemisiones a la atmósfera se incrementen. Por lo tanto, para no perjudicar el clima, el suelo y lascondiciones socioambientales, es indispensable que la producción de biomasa para energía serealice de forma sustentable.

A continuación se describen los principales problemas asociados al uso inadecuado de labiomasa como fuente de energía:

a) Erosión. En muchas regiones del mundo este fenómeno está relacionado con los cultivosanuales. Para evitar este problema se recomiendan cultivos energéticos perennes debido aque su cobertura es mayor que la de los cultivos agrícolas y durante la cosecha la remociónde suelo es mínima ya que las raíces permanecen en el suelo. Otro beneficio es que laformación de extensos sistemas de raíces incrementan el contenido de materia orgánica delos suelos, con esto se previenen algunas plagas y la estructura del suelo se mejora.

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b) Agua. El aumento del consumo de agua por el establecimiento de nuevos cultivos puedeconvertirse en un problema, particularmente en las regiones semiáridas y áridas; sinembargo, el cambio de cultivo puede generar un mejor aprovechamiento del agua, porejemplo: algunas especies de eucalipto poseen muy buena eficiencia en el uso de agua, esdecir, producen una gran cantidad de biomasa respecto a la cantidad de agua quedemandan; pero no debe perderse de vista que las grandes extensiones de eucaliptopueden incrementar la demanda de agua subterránea y disminuir su nivel. Por otro lado, elaumento de la cobertura vegetal incrementa la retención de agua y mejora el microclima; deaquí la importancia de evaluar los impactos al ciclo hidrológico en la escala local paradecidir que tan convenientes son las plantaciones con fines energéticos.

c) Agroquímicos. Los pesticidas afectan la calidad tanto del agua subterránea como de lasuperficial y a las plantas y animales que viven en ellas; y sus efectos particulares dependendel tipo de químico, la cantidad usada y del método de aplicación. La experiencia concultivos perennes (sauce, álamo, eucalipto) sugiere que deben existir medidas ambientalesestrictas para la aplicación de agroquímicos. Pero es conveniente señalar que los cultivosperennes para energía requieren sólo entre el 5% y 20% de la cantidad de químicos usadosen los cultivos agrícolas.

d) Nutrientes. El uso intensivo de fertilizantes y abonos en la agricultura ha ocasionadoconsiderables problemas ambientales en varias regiones del mundo: por ejemplo:nitrificación del agua subterránea, saturación de los suelos con fosfato y contaminación delagua que la hacen no apta para consumo humano; además los fosfatos incrementan el flujode metales pesados en el suelo. Sin embargo, las plantaciones con fines energéticos (árbolesy pastos perennes) con periodos de rotación cortos requieren una menor cantidad defertilizantes que los cultivos convencionales; asimismo se aprovechan mejor los nutrientes.El lixiviado de nitrógeno en las plantaciones de sauce puede ser menor desde un 10% hastaun 50% respecto a los cultivos agrícolas, por lo tanto no es necesario contar con normaspara proteger el agua subterránea. Las plantaciones energéticas extraen nutrientes del sueloque deben ser reemplazados de una u otra forma, la reincorporación de cenizas es unaopción para devolver los elementos traza y los fosfatos al suelo; en Australia y Suecia estapráctica es común; en los ingenios de Brasil los residuos de la caña, ricos en nutrientes, sedevuelven a las plantaciones de caña.

e) Biodiversidad y paisaje. La plantaciones energéticas son criticadas por la baja diversidad deespecies que contienen, comparadas con los bosques naturales. Aunque esto generalmentees cierto, no siempre es importante; sólo si reemplazamos un bosque virgen por unaplantación energética, pero si las plantaciones son establecidas en tierras degradadas o enlas que no se utilizan para la agricultura, se promueve la restauración de la tierra yprobablemente se tenga una mayor diversidad ecológica. Estimaciones recientes indicanque las tierras degradadas son abundantes, existen alrededor de dos mil millones dehectáreas disponibles en los países en desarrollo [21]. Los beneficios de las plantaciones,como ya hemos apuntado, permitirían la restauración de estas tierras, con lo cual seaumenta la retención de agua, se previene la erosión, y se mejora el microclima. Unadecuado diseño de las plantaciones debe incluir áreas para plantas y animales nativos quevivan en su forma natural. Los problemas asociados con el monocultivo puedenpresentarse; sin embargo es importante aclarar que una plantación energética nonecesariamente significa monocultivo.

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f) Otros riesgos (incendios, enfermedades). Las grandes extensiones y el sistema de manejo dela producción de la biomasa pueden reducir considerablemente los riesgos de incendios yenfermedades. Por lo que este tema merece mayor atención en futuras investigaciones,elaboración de políticas y ejecución de proyectos.

g) Conversión y uso final. Los procesos de conversión de la biomasa para que puedautilizarse en las tecnologías de uso final, deben cumplir normas ambientales estrictas. Losproblemas que pueden presentarse en este proceso (como emisiones al ambiente) sonfáciles de controlar con la tecnología existente, por ejemplo: la gasificación de biomasapermite obtener gases limpios para la combustión y otros procesos. Especial cuidadomerecen los sistemas pequeños de conversión (menores a 1 MW térmico), ya que latecnología para reducir las emisiones está disponible pero los costos de investigación,instalación y operación son elevados.

4.5 EFECTOS A LA SALUD.

La combustión directa de la biomasa en condiciones no controladas genera además de CO2, unagran cantidad de partículas, hidrocarburos aromáticos policíclicos y monóxido de carbono (CO),todos con efectos adversos a la salud. Existe además una gran cantidad de compuestos químicosgenerados por la combustión de madera, los cuales se mencionan a continuación:

h) Diecisiete tipos de sustancias considerados “contaminantes prioritarios” por la US EPA12,ya que existe evidencia de su toxicidad; juntos forman el 4.8% de las partículas.

i) Más de catorce compuestos carcinógenos que representan alrededor del 0.5% de laspartículas.

j) Seis tóxicos para los cilios y agentes muco-coagulantes, y

k) Cuatro precursores del cáncer.

Se ha descubierto (loc. cit.) también una gran cantidad de compuestos, en los cuales se haencontrado que hay más de 180 sustancias “polares”, 75 alifáticos y 225 hidrocarburos aromáticos.Otra característica destacable de las emisiones es su elevada acidez, el pH oscila entre 2.8 y 4.2.

El principal uso de la biomasa en los países en desarrollo es en la cocción de alimentos y dadaslas condiciones adversas que predominan en las cocinas, la mayor cantidad de contaminantes seconcentra en el interior de las viviendas y sus efectos a la salud dependen de factores como el tipode emisiones, la concentración, el tiempo de exposición, y la dosis. Además influye también elhistorial clínico de las personas.

12 US EPA (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, por sus siglas en Inglés)

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Las principales enfermedades asociadas con la inhalación del humo de leña en los hogares son:

a. Bronquitis crónica y obstrucción bronquial crónica,b. Infecciones respiratorias agudas,c. Bajo peso al nacer y trastornos perinatales,d. Infecciones respiratorias agudas en niños,e. Cáncer de pulmón y naso-faríngeo, yf. Fibrosis pulmonar.

Estos efectos adversos se pueden evitar mejorando el proceso de combustión y controlando lasemisiones.

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CAPITULO 5PROPUESTA DE AUTOABASTECIMIENTO ENERGETICO DE UNA COMUNIDAD RURAL

5.1 METODOLOGÍA BÁSICA PARA SELECCIONAR UNA COMUNIDAD RURAL.

1. Escoger una comunidad rural, que no cuente con energía eléctrica y que se encuentrealejada de la red eléctrica, estos datos se pueden conseguir en la publicación del InstitutoNacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI).

2. La comunidad debe de tener una población de entre 100 y 400 personas.

3. Debe de contar con varios de los siguientes recursos biomásicos: forestales, agrícolas,ganaderos, urbanos, industriales y marinos.

4. Es necesario que exista un río o pozo de agua cerca de la comunidad, esto es importante yaque el biodigestor también utiliza agua, para poder llevar a cabo la degradación de labiomasa.

5.2 METODOLOGÍA PARA ELABORAR UN PROYECTO DE AUTOABASTECIMIENTOENERGÉTICO.

1. Tener bien identificado el sitio de estudio, saber cuál es la correcta ubicación de lacomunidad.

2. Conocer como es el clima durante todo el año. Ya que así podemos saber si hay lluviasabundantes o el clima es muy seco, las temperaturas máximas y mínimas de la región, losdías más soleados.

3. Caracterización de la Unidad Económica; aquí debemos saber cuántas personas viven en lacomunidad, si cuentan con una infraestructura vial adecuada, cuál es el nivel educativo quetiene la población, saber cuales son sus principales actividades productivas, cómo estádistribuida la superficie y saber cuál es su población ganadera.

4. Conocer como está distribuida la demanda energética de la comunidad; esto es, susnecesidades domésticas, ganaderas y agrícolas.

5. Modelo energético de la producción de biomasa; aquí es necesario conocer la radiaciónsolar global que incide en la comunidad escogida, ya que la producción de biomasa dependede la energía luminosa del Sol.

6. Cuantificación de los requerimientos de potencia; aquí se consideran las necesidadesenergéticas como por ejemplo: las domésticas, avícolas, ganaderas y el bombeo de agua.

7. Oferta de biogas y cálculo del biodigestor; en este punto conoceremos cual es la cargavolumétrica y así calcular el volumen necesario para el digestor.

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8. Análisis económico del proyecto rural, es necesario realizar los cálculos del biodigestor yde los de la alternativa de conectarse a la red eléctrica, para así poder analizar su viabilidad.

En los puntos del 1 al 4 y el 6 podemos consultar el Cuaderno Estadístico Municipalcorrespondiente a la comunidad de estudio, publicado por el INEGI. En el punto 5 la informaciónnecesaria se puede obtener en la página de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), en el llamadoPrograma de Evaluación Técnico-Financiera para Sistemas Solares para Calentamiento de Agua.Los datos necesarios para el cálculo del biodigestor y para conocer la oferta de biogas se obtienende los resultados de los cálculos realizados en los puntos anteriores. En el punto 8 se consulto alIng. J. Gonzalo Pale V., Coordinador de Determinación y Evaluación de Valores Objetivo,perteneciente a la CFE, para conocer el costo de la alternativa de conectarse a la red eléctrica.

5.3 LUGAR DE ESTUDIO

La zona considerada para el estudio de la aplicación de las tecnologías de conversión biomásica,esta ubicada en el estado de Aguascalientes dentro del municipio de San José de Gracia. Lacomunidad rural elegida es Túnel de Potrerillo, ubicada a 22º 13”53’ de latitud a una altitud de 2110msnm. La temperatura media anual esta registrada como: Temperatura promedio = 17.3 ºC,Temperatura del año más frío = 16.4 ºC y la Temperatura del año más caluroso = 18.5 ºC.Precipitación total anual, se registra como: Precipitación promedio = 459.3 mm; Precipitación delaño más seco = 222 mm y la Precipitación del año más lluvioso = 815.4 mm. La zona se encuentradentro de la región hidrológica RH12.

5.3.1 Climas

El tipo de clima de la comunidad se divide en tres, de acuerdo al porcentaje de superficie, estoes:

1) Templado subhúmedo con lluvias en verano de humedad media con el 20.91 % de lasuperficie,

2) Templado subhúmedo con lluvias en verano, de menor humedad con el 29.76 % de lasuperficie, y

3) Semiseco templado con el 49.33 % de la superficie.

5.3.2 Caracterización de la Unidad Económica

El lugar al que esta destinado el proyecto, es un predio agrícola ejidal que tiene una extensiónaproximada de 176 hectáreas, las cuales se destinan en: agropecuaria o forestal (35 hectáreas),producción rural de labor (70 hectáreas) de riego y temporal, la cuál se aprovecha para cosecharcultivos cíclicos y cultivos perennes, tales como se muestran en la tabla 5.1, pastos (30 hectáreas) yárboles (10 hectáreas). El resto del terreno se encuentra ocupado por caminos, campos y viviendas.El predio no cuenta con energía eléctrica, drenaje ni servicios de agua potable.

Sus actividades productivas son la agricultura, la avicultura [22] así como la crianza de ganadobovino, caprino, equino, ovino y porcino, entre otros como conejos y colmenas (ver tabla 5.2),donde éstos últimos no se consideran sus excretas para la carga del biodigestor.

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Tipo y Cultivo Total(Ha)

Riego(Ha)

Temporal(Ha)

Cultivos Cíclicos: 59 10 49 Maíz de grano 54 9 45 Fríjol 5 1 4

Cultivos Perennes: 11 10 1 Nopal Tuna 1 0 1 Alfalfa 10 10 0

Tabla 5.1. Superficie cosechada por tipo de cultivo y principales cultivos según disponibilidad deagua (Hectáreas).

Concepto CabezasAves 720Bovino 75Caprino 81Colmenas 353Conejos 87Equino 58Ovino 65Porcino 244

Tabla 5.2. Población Ganadera, Avícola y existencias de Colmenas (Cabezas).

5.3.3 Condiciones Sociales

La población total de la comunidad del Túnel de Potrerillo son 105 habitantes (56 hombres y 49mujeres) por lo que hay 17 viviendas particulares y un promedio de 6 ocupantes en vivienda, de lascuales existe en promedio 4 hijos.

El aspecto de educación se encuentra en un nivel bajo a medio, puesto que las institucioneseducativas se encuentran en la cabecera municipal de San José de Gracia que comprende primaria,secundaria, bachillerato y programas de alfabetización de poyo a la población adulta. Tambiénexiste una escasa tecnificación de actividades productivas y domesticas.

5.4 ESTRUCTURA DE LA DEMANDA ENERGÉTICA

La demanda energética del predio está estructurada de la manera siguiente:

a) Necesidades Domésticas: iluminación, cocina (cocción de alimentos), uso deelectrodomésticos y calentamiento de agua.

b) Necesidades Ganaderas: iluminación, agua para beber y de limpieza.c) Necesidades de Agricultura: riego.

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Hay que considerar que la demanda energética varía de acuerdo a la hora y el mes del año, estoes por las condiciones climáticas de la región.

Las necesidades energéticas para calefacción, ganadera y avícola, sólo se consideran en latemporada invernal (Noviembre a Febrero). Para el bombeo de agua, este se llevara a cabo todo elaño por 3 hrs diarias y para la temporada de estiaje se incrementara a 10 hrs al día esto es por lasactividades de riego (tab. 5.3).

Demanda DistribuciónMensual

DistribuciónHoraria (h/día)

a) Doméstica:IluminaciónElectrodomésticosCocinaBombeo de aguaCalentamiento de agua

b) Ganadera y Avícola:IluminaciónBombeo de aguaCalentamiento de agua

c) Agrícola:Riego

T.A.T.A.T.A.T.A.T.A.

T.A.T.A.T.A.

E, F, M, A y M

44321

3*24

5

*No incluye iluminación de aves. T.A. = todo el año.

E = enero, F = febrero, M = marzo, A = abril, M = mayo.

Tabla 5.3. Distribución mensual y horaria de la demanda energética.

5.5 MODELO ENERGÉTICO DE LA PRODUCCIÓN DE BIOMASA EN LA COMUNIDAD RURAL

La fuente primaria de energía es la radiación solar, el siguiente esquema engloba un predioagrícola como un sistema abierto que intercambia energía y masa con el medio ambiente.

La formación de materia viva o biomasa a partir de la luz solar se lleva a cabo por el procesodenominado fotosíntesis gracias al cual se producen grandes moléculas de alto contenidoenergético (en forma de energía química), cuyo costo de almacenamiento es nulo y, en principio, sinpérdidas. Por medio de procesos productivos tales como la silvicultura y la ganadería, la biomasase transforma de productos tales como madera, maíz, pacas de pasto, carne, leche, etc. y ensubproductos o residuos. Los primeros se canalizan hacia el consumo interno familiar y ademáshacia fuera del predio en forma de mercancías que se venden en el mercado local y foráneo. Lossegundos se utilizan de dos maneras distintas: por un lado, los residuos de cultivos y el aserraderojunto con la producción de pastos, son útiles para el mantenimiento y la manutención de aves yganado. Por otro lado los residuos animales, principalmente en forma de estiércol, se someten a unproceso de conversión energética adecuada (fermentación anaeróbica) mediante el biodigestor,

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obteniendo como resultado la producción del bioabono que es útil como coadyuvante paraproducir biomasa (generación del biogas como combustible) para satisfacer las necesidadesenergéticas del predio. Este proceso y tecnología empleada de conversión energética, permite unahorro en cuanto a la compra de insumos, sobre todo en lo que concierne a combustibles yfertilizantes.

Como la producción de biomasa depende de la energía solar , es necesario conocer la cantidadde radiación solar diaria promedio que incide en al superficie del predio (tab. 5.4).

Mes Radiación Solar13

(MJ/m2)Enero 16.20Febrero 18.60Marzo 21.10Abril 23.60Mayo 25.80Junio 22.60Julio 22.10Agosto 21.40Septiembre 20.60Octubre 18.30Noviembre 17.20Diciembre 14.30Promedio mensual 20.15

Tabla 5.4. Radiación Solar Global del estado de Aguascalientes.

De la tabla anterior se obtuvo el promedio mensual de la radiación solar en MJ/m2 día, ahora seexpresa en (kcal/m2 año) , esto es:

(20.15 MJ/m2 día)*(0.239 kcal/m2 dia)*(365 dias/año) = 1.757 x 106 kcal/m2 año.

Si se considera que el crecimiento del área forestal (35 ha) es aproximadamente constante a lolargo del año, y que su rendimiento productivo es de 2.5 ton/ha año, asignando un equivalenteenergético de 1.16 x 106 kcal/ton de biomasa [23], entonces el equivalente energético anual de talproducción biomásica es igual a (35 ha)*(2.5 ton/ha año)*(1.16 x 106 kcal/ton) = 1.015 x 109

kcal/año. El equivalente energético de 1 kg de leña es de 3.55x103 kcal [18].

Si se calcula el rendimiento energético global (η) en la producción de biomasa forestal, definidocomo:

13 Datos obtenidos del programa en excell para calcular La irradiación Global media en la RepúblicaMexicana, del Dr. Alberto Valdez Palacios

100×=incidentesolarEnergía

biomasacomoproducidaEnergíaη

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Sustituyendo valores se tiene lo siguiente:

Para la estimación del rendimiento energético global en la producción de biomasa de loscultivos cíclicos debe tomarse en cuenta que existen dos ciclos al año: el de primavera-verano y elde otoño-invierno. El primer comprende de abril a septiembre aproximadamente, mientas que elsegundo va de octubre a marzo. Para calcular el rendimiento antes dicho, inicialmente debeobtenerse el promedio de la energía solar incidente para cada periodo del ciclo de cultivo.

• Primavera – Verano = 22.68 MJ/m2 día <<de abril a septiembre>>• Otoño – Invierno = 17.62 MJ/m2 día <<de octubre a marzo>>

Expresando lo anterior en unidades de (kcal/m2 año), se tiene:

*Primavera – Verano = (22,680 kJ/m2 día)*(0.239 kcal/kJ)*(152.5 dias/año) = 0.826 x 106 kcal/m2

año.

* Otoño – Invierno = (17,620 kJ/ m2 día)*(0.239 kcal/kJ)*(152.5 dias/año) = 0.642 x 106 kcal/m2 año.

Sumando ambas contribuciones nos da un total de 1.468 x 106 kcal/m2 año representa la energíasolar global y un total incidente durante los meses de cultivo. Si suponemos un rendimientoproductivo de 2.5 ton de biomasa/ha de cultivo, con un equivalente energético de 1.16 x 106

kcal/ton de biomasa año, entonces el equivalente energético para la producción biomásica totalanual del área agrícola (176 ha) es de:

(176 ha)*( 2.5 ton de biomasa/ha)*( 1.16 x 106 kcal/ton de biomasa año) = 5.104 x 109 kcal/año.

5.6 CUANTIFICACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DE POTENCIA

El cálculo de las necesidades de potencia se hará considerando la demanda que puede sersatisfecha por la eventual producción de biogas.

a) Necesidades Domésticas:

a.1) Iluminación: se considera el uso por familia de 2 lámparas fluorescentes de 15 W c/u, entoncesel consumo total es de (15 W)*(2 lámparas fluorescentes)*(17 viviendas) = 510 W, es decir 0.510 kW.

%./.

/.))(/)(/.(

)/.( 16501014956100151100

35101107571100151

12

9

2426

9=

××

=×××

×=

añokcalañokcal

hahamañomkcalañokcal

η

%.*).())(/)(/.(

/. 19750100109751100176101104681

101045 3246

9=×=×

×××

= −

hahamañokcalañokcal

η

60

Suponiendo un período de uso de 4 hr como se mostró en la tabla 5. 3 de distribución mensual,por lo tanto la potencia total será de (0.510 kW)*(4 h) = 2.04 kWh.

a.2) Cocina (cocción de alimentos): se calcula mediante Q = mCp∆T, donde m = 7 lt de agua/día(consumo por familia), Cp = 1 kcal/kgºC y ∆T = (100 – 14) = 86 ºC.

Por lo tanto, la masa de calor requerida para cocción de alimentos es de Q = 602 kcal/día.

Haciendo la conversión a m3, para conocer el consumo, se tiene que::(602 kcal/día)*(1/5000 kcal/m3) = 0.1204 m3/día, para la comunidad entera este consumo será deun total de:(0.1204 m3 biogas/día-familia)*(17 familias) = 2.0468 m3 biogas/día.

Suponiendo un período de cocción diario de 3 hrs/dia-familia, entonces la potencia totalequivaldría a (602 kcal/día)*(día/3 hr)*(1 kW/860 kcal) = 0.233 kW.

a.3) Electrodomésticos: la potencia de los aparatos de radio es de 15 W, para la TV a color es de 300W y para el refrigerador es de 400 W [24].

Con un periodo hipotético de uso de 4 h/día, por lo tanto se tiene que para el radio el consumototal = (15 W)*(4 h/día) = 60 Wh, para toda la comunidad (60 Wh)*(17 viviendas) = 1.02 kWh;

Para la TV el consumo total = (300 W)*(4 h/día) = (1200 W)*(2 viviendas) = 2.4 kWh.

Si además se considera el uso de plancha eléctrica cuya potencia es de 1 kW teniendo unperíodo de uso de 0.5 h/día, entonces el consumo total = (1 kW)*( 0.5 h/día)*(5 viviendas) = 2.5kWh.

Es importante considerar el uso de por lo menos 2 refrigeradores, los cuales el consumo será deun total = (400 W)*(12 h/día)*(2 refrig) = 9.6 kWh.

Por tanto la suma de los consumos es de [1.02 kW + 2.4 kW + 2.5 kW + 9.6 kW] = 15.52 kWh.

a.4) Calentamiento de agua: se considera un gasto de 85 lt de agua/día (la cuál se distribuye en 15lt de agua/día para limpieza personal, 6 lt de agua/día en cocción de alimentos, 4 lt de agua/díalimpieza de utensilios de cocina y 60 lt de agua/día en limpieza de ropa).

Del gasto anterior descrito, solo se consideran los 15 lt de agua/día para limpieza personal, paracalentar aproximadamente a una temperatura de 30 ºC. El agua se suministra desde la cisterna a 14ºC aproximadamente.

Por lo tanto, el calor necesario es de:

Q = mCp∆T = (15)(1)(30-14) = (15)(16) = 240 kcal/día (17 viviendas) = 4,080 kcal/día.

61

Si se considera un periodo de uso de 1 h/día entonces la potencia total sería del orden de

(4,080 kcal/día)*(1 día/1 h) = (4,080 kcal/h)* (1 kWh/860 kcal) = 4.74 kW.

No obstante, también se considera el calentamiento para cocción de alimentos, por lo que latemperatura a alcanzar será de aproximadamente la de ebullición del agua (100 ºC), entonces elcalor necesario será de:

Q = mCp∆T = (6)*(1)*(100 - 14) = (6)*(84) = (516 kcal/día)*(17 viviendas) = 8,772 kcal/día.

Donde Q = es el calor requerido, m es la cantidad de agua a calentar [lt/día ≈ kg], Cp = es lacapacidad calorífica del agua [kcal/kg ºC] y ∆T = t2 – t1 [ºC] son las temperaturas inicial y final delagua.

Considerando un período de uso de 2 h/día entonces la potencia será del orden de

(8,772 kcal/día)*(1 día/2 h) = (4,386 kcal/h)*(1kWh/860 kcal) = 5.1 kW .

Por lo la potencial total requerida es de (4.74 + 5.1) kW = 9.84 kW para calentar el agua.

b) Necesidades Ganaderas y Avícolas:

b.1) Iluminación.

b.1.1) Gallineros: supongamos que cada gallinero posee las dimensiones siguientes 0.5 m anchopor 0.5 m de largo y 1.7 m de altura con 4 aves cada uno y se considera una superficie de 0.25 m2

para cada gallinero, entonces la superficie total para 180 gallineros será de 45 m2 .

Si suponemos que el consumo para un período de 12 hr es de 0.05 kW/ave-día, entonces lapotencia total será de (0.05 kW/ave-día)*(720 aves)*(1 día/12 hr) = 3 kWh además es importanteconsiderar el uso de 2 lámparas fluorescentes de 20 W c/u, para la iluminación de los pasillos en losgallineros.

b.1.2) Establo para los bovinos: la superficie total de éste es de 300 m2 para los 75 bovinos, loscuales presentan necesidades de iluminación de unos 3 W/m2 para un período de consumo de 3 hr,resultando una potencia de (3 W/m2 )*(300 m2) = 900 W = (0.9 kW)*(3 h) = 2.7 kWh.

b.1.3) Establo para los porcinos: la superficie total de éste es de 736 m2 para los 244 porcinos, loscuales presentan necesidades de iluminación de unos 3 W/m2 para un período de consumo de 3 hr,resultando una potencia de (3 W/m2 )*(736 m2) = 2,208 W ≈ (2.21 kW)*(3 h) = 6.6 kWh.

62

b.1.4) Estancia para los ovinos y caprinos: la superficie total de éste es de 88 m2 para los 65 ovinos y164 m2 para los caprinos, los cuales presentan necesidades de iluminación de unos 3 W/m2 para unperíodo de consumo de 3 hr, resultando un potencia total de (3 W/m2 )*(252 m2) = 756 W = (0.756kW)*(3 h) = 2.27 kWh.

b.2) Calentamiento de agua.

El agua para usos diversos como limpieza, entre otros se estima en unos 150 lt diarios, los que apartir de 14 ºC deben alcanzar la temperatura de 35 ºC por lo cual el calor a suministrar es de:

Q = (150 lt)*(1)*(25-14) = 1,650 kcal/día.

Si el período de uso diario es de 4 hr, entonces la potencia total será de:

P = (1,650 kcal/día)*(1 día/4 h) = (412.5 kcal/h)*(1 kWh /860 kcal) = 0.48 kW.

c) Agrícola

c.1) Bombeo de agua.

Es importante aclarar que aquí se considera también el suministro de agua para las necesidadesdomésticas y animales, no solamente agrícolas, por lo cual el consumo teórico total diario de lacomunidad es:

- Por familia ConsumoTeo = 0.115 m3/día (115 lt/día), los cuales ya se especificaron;

- Para los animales es ConsumoTeo = 4 m3/día [1,952 lt/día (1.95 m3/día) para elconsumo y 2,048 lt/día (2.04 m3/día) para limpieza de éstos],

- Limpieza de los establos ConsumoTeo = 3.5 m3/día (3,500 lt/día) y

- Riego de árboles frutales ConsumoTeo = 9 m3/día.

Conforme a los datos de la tabla 5.3 de distribución mensual y horaria de la demanda energética,se tendrá una distribución del consumo incrementada en la temporada de estiaje para regar árbolesfrutales. El consumo total considerando la temporada de estiaje es de aproximadamente 11 m3/día.

Para lograr la distribución de agua, ésta debe bombearse desde una corriente de agua la cual sellama La Mesa Redonda, ubicada en la región hidrológica RH12Ia, hacia la cisterna que seencontrará a unos 30 m de distancia y a 5 m de elevación con respecto del plano de la corriente deagua. Las viviendas, los establos y el terreno de los árboles y cosechas se hallan prácticamente almismo nivel de la corriente de agua (ver Figura 5.1).

63

Figura 5.1. Bombeo y Distribución de agua a la comunidad.

Para conocer el potencial de la bomba se realiza un balance de energía entre los puntos 1 y 2correspondientes a la ubicación de la corriente de agua respectivamente:

Em1 = Em2, donde Em es la energía mecánica.

Sí

Donde:

Para los puntos considerados dicho balance se representa como:

...........(1)

Donde representa las perdidas de energía por la fricción producida por el fluido

bombeado dentro de la tubería.

Si se tienen los siguientes datos: Z1 = 0, Z2 = 5 m ≅ 16.4 ft, V1 = 0, V2 = 0 y P1 = P2 = presiónatmosférica, considerando también los requerimientos de gasto volumétrico (Q) = 2.5 lt/s = 0.083ft3/s, diámetro de la tubería (Dt) = 1 in = 2.54 cm, diámetro externo (Dext) = 1.044 in = 2.65 cm, áreade la sección transversal (S) = 5.57 cm2 = 0.006 ft2. Como Z1 = 0, V1 = V2 = 0 y P1 = P2 = presiónatmosférica, entonces el balance se transforma en:

fcc

m wPgV

ggZE +++=

ρ2

2

∑=

+++=+++k

iccf

ccF

PgV

ggZw

PgV

ggZ

1

22

22

12

1

221

ρρ

∑=

2

1I

F

potencialEnergíagg

Zc= cinéticaEnergía

gV

c=

2

2presióndeEnergíaP

=ρ

Trabajow f =

64

mi lb

ftF lb

95.905.60

537.0887)2(32.2)(.0

7)(0.024)(112(13.83) fuerza2

1

===∑=

...............(2)

la ecuación anterior representa el trabajo realizado por el motor de la bomba, siendo

Donde:

V2 = Velocidad de flujo (Q/S)f = Factor de fricciónSL = Longitud total equivalentegc = Factor de conversión para unidades de ingeniería americana.Dt = Diámetro de la tubería

Cálculos:

Para obtener f se calcula el Número de Reynolds que relaciona la velocidad de flujo (V), eldiámetro de la tubería (Dt ), la densidad (ρ) y la viscosidad del fluido (µ), para este caso se trata delagua, por lo tanto se tiene la siguiente ecuación:

Si se considera la instalación de una tubería de acero comercial, entonces el factor f se obtiene delas tablas [25] que muestra las curvas de comportamiento del fluido relacionando el Num. deReynolds (Re), la rugosidad relativa (ε/D) y el factor de fricción f [26]. para este caso el valor deε/D = 0.0017 por lo tanto f = 0.024. si la longitud inicial de la tubería de 1 a 2 es 115 ft (35 m),entonces la longitud total equivalente (SL) es igual a 117 ft (considerando válvulas, extensiones,codos, etc). Por lo tanto se tiene el siguiente valor que equivale a la suma de la fricción desde elpunto 1 al 2.

∑=

+=2

12

icf F

ggZw

∑=

=2

1

2

2i tc DgfSLV

F

57880111000670

08703628313.,

.).)(.)(.(

ReRe. ====µρDV

ynoldsdeNo

sftV 8313

00600830 .

.

.==

65

El trabajo del motor de la bomba será de wf = 16.4 + 95.90 = 112.30 lb ft/s, resultando unapotencia de w = Q*ρ = (0.083)*(62.3) = 5.17 lb/s y la potencia teórica será de:

PTeo = (112.30 lb ft/s)*(5.17) = 580.59 lb ft/s = (580.59 lb ft/s)*(0.0018 HP) = 1.45 HP.

Si la eficiencia del sistema motor - bomba es del 75%, entonces la potencia real es de:

Preal = (1.45/0.75) = 1.93 HP ≈ 2.0 HP, en unidades de kW es = (2)*(0.7457) = 1.491 ≈ 1.5 kW.

La energía será de (1.5 kW)*(5 h) = 7.5 kWh.

De los cálculos se tiene que la Carga total es del 20.80 kW.

Con el objeto de considerar los rendimientos de cada equipo energético se ha seleccionado unconjunto de instrumentos cuyas características son las siguientes:

i) Iluminación: será satisfecha con un equipo electrogenerador impulsado con un motor debiogas, este motor utiliza gas como combustible con una concentración de metano del 60% conarranque auxiliar de gasolina. El rendimiento global es aproximado al 70% [27].

ii) Calentamiento y Cocina: se utilizará la combustión directa del biogas, empleando para elloestufas comunes para el hogar, con un rendimiento promedio del 65% (ibid. p. 75).

iii) Electrodomésticos y Bombeo de agua: se suministrará energía eléctrica para ambos equipos,mediante el mismo sistema descrito en i).

iv) Calentamiento de agua: Se empleará la combustión directa del biogas. El rendimiento deestos sistemas es del 60 al 62%, es posible emplear colectores solares planos, para la acumulaciónde agua caliente, pero se trata de aprovechar los recursos biomásicos.

5.7 OFERTA DE BIOGAS Y CÁLCULO DEL BIODIGESTOR

La oferta de energía en biogas considera el empleo de los residuos animales y avícolas existentesen la comunidad. Es importante conocer los datos del rendimiento de producción de biogas paralos bovinos, que son: Producción de excremento = 5.7 kg/dia, Sólidos volátiles = 0.7 kg/dia yProducción de biogas = 0.5 m3/kg SV; donde SV son los sólidos volátiles. En la tabla 5.5 se muestrael peso promedio hipotético de la población animal.

66

Animal Cantidad Peso Promedio (kg)Aves 720 2Bovinos 75 250Caprinos 81 35Equinos 58 180Ovinos 65 30Porcinos 244 50

Tabla 5.5. Peso Promedio de la población animal.

5.7.1 Cálculo del Volumen del Biodigestor.

Para establecer el volumen del equipo, se asume que cada residuo actúa de maneraindependiente de los otros en cuanto a su actividad fermentativa. Con el objeto de determinar unvolumen para obtener un porcentaje de reserva, se aborda el diseño considerando una cargavolumétrica del biodigestor igual a la suma de los kilogramos de sólidos volátiles por día (ver tab.5.6), producidos por cada tipo de animal y por metro cúbico de digestor [28].

Tipo de Animal Sólidos Volátiles(kg/día)

Producción deExcremento

(kg/día)

Producción deBiogas

(m3/kgSV)Aves 1.28 9.0 0.55Bovinos 0.86 8.6 0.38Caprinos 0.30 5.2 0.50Equinos 0.86 8.0 0.38Ovinos 0.70 5.2 0.50Porcinos 0.60 5.0 0.45

Tabla 5.6. Sólidos Volátiles de diferente tipo de ganado y aves.

entonces la carga volumétrica será de:

Carga volumétrica = (1.28 + 0.86*(2) + 0.70 + 0.60 + 0.30) kg SV/dia m3 = 4.6 kg SV/dia m3

rbiodigestodemSVvolátilesSólidosavolumétricaC 3

)(arg =

67

Para conocer el volumen de diseño necesario para cada tipo de residuo se tiene que:

Los cálculos del volumen de diseño para cada tipo de residuo se presentan en el Apéndice I,inciso 2) en el cuál aparece el volumen total de diseño de 79.301 m3, si utilizamos el valor deproducción de biogas para cada tipo de residuo, obtenemos la cantidad de biogas por día y pormetro cúbico de digestor, esto es:

5.7.2 Cálculo del Flujo Volumétrico de Residuos.

Para determinar el Flujo volumétrico total de residuos es necesario la concentración de sólidosvolátiles que existe en cada tipo de residuos, calculando el flujo individual y el flujo total. Noobstante, para ello se debe conocer la cantidad total diaria de excremento producida por la totalidadde cada animal, además del porcentaje de sólidos totales de la mezcla con que se carga el digestor,ya que es uno de los factores que aseguran un proceso fermentativo satisfactorio.Experimentalmente se ha demostrado [29] que una carga que contenga 8 % de sólidos totales esóptima para la digestión. Para lograr dicha concentración es necesario mezclar los residuos conagua (la llamada agua de lavado) según las proporciones señaladas en la tabla 5.7.

Material(estiércol)

Sólidos Totales(%)

Volumen de Agua14

(lt/kg)Aves 44 4.5Bovinos 20 1.5Caprinos 15 1.5Equinos 25 1.5Ovinos 32 1.5Porcinos 18 1.3

Tabla 5.7. Agua de lavado según tipo de material (Basado en IIE y OLADE).

En el Apéndice I, se muestran los cálculos para obtener el Flujo Total diario de residuos que fuede 8.859 m3/dia.

14 Litros de agua por kg de excremento, para lograr una concentración de 8 % de Sólidos Totales.

digestordem biogas/diadem1.874digestor dem 79.301

biogas/día dem 148.626 333

3==

TotalVolumen

TotalBiogas

ca volumétriCarga Cv y volátilesSólidos SV volumen, V:dondeCvSV V ====

68

5.7.3 Cálculos del Tiempo de Retención

El tiempo de retención ó tiempo de residencia (ibid. p.30) se calcula a través de la fórmulasiguiente:

Sustituyendo valores:

Cabe destacar que el cálculo del equipo tiene implícito los siguientes aspectos:

El equipo seleccionado es de tipo semicontinuo

El sistema opera en estado estacionario, ya que las condiciones y variables de operación sonconstantes durante el año (tipo de carga, cantidad de carga, temperatura, etc).

La producción de biogas que resulto de 148.626 m3/día, es decir que en un año se producen54,248.49 m3 de biogas. De lo anterior es importante calcular la potencia energética derivada de estaproducción de biogas para compararla con la demanda, previo a esto hay que obtener laequivalencia energética del biogas producido en kilowatts (kW) esto es:

(148.626 m3/día)*(1 dia/ 24 hr) = 6.193 m3/hr

(6.193 m3/hr)*(5,335 kcal/m3) = 33,039.655 kcal/hr

(33,039.655 kcal/hr)* (1 hr/3600 s)*(4.18 kW) = 38.361 kW

Multiplicando por la eficiencia del motor diesel (ηmd = 50 %), para obtener la potencia energéticarequerida se tiene lo siguiente:

(38.361 kW)*(0.5) = 19.2 kW

Del resultado anterior, la energía producida diariamente es de:

(19.2 kW)*(24 hr) = 460.8 kWh

[ ] [ ]diamtotalFlujoFymtotalVolumenVdondeFV

TR TTT

T /: 33 ===

dias 9 dias8.951/dia3m8.859

3m79.301≅==TR

69

5.7.4 Aspectos de Diseño del Biodigestor

En el Apéndice II, se muestra la descripción del biodigestor de tipo rural, para este caso se haseleccionado a los digestores de desplazamiento horizontal por las siguientes razones:

a) Este tipo de digestores se recomiendan cuando se requiere trabajar con volúmenes mayoresde los 15 m3, para los cuales la excavación de pozo vertical comienza a resultar muyproblemática, por lo tanto, estos aparatos están diseñados con el propósito de producirbiogas para necesidades comunales, tal como accionar motores para bombeo de agua,molienda o generación de electricidad.

b) Se construyen con técnicas convencionales de albañilería y su forma reduce problemas deconstrucción, lo que lo hace más barato por m3 de digestor.

c) El mantenimiento de este tipo de digestor es bajo y tiene vida útil larga.

La longitud de los biodigestores se establece generalmente, de acuerdo a las necesidades decada lugar, sin embargo, en general se instalan de 10 m de longitud (familiar) y 20 m (industrial), locual representa capacidades entre 12 y 98 m3 respectivamente. Las dimensiones generales deldigestor propuesto es de 45 m3, considera un volumen adicional para el almacenaje de biogas quese estima entre 25 a 35 % del volumen calculado. El biodigestor se encuentra en la cercanía de lasporquerizas de la granjas y los establos. El estiércol de los animales y el agua de lavado sonconducidos por gravedad hacia ellos. La conducción del biogas es a través de un orificio para lasalida de éste, por medio de tubería de PVC.

5.8 ANÁLISIS ECONÓMICO DEL PROYECTO

Se hace la estimación de costos asociados al biodigestor, comparado con el costo queinvolucraría conectarse a la red eléctrica para el servicio que se va a otorgar a la comunidad.

5.8.1 Costo del Biodigestor

Técnicamente se considera la construcción de un digestor de 45 m3 de volumen. Considerandoun gasómetro así como conexiones y aditamentos. La mano de obra para la construcción deldigestor será realizada por la comunidad (ver tabla 5.8).

70

Descripción Costo (USD) Costo ($ M.N.)15

Cantidad de material para la construcción de digestor 1 ½ millar de tabique pesado 112.00 1,260.00 1 Tonelada de cemento 138.66 1,560.00 30 varillas de ½” 181.33 2,040.00 12 m de arena 106.66 1,200.00 9 m de grava 112.00 1,260.00 46 kg de anillos 40.88 460.00Conexiones y aditamentos (tubería incluida) 106.66 1,200.00Campana del digestor 177.77 2,000.00Gasómetro 16 36.55 411.18Total 869.33 9,780.00

Tabla 5.8. Descripción del material para el biodigestor.

Además hay que considerar la compra de un motor diesel de 20 kW, para realizar laequivalencia energética del biogas en unidades de kW y su costo aproximado es de $ 38,500.00M.N. (3,378.00 USD). Por lo tanto, la inversión de la alternativa del biodigestor es de $ 47,780.00M.N. (4,247.00 USD).

5.8.2 Costo de la Alternativa de Conectarse a la Red Eléctrica

En cuanto al costo del transformador y materiales que conforman una subestación de 20 kVAbifásica tipo aéreo con 220/127 V, el cuál es por retorno por tierra, se tienen los siguientes costoscon una entrada de 13.2 kV es de $ 16,340.00 M.N. El costo de mano de obra por conexión ysupervisión de la obra es de $ 454.00 M.N, donde se incluye el monto del contrato17, considerandotambién el costo de poste y cableado de la línea secundaria a la línea de distribución quecomprende una distancia de 1.7 Km es de aproximadamente $ 360,287.00 M.N. Por lo tanto el costototal del equipo y de la mano de obra por conexión es de $ 377,081.00 M.N. (ver tabla 5.9)

Descripción Costo (USD) Costo ($ M.N.)

Transformador de 20 kVA 1,452.00 16,340.00Mano de obra por conexión 40.00 454.00Cableado y poste 32,026.00 300,018.00Total 33,518.00 377,081.00

Tabla 5.9. Descripción del costo de la red eléctrica. 15 Costo en dólares con paridad de 1USD/11.25 M.N.

16 Gasómetro para medida y acumulación de biogas a Patm, incluye válvula de seguridad.

17 Datos proporcionados por el Ing. José Gonzalo Pale Vargas, Coordinador del DEVO (Departamento y Evaluación de Valores

Objetivo), Comisión Federal de Electricidad (CFE), Tel:52-29-44-00 ext. 08720015.

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En relación con lo anterior de los costos del biodigestor y de la alternativa de conectarse a la redeléctrica resulta ser que la opción de construcción del biodigestor es la mejor ya que el monto de lainversión es menor a la alternativa de la conexión a la red eléctrica, a pesar de que en esta últimaalternativa se tendría más capacidad de carga para satisfacer más necesidades a largo plazo, a pesarde la vida útil del biodigestor que es aproximadamente de 15 a 20 años.

No obstante, la inversión inicial es en la mayoría de los casos un factor determinante,especialmente por el intervalo de uso del equipo para las necesidades energéticas en lascomunidades rurales; asimismo los costos de operación y mantenimiento son importantes. Por loque para realizar una comparación adecuada, se deben incluir los costos de la central eléctrica, lared de transmisión y distribución, diseño y supervisión de la obra, conexión así como losdispositivos, aditamentos, equipo y facturación que involucra la conexión a la red eléctrica, loscuales ya están incluidos en el costo total de esta alternativa.

72

CONCLUSIÓN

El potencial económico de un país depende de sus recursos energéticos, y los resultados de lasreservas de hidrocarburos en nuestro país muestran una disminución a partir del 1996 hasta laactualidad, por lo cuál es preciso considerar su conservación y el empleo de otras fuentes alternasde energía. Aunque no se espera que la conservación por sí sola resuelva problemas energéticos, esclaro que sí constituye un elemento importante, por lo que es necesario también tener concienciaplena de los alcances que tienen las fuentes alternas de energía para satisfacer las demandaspresentes y futuras en nuestro país. Con un uso racional de los recursos ambientales, paragarantizar la demanda de energía con calidad y eficiencia en corto, mediano y quizás largo plazo,de forma tal que contribuya al crecimiento económico.

De lo anterior, cada vez más hay una relación mayor entre energía, economía, política y medioambiente, componentes clave para garantizar el desarrollo sustentable. No obstante, un puntocrucial del desarrollo sustentable es cómo integrar estrategias del desarrollo económico, elbienestar de la población y las prioridades de conservación de los recursos naturales y ambientales.Ya que el desarrollo sustentable implica conciencia, sensibilidad, responsabilidad, cambio deactitudes políticas y ciudadanas, aspectos éticos y culturales, así como patrones de consumo yestilos de vida.

Por lo tanto, en nuestro país es de gran importancia que exista una buena reglamentación,participación social e individual, para que exista un mejoramiento de la calidad de vida conproductividad. A pesar de la gran falta de innovación en tecnologías y apoyo a investigaciones porparte del gobierno debido a cuestiones políticas y culturales. Y como consecuencia de ello no sepueden aplicar las estrategias para el desarrollo sustentable sin llegar así al objetivo propuesto.

Las alternativas como la Biomasa, pueden llegar a tener la capacidad de hacer frente aexpectativas de crecimiento económico y previsiones demográficas rurales, sin costosas inversionescomo se mostró en el punto 5.8, la opción de conectarse a la red eléctrica y la construcción delbiodigestor, esta última resulta ser mejor conforme a su inversión inicial y a la vida útil del digestor,aunque la opción de la red eléctrica es más una labor social del estado para optimizar costos paraeste tipo de comunidades. Además la biomasa es una fuente viable y su materia prima estadisponible y es gratuita dentro de la misma comunidad para sus necesidades energéticas.

En forma complementaria la biomasa puede combinarse con otras fuentes alternas, como la solaral emplearse en el calentamiento de agua con colectores solares, cocción de alimentos mediante eluso de cocinas solares y producción de energía eléctrica con celdas y la eólica para el bombeo deagua con aerogenerador, pero en este proyecto solo se quiso ilustrar la utilidad de la biomasa eintensificar el uso de los recursos naturales disponibles en una comunidad rural.

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CITAS

[1] Periódico La Jornada, “Nuevo record en la cotización del petróleo: 41.08 Dls por barril”,(México), sección de Economía, 14 de Mayo del 2004, Pág. 23.

[2] Periódico La Jornada, “Infladas las reservas de petróleo y gas natural de México: Gershenson”,(México), sección de Economía, 30 de Mayo del 2004, Pág. 24.

[3] Periódico La Jornada, “Confirma Energía: sólo para 11 años, reservas probadas de crudo”,(México), sección de Economía, 22 de Junio del 2004, Pág. 20.

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[10] Meinel B. Aden; “Aplicaciones de la energía solar”, 1982, Pág. 123, CECSA.

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[13] Blume, H.; “Uso directo de la energía solar”, 1991, Págs. 127-135. Instituto Politécnico Nacional.

[14] Farber, E.A.; “Conversion and utilization of solar energy”, E.U.A. 1975, Pág. 190, Prentice Hall.

[15] Castañer, Luis; “Conversión directa de la energía solar”, México 1994, Pág. 13. InstitutoPolitécnico Nacional.

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[18] Balance Nacional de Energía 2002, Pág. 12, Secretaría de Energía.

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[21] Masera, C. O., y Díaz, J. R., “Aprovechamiento Energético de la Biomasa”, 2001, Pág. 13,Asociación Nacional de Energía Solar, A.C.

[22] Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI), “Cuaderno estadísticomunicipal del estado de Aguascalientes”, México 2002, Pág. 27-31.

[23] Esparza, Isunza Radaid; “Abastecimiento energético por medio de fuentes alternativas yrenovables en una comunidad rural tipo”, México, D.F. 1997, Pág. 65. Tesis UNAM, facultad deciencias.

[24] Revista del Consumidor, “Un dominó electrizante”, México Octubre del 2003, PequeñosConsumidores, No. 320, Págs. 73-75.

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[27] Esparza, Isunza Radaid; “Abastecimiento energético por medio de fuentes alternativas yrenovables en una comunidad rural tipo”, México, D.F. 1997, Pág. 74. Tesis UNAM, facultad deciencias.

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http://www.solarweb.net/termica/apliterm.php

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APÉNDICE I. Cálculos sobre la oferta de biogas y del diseño del biodigestor.

1) Cálculos de la producción diaria de biogas por tipo de residuo.

Donde:

SV = sólidos volátiles (kg SV/día)manimal = Peso del animal (kg)Pbiogas = Producción de biogas (m3/kg SV)No. de animales = Número de animales (cabezas)

Aves:(1.28 kg SV/día)*(2/100) = (0.0256 kg SV/día )*(0.5 m3/kg SV) = (0.0128 m3/día cabeza)*(720 cabezas)= 9.216 m3/día

Bovinos:(0.86 kg SV/día)*(250/100) = (2.15 kg SV/día )*(0.38 m3/kg SV) = (0.817 m3/día cabeza)*(75cabezas) = 61.275 m3/día

Caprinos:(0.30 kg SV/día)*(35/100) = (0.175 kg SV/día )*(0.50 m3/kg SV) = (0.0525 m3/día cabeza)*(81cabezas) = 4.252 m3/día

Equinos:(0.86 kg SV/día)*(180/100) = (1.548 kg SV/día )*(0.38 m3/kg SV) = (0.5882 m3/día cabeza)*(58cabezas) = 34.118 m3/día

Ovinos:(0.70 kg SV/día)*(30/100) = (0.210 kg SV/día )*(0.50 m3/kg SV) = (0.105 m3/día cabeza)*(65cabezas) = 6.825 m3/día

Porcinos:(0.60 kg SV/día)*(50/100) = (0.30 kg SV/día )*(0.45 m3/kg SV) = (0.135 m3/día cabeza)*(244cabezas) = 32.94 m3/día

Por lo tanto, la Producción diaria de biogas total es = (9.216 + 61.275 + 4.252 + 34.118 + 6.825 + 32.94) =148.626 m3/día

).)()((Pr animalesdeNomSVbiogasdediariaoducción animal=

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2) Cálculos del volumen de diseño del biodigestor por tipo de residuo:

Aves:

Bovinos:

Caprinos:

Equinos:

Ovinos:

Porcinos:

Por lo tanto el volumen total es = (4.001 + 35.054 + 1.848 + 19.518 + 2.967 + 15.913) = 79.301 m3.

3) Cantidad total diaria de excremento producida por la totalidad de animales de cada tipo(datos de la Tabla 5.6).

Aves: (9.0 kg excremento/día)*(2/100)*(720 cabezas) = 129.6 kg excremento/día.

Bovinos: (8.6 kg excremento/día)*(250/100)*(75 cabezas) = 1,612.50 kg excremento/día.

Caprinos: (5.2 kg excremento/día)*(35/100)*(81 cabezas) = 147.42 kg excremento/día.

Equinos: (8.0 kg excremento/día)*(180/100)*(58 cabezas) = 835.20 kg excremento/día.

Ovinos: (5.2 kg excremento/día)*(30/100)*(65 cabezas) = 101.40 kg excremento/día.

Porcinos: (5.0 kg excremento/día)*(50/100)*(244 cabezas) = 610 kg excremento/día.

avolumétricaCanimalesdeNomSV

V animal

arg).)()((

=

31 0074

647201002281 mV .

.))(/)(.(==

32 05435

6475100250860 mV .

.))(/)(.(==

33 8481

648110035700 mV .

.))(/)(.(==

34 51819

6458100180860 mV .

.))(/)(.(==

35 9672

646510030700 mV .

.))(/)(.(==

36 91315

6424410050600

mV ..

))(/)(.(==

).)(( animalesdeNomexcrementodediariaCantidad animal=

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4) Cantidad de agua de lavado por día:

Aves:Si 1 kg excremento ave = 4.5 lt de agua, entonces:

(129.6 kg excremento)*(4.5 lt de agua/ 1 kg de excremento) = 583.2 lt de agua

Bovinos:Si 1 kg excremento vaca = 1.5 lt de agua, entonces:

(1,612.50 kg excremento)*(1.5 lt de agua/ 1 kg de excremento) = 2,418.75 lt de agua

Caprinos:Si 1 kg excremento cabra = 1.5 lt de agua, entonces:(147.42 kg excremento)*(1.5 lt de agua/ 1 kg de excremento) = 221.13 lt de agua

Equinos:Si 1 kg excremento caballo = 1.5 lt de agua, entonces:

(835.20 kg excremento)*(1.5 lt de agua/ 1 kg de excremento) = 1,252.80 lt de agua

Ovinos:Si 1 kg excremento oveja = 1.5 lt de agua, entonces:

(101.40 kg excremento)*(1.5 lt de agua/ 1 kg de excremento) = 152.10 lt de agua

Porcinos:Si 1 kg excremento cerdo = 1.3 lt de agua, entonces:

(610 kg excremento)*(1.3 lt de agua/ 1 kg de excremento) = 793 lt de agua

5) Concentración en sólidos volátiles:

Se calcula con la siguiente fórmula:

Aves:

[ ]excrementokg

SVkgPexcrementodelPeso

SVVolátilesSólidosdeCantidadC

excrSV ==

)()(

excrementoSV/kgkg0.0258583.2)(129.6

2)(720)(1.28)(0.0C SV =

+=

))(( animalexcrementokgexcrementodediariaCantidadlavadodeaguadeCantidad 1=

79

Bovinos:

Caprinos:

Equinos:

Ovinos:

Porcinos:

6) Flujo individual diario de residuos:

Se calcula con la siguiente fórmula:

Aves:

Bovinos:

excrementoSV/kgkg0.0402,418.75)(1,612.50

)(75)(0.86)(2.5=

+=SVC

excrementoSV/kgkg0.0231221.13)(147.42

5)(81)(0.30)(0.3=

+=SVC

excrementoSV/kgkg0.04301,252.80)(835.20

)(58)(0.86)(1.8=

+=SVC

excrementoSV/kgkg0.0540152.10)(101.40

0)(65)(0.70)(0.3=

+=SVC

excrementoSV/kgkg0.0521793)(610

0)(244)(0.60)(0.5=

+=SVC

[ ]dialt

volátilessólidosdeiónConcentracdiaSVVolátilesSólidosdeCantidad

Flujo ==)/(

dia

lt714.418

0.0258

2)(720)(1.28)(0.0Flujo ==

dia

lt4,031.250

0.040

)(75)(0.86)(2.5Flujo ==

80

Caprinos:

Equinos:

Ovinos:

Porcinos:

Por lo tanto, el Flujo total diario de residuos es: (714.418 + 4,031.250 + 368.182 + 2,088 + 252.777 +1,404.990) = 8,859.617 lt/día = 8.859 m3/día.

dia

lt 368.182

0.0538

5)(81)(0.30)(0.3Flujo ==

dia

lt2,088

0.0430

)(58)(0.86)(1.8Flujo ==

dia

lt252.777

0.0540

0)(65)(0.70)(0.3Flujo ==

dia

lt1,404.990

0.0521

0)(244)(0.60)(0.5Flujo ==

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APÉNDICE II. Biodigestor diseñado para área rural

Este tipo de biodigestor corresponde a los digestores denominados de desplazamientohorizontal. Estos dispositivos se caracterizan porque la carga se introduce por un extremo y elefluente se retira por el otro, la carga puede introducirse ininterrumpidamente (tipo continuo) operiódicamente (tipo semicontinuo). Un digestor de desplazamiento horizontal se construyegeneralmente debajo de la tierra para proporcionarle un asilamiento térmico rural, minimizando eltrabajo de carga. Los volúmenes oscilan entre 10 y 45 m3, requiriendo para su construcción técnicasconvencionales de albañilería y aditamentos como tubería de material comercial.

El biodigestor consiste, esencialmente de cuatro partes las cuales son: el digestor, pileta de carga,pozo de descarga con una pileta de compensación y un sistema de conducción y almacenamientodel biogas. La pileta de carga sirve para depositar y homogenizar la mezcla con la que se alimentaal digestor; el pozo de descarga se usa para retirar la mezcla fermentada (ver fig. A1) y el sistema deconducción consta de tuberías para su almacenamiento y uso. En la figura A2 se muestraesquemáticamente las dimensiones del dispositivo elegido para la comunidad rural, con unvolumen húmedo de 45 m3.

El biogas es conducido a un gasómetro, que lo almacena y regula su caudal de salida. El gas semantiene a una presión prácticamente equivalente a la atmosférica. El gasómetro dispone de unmecanismo de seguridad mediante una válvula que libera el gas en caso de exceso de presión.

Figura A1. Digestor de desplazamiento horizontal.

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Figura A2. Plano esquemático de un digestor de desplazamiento horizontal.