utilización del biogás como combustible. municipio placetas

, 6 del 2018

Centro de Estudio de Energías y

Tecnologías Ambientales

Utilización del biogás como combustible.

Municipio Placetas

Autor: Leandro Cano Lujan

Tutor: Dr. Víctor S. Ocaña Guevara

Nelson&Paty

Typewriter

2018

Nelson&Paty

Text Box

Dr. Victor Samuel Ocaña Guevara

Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de

Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui

Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la

mencionada casa de altos estudios.

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i

PENSAMIENTO

El futuro tiene muchos nombres. Para los débiles es lo inalcanzable para los

temerosos, lo desconocido. Para los valientes es la oportunidad.

Víctor Hugo

ii

DEDICATORIA

Esta tesis va dedicada a las dos personas más especiales en mi vida; mi mamá y

mi abuela, por todo el sacrificio hecho durante estos años de estudio y por darme el

apoyo y amor en todo momento.

iii

RESUMEN

La creciente demanda de energía a nivel mundial ha tenido como efecto una mayor

demanda de combustibles fósiles lo cual ha conllevado a una búsqueda de

combustibles alternativos como por ejemplo el biogás. En este trabajo se realiza un

estudio bibliográfico donde se definen las características del biogás, obtención, tipos

de tratamiento para mejorar sus propiedades como combustible y los principales

usos de este. También se realiza un estudio teórico del comportamiento del biogás

como combustible en motores de combustión interna (MCI) para su utilización en

diversas ramas como la generación de electricidad y calor utilizando el motor a

biogás Jenbacher J 420 o el transporte utilizando el motor del fabricante Scania OC9

G04 270. Se realiza el cálculo del ciclo de trabajo a los dos motores para así obtener

todos los parámetros requeridos para su estudio en las situaciones dadas. Luego

con la ayuda del software RETScren se realiza un estudio detallado donde se

comprueba la disposición de biogás así como la posibilidad de generar electricidad,

calor y uso de este en el sector del transporte. También se realiza un estudio sobre

las mejoras económicas y medioambientales que recibiría el país con la realización

de este proyecto.

iv

Abstract

The growing demand for energy worldwide has had as an effect a greater demand

for fossil fuels which has led to a search for alternative fuels such as biogas. In this

work a bibliographical study is carried out where the characteristics of the biogas are

defined, obtaining, types of treatment to improve its properties as fuel and the main

uses of this. A theoretical study of the behavior of biogas as a fuel in internal

combustion engines (ICM) is also carried out for its use in various branches such as

the generation of electricity and heat using the Jenbacher J 420 biogas engine or

transport using the engine of the manufacturer Scania OC9 G04 270. The calculation

of the work cycle is made to the two motors in order to obtain all the parameters

required for their study in the given situations. Then, with the help of the RETScren

software, a detailed study is carried out where the biogas disposal is checked as well

as the possibility of generating electricity, heat and its use in the transport sector. A

study is also carried out on the economic and environmental improvements that the

country would receive with the realization of this project.

v

TABLA DE CONTENIDOS

PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i

DEDICATORIA .................................................................................................................... ii

RESUMEN ........................................................................................................................... iii

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 8

Organización del informe ................................................................................................. 11

Objetivo general .................................................................................................................... 11

Objetivo específico ............................................................................................................... 11

Hipótesis ............................................................................................................................... 11

CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso y su

utilización mediante motores de combustión interna. Estado del arte. ................................. 12

1 ¿Qué es la Biomasa?................................................................................................. 12

1.1.1 Clasificación ................................................................................................... 13

1.1.2 Algunas caracteristicas de la biomasa ............................................................ 14

1.2 Generalidades del Biogás ....................................................................................... 15

1.2.1 Residuos Porcinos ........................................................................................... 16

1.3 Proceso de obtención de Biogás. ............................................................................ 18

1.3.1 Etapas de digestión anaeróbica ................................................................................. 18

1.3.2 Condiciones de operación ......................................................................................... 19

Motores a Gasolina: .......................................................................................................... 34

Conclusiones parciales: ....................................................................................................... 38

CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de

combustión interna (MCI) a Biogás...................................................................................... 39

vi

2.1 Calculo del ciclo de trabajo de un motor a Biogás ................................................. 43

2.2 Utilización del biogás como combustible para el transporte público. ................... 55

2.2.1 Cálculo del ciclo de trabajo del Motor Scania OC9 G04 270 ....................... 56

CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................. 60

3.1 Descripción y condición del lugar del proyecto ..................................................... 60

3.2 Generación de Biogás ............................................................................................ 61

3.2.1 Volúmen de estiercol generado ....................................................................... 62

3.3 Capacidad de la planta de Biogás ........................................................................... 65

3.4 Localización y diseño del digestor. ........................................................................ 66

3.5 Factibilidad en la generación de electricidad. ........................................................ 67

3.7 Característica de velocidad del motor Scania OC9 G04 270 ......................................... 71

1.1. Determinado de la potencia efectiva. ..................................................................... 71

1.2. Determinando el consumo específico. ................................................................... 71

1.3. Determinando el momento efectivo. ...................................................................... 71

3.8 Calculo de tracción de Ómnibus Diana .......................................................................... 73

1.1 Cálculo del peso del vehículo .................................................................................... 74

1.2 Neumáticos y radio dinámico .................................................................................... 74

1.3 Potencia a velocidad máxima .................................................................................... 75

1.4 Potencia máxima desarrollada por el motor .............................................................. 75

Coeficiente de revoluciones .................................................................................................. 76

Balance de potencia del vehículo .......................................................................................... 77

2. Características dinámicas .............................................................................................. 77

Resultados: Curvas características ........................................................................................ 78

Conclusiones ..................................................................................................................... 80

vii

Recomendaciones ............................................................................................................. 81

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 82

ANEXOS .............................................................................................................................. 84

Anexo I Calor específico molar medio (µCV) a volumen constante para diferentes

gases (kJ/kmol ºC). ........................................................................................................... 84

Anexo II Energía interna (U) de diferentes gases (MJ/kmol) .................................... 85

CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización

mediante motores de combustión interna. Estado del arte 8

INTRODUCCIÓN

Los combustibles fósiles se formaron hace millones de años a partir de restos

orgánicos de plantas y animales muertos. Durante miles de años de evolución del

planeta, los restos de seres vivos que lo poblaron en sus distintas etapas se fueron

depositando en el fondo de mares, lagos y otras masas de agua. Allí se cubrieron

por sucesivas capas de sedimentos. Las reacciones químicas de descomposición y

la presión ejercida por el peso de esas capas durante millones de años,

transformaron esos restos orgánicos en lo que ahora conocemos como

combustibles fósiles.

En nuestro planeta debido al incremento poblacional y la constante buscada del

hombre en satisfacer sus necesidades a costa de cualquier precio, en los últimos

años se presencian problemas respecto al abastecimiento de petróleo Diésel

producto del agotamiento constante de las reservas de éste. Debido a ello es cada

vez más necesario el reemplazo total o parcial por combustibles alternativos (GLP,

GNC, Biogás, gasolina de bajo octanaje, alcohol, etc.); en ese sentido es de mucha

actualidad la explotación de las reservas de gas.

Uno de los grandes enfoques mundiales para generación de energía es el uso del

biogás, que es obtenido a partir de diferentes tipos de biomasas derivadas de

actividades humanas, como son los residuos orgánicos urbanos y los productos

agropecuarios, con que cuentan la mayoría de los países y en amplia disponibilidad.

El uso del biogás en diferentes rangos de composición se ha extendido hacia la

generación de energía y transporte, donde su entrada se ha visto favorecida en

plantas térmicas y el control de emisiones en motores de combustión interna (MCI)



que contaban anteriormente con implementaciones de combustibles gaseosos

(Silva, 2010).

La mayoría de los combustibles fósiles se encuentran hoy en áreas muy localizadas,

situación que se empeora con la utilización irracional de los mismos, sin tener en

cuenta que aquellos que hoy consumimos tardaron millones de años en formarse.

Sus reservas globales comienzan a mostrar signos palpables de agotamiento. Tanto

es así que las estimaciones más cautelosas y confiables indican que las reservas

de petróleo si se mantiene el ritmo de consumo actual solo podrán durar unos

cuantos decenios más. Al igual que el petróleo, otras fuentes de energía

convencional como el gas y el carbón mineral tienen una vida limitada.

Debemos tener en cuenta que el petróleo es un combustible ampliamente utilizado

a nivel mundial para la generación de energía eléctrica. Sin embargo, el petróleo es

un recurso no renovable, por lo cual es necesario que se desarrollen, evalúen y

utilicen fuentes alternas de producción de energía eléctrica y una de las soluciones

existentes es la utilización del biogás como combustible de remplazo o de

acompañante para así bajar el consumo de petróleo tanto en la generación de

energía eléctrica como la utilización de este en el transporte.

El uso del biogás se justifica principalmente por la reducción de emisiones de gases

de efecto de invernadero al medio ambiente, mediante la degradación confinada de

residuos orgánicos y la captación controlada de productos como el metano, con

efecto de invernadero 21 veces mayor al CO2; o mediante el uso de biomasas

agrícolas, que fueron absolvedoras de CO2 durante su crecimiento, para la

producción de biogases sustitutos de los combustibles fósiles, que durante la

combustión restituyen al ambiente el CO2 absorbido por las biomasas generando

un impacto neto leve o nulo sobre la concentración de este contaminante efecto de

invernadero en el ambiente.

El tratamiento de excremento de animales y humanos en sistemas de Biogás mejora

las condiciones de saneamiento para los propietarios de la planta, sus familias y la

comunidad entera ya que el contenido inicial de patógenos del excremento se

reduce apreciablemente debido a los procesos de fermentación. Además de se



dejan de liberar gases de contaminación precedentes de los excrementos los cuales

como se ha dicho anteriormente son muy dañinos para la atmosfera.

Estas aplicaciones permiten a las industrias que son intensivas en el uso de motores

diésel la conversión de sus automóviles, autobuses, camiones, máquinas, motores

estacionarios como son los grupos electrógenos y otros motores similares. La

solución permite generar ahorros importantes de combustible para mejorar el

rendimiento de los motores tanto en lo económico como en su funcionamiento

integral. Así como importantes mejoras medio ambientales.

Es por estas razones que el desarrollo futuro de la humanidad tiene que estar

encaminado a la búsqueda de otras fuentes productoras de energía de carácter

renovable, que contribuyan al desarrollo sostenible y al mismo tiempo no

contaminen el medio ambiente. Estas han sido denominadas energías renovables.

En los últimos años se ha intensificado en nuestro país el uso del biogás a partir del

manejo de los residuos orgánicos, lo cual ha contribuido a las acciones realizadas

para minimizar la emisión de los gases de efecto invernadero. De esta forma, el

CPDB de conjunto con otros organismos, desarrolla acciones orientadas a

promover la utilización del biogás en el sector estatal y en el cooperativo-campesino,

a partir del tratamiento correcto de los residuales porcinos.

El municipio de placetas es el más productor de carne de cerdo, este cuenta con

una producción anual de más de 7 500 toneladas de carne, cifra que alcanzo en

2017, además en el municipio radican más de 33 000 cerdos y 750 biodigestores

(Cabrera, 2017), cifra que está aumentando constantemente lo cual representa una

gran producción de biogás la cual no se está utilizando con la mayor eficiencia

puesto que se quema al ambiente mucho más de lo que se consume por esta razón

se viene pensando por parte de los organismos de dirección en un plan para la

utilización de este gas en usos como el transporte, cocción de alimentos, generación

de electricidad, etc.

El biogás es una de las energías renovables más exitosas en todo el mundo. Se

puede utilizar para producir electricidad y calor útil al mismo tiempo mediante la



cogeneración en un sistema eficiente y respetuoso con el medio ambiente. Los

expertos auguran que el número de plantas de biogás seguirá creciendo durante los

próximos años. En toda Europa, ya es notable la cantidad de hogares y fábricas que

se proveen de una electricidad y calor renovables proveniente del biogás (Angenitor,

2017).

El uso del biogás como combustible para motores de combustión interna es una de

las vías para lograr un desarrollo sostenible, el mismo se obtiene de residuos

orgánicos que de otra manera contribuirían a la contaminación ambiental. Con un

metro cúbico de biogás es suficiente para generar 1.25 kw/h, generar 6 horas de luz

equivalente a un bombillo de 60 watt, poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de

capacidad durante una hora, hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas

(Ingeniería, 2006).

Organización del informe

Objetivo general

Estudiar el biogás como combustible alternativo para su utilización en motores de

combustión interna.

Objetivo específico

Describir los procesos de la producción de Biogás.

Identificar algunos tipos de Biodigestores, los más utilizados en nuestro

medio.

Calcular los parámetros principales de los motores a utilizar.

Determinar la capacidad del sistema, con base a la carga instalada o al

volumen de gas producido.

Hipótesis

Es posible utilizar el biogás como combustible, disminuyendo el consumo de

combustibles fósiles y la contaminación ambiental.



CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener

combustible gaseoso, su utilización mediante

motores de combustión interna. Estado del arte.

En estos tiempos en los que se están agotando los combustibles fósiles es de vital

importancia el estudio de nuevas fuentes de energía. Estas fuentes de energía

deben satisfacer las grandes necesidades mundiales de consumo energético a la

ves deben ser fuentes renovables y limpias dado el daño que por miles de años se

le ha provocado a la tierra, con el fin de obtener energía para diferentes tipos de

uso. Por esto se hace muy importante el estudio de los recursos biomásicos los

cuales son muy eficientes dado a su buen comportamiento como combustible. En

este capítulo se destacan las principales características del biogás así como su

obtención y purificación para el uso de este, como combustible para la generación

de electricidad, mediante motores de combustión interna.

1 ¿Qué es la Biomasa?

Se conoce como biomasa a la materia o sustancia orgánica renovable de origen

vegetal o animal. Esta fuente de energía se ha utilizado desde nuestros ancestros,

con el descubrimiento del fuego, cuando se utilizó la energía de la biomasa en la

forma más artesanal: quemando la leña en hogueras para la cocción de alimentos.

Al pasar del tiempo se le dio otro tipo de aplicaciones para forjar los metales, para

cubrir las necesidades en calderas, calefacción, para la producción de vapor, para

el transporte y por último en la generación de electricidad, llegando a ser la fuente

energética más importante para la humanidad y en ella se basaba la actividad

manufacturera hasta el inicio de la revolución industrial (Rodríguez, 2004).

En los últimos años el panorama energético mundial ha variado notablemente. El

elevado costo de los combustibles fósiles y los avances técnicos han posibilitado la

aparición de sistemas de aprovechamiento energético a partir de la biomasa cada

vez más eficientes, confiables y limpios, realizando una conversión de biomasa en



energía y transformándola en combustibles líquidos o gaseosos, los cuales son más

eficientes. Así, además de la combustión directa, se pueden identificar otros tipos

de procesos como: el termo-químico y el bioquímico. Lo anterior ha causado que

esta fuente de energía renovable sea considerada por las industrias como una

alternativa, total o parcial, que puede sustituir los combustibles fósiles.

El uso de la biomasa ofrece una alternativa para reducir los costos de generación

por concepto de consumo energético, además presenta una solución para los

problemas higiénicos ocasionados por los desechos orgánicos y mejora la calidad

de los suelos agrícolas con el uso de los fertilizantes producto del desecho del

proceso.

1.1.1 Clasificación

La biomasa, como recurso energético, puede clasificarse en biomasa natural,

residual y los cultivos energéticos.

Biomasa natural: Proviene de los ecosistemas naturales, es decir, se

produce en la naturaleza sin la intervención del hombre. Su aprovechamiento

energético masivo podría originar una rápida degradación de los ecosistemas

naturales, aunque es una de las principales fuentes energéticas de los países

subdesarrollados.

Biomasa residual: Procede de actividades agrícolas, ganaderas y

forestales, subproductos de industrias agroalimentarias y de transformación

de la madera, así como los RSU y los residuos biodegradables.

Cultivos energéticos: Son los realizados con el único objetivo de su

aprovechamiento energético y se caracterizan por una gran producción de

materia por unidad de tiempo y con la condicionante de minimizar los

cuidados al cultivo En Cuba su mayor exponente es la caña energética.

La biomasa residual húmeda, o lo que es lo mismo, las aguas residuales de origen

orgánico, es aquella que aparece como resultado de la actividad humana, en

instalaciones agropecuarias, urbanas e industriales (figura 1) y que por su contenido

en agua y materia orgánica, puede ser tratada mediante un proceso biológico.



Estos procesos biológicos permiten el aprovechamiento del potencial energético de

este tipo de biomasa, disminuyen su carga contaminante y generan subproductos

estabilizados con valor fertilizante.

A continuación se muestra las diferentes formas de producción de biomasa en las

que interviene el Sol.

Figura 1 Definición de Biomasa(Silva, 2010)

1.1.2 Algunas caracteristicas de la biomasa

Los recursos biomásicos se presentan en diferentes estados físicos que determinan

la factibilidad técnica y económica de los procesos de conversión de energía que se

puede utilizar en cada caso en particular. Por ejemplo, los desechos forestales

indican procesos de combustión directa o termo-químicos, los desechos animales

indican el uso de procesos anaeróbicos o bioquímicos.

Las características químicas y físicas de la biomasa, determinan el tipo de

combustible que se puede generar. El contenido de humedad de la biomasa, es la



relación de la masa del agua contenida por kilogramo de materia seca. Es necesario

que para los procesos de conversión de la energía la cantidad de humedad sea

inferior al 30 % (Ferreira et al., 2017).

El poder calórico por unidad de masa es el parámetro que determina la energía

disponible en la biomasa y está relacionado directamente con su contenido de

humedad. Por lo que un elevado porcentaje de humedad reduce la eficiencia de la

combustión, debido a que una parte del calor liberado se utiliza en la evaporación

del agua (Zúñiga, 2007).

1.2 Generalidades del Biogás

El biogás es un gas combustible que se puede obtener a partir de la biomasa, tal

como son los desechos de humanos y de animales, residuos agrícolas, aceite de

palma y plantas acuáticas. Este gas puede ser utilizado, por ejemplo, como

combustible para motores que mueven una bomba de agua, en alumbrado y en la

cocción de alimentos.

El mecanismo predominante para la conversión de la biomasa en biogás es la

conversión bioquímica o digestión de biomasa orgánica que debe entenderse como

un proceso natural que involucra varios procesos bacterianos y enzimáticos

simultáneamente.

El método más común de producción de biogás es la digestión anaeróbica en un

tanque cerrado llamado biodigestor. La biomasa se mezcla en el digestor con agua

para formar una suspensión, en la cual la digestión anaeróbica se realiza en dos

pasos. En el primer paso, llamado licuefacción, la materia orgánica es

descompuesta por hidrólisis enzimática y fermentada para producir principalmente

ácidos y alcoholes. Seguidamente, en la etapa de gasificación, las bacterias

metanogénicas rompen los ácidos y los alcoholes, para producir metano y dióxido

de carbono, nitrógeno y ácido sulfhídrico (Silva, 2010).



1.2.1 Residuos Porcinos

Existen serios problemas ambientales asociados con la producción porcina en

condiciones de explotación intensiva estabulada, debido al problema de disposición

de los residuales o excretas, entendiendo por las mismas, las heces fecales y la

orina, que generalmente se mezcla también con el agua de limpieza y con residuos

de comida. El principal procedimiento que se ha utilizado corrientemente para la

eliminación de las excretas en este tipo de instalaciones, ha sido el de diseminar

estos materiales sobre la tierra. Sin embargo, esta costumbre ha determinado la

contaminación directa o indirecta de los cursos de agua adyacentes (González,

2012).

El estiércol de cerdo es un recurso valioso, se considera como el primer subproducto

de la producción de los porcinos y al emplearse como materia prima puede constituir

una solución al problema de la contaminación debido a la enorme abundancia de

esta biomasa y su gran potencial como fuente de nutrimentos. Dentro de sus

posibilidades se encuentran: ser utilizado para generar energía en forma de biogás,

como fertilizante orgánico, en la producción de algas y para alimento de rumiantes

(Quesada, 2007, González, 2012).

La excreta porcina es una mezcla compleja compuesta por una porción de alimento

sin digerir, bacterias arrastradas del tracto digestivo, líquidos digestivos y agua. La

porción fecal del estiércol contiene un gran número de ingredientes alimenticos en

su forma original. Las excretas así mismo contienen sustancias las cuales fueron

transformadas por la actividad metabólica de las bacterias en el tracto digestivo, así

como por la acción enzimática de los jugos digestivos.

En las excretas de cerdo se encuentran, cantidades apreciables, de elementos

fertilizantes en proporciones que oscilan alrededor de los siguientes valores, al cabo

de unos tres días de ser producidos

Nitrógeno total 0,68%

Nitrógeno orgánico 0,15%

Nitrógeno amoniacal 0,53%



Fósforo 1,40 g/m3

Potasio 6,12 g/m3

Un tratamiento que estabilice y neutralice en la medida de lo posible los

componentes orgánicos y nutricionales de la excreta porcina y que reduzca su

volumen, facilitaría sin duda el transporte y aplicación a distancia del lugar de

producción, evitándose la sobresaturación de los terrenos colindantes,

constituyendo una alternativa la digestión anaerobia

El biogás contiene aproximadamente un 60% de metano y 40% de dióxido de

carbono; la pequeña cantidad de ácido sulfhídrico da al gas un olor de huevos

podridos. El valor calorífico del biogás es 20 – 30 MJ de energía calórica por m³ de

gas. La tabla 1 resume la composición química del biogás.

Tabla 1 Composición Bioquímica del biogás(Silva, 2010)

COMPONENTE FÓRMULA QUÍMICA % VOLUMEN

Metano CH4 60-70

Dióxido de Carbono CO2 30-40

Hidrógeno H2 1.0

Nitrógeno N2 0.5

Monóxido de Carbono CO 0.1

Oxígeno O2 0.1

Ácido Sulfhídrico H2S 0.1

Como se observa el porcentaje mayor lo ofrece el metano cuyo peso específico es

de alrededor de 1 kg/m3. Si deseamos mejorar el valor calórico del biogás debemos

limpiarlo de CO2, el CO2 se separa mediante reacciones químicas, ej., con CaO (cal

viva) para formar carbonato de calcio (CaCO3), el cual puede utilizarse como

material de construcción. Sin embargo, hay que tener presente que la cal viva se

elabora “calcinando” la cal, un proceso que libera una molécula de CO2 por cada

molécula de CaO producida, lo cual genera un impacto ambiental.



De esta forma se logra obtener metano al 95 %. El valor calórico del metano puede

llegar hasta 35.6 MJ/m3 con una combustión limpia (sin humo) y casi no contamina

(López, 2007).

1.3 Proceso de obtención de Biogás.

El biogás obtenido en esta transformación (fig. 2) lo constituye una mezcla de gases

combustibles y su composición depende del tipo de material orgánico utilizado para

su producción y de las condiciones de operación de los reactores donde ocurre la

transformación.

1.3.1 Etapas de digestión anaeróbica

La digestión anaerobia es un proceso químico en el cual se distinguen cuatro etapas

en cada una de las cuales intervienen bacterias específicas. Estas etapas son las

siguientes:(Martin, 2016, Vega, 2009)

Etapa I (Hidrólisis)

Durante esta primera etapa los carbohidratos, polisacáridos, lípidos y proteínas de

la materia orgánica son reducidos a moléculas más simples.

Etapa II (Acidogénesis)

Los compuestos solubles producidos en la primera etapa son convertidos en ácido

acético, hidrógeno y dióxido de carbono.

Etapa III (Acetogénesis)

Se produce acetato, dióxido de carbono e Hidrógeno. Las moléculas de la

acidogénesis son captadas por los microorganismos acetógenos para emplearlas

en la producción de acetato, dióxido de carbono e hidrógeno.(Martin, 2016)

Etapa IV (Metanogénesis)

Los ácidos orgánicos generados en la etapa anterior son convertidos en metano.

Continúa la producción de dióxido de carbono y otros gases.(Garcia, 2012)



Cuando se crean las condiciones propicias para el desarrollo de cada una de estas

fases, se garantiza la mayor producción de biogás en el menor tiempo posible,

generación que se mantiene estable por más tiempo.

El siguiente diagrama muestra las diversas etapas de la digestión anaerobia tratadas anteriormente.

Figura 2 Etapas de la digestión Anaerobia(Garcia, 2012)

1.3.2 Condiciones de operación

Al ser un sistema complejo, la digestión anaeróbica debe tener las condiciones

necesarias para la proliferación de los microorganismos encargados de la

degradación de la materia orgánica. Entre las condiciones que permiten el desarrollo

del proceso se encuentran las siguientes.

Relación C/N

El carbono y nitrógeno son las principales fuentes de alimentación de los

microorganismos metanogénicos. La proporción entre éstos nutrientes debe ser la



adecuada para el correcto funcionamiento del proceso. Se conoce que la proporción

aproximada de consumo de carbono (C) y nitrógeno (N) por parte de las bacterias

es de 30:1 (C/N), siendo éste el punto óptimo para la materia prima a utilizar. Si se

tiene una relación de 35:1 el proceso es inhibido por falta de nitrógeno, en cambio

si es de 8:1 la inhibición sucede por la formación de amonio.

Conociendo las composiciones de carbono y nitrógeno de las materias primas se

puede calcular la relación de la mezcla según:

𝑲 =∑ 𝑪𝒊∗ 𝑴𝒊

𝑵𝒊=𝟏

∑ 𝑵𝒊∗ 𝑴𝒊𝑵𝒊=𝟏

Ecuación 1. 1

Donde K es la relación C/N de la mezcla, Ci es el porcentaje del peso total de

carbono del sustrato i, Ni es el porcentaje del peso total de nitrógeno del sustrato i

y Mi la masa fresca de la materia prima en kilogramos. Puede ser útil en la práctica

conocer los volúmenes de materia prima y su densidad, para obtener el cálculo de

su peso(Allendes, 2015)

PH

La acidez del medio afecta las reacciones de digestión y aunque cada tipo

bacteriano posee su propio pH óptimo el rango de operación de pH en los reactores

de degradación está entre 6,4 y 7,2. Valores más ácidos que este rango son

generados por la formación de ácidos grasos volátiles (AGV) principalmente que

inhiben la actividad microbiana. Los compuestos nitrogenados, como las proteínas,

pueden contribuir adecuadamente a la alcalinidad del sistema y así mantener el

nivel de pH

Temperatura

Los procesos anaeróbicos, al igual que muchos otros sistemas biológicos, son

fuertemente dependientes de la temperatura. La velocidad de reacción de los

procesos biológicos depende de la velocidad de crecimiento de los

microorganismos involucrados que a su vez, dependen de la temperatura. A medida

que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento de los



microorganismos y se acelera el proceso de digestión, dando lugar a mayores

producciones de biogás.

La temperatura de operación del digestor, es considerada uno de los principales

parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en la velocidad de

digestión anaeróbica. Las variaciones bruscas de temperatura en el digestor pueden

gatillar la desestabilización del proceso. Por ello, para garantizar una temperatura

homogénea en el digestor, es imprescindible un sistema adecuado de agitación y

un controlador de temperatura (Varnero, 2011).

Existen 3 tipos de digestiones según el rango de temperatura en las que operen: la

psicrofílica, la mesofílica y la termofílica. Los rangos de temperatura que son

utilizados se encuentran en la siguiente tabla:

Tabla 2 Condiciones de temperatura para la digestión anaeróbica(Allendes, 2015)

Fermentación Mínimo Óptimo Máximo Tiempo de fermentación

Psicrofílica 4-10 [oC] 15-18 [oC] 20-25 [oC] Sobre 100 días

Mesofílica 15-20 [oC] 25-35 [oC] 35-45 [oC] 30 a 60 días

Termofílica 25-45 [oC] 50-60 [oC] 75-80 [oC] 10 a 15 días



En la siguiente figura muestra la tasa de crecimiento relativo de microorganismos

dependiendo de la variación de la temperatura.

Figura 3 Tasa de crecimiento relativo de microorganismos. 1- psicrofílicos, 2- mesofílicos 3- termofílicos(Varnero, 2011)

Si se aumentan estos requerimientos implicaría mayores gastos en su generación,

siendo éste el principal problema del último tipo de digestión. La digestión

psicrofílica ha sido poco estudiada, además el proceso más usado es el tratamiento

mesofílico. Para un óptimo funcionamiento del digestor, se recomienda que el

tratamiento anaeróbico se diseñe para que opere con variaciones de temperatura

que no excedan los 0.6 – 1.2 °C /día.

Tiempo de retención hidráulico (TRH) y velocidad de carga orgánica

Con este término se designa al volumen de sustrato orgánico cargado diariamente

al digestor. Este valor tiene una relación de tipo inversa con el tiempo de retención,

dado que a medida que se incrementa la carga volumétrica disminuye el tiempo de

retención. El tiempo de retención, junto con la velocidad de carga orgánica

determinada por el tipo de sustrato, son los principales parámetros de diseño,

definiendo el volumen del digestor. La materia orgánica o sólidos volátiles (SV) se

refiere a la parte de la materia seca (MS) o sólidos totales (ST), que se volatilizan

durante la incineración a temperaturas superiores a 550ºC. Los residuales de



animales pueden tener un contenido de MS mayor del 10 % de la mezcla agua

estiércol. Según los requerimientos operacionales para un reactor anaerobio, el

contenido de MS no debe exceder el 10 % de la mezcla agua estiércol en la mayoría

de los casos. Por eso, los residuales de granjas se deben diluir antes de ser

tratados.

Tabla 3 Tiempos de retención recomendados en función de la temperatura

Temperatura de

Funcionamiento [°C]

Tiempo de retención

Hidráulico [días]

Tiempo de retención

recomendado [días]

18 11 25

24 8 20

30 6 14

35 4 10

En un digestor que opera a régimen estacionario o “discontinuo”, el tiempo de

retención es el que transcurre entre la carga del sistema y su descarga.

En un sistema de carga diaria (régimen semicontinuo), el tiempo de retención va a

determinar el volumen diario de carga que será necesario para alimentar al digestor,

ya que se tiene la siguiente relación:

𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝒅𝒆𝒍 𝒅𝒊𝒈𝒆𝒔𝒕𝒐𝒓 (𝒎𝟑)

𝑻𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒅𝒆 𝒓𝒆𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊ó𝒏 (𝒅í𝒂𝒔)= 𝑽𝒐𝒍ú𝒎𝒆𝒏 𝒅𝒆 𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂 𝒅𝒊𝒂𝒓𝒊𝒂 𝒎𝟑/𝒅í𝒂 Ecuación 1. 2

Es decir que para un tiempo de retención de 30 días, cada día se carga 1/30 del

volumen total del digestor, y en promedio los residuos orgánicos y la masa

microbiana permanecen 30 días dentro del sistema. La cantidad de biogás

producido por un digestor dependerá, entre otros, de la cantidad de residuo cargado

diariamente. Generalmente se trabaja con tiempos de retención entre 20 y 55 días

y con cargas diarias de 1 a 5 kg de sólidos totales por metro cúbico de digestor. Por

lo tanto, mientras menor sea el tiempo de retención, el tamaño del digestor se

reduce y también los costos.

La velocidad de carga orgánica (VCO) es la cantidad de materia orgánica

introducida diariamente en el reactor por unidad de volumen, siendo directamente

dependiente de la concentración de sustrato y del tiempo de retención fijado. En



ausencia de inhibidores, altas cargas orgánicas proporcionan altas producciones

volumétricas de biogás aunque también aumenta el riesgo de sobrecargas

puntuales que conllevan a la acidificación del reactor.

El siguiente gráfico (fig.4) muestra la producción de biogás en función de la

temperatura obteniéndose que la producción optima de biogás se realiza en un

rango de temperatura de 25 hasta 35 oC y un período de tiempo entre 10 a 20 días.

Figura 4 Producción de biogás en función de la temperatura(Varnero, 2011)

1.4 Beneficios obtenidos en la aplicación de la tecnología del biogás

Las principales razones que pueden llevar a la implementación de la tecnología del

biogás son:

Obtener una fuente de energía económica que permita disminuir costos de

producción.

Reducción de olores: los sistemas de biogás reducen los olores ofensivos

especialmente en aquellas zonas donde se producen y manejan grandes

cantidades de estiércol debido a la explotación de ganado. Los sistemas de

biogás reducen estos olores debido a que los ácidos orgánicos volátiles que

causan los compuestos generadores de olor son consumidos por las

bacterias productoras de ganado.



Fertilizante de alta calidad. En el proceso de digestión anaerobia, el nitrógeno

orgánico en el estiércol se convierte en gran proporción a amoniaco, el

constituyente básico de fertilizante comercial, que es fácilmente disponible y

utilizado por las plantas.

Reducción de de la contaminación de aguas superficiales y subterráneas. El

efluente del digestor es un producto más uniforme y manejable que el

estiércol no tratado. La alta cantidad de amoniaco permite una mejor

utilización de los cultivos y permite mejorar las propiedades físicas de los

suelos. Una aplicación apropiada del efluente del digestor reduce la

contaminación de aguas superficiales o subterráneas.

Reducción de patógenos El calentamiento que ocurre en los digestores

reduce las poblaciones de patógenos rápidamente en pocos días.

Reducción de emisiones de metano el cual es 21 ves más dañino que el CO2

para la atmosfera.

1.5 Usos del Biogás

El biogás producido en procesos de digestión anaerobia puede tener diferentes

aplicaciones en función del grado de purificación o refinado. Más adelante se

detallarán estas técnicas de purificación.

Algunos de los usos del biogás pueden ser los siguientes:(Martin, 2016)

En una caldera para generación de calor o electricidad.

En motores o turbinas para generar electricidad.

En pilas de combustible, previa realización de una limpieza de H2S y otros

contaminantes de las membranas.



En la actualidad, las pilas de combustible son una tecnología prometedora para la

producción de energía eléctrica y cogeneración a partir de biogás debido su bajo

impacto ambiental, su menor consumo y el elevado rendimiento que presentan.

Precisan de un biogás con un grado de pureza medio-alto, en función del tipo de

dispositivo de que se trate. En la Tabla 4 se comparan las características de distintos

sistemas de generación eléctrica con una pila de combustible de carbonatos

fundidos (MCFC), alimentados con biogás.

Tabla 4 Características de tecnologías que operan con biogás(Rodríguez, 2004)

Eficiencia

eléctrica (%)

Combustible

consumido

(kJ/kW·h)

Emisiones (µg/kJ)

NOx CO

Motor de combustión

interna

33 10972 56.6 56.6

Turbina de gas 28 12872 15 18

Pilas de combustible 50 7174 Trazas 1.4

Purificarlo y añadir los aditivos necesarios para introducirlo en una red de

transporte de gas natural.

El uso de biometano y gas natural en el sector del transporte ofrece varias ventajas

para apoyar el alcance de una economía baja en carbono y puede jugar un papel

importante para reducir las emisiones de CO2. Pero la producción de biometano

parece ser más cara que el gas natural. Esto sólo es el caso si no se toman en

cuenta factores externos como el daño ambiental así como impactos positivos sobre

el desarrollo rural y el empleo.

Uso como material base para la síntesis de productos de elevado valor

añadido como es el metanol o el gas natural licuado.

Combustible de automoción.



A continuación (fig. 5) se muestra los usos y aplicaciones del biogás ya sea para la

generación de calor, electricidad o combustible.

Figura 5 Usos y aplicaciones del Biogás(González, 2012)

1.6 Digestores

Los reactores comúnmente empleados para la producción de biogás deben cumplir

con ciertas características como proveer una atmósfera anóxica, tener una salida

para el gas y de ser posible tener un separador del ácido sulfhídrico incorporado.

Existe una amplia variedad de diseño para los digestores. La selección de este debe

adecuarse al tipo de proceso y las etapas en que se pretenda dividirlo. Sin embargo,

desde el punto de vista físico y del proceso no se recomienda emplear tanques

rectangulares pues estos requieren mayor cantidad de materiales de construcción

y crean dentro de la masa en digestión zonas de diferente composición y

temperatura que impiden obtener mayor provecho del sistema (Zúñiga, 2007).



Tipos de biodigestores.

Los diferentes tipos de plantas de biogás en una primera revisión en cuanto a la

apariencia física, describe los tres tipos principales de plantas: plantas de globo,

plantas de domo fijo y plantas de tambor flotante (Martin, 2017).

Plantas de tambor flotante (Tipo Indú).

Las plantas de tambor flotante consisten en un digestor subterráneo y un recipiente

móvil para el gas. El recipiente para gas flota, ya sea directamente sobre la mezcla

de fermentación o en una chaqueta de agua. El gas se recolecta en el tambor de

gas, que se levanta o baja, de acuerdo con la cantidad de gas almacenado.

Ventajas

Operación simple y fácil de entender. El volumen de gas almacenado de gas es

visible directamente. La presión del gas es constante, determinada por el peso del

recipiente de gas.

Desventajas

Las desventajas son los altos costos de los materiales para el tambor de acero, la

susceptibilidad a la corrosión de las partes de acero, por lo que la vida útil de la

planta es más corta.



Biodigestor de domo flotante tipo Hindú

Figura 6 Biodigestor tipo Indú(Zúñiga, 2007)

Plantas de domo fijo

Estas plantas consisten en un recipiente fijo e inmóvil para gas, que se coloca en la

parte superior del digestor. Cuando comienza la producción de gas, la mezcla se

desplaza hacia el tanque de compensación. La presión de gas aumenta debido al

aumento de volumen del gas almacenado y con la diferencia de altura entre el nivel

de la mezcla en el digestor y el nivel de la mezcla en el tanque de compensación

Ventajas

Costos de construcción relativamente bajos, larga vida útil. La construcción

subterránea ahorra espacio y protege al digestor de cambios de temperatura.

Desventajas

Frecuentes problemas con la permeabilidad para gases del recipiente de ladrillos

para el gas debido a que una simple fractura en el domo superior puede causar altas



perdidas de biogás. La presión del gas fluctúa dependiendo sustancialmente de

volumen de gas almacenado.

Biodigestor de domo fijo

Figura 7 Biodigestor tipo Chino(Zúñiga, 2007)

Digestor Tubular de polietileno o plantas de globo

Recientes desarrollos han llevado al uso de digestores tubulares fabricados en

polietileno los cuales han resultado en disminución de costos y eficiencias

considerables. Estas unidades, las cuales varían en tamaño de 100 a 400 m³ en

volumen, son fáciles de transportar, sencillas de instalar y baratas de construir.

Ventajas

Las principales ventajas son su bajo costo, fácil transportación, poca sofisticación

de construcción. Este digestor puede operar a altas temperaturas teniendo éste

altas temperaturas de digestión. Posee fácil limpieza, mantenimiento y vaciado.

Desventajas



Alta susceptibilidad a ser dañado, baja generación de empleo.

Biodigestor de globo

Figura 8 Biodigestor tubular de polietileno(Coimbra-Araújo et al., 2014)

Estos biodigestores pueden tener una durabilidad de hasta 20 años en el caso de

ser dañados pueden ser fácilmente reparadas del mismo material del biodigestor

usando adhesivo fuerte. Cuando se necesita el metano sólo se ejerce una pequeña

presión sobre la bolsa de almacenamiento moviendo de esta forma el biogás a

donde se necesita.

Digestor plástico de bajo costo

Este digestor (fig. 9) es ideal para el uso en casas dada sus ventajas.

Ventajas

Este tipo de digestor es muy económico y fácil de transportar por su bajo

peso, en especial en aquellos sitios de difícil acceso.

Al ser herméticos se reducen la pérdidas.



Figura 9 Biodigestor plástico de bajo costo(Zúñiga, 2007)

1.7 Post-tratamiento

En el biogás existen diferentes gases contaminantes los cuales son perjudiciales

cundo se va a utilizar este en fines energéticos, estos gases deben ser eliminados

o separados de la mezcla de gases para poder ser utilizado en dichos fines. Para la

co-generación es necesaria la eliminación del ácido sulfhídrico (H2S) compuesto

tóxico para la salud y que además, puede mezclarse con el vapor de agua en el

biogás y formar ácido sulfúrico (H2SO4) el que corroe a los equipos. Aún más, es

importantísimo recalcar que al conservar el biogás crudo en el proceso y

combustionar éste, se generarán óxidos de azufre (SOx), monóxido de carbono (CO)

y óxidos de nitrógeno (NOx) los que son perjudiciales para el ambiente y cuyas

emisiones están normadas por ley, por lo que se debe evitar este hecho (García,

2011).

Tratamientos Fisicoquímicos

Adsorción:

Este método es llevado a cabo sobre un lecho seco sólido fijo, donde se busca

principalmente la adsorción a la superficie del sólido de gases como H2S y CO2. Los



adsorbentes pueden ser carbón activado, zeolitas, tamices moleculares de zeolitas

y tamices moleculares de carbón.

Absorción:

Son métodos basados en el uso de una solución para que los gases a separar sean

absorbidos en ésta. En general son de alta eficiencia y de bajos costos de

materiales.

Un tipo de absorción es el utilizado con compuestos de hierro para la remoción de

H2S. Usualmente se utilizan limallas de este metal en columnas de purificación, con

un nivel de humedad entre el 30 y 60% y presiones variables. También se ha

utilizado óxido de hierro y hierro quilatado en fase líquida para el tratamiento.

Precipitación de sulfuros

Para este proceso se suelen utilizar un tanque donde se precipita el azufre con el

uso de cloruro de hierro (II) (FeCl2), cloruro de hierro (III) o sulfato de hierro (II). Las

ecuaciones que representan este proceso (ecu. 1.3 y 1.4) se muestran a

continuación (Marin, 2011).

𝐹𝑒+2 + 𝑺𝟐−

→ 𝐹𝑒𝑆 Ecuación 1. 3

𝐹𝑒𝐶𝑙3 + 3 𝐻2𝑆 → 2𝐹𝑒𝑆 + 𝑆 + 6𝐻𝐶𝑙 Ecuación 1. 4

Membranas

La tecnología de membrana puede ser utilizada para separar gases con un

diafragma poroso. Cuando los componentes del biogás pasan por la membrana lo

hacen con distintas velocidades, siendo más rápido para el H2S y el CO2 que para

el metano. Este sistema también pierde metano debido a que no se puede evitar su

difusión a través del diafragma. Además, en general los componentes separados

son disueltos en solución como soda cáustica y aminas (Marin, 2011).

Compresión y/o enfriamiento

Al salir del reactor el biogás suele saturarse con vapor de agua, para evitar

condensaciones en las tuberías. El condensado al ser combinado con impurezas



puede corroer el sistema de transporte del gas, por lo que el vapor debe ser

separado. Esto se logra por compresión y/o enfriamiento del gas, para que éste se

condense y así el líquido sea separado. También se puede utilizar adsorción en

carbón activado o absorción en soluciones de glicol y sales higroscópicas para la

eliminación del vapor (Manzone et al., 2016).

1.8 Unidades consumidoras de biogás utilizadas en la generación de

energía eléctrica o el transporte.

Motores a Gasolina:

El motor a gasolina puede ser operado con biogás realizándole una simple

adaptación, que consiste en colocar entre el filtro del aire y el carburador una “T”

por donde se suministra el gas al sistema.

Se debe de tener ciertas consideraciones para que un motor a gasolina, alimentado

con biogás opere satisfactoriamente:

Evitar el paso de gasolina cuando el motor va a operar o está operando con

biogás, esto con el fin de evitar un gasto innecesario de combustible. Para

lograrlo se debe de colocar una válvula para controlar el paso de la gasolina

al carburador (Fonseca).

Garantizar un suministro de biogás a presión constante.

El filtro del aire debe de mantenerse limpio para mantener una constate

relación entre la mezcla de biogás y aire que nos garantice una operación

estable del motor.

Colocar una válvula para controlar la admisión del gas al motor.

Al ser alimentado con biogás, directamente al múltiple de admisión el motor no

permite una regulación automática de la mezcla y la carga, por lo que el ajuste del

motor se debe de realizar de forma manual desde la válvula de control del biogás,

colocada en la línea de admisión (Grabiela Blanco, 2017).

Se recomienda que las cargas aplicadas sean constantes, para evitar los problemas

de regulación del motor y por tanto una ineficiente calidad de la energía suministrada

por el generador (Rodríguez, 2004).



Para el caso de cargas variables, el flujo de gas hacia el motor se debe regular con

un sistema de control especialmente diseñado, que garantice que el flujo del gas

que se inyecte en el motor pueda responder a las diferentes demandas de potencia

debido a las variaciones de carga eléctrica, provocada por el constante entrar y salir

de cargas.

Motores Diésel

Los motores a diésel, se pueden operar con una sustitución del diésel por biogás

hasta un 75%, y un consumo de diésel del 30% restante por lo que el motor no sufre

ninguna alteración al consumir los dos tipos de combustible al mismo tiempo.

Para realizar estas adaptaciones se debe de colocar una “T” entre el filtro y el

sistema de admisión del aire, donde se conecta la tubería del biogás. Se debe de

instalar una válvula en esta tubería para regular el suministro del biogás y ajustarlo

al porcentaje requerido de operación (fig. 8).

A continuación se muestra el esquema de una instalación de un mesclador de aire

metano el cual puede ser con materiales caseros como un tubo de PVC.

Figura 10 Adaptación del motor diésel a motor dual Diesel-Biogás(Carbotech, 2013)



En estos motores la mezcla de diésel y biogás se realiza directamente en la cámara

de combustión del motor. Cuando el motor recibe el biogás por la entrada de aire,

este se acelera, por lo que el gobernador de la bomba de inyección reduce la

cantidad de diésel suministrado a la cámara de combustión, logrando una

estabilidad en la aceleración y potencia del motor. Estos motores soportan las

variaciones de carga sin tener que operar la válvula de regulación del biogás,

permitiendo operar en un rango más amplio de carga.

Para los arranques del motor se debe alimentar únicamente con diésel, una vez

arrancado el motor se realiza la transferencia de biogás gradualmente, hasta

alcanzar el 75-80%. No es recomendable la sustitución mayor a un 80% de biogás

por diésel porque puede dañar el motor (Ingeniería, 2006).

Motores a Gas

Los motores a gas mecánicamente son idénticos a los motores de combustión a

gasolina, la diferencia radica en la admisión del combustible. En los motores a gas,

esta admisión se realiza por medio de una válvula que regula la presión con la que

se inyecta el gas licuado directamente en el carburador.

Las modificaciones que se deben realizar a este motor para utilizarlo en la

generación de electricidad a partir del consumo de biogás, es modificar levemente

la presión de inyección del gas, para que se ajuste a las condiciones del biogás. El

porcentaje de sustitución de biogás por gas GLP es del 100%. Así, se puede realizar

una conexión de la tubería de biogás al sistema, de modo que el equipo pueda

operar con ambos combustibles.

Se recomienda que las cargas aplicadas sean constantes, para evitar los problemas

de regulación del motor y por tanto una ineficiente calidad de la energía suministrado

por el generador.

En general, el biogás podría usarse como combustible de transporte pero tiene

algunas desventajas si no se depura a calidad de gas natural, por lo que no es muy

común. A menudo se inyecta el biometano en la red de gas natural. El operador

puede recibir “certificados de gas verde” virtuales por la cantidad de biometano



inyectado. El operador de la estación de llenado de gas puede comprar esos

certificados y tomar el mismo equivalente energético de una ubicación donde haya

una estación de llenado. En ese caso, debe haber un sistema de registro para

monitorear el intercambio de energía inyectada comparada con la energía extraída.

Varios países (como Alemania, Austria, Suiza y Suecia) ya han establecido un

registro de biometano. Si no se inyecta en la red de gas, el biometano puede

comprimirse en cilindros de gas para hacerlo almacenable y transportable. Hay

ejemplos donde el biometano se produce en áreas rurales, se comprime en cilindros

de gas, se transporta a estaciones de combustible y se vende allí (Hofmann, 2017).



Conclusiones parciales:

Se puede concluir que:

En este trabajo realizó un estudio bibliográfico sobre la obtención,

purificación y empleo del biogás en motores de combustión interna (MCI).

Se definieron las principales características del biogás así como los rangos

óptimos de producción de biogás.

Al operar el motor de forma dual, se utiliza biogás proveniente de fuentes

renovables de energía, que de no ser tratadas en su estado natural

constituyen una fuente de contaminación al medio.

Las materias primas con mayor utilización son los estiércoles de vaca y

porcino con un rendimiento de 35 y 45 m3 de biogás / tonelada de materia

orgánica seca respectivamente.

Se Definieron las principales propiedades del biogás para utilizarlo como

combustible en MCI.

Se llegó a la conclusión que para el uso del biogás en MCI ya sea en el

transporte o en la generación de electricidad se necesita de un proceso de

purificación para eliminar las impurezas.

CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 39

CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo

de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás

Los métodos de operación del ciclo operacional elaborados en el presente se basan

en resolver, recurriendo a ordenadores, las ecuaciones diferenciales para los

balances de energía, masa y para las ecuaciones características. La simulación

matemática realizada, introduciendo algunas suposiciones debidamente

fundamentadas y utilizando coeficientes experimentales, permite determinar las

variaciones de la presión y temperatura en función del ángulo ᵩ para todas las

etapas del ciclo de trabajo (Jóvaj, 1982)

Sobre la base de los datos obtenidos al estudiar la teoría de los motores, y con una

elección fundamentada de los coeficientes experimentales se puede calcular con la

suficiente precisión, el ciclo de trabajo aplicando el método propuesto. Este cálculo

efectuado durante el estudio de la teoría de motores resulta muy útil, porque permite

determinar los parámetros que definen las etapas finales de los procesos

individuales, reforzando de esta manera los conocimientos referentes al ciclo de

trabajo y de cada uno de sus procesos.

Una de las herramientas más efectivas para analizar el comportamiento de un MCI

ante una nueva condición de trabajo es mediante la realización del cálculo del ciclo

de trabajo del mismo.

Caracterización del motor Jenbacher tipo 4

Basado en conceptos probados de diseño de los tipos 3 y 6, el motor de tipo 4 de

última generación en la gama de potencia de 800 kW a 1.500 kW se caracteriza por

una gran capacidad y un rendimiento excepcional. Su concepto de monitorización y


control optimizado consigue un mantenimiento preventivo ideal y un rendimiento y

disponibilidad máximos.

Aplicaciones de los motores Jenbacher

Sector Palmi-cultor: El biogás en esta industria es el resultante del

tratamiento en un bio-digestor de los desechos del fruto de la palma posterior

a la extracción del aceite. Este biogás es el que se utiliza para alimentar el

motor y así generar energía limpia. Este es la aplicación que clientes

como Guaicaramo y ANSA le dan a dichos equipos.

Sector Industrial: Con ayuda de la red de gas natural, las empresas en este

sector buscan tener continuidad en su actividad sin interrupciones generadas

por la red eléctrica, como lo hizo E2 en el “proyecto Cannon”. O también

empresas buscan reducir los costes de energía aprovechando las tarifas de

gas natural recibido, como en el “proyecto Permoda” dirigido por Gas Natural.

Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR): A través de la

separación de desechos en la purificación del agua, los desechos pasan a

los biodigestores en donde se produce el gas que alimenta el motor

Jenbacher.

Plantas de aprovechamiento y/o rellenos sanitarios: Realizando

perforaciones en la masa del vertedero e interconectando una red de

tuberías, se recoge el gas producto de la descomposición de la materia

orgánica. Siendo este el suministro de combustible para el motor.

Proyectos de recuperación de calor: El calor generado por la actividad del

motor se recupera para su aplicación en calentamiento de agua o generación

de vapor por medio de equipos intercambiados de calor. Algunos ejemplos

de sectores de esta aplicación se encuentran en el sector Hospitalario y

Hotelero.


Tabla 5 Características Técnicas(2017)

Característica Descripción Ventajas

Recuperación de calor Una amplia gama de gases posibles y

el aire de combustión se mezclan a baja

presión antes de entrar en el

turboalimentador

- Máximo rendimiento térmico,

incluso con temperaturas de

retorno altas y variables

Válvula dosificadora de

gas

Válvula dosificadora de gas regulada

electrónicamente, con alta precisión de

regulación

- Tiempo de reacción muy corto

- Ajuste rápido de la relación

aire /gas

- Posibilidad de regular grandes

variaciones en el poder calorífico

Culata con cuatro

válvulas

Diseño optimizado para mejorar

turbulencias y geometría de flujos

mediante los más modernos métodos

de cálculos y simulación (CFD)

- Pérdidas minimizadas en el

intercambio de cargas

- Posición central de las bujías

aporta condiciones óptimas de

refrigeración y combustión

Biela tipo crack Aplicando una tecnología de

fabricación, probada y demostrada en

la industria del automóvil, a nuestros

motores estacionarios

- Alta estabilidad y precisión

dimensionales

- Reducido desgaste del cojinete de

biela

- Fácil mantenimiento


Características y ventajas

El más alto rendimiento en su clase de potencia

Componentes de alta tecnología que maximizan el rendimiento

LEANOX® el control de mezcla pobre garantiza emisiones mínimas

El concepto moderno del motor facilita el mantenimiento

El turbocompresor de gran potencia permite un funcionamiento óptimo a

mayor temperatura de entrada de aire y a mayor altitud

Numerosos proyectos a nivel mundial utilizan este tipo de motores para la

generación de electricidad a diferentes escalas, tales como el proyecto de Ox

Mountain (EEUU) de 11 MW, el proyecto Dairyland (EEUU) de 4 MW, el proyecto

del relleno sanitario de Monterrey (México) de 12 MW, Belo Horizonte (Brasil) de 4.3

MW, Co-Gen (Alemania) de 190 MW entre otros (Grabiela Blanco, 2017).

Tabla 6 Potencia Eléctrica y Térmica del J420 (2017)

Combustible Tipo de motor Potencia eléctrica Potencia térmica Producción de vapor

Biogás J420 1410 kW 751 kW 1037 kg/h a 3 bar o

potencia térmica de

698 kW

Solución en contenedor; Planta de biogás SBR; Kogel, Alemania

Esta planta de biogás puede utilizar los desechos residuales orgánicos para producir

biogás, que sirve como combustible para el motor a gas. La electricidad generada

se suministra en su totalidad a la red y los gases de escape procedentes del motor

se utilizan para la producción de vapor. Éste vapor sirve para la pasteurización de

los residuos los cuales pueden utilizarse como fertilizante esterilizado o bien para

cualquier otra instalación que requiera de vapor ya sea para la cocción de alimentos

o cualquier otra utilidad (Carbotech, 2013).


Datos Tecnicos

Tabla 7 Datos Técnicos(2017)

Configuración V 70o

Taladro (mm) 145

Carrera (mm) 185

Cilindrada (lit) 3.6

Velocidad nominal (rpm) 1800/1200 (60 Hz)

Velocidad media del pistón (m/s) 7.4

Combustible Biogas

Número de cilindros 20

Cilindrada total (lit) 61.1

Peso (kg) 17 000

2.1 Calculo del ciclo de trabajo de un motor a Biogás

En este motor se utiliza como combustible el Biogas. A continuación se muetran las

propiedades de el mismo (Carbotech, 2013, Garcia, 2012)

Tabla 8 Propiedades del biogás para realizar el ciclo de trabajo

CO2 (%) 37

CH4 (%) 61

Hug (kj/m3) 22 000


Estos porcientos pueden variar dependiendo del tipo de purificación utilizado ya que

él % de CH4 puede llegar hasta los 75 - 85 % con una debida purificación del biogás

por ende el valor calórico inferior aumentaría considerablemente.

2.1.1 Parámetros generales

1- Cálculo de la cantidad teórica de aire requerida para el combustible gaseoso Log.

Durante su funcionamiento el motor requiere aire para liberar la energía química

contenida en el combustible(López, 2007)

𝑳𝒐𝒈 = 𝟏

𝟎.𝟐𝟏(𝒏 +

𝒎

𝟒−

𝒓

𝟐) ∗ 𝑪𝒏𝑯𝒎𝑶𝒓 Ecuación 2. 1

Resolviendo la ecuación para la composición del biogás se obtiene:

Log = 5.5 m3/ m3 biogás

2- Determinación de la cantidad total de mezcla fresca que penetra al cilindro.

De todo el aire que penetra al interior de la cámara de combustión, solamente

participa en la combustión el estrictamente requerido para la reacción con el

combustible (González, 2012, López, 2007). Este aire se corresponde con el aire

estequiométrico para cada combustible. La presencia de aire en exceso, realmente

no participa en la combustión, sino que eleva la probabilidad de que el combustible

encuentre el aire que necesita para un correcto desarrollo del proceso de

combustión.

Para un motor a gas es recomendable utilizar un coeficiente de exceso de aire α=1

La cantidad de masa fresca (aire) en valor absoluto requerida por el combustible en

un ciclo de trabajo es.

𝑴𝟏𝒈 = 𝟏+∝∗ 𝑳𝒐𝒈 (m3/m3 biogás) Ecuación 2. 2

Empleando ∝= 1 queda:

M1g =1+1 + 5.5 = 7.5 m3/m3biogás


La cantidad de masa fresca en valor absoluto que ingresa al cilindro para la

combustión del gas, se determina por:

𝑴𝟏𝒈 𝑨𝑩𝑺 = 𝑴𝟏𝒈 ∗ 𝑽𝒈 (m3) Ecuación 2. 3

Donde:

Vg : Volumen del biogás que penetra al cilindro en un ciclo de trabajo.

La determinación de Vg se realiza a partir de establecer la igualdad entre la cantidad

de mezcla fresca que penetra al cilindro durante un ciclo (M1ABS) y el volumen

desplazado por el pistón en el cilindro (V) teniendo en cuenta la eficiencia del

proceso de admisión por medio del rendimiento volumétrico (ηv).

𝑴𝟏𝑨𝑩𝑺 = 𝑽 × 𝜼𝒗 Ecuación 2. 4

Conociendo que V es el volumen de un cilindro y que la carga fresca total en valor

absoluto introducida al cilindro en una carrera de trabajo es la Ecuación 4 se puede

plantear:

𝑴𝟏𝒈 ∗ 𝑽𝒈 = 𝝅∗𝑫𝟐∗𝑺

𝟒∗ 𝜼𝒗 Ecuación 2. 5

Ilustración 1 Diámetro (D) y carrera (S) del pistón para determinar el volumen de desplazamiento(López, 2007)

Despejando 𝑉𝑔 si se conoce la cilindrada total de motor la ecuación queda de la

siguiente forma.


𝑽𝒈 =𝟏

𝑴𝟏𝒈∗ (

𝑪𝒊𝒍∗ 𝜼𝒗

𝟏𝟎𝟎𝟎∗𝒊) Ecuación 2. 6

Donde:

Cil Cilindrada total del motor (litros)

i Cantidad de cilindros del motor.

Finalmente la cantidad de mezcla fresca total en función del volumen de gas que

penetra al cilindro se determina por:

𝑀1 = 𝑀1𝑔 ∗ (1 + 𝑀1𝑔 𝐴𝐵𝑆) 𝑚3/𝑚3 𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠

3- Determinación de los productos de la combustión.

𝑴𝑪𝑶𝟐𝒈= ∑ 𝒏 ∗ (𝑪𝒏𝑯𝒎𝑶𝒓) (m3/m3 gas) Ecuación 2. 7

𝑴𝑯𝟐𝑶𝒈= ∑

𝒎

𝟐∗ (𝑪𝒏𝑯𝒎𝑶𝒓) (m3/m3 gas) Ecuación 2. 8

𝑴𝑶𝟐𝒈= 𝟎. 𝟐𝟏 ∗ (∝𝒈− 𝟏) ∗ 𝑳𝑶𝒈

(m3/m3 gas) Ecuación 2. 9

𝑴𝑵𝟐𝒈= 𝟎. 𝟕𝟗 ∗∝𝒈∗ 𝑳𝑶𝒈

+ 𝑵𝟐𝒈 (m3/m3 gas) Ecuación 2. 10

Determinación de los componentes individuales en valor absoluto

𝑴𝑪𝑶𝟐𝒈 𝑨𝑩𝑺 = 𝑴𝑪𝑶𝟐𝒈∗ 𝑽𝒈 (m3) Ecuación 2. 11

𝑴𝑯𝟐𝑶𝒈 𝑨𝑩𝑺 = 𝑴𝑯𝟐𝑶𝒈∗ 𝑽𝒈 (m3) Ecuación 2. 12

𝑴𝑵𝟐𝒈 𝑨𝑩𝑺 = 𝑴𝑵𝟐𝒈∗ 𝑽𝒈 (m3) Ecuación 2. 13

La cantidad total de productos de la combustión asociados a la combustión del

gas está dada por:

M2 g = M CO2g + MH2Og + MO2g + MN2g (m3/m3gas) Ecuación 2. 14

En valor absoluto se determina por:

𝑴𝟐𝒈 𝑨𝑩𝑺 = 𝑴𝟐𝒈∗ 𝑽𝒈 (m3) Ecuación 2. 15

El cálculo del coeficiente teórico de variación molecular se realiza por medio de la

siguiente ecuación (Jóvaj, 1982):

𝝁𝟎 =𝑴𝟐

𝑴𝟏 Ecuación 2. 16


2.1.2- Parámetros del proceso de admisión.

4- Calculo de la cantidad de la mezcla de entrada.

Considerando la mezcla de trabajo como aire.

𝝆𝟎 =𝑷𝟎

𝑹∗𝑻𝟎 (kg /m3) Ecuación 2. 17

5- Cálculo de la presión al final del proceso de admisión.

𝑷𝒂 = 𝑷𝟎 − (𝜷𝟐 + 𝝃) ∗𝝎𝒂𝒅

𝟐

𝟐∗ 𝝆𝟎 ∗ 𝟏𝟎−𝟔 (MPa) Ecuación 2. 18

6- Cálculo de la temperatura al final del proceso de admisión.

Se comienza por el cálculo del coeficiente de gases residuales 𝛾𝑟:

𝜸𝒓 =𝑻𝟎+∆𝑻

𝑻𝒓∗

𝑷𝒓

𝜺∗𝑷𝒂−𝑷𝒓 Ecuación 2. 19

Según la bibliografía, en los motores de gas, el coeficiente de gases residuales

alcanza valores (𝛾𝑟 = 0.06… 1) (López, 2007).

La temperatura al final de la admisión se determina mediante la expresión:

𝑻𝒂 =𝑻𝟎+∆𝑻+𝜸𝒓𝑻𝒓

𝟏+𝜸𝒓 (K) Ecuación 2. 20

Finalmente el rendimiento volumétrico se determina por:

𝜼𝒗 =𝜺

𝜺−𝟏∗

𝑷𝒂

𝑷𝟎∗

𝑻𝟎

𝑻𝒂∗(𝟏+𝜸𝒓) Ecuación 2. 21

2.1.3- Parámetros del proceso de compresión.

Se adopta el exponente politrópico de compresión n1=1.34

7- Determinación de la presión al final del proceso de compresión.

𝑷𝒄 = 𝑷𝒂 ∗ 𝜺𝒏𝟏 (MPa) Ecuación 2. 22

8- Determinación de la temperatura al final de proceso de compresión.

𝑻𝒄 = 𝑻𝒂 ∗ 𝜺𝒏𝟏−𝟏 (K) Ecuación 2. 23

2.1.4- Parámetros del proceso de combustión.


En los motores a gas al igual que en los de carburación se puede considerar que la

combustión ocurre de forma instantánea y a volumen constante. Esto implica que

los gases no producen trabajo a medida que se efectúa la combustión, sino que

solamente se emplea el calor liberado en incrementar la energía interna.

En la siguiente figura se aprecia cómo se sustituye en el diagrama indicado el

proceso de combustión real por la isocora C – Z.

Gráfico 1 Proceso de combustión a volumen constante (Rodríguez, 2004)

9- Cálculo del coeficiente real de variación molecular.

𝝁𝒓 =𝝁𝟎+𝜸𝒓

𝟏+𝜸𝒓 Ecuación 2. 24

10- Solución de la ecuación de combustión.

La ecuación de la combustión del combustible gaseoso para α =1 considerando que

ocurre la combustión a volumen constante tiene la siguiente forma:

𝟐𝟐.𝟒∗𝝃𝒁∗𝑯𝑼

(𝟏+𝜸𝒓)∗𝑴𝟏+

𝑼𝑪+𝜸𝒓∗Ú𝑪

𝟏+𝜸𝒓= 𝝁𝒓 ∗ Ú𝒁 Ecuación 2. 25

El objetivo final de resolver la ecuación de combustión es determinar la temperatura

al final del proceso. Por ello no tiene sentido resolver ecuaciones de combustión

independientes para cada combustible que arrojen como resultado diferentes

temperaturas para un mismo volumen de cámara de combustión.


En la ecuación es necesario introducir en el término Hu el aporte energético del

combustible gaseoso.

El calor aportado por este combustible se determina por la expresión:

𝑸𝑳 = 𝑯𝑼𝑳 ∗ 𝑽𝒈 (kJ) Ecuación 2. 26

Se resuelve el primer término de la ecuación de la combustión.

𝟐𝟐.𝟒∗𝝃𝒁∗𝑯𝑼

(𝟏+𝜸𝒓)∗𝑴𝟏 Ecuación 2. 27

Para resolver el segundo término de la ecuación de combustión:

𝑼𝑪+𝜸𝒓∗Ú𝑪

𝟏+𝜸𝒓 Ecuación 2. 28

Donde:

Uc Energía interna de la mezcla fresca a la temperatura TC. La energía interna de

la mezcla se determina considerando que la sustancia de trabajo está compuesta

solamente por aire

𝑼𝑪 = (𝝁𝑪𝑽) ∗ 𝒕𝑪 Ecuación 2. 29

Donde (µCV) representa el calor específico a volumen constante del aire a la

temperatura tC determinándose por la tabla del Anexo 1.

ÚC Energía interna de los productos de la combustión a la temperatura tC.

Ú𝑪 = (𝝁𝑪𝑽)" ∗ 𝒕𝑪 Ecuación 2. 30

(µCV)” Representa el calor específico de los productos de la combustión al final del

proceso de compresión. Para la mezcla (𝜇𝐶𝑉)" se obtiene de la suma de los

productos de las fracciones volumétricas de cada componente por su

correspondiente calor específico a tc

(µ𝑪𝑽 )" = ∑𝒓𝑰 × (µ𝑪𝑽𝑰 ) Ecuación 2. 31

11- Determinamos la temperatura final de la combustión


Con el auxilio de la tabla del Anexo 2 se determina la energía interna de la mezcla

de gases que forman los productos independientes de la combustión a una

temperatura tz asumida

Se calcula una energía interna correspondiente a la temperatura asumida.

(𝑼𝒁" ) = ∑ 𝒓𝒊 ∗ (𝑼𝑻𝒂𝒃𝒍𝒂) Ecuación 2. 32

Se calcula para diferente temperaturas tz hasta que se logre una diferencia mínima

entre (𝑈𝑍" ) calculado y el resultado de la ecuación de combustión (𝑈𝑍

" )

12- Determinación del grado de elevación de la presión durante la combustión.

𝝀 = 𝝁𝒓 ∗𝑻𝒁

𝑻𝑪 Ecuación 2. 33

13- Determinación de la presión máxima del ciclo.

𝑷𝒁 𝑪𝑨𝑳𝑪𝑼𝑳𝑶 = 𝝀 ∗ 𝑷𝑪 Ecuación 2. 34

𝑷𝒁 = 𝟎. 𝟖𝟓 ∗ 𝑷𝒁 𝑪𝑨𝑳𝑪𝑼𝑳𝑶 Ecuación 2. 35

14- Calculo de la presión media indicada del ciclo.

𝑷𝒊𝒏𝒓 = 𝑷𝒂 ∗𝜺𝒏𝟏

𝜺−𝟏∗ [

𝝀

𝒏𝟐−𝟏∗ (𝟏 −

𝟏

𝜺𝒏𝟐−𝟏) −𝟏

𝒏𝟏−𝟏∗ (𝟏 −

𝟏

𝜺𝒏𝟏−𝟏)] (MPa)

Ecuación 2. 36

La presión indicada del ciclo se calcula por la siguiente ecuación considerando que

el coeficiente de redondeo o plenitud 𝜑𝑖 = 0.97

𝑷𝒊 = 𝝋𝒊 ∗ 𝑷𝒊𝒏𝒓 (MPa) Ecuación 2. 37

2.1.5- Parámetros del proceso de expansión. Se asume que el exponente

politrópico de expansión n2 =1.24

15- Cálculo de la presión al final de la expansión.

𝑷𝒃 = 𝑷𝒁 ∗𝟏

𝜺𝒏𝟐 (MPa) Ecuación 2. 38

16- Cálculo de la temperatura al final de la expansión.

𝑻𝒃 = 𝑻𝒁 ∗𝟏

𝜺𝒏𝟐−𝟏 (K) Ecuación 2. 39


2.1.6- Índices del ciclo de trabajo del motor.

17- Cálculo de la presión indicada que se gasta en vencer la fricción y accionar los

mecanismos auxiliares se determina:

𝑷𝒎 = 𝟎. 𝟎𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟏𝟓𝟓𝒗𝑷 (MPa) Ecuación 2. 40

18- La presión media efectiva del ciclo se halla:

𝑷𝒆 = 𝑷𝒊 − 𝑷𝒎 (MPa) Ecuación 2. 41

18- Cálculo del rendimiento mecánico.

𝜼𝒎 =𝑷𝒆

𝑷𝒊 Ecuación 2. 42

19- Calculo del rendimiento indicado del ciclo.

𝜼𝒊 = 𝟑𝟕𝟏. 𝟏𝟓 ∗𝑴𝟏∗𝑻𝟎∗𝑷𝒊

𝑯𝑼∗𝜼𝑽∗𝑷𝟎 Ecuación 2. 43

20- Cálculo del consumo específico indicado

𝑽𝒊 = 𝟗𝟕𝟎𝟎𝜼𝑽∗𝑷𝒌

𝑴𝟏∗𝑻𝟎∗𝑷𝒊 (m3/kWh) Ecuación 2. 44

21- Cálculo del consumo específico efectivo.

𝑽𝒆 =𝑽𝒊

𝜼𝒎 (m3/kWh) Ecuación 2. 45

22- Cálculo del rendimiento efectivo del ciclo

𝜼𝒆 = 𝜼𝒊 ∗ 𝜼𝒎 Ecuación 2. 46

23- El consumo horario de combustible Constituye.

𝑽𝒆 ∗ 𝑵𝒆 ∗ 𝟏𝟎−𝟑 (m3/h) Ecuación 2. 47

24- determinación de la potencia del motor

𝑵 =𝑷∗𝒊∗𝑽𝒉∗𝒏

𝟑𝟎∗𝝉 (kW) Ecuación 2. 48

2.1.7- Resultados de los parámetros principales del ciclo

Presión indicada que se gasta en vencer la fricción y accionar los mecanismos

auxiliares.


𝑷𝒎 = 𝟎. 𝟏𝟔 𝐌𝐏𝐚

La presión media efectiva del ciclo.

𝑷𝒆 = 𝟏. 𝟓𝟒 𝐌𝐏𝐚

El rendimiento mecánico.

𝜼𝒎 = 𝟎. 𝟗𝟎

El consumo específico indicado

𝑽𝒊 = 𝟎. 𝟐𝟎 m3/kWh

El consumo específico efectivo.

𝑽𝒆 = 𝟎. 𝟐𝟐 m3/kWh

El consumo horario de combustible

𝑽𝒆 ∗ 𝑵𝒆 ∗ 𝟏𝟎−𝟑 = 𝟑𝟏𝟎 m3/h

2.1.8- Cogeneración con MCI.

La constante necesidad de optimizar los recursos energéticos en los distintos

procesos productivos, disminuir los costos de producción y los consumos de energía

para lograr una mayor eficiencia y rentabilidad, es un desafío permanente en la

empresa actual. El creciente consumo de energía eléctrica y energía térmica en los

diferentes procesos productivos de la empresa, la crisis energética nacional y

mundial, la escasez de recursos naturales que generan energía y combustible, el

aumento progresivo en las tarifas y por ende los costos de producción, nos plantea

un desafío permanente y que requiere una solución inmediata. Es por ello que se

implementara un innovador sistema de generación de energía limpia y renovable

que permita disminuir el consumo, los costos, aumentar la rentabilidad del negocio,

aportar al ahorro energético de la región y el país, además de disminuir la

contaminación ambiental y de la atmosfera. La Co-Generación de Energía Térmica

y Eléctrica, permitirá tener un mayor control de la cantidad y calidad de la materia

prima (purines) que ingresara al Biodigestor para posteriormente generar una mejor


calidad de Biogás y por ende energía suficiente para el autoconsumo de los distintos

procesos.

La cogeneración es la producción conjunta, por el propio usuario, de electricidad y

energía térmica útil (calor), partiendo de un único combustible en este caso el purín

de los cerdos.

Esta generación simultánea de calor y electricidad, permite un mejor

aprovechamiento de la energía primaria que se transforma respecto a la producción

de electricidad y calor por separado.

El motor Jenbacher es uno de los motores más eficientes en cuanto a cogeneración

se trata diversos proyectos a escala global utilizan este motor por su alta eficiencia

y potencia térmica

Datos del motor para la producción de vapor

Tabla 9 Características del motor para la cogeneración

Potencia Térmica Eficiencia térmica Producción de vapor

751 kW 45.2 % 1.037 kg/h a 3 bar o

potencia térmica de 698

kW


La siguiente figura representa un esquema de cogeneración del motor Jenbacher

tipo 4

Ilustración 2 Esquema de cogeneración propuesto para el motor Jenbacher tipo 4

Beneficios de la cogeneración

Mayor predictibilidad y resiliencia

Protege contra la volatilidad de los precios de energía en la red eléctrica y la

incertidumbre del suministro para una planificación financiera más precisa. Además,

su sistema de energía mediante cogeneración local puede ayudar a mitigar

apagones, desastres naturales y cortes de energía; y le ayudará a vender el exceso

de electricidad a la red. La producción de vapor mediante el proceso de

cogeneración proporciona un bono adicional de resiliencia para procesos (Power,

2017).

Flexibilidad para sus necesidades específicas

Los sistemas de cogeneración tienen la flexibilidad de quemar combustibles

disponibles localmente, incluidos los gases naturales, biogás, diésel y efluentes

gaseosos. GE puede ser su socio estratégico en sistemas de cogeneración para su


industria y aplicación específicas - desde aplicaciones de agricultura, de

manufactura, textiles, industriales (por ejemplo, alimentos y bebidas ó pulpa y

papel), así como para aplicaciones comerciales.

Ahorro de dinero/económico

Con la generación de energía propia y la venta de energía excedente a la red, se

puede experimentar un ahorro significativo de costos generales y una mejor

previsión financiera para el proyecto. Una instalación típica completa tiene un ROI

(Retorno de Inversión) de menos de 24 meses(Power, 2017).

Ahorro energía y emisiones

Se logra un ahorro de energía de hasta 40 % usando la energía o calor residual del

motor. Con la combinación de calor y energía, se puede reducir las emisiones de

gases de efecto invernadero hasta 30%, reduciendo así drásticamente su huella de

carbono.

2.2 Utilización del biogás como combustible para el transporte público.

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

bastante tiempo(Varnero, 2011). Para esto, el biogás debe tener una calidad similar

a la del gas natural, para usarse en vehículos que se han acondicionado para el

funcionamiento con gas natural o puede utilizarse en vehículos que ya son

producidos directamente para trabajar con biogás. La mayoría de vehículos de estas

categorías han sido equipados con un tanque de gas y un sistema de suministro de

gas y otros trabajan de manera hibrida pues cuentan con un sistema de inyección

de gasolina normal.

El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto a gasolina

como diésel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre

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

volumétrica de compresión, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de

encendido(Varnero, 2011).


El biometano se puede usar en todos los motores que normalmente funcionan con

gas natural. Las características de quemado del biometano son incluso mejores que

las del gas natural, ya que el biometano sólo consiste de un componente inflamable

(metano) mientras que el gas natural consiste principalmente de metano pero tiene

algunas cantidades de etano, propano, butano e incluso hidrógeno. Esas otras

sustancias químicas se queman en diferentes condiciones (temperatura,

presión)(Hofmann, 2017).

Un aspecto principal del uso de biometano como combustible, además de la

protección del clima, son los aspectos financieros – ahorra dinero, y es más barato

para los consumidores usar biometano/GNC en comparación con petróleo o diésel.

Un aspecto sobre el que los diseñadores de políticas todavía tienen que trabajar es

hacer que esta ventaja financiera sea vista fácilmente en las estaciones de llenado,

ya que actualmente el gas natural como combustible se vende por kilogramo y no

por litro, lo que hace difícil comparar precios (Hofmann, 2017).

2.2.1 Cálculo del ciclo de trabajo del Motor Scania OC9 G04 270

La marca Scania ha sacado al mercado diversos modelos de motores para ómnibus

y camiones los cuales trabajan con biogás. Estos modelos se han venido utilizando

en diversos países tales como Alemania, España, Suecia, Brasil entre otros. La

principal utilización de estos motores ha sido en el sector del transporte público

teniendo una gran aceptación tanto por las compañías propietarias de los vehículos

como por la población debido a la eficiencia comodidad y lo poco contaminantes

que son estos vehículos (Nordström, 2010).


Tabla 10 Datos técnicos del motor Scania OC9 G04 270

Motor OC9 G04 270

Combustible Biogás, gas natural

Cilindrada 9,3 litros

Cilindros 5 en línea

Diámetro x carrera 130x140 mm

Relación de compresión 12.6:1

Potencia máxima a rpm 199 kW a 1900 rpm

Par máximo a rpm 1100 Nm a 1000 – 1400 rpm

Velocidad máxima (km/h) 152

Capacidad de aceite 31 litros

Para la realización del ciclo de trabajo de este motor se utilizó la misma metodología

anteriormente utilizada para el motor Jenbacher J420 solo se expondrán los índices

del ciclo de trabajo del motor.

Cálculo de la presión indicada que se gasta en vencer la fricción y accionar los

mecanismos auxiliares se determina según la ecuación 2.40:

𝑷𝒎 = 𝟎. 𝟎𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟏𝟓𝟓𝒗𝑷 (MPa)

La presión media efectiva del ciclo se halla según la ecuación 2.41:

𝑷𝒆 = 𝑷𝒊 − 𝑷𝒎 (MPa)

Cálculo del rendimiento mecánico. Se obtiene por la ecuación 2.42.

𝜼𝒎 =𝑷𝒆

𝑷𝒊


Cálculo del rendimiento indicado del ciclo según la ecuación 2.43.

𝜼𝒊 = 𝟑𝟕𝟏. 𝟏𝟓 ∗𝑴𝟏∗𝑻𝟎∗𝑷𝒊

𝑯𝑼∗𝜼𝑽∗𝑷𝟎

Cálculo del consumo específico indicado según la ecuación 2.44


𝑴𝟏∗𝑻𝟎∗𝑷𝒊 (m3/kWh)

Cálculo del consumo específico efectivo según la ecuación 2.45.

𝑽𝒆 =𝑽𝒊

𝜼𝒎 (m3/kWh)

Cálculo del rendimiento efectivo del ciclo por la ecuación 2.46

𝜼𝒆 = 𝜼𝒊 ∗ 𝜼𝒎

El consumo horario de combustible según la ecuación 2.47 Constituye.

𝑽𝒆 ∗ 𝑵𝒆 ∗ 𝟏𝟎−𝟑 (m3/h)

2.2.2- Resultados de los parámetros principales del ciclo

Presión indicada que se gasta en vencer la fricción y accionar los mecanismos

auxiliares.

𝑷𝒎 = 𝟎. 𝟏𝟕 𝐌𝐏𝐚

La presión media efectiva del ciclo.

𝑷𝒆 = 𝟏. 𝟑𝟓 𝐌𝐏𝐚

El rendimiento mecánico.

𝜼𝒎 = 𝟎. 𝟖𝟖

El consumo específico indicado

𝑽𝒊 = 𝟎. 𝟑𝟏 m3/kWh

El consumo específico efectivo.

𝑽𝒆 = 𝟎. 𝟑𝟓 m3/kWh

El consumo horario de combustible

𝑽𝒆 ∗ 𝑵𝒆 ∗ 𝟏𝟎−𝟑 = 𝟔𝟗. 𝟓 m3/h


Conclusiones parciales:

Según los resultados obtenidos mediante el cálculo del ciclo de trabajo y la

información dada por el fabricante de los motores Jenbacher J420 y Scania, se

puede concluir que:

Los resultados obtenidos por el cálculo del ciclo de trabajo cuentan con un %

e error menor de 5 comparándolos con los datos dados por el fabricante.

Es de vital importancia insistir en que exista una cogeneración en los motores

estacionarios para así aumentar la eficiencia energética.

Como el biometano puede ser usado en los motores que normalmente

funcionan con gas natural resulta necesario comprobar cuál sería su

comportamiento, tanto en los motores utilizados de forma estacionaria como

los usados en el transporte.

CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 60

CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Durante muchos años los desechos húmedos (Excremento y sobras de alimentos)

se han vertido sin ningún tipo de aprovechamiento en la mayoría de las cochiqueras

existentes. Estos DH en la mayoría de los casos iban directamente desde el corral

hasta una laguna de oxidación. En los últimos años se ha venido insistiendo en la

implementación de biodigestores los cuales descomponen los DH generados por

los cerdos en Biogás mediante la descomposición anaeróbica de los mismos. En el

80% de las cochiqueras con biodigestores no se está aprovechando el biogás

generado, solo se utiliza en algunos lugares (donde tienen los medios) para la

cocción de alimentos, quemado todo el biogás sobrante a la atmosfera.

Una solución para esto sería colocar una planta de biogás similar a la de países

como EE.UU, México, Francia o Brasil donde se recolectara purín y biogás de

distintos lugares cercanos al municipio placetas con los cuales se cuenta con 33

000 cerdos con una media de peso de 50 kg.

3.1 Descripción y condición del lugar del proyecto

El municipio de Placetas ubicado en la provincia de Villa Clara es el más productor

de carne de cerdo en el país. Solo este municipio genera más carne de cerdo que

cualquier otra provincia del país, incluso de la propia Villa Clara si se le quitara el

municipio de Placetas. Este municipio cuenta con 33 000 cerdos residentes es decir

que siempre va a existir en el año ese mismo número puesto que los mayores

productores utilizan el método de Cría en Escalera es decir que si se entrega 200

cerdos ya cebados ya cuentan con 200 lechones en estado de ceba.


Figura 11 Municipio placetas

El municipio cuenta con dos asentamientos urbanos Falcon y Báez los cuales se

encuentran a 12 y 17 km respectivamente en esta área que cubre a los

asentamientos rurales que se encuentran más cerca al poblado de placetas, se

cuenta con más de 33 000 cerdos pero este análisis se realiza con 25 000 cerdos

para ser más eficiente y reales los cálculos.

3.2 Generación de Biogás

La cantidad de biogás generado en un sitio de disposición final depende de la

cantidad y composición de los desechos porcinos (DP), de la infraestructura y el

equipamiento disponible (aislante, captación y transporte de lixiviados, sistema de

cobertura y tapada periódica), y del diseño del sistema de captura que afecta su

eficiencia.

Se realizó la estimación de la generación de biogás en base a la modelización del

sitio, considerando la cantidad y composición de DP dispuestos en los sitios Falcón

con sus pueblos aledaños así como Báez y su pueblos cercanos aparte de Placetas

que es el asentamiento con más cerdos, así como los factores de manejo del sitio,


y otros parámetros relacionados a las características climáticas como temperatura

y precipitación media anual.

Para saber el biogás generado se utilizó las herramientas del programa RETScreen

así como el análisis de consumos realizado para el “Proyecto Piloto Generación de

Electricidad utilizando Biogás como Combustible” por el Centro Nacional de

Planificación Eléctrica del ICE.

3.2.1 Volúmen de estiercol generado

Para determinar el volumen generado que se puede recolectar en el periodo de

tiempo en que los cerdos se encuentran en el corral se debe tomar en cuenta la

cantidad de cerdos y su peso.

Tabla 3. 1 Variables a considerar para determinar el volumen de estiércol

Variables Valor

Cantidad de Cerdos 25 000 unidades

Peso promedio de los Cerdos 50 kg

En el municipio de placetas se cuenta con más 33 000 cerdos, pero para este

análisis se escogieron 25 000 cerdos para ser más eficientes en las recogidas de

purín y desechos pues existen zonas muy alejadas de la cabecera municipal.

La cantidad de estiércol producida por un cerdo por día es el 7.00% (0.07) de su

peso (Rodríguez, 2004).

𝑬𝑷 = 𝑵𝑪 × 𝑷𝑽 × 𝑷𝑬 × (𝑻𝑪 ÷ 𝟐𝟒) Ecuación 3. 1

Donde:

NC es el número de cerdos

EP es la cantidad de estiércol producido por día.

PV es el peso promedio de los cerdos


PE es el porcentaje de peso del cerdo que se produce en estiércol.

TC es el tiempo que están en el corral

Este análisis de los cerdos refleja la cantidad de estiércol que se puede recoger en

el periodo de tiempo en que los cerdos se encontraban en el corral, la cantidad

estimada es de 87 500 kg/día

Los resultados alojados por el software expresan que con una cantidad de 25 000

cerdos con un promedio de peso de 50 kg se obtiene una producción de biogás

anual de 1 253 061 m3 con un contenido de metano de 68%. El contenido de metano

puede mejorarse llegando a tener hasta un 90% de metano con procesos de

purificación tales como los tratamientos fisicoquímicos tratados en el capítulo 1.

Característica de carga del motor Jenbacher tipo 4

Dado el desconocimiento de diversos coeficientes a los cuales se llega luego del

estudio del comportamiento de varios motores se decidió realizar los cálculos de la

característica de carga con coeficientes destinados a motores de encendido por

chispa de gasolina por lo cual con la utilización de estos coeficientes se introduce

un error a la hora de los cálculos por lo que se toman los resultados para tener una

idea del comportamiento de la variación de los principales índices del motor en

función de la carga siendo constante la frecuencia de rotación.

Tabla 3. 2 Cálculo del estiércol y la cantidad de biogás generado por medio del software RETScreen.


Calculo del consumo indicado de combustible variando la presión indicada según la

ecuación 2.44.

𝑽𝒊 = 𝟗𝟕𝟎𝟎𝜼𝒗∗𝑷𝒌

𝑴𝒊∗𝑻𝟎∗𝑷𝒊𝒙

𝑉𝑖 = 0.20 m3/kWh

Cálculo del consumo específico de combustible variando el consumo indicado por

la ecuación 2.45.

𝑽𝒆 =𝑽𝒊

𝜼𝒎

𝑉𝑒 = 0.22 m3/kWh

Cálculo del consumo horario de combustible variando el consumo especifico por la

ecuación 2.47.

𝑽𝒉 = 𝑽𝒆 ∗ (𝑵𝒆)

Vh = 310 m3/h

A continuación se muestra la gráfica 2 correspondiente a la característica de carga

del motor Jenbacher J420 para 1800 rpm. La característica de carga queda

determinada por tres parámetros que de una manera más completa definen los

regímenes de funcionamiento: los consumos horarios y específico de combustible

a plena carga.


Curva de la característica de carga del motor Jenbacher

Gráfico 2 Característica de carga del Jenbacher J420

En el gráfico 2 se representan las características de carga del motor Jenbacher GS

J420 ( Jenbacher tipo 4), sacadas a diferentes frecuencias de rotación del cigüeñal

y regulación estándar del carburador.

3.3 Capacidad de la planta de Biogás

El diseño de una planta de biogás dependerá de la cantidad y del tipo de residuos

disponibles en el medio rural, de las condiciones de clima, necesidades de biogás

que se requiere, ubicación, materiales y técnicas de construcción de que se

disponga en cada sitio. Con el objeto de minimizar los costos de la planta, ésta

deberá ser adecuada a cada necesidad, construida hasta donde sea posible con

materiales y mano de obra locales.

Antes de proceder al diseño de una planta de biogás para el medio rural, es

necesario estimar el potencial de producción de biogás, para definir su factibilidad

considerando la forma de manejo del ganado y por lo tanto cual es la cantidad

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0

50

100

150

200

250

300

350

141 282 423 564 705 846 987 1128 1269 1410 1551 1692

Ve

m3

/kw

h

Vh

m3

/h

Factor de Carga

Característica de carga del Jenbacher J420

Vh Ve


mínima de residuos que permita producir el biogás requerido para cubrir las

necesidades planteadas.

Suponiendo que se tiene un potencial de biogás de 3295 m3/día, generado por la

combinación de estiércoles que dan un total de 87 500 kg/día, se debe calcular el

volumen de la mezcla de agua - estiércol(Varnero, 2011). Para el caso propuesto,

se tiene según la tabla 3:

Tabla 11 Volumen de la mezcla de agua - estiércol

Animal Kg estiércol +litros de agua Mezcla litros/día

Porcinos 87 500 + 262 500 350 000

Total mezcla 350 000 l/día

Considerando un tiempo de residencia de 35 días y que el volumen diario de la

mezcla es de 336 000 litros, se tiene:

𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝒅𝒊𝒂𝒓𝒊𝒐 ∗ 𝑻𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒅𝒆 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒅𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 = 𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝒅𝒊𝒈𝒆𝒔𝒕𝒐𝒓 Ecuación 3. 2

350 000𝑙

𝑑í𝑎∗ 35 𝑑í𝑎𝑠 = 12250000 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟 = 12 250 𝑚3

Por cuestiones de seguridad a la hora de realizar el diseño del digestor se debe

poner un volumen de reserva para así prevenir roturas en digestores y así evacuar

el biogás de ser necesario.

3.4 Localización y diseño del digestor.

Una decisión importante es la elección del lugar donde se construya una planta de

biogás. Para determinar estos sitios se deben tomar en cuenta ciertos factores:

Materia prima accesible y agua requerida suficiente para efectuar la carga

diaria en el caso de digestores semi-continuo.


Cercanía del lugar de uso del biogás.

Facilidad para el empleo del bioabono o su almacenamiento en caso de ser

necesario.

Topografía del sitio, así como las características del suelo y los niveles de las

aguas subterráneas.

Como se mencionó anteriormente existen varios diseños de digestores. Un factor

decisivo en la elección del diseño, además de los mencionados en la elección del

lugar, es la temperatura promedio mensual atmosférica y el tipo de invierno.

La velocidad de biodegradación de los residuos así como la producción de biogás,

dependen en gran medida de las características de la materia prima, del tiempo de

retención, del porcentaje de sólidos totales y de la temperatura a la cual se lleva a

cabo el proceso.

En el caso específico del medio rural, la disponibilidad de residuos agropecuarios y

el rango promedio de temperatura atmosférica dentro de los límites aceptables para

la actividad de las metano bacterias, serán factores determinantes para definir áreas

con posibilidades de implementar la tecnología del biogás(Al-Hamamre et al., 2017).

3.5 Factibilidad en la generación de electricidad.

Una vez concluido el cálculo del ciclo de trabajo, se dispone de gran cantidad de

datos acerca de los parámetros fundamentales del motor a Biogás. Tomando como

criterio la potencia desarrollada por el motor, según el fabricante.

Comparando el resultado del cálculo mediante el software con los datos que brinda

el fabricante, se puede observar que prácticamente la diferencia es pequeña

(NeCÁLCULO = 1401 kW y NeFABRICANTE = 1410 kW) existiendo una pequeña diferencia

de 9 kW. (0.64 %).

En la tabla 3.3 se muestra la producción de biogas con 25 000 cerdos según el tipo

de digestor y las condiciones dadas por el software RETScreen

.


Tabla 3. 4 Producción de Biogás

Producción anual Producción mensual Producción diaria

1 253 061 m3 104 422 m3 3433 m3

Esta generación de biogás puede cubrir ampliamente el consumo de combustible

del motor Jenbacher por lo que es posible la instalación de varios motores para la

generación de electricidad la cual una parte de la energía se consumirá en la planta

y la otra se exportará a la red eléctrica. También se podra cogenerar puesto que se

tendrá un amplio margen de gases de escape ya que el motor Jenbacher es uno de

los mejores para cogenerar existentes en el mercado.

Según los datos arrojados por el cáculo del siclo de trabajo el motor propuesto

consume en una hora 310 m3/h teniendo en cuenta que el poder calórico del biogás

es de 22 000 kJ/m3 se puede asumir que se puede operar con más de un motor. En

la tabla 3.4 muetra los valores de consumo de conbustible para distintos grupos de

motores.

Tabla 3. 5 Consumo de combustible para distintos grupos de Motores Jenbacher tipo 4

Cantidad de Motores Consumo de combustible

en 8 horas

Cantidad de horas

1 2408 m3 8

2 4960 m3 8

Se puede apreciar que con al menos 5000 m3 de biogas se puede obtener un pico

de potencia de alrededor de unos 2820 kW pero hay que tener en cuenta que la

cantidadad de biogás generado en un día o sea 24 horas es de 3433 m3 por lo cual


con dos motores trabajando a la par se gastaria mas biogás del que se puede

producir. Por esto se tiene que con la cantidad de biogas dada se puede trabajar

con un solo motor Jenbacher teniendo un sobrante de biogás diario de 1 025 m3

por lo que se generaria 1410 kW y sobraria biogas para otros usos lo cual seria muy

factible según los datos arrojados por el software RETScreen.

Luego de analizar los datos arrojados por el sofware (RETScreen) con un motor

Jenbacher tipo 4 J 420 se obtiene una capacidad de generación eléctrica de 1410

kW (1.41 MW). Dado esta capacidad de generación se puede exportar a la red

11759 MWh para un % de disponibilidad de 95% equivalente a 8,3 horas de trabajo.

3.5.1 Análisis de emisiones

En Cuba el sistema eléctrico nacional utiliza como combustible principalmente el

petróleo y sus derivados. Este combustible tiene como factor de emisión de gases

de efecto invernadero (GEI) 0.902 tCO2/MWh por lo que sustituyendo este

combustible por biogás para generar una misma cantidad de potencia eléctrica

obtendríamos unos ahorros de 9 880,4 tCO2 como muestra la siguiente tabla 3.5.

Tabla 3. 6 Análisis de emisiones de GEI

Combustibles generadores de GEI tCO2 anuales

Petróleo y sus derivados 10 607.8

Biogás 727.5

Reducción anual de emisiones GEI 9 880.4

Como resultado se tiene que con la utilización del biogás como combustible para la

generación de electricidad el País se estaría ahorrando más de 1.38 millones de

dólares aproximadamente teniendo en cuenta que el precio de un barril de petróleo

es actualmente de 50 a 60 dólares(Naqvi et al., 2018) y se estarían dejando de

consumir 22 978 barriles de petróleo.


3.6 Factibilidad de la utilización del biogás en el transporte.

Ahora está muy de moda hablar de los coches que emplean gas (ya sea GLP o bien

el conocido como gas natural o metano) como combustible, pero no es nada nuevo.

Para los cubanos es algo más desconocido porque la tecnología se hace casi

imposible de seguir en un país bloqueado hace ya tantos años seña de esto es el

parque automotor cubano el cual es uno de los más longevos del mundo. Sin

embargo, en países como Holanda, Portugal, Italia o Francia, es casi tan frecuente

como el diésel.

Los países han promovido automóviles, camiones y autobuses impulsados por

biogás mediante una combinación de exenciones fiscales, subsidios a la inversión

e incentivos para la inyección de biogás en la red de gas natural. China, Francia, el

Reino Unido y los países escandinavos, en particular, han apoyado firmemente la

transición al biogás en el sector del transporte(Fidalgo, 2017).

El transporte representa aproximadamente el 30% del consumo mundial de energía,

por lo que el transporte renovable es crucial para un futuro energético sostenible.

La reducción de costes sigue siendo el desafío crítico. Sin embargo, aumentar las

sinergias con otras tecnologías de energía y transporte podría reducir aún más los

costos de producción de biogás.

La combustión del gas es mucho más limpia que la de la gasolina. Ya sé que

la gasolina también es un hidrocarburo y, según mis “ecuaciones de combustión”,

también se obtendría agua y CO2, pero lo que sucede es que la gasolina es una

molécula mucho más compleja y contiene gran cantidad de impurezas. Además del

hidrocarburo puro, lleva azufre, naftas, etc… que producen subproductos tras la

combustión. Algunos de esos residuos son gaseosos y otros, sólidos. Estos últimos

se van depositando en los asientos de válvula, cabeza de los pistones, conductos

de admisión y escape, se mezclan con el aceite… Provocan dos problemas:

aumentan la fricción al rozar y arañar las paredes del cilindro y, además, reducen

poco a poco el rendimiento, al ir obstruyendo los conductos de admisión y escape,

algo así como el colesterol en las venas.


3.7 Característica de velocidad del motor Scania OC9 G04 270

Se denomina característica externa de velocidad a la variación en función de de la

frecuencia de rotación n, de la potencia efectiva Ne, del par motor efectivo Me, de

consumo de combustible horario Vh y especifico Ve(Jóvaj, 1982).

1.1. Determinado de la potencia efectiva.

𝑁𝑒𝑚𝑎𝑥 = 199 𝑘𝑊 𝑎 1900 𝑟𝑝𝑚

𝑵𝒆𝒙 = 𝑵𝒆𝒎𝒂𝒙 ∗ (𝒄𝟏 ∗ (𝒏𝒙

𝒏𝒆) + 𝒄𝟐 ∗ (

𝒏𝒙

𝒏𝒆)

𝟐− 𝒄𝟑 (

𝒏𝒙

𝒏𝒆)

𝟑) Ecuación 3. 3

𝑁𝑒𝑥 = 199 ∗ (1 ∗ (190

1900) + 1 ∗ (

190

1900)

2

− 1 (190

1900)

3

)

𝑁𝑒𝑥 = 21.691 𝑘𝑊

1.2. Determinando el consumo específico.

Se calcula el consumo indicado de combustible según la ecuación 2.44.


𝑴𝟏∗𝑻𝟎∗𝑷𝒊

Cálculo del consumo de combustible específico a potencia máxima

𝑽𝒆𝑵𝒆𝒎𝒂𝒙 =𝑽𝒊

𝜼𝒎 Ecuación 3. 4

𝑽𝒆𝑵𝒆𝒎𝒂𝒙 = 𝟎. 𝟑𝟓 𝒎𝟑/𝒌𝑾𝒉

𝑽𝒆𝒙 = 𝑽𝒆𝑵𝒆𝒎𝒂𝒙 ∗ (𝒄𝟏 ∗ (𝒏𝒙

𝒏𝒆) + 𝒄𝟐 ∗ (

𝒏𝒙

𝒏𝒆)

𝟐

− 𝒄𝟑 ∗ (𝒏𝒙

𝒏𝒆)

𝟑

) Ecuación 3. 5

𝑉𝑒𝑥 = 0.035 𝑚3

𝑘𝑊 ∗ ℎ

1.3. Determinando el momento efectivo.

𝑴𝒆 = 𝟗𝟓𝟓𝟎 ∗𝑷𝒆

𝒏𝒆 Ecuación 3. 6

Me = 9550 ∗199

1900


Me = 1000.23 N ∗ m

Curva de la característica de velocidad del motor Scania OC9 G04 270

Gráfico 3 Característica exterior de velocidad del motor Scania

A medida que se incrementa la frecuencia de rotación y se cierra la mariposa de

gases (Gráfico 3), el consumo específico efectivo de combustible crece, como

resultado de la disminución del rendimiento mecánico.

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

190 380 570 760 950 1140 1330 1520 1710 1900 2090 2280

Ne

(kW

), M

e (N

*m)

rpm

Potencia efectiva y consumo específico

Nex Vex


Gráfico 4 Momento efectivo

En el grafico 3 y 4 se muestra la característica exterior de velocidad del motor OC9

G04 270 del fabricante Scania estos resultados son aproximados puesto que para

obtener los coeficientes necesarios para la construcción de las curvas (gráfico 3 y

4) en un motor de biogás se necesita de la comprobación de muchos motores en

bancos de pruebas para obtener dichos coeficientes. Estas curvas han sido

construidas teniendo en cuenta los coeficientes tomados para la realización de este

trabajo en motores a gasolina

3.8 Comprobación de los principales parámetros del Ómnibus Diana con

motor Scania OC9 G04 270

Características del automóvil

Tabla 3. 7 Dimensiones del Ómnibus Diana

Dimensiones exteriores

Largo (mm) 4140

Ancho (mm) 1620

Alto (mm) 1450

0.0

200.0

400.0

600.0

800.0

1000.0

1200.0

1400.0

190 380 570 760 950 1140 1330 1520 1710 1900 2090 2280

N*m

rpm

Momento efectivo (Nm)


1.1 Cálculo del peso del vehículo

El peso del vehículo está ligado directamente a la potencia que consume el motor,

además de estar relacionados también la capacidad de carga y los pasajeros. Para

esto asumimos el cálculo del peso total del vehículo en las condiciones extremas de

carga.

La ecuación para el cálculo del peso del vehículo es:

𝑮 = 𝑮𝒂 + 𝑮𝟎 Ecuación 3. 7

𝑮𝟎 = 𝑮𝒓 + 𝒎(𝟏

+ 𝟐

) Ecuación 3. 8

𝑮 = 𝑮𝒂 + 𝑮𝒓 + 𝒎(𝟏

+ 𝟐

) Ecuación 3. 9

En donde:

𝑮𝒂 – Peso propio del vehículo 𝑮𝟎 – Carga útil 𝑮𝒓 – Capacidad de carga. 𝒎 – Cantidad de pasajeros (se incluye el chofer)

𝟏 – Peso por cada pasajero, se asume 75 kg

𝟐 – Peso del equipaje por cada pasajero, se asume 15 kg

Para saber cuan racional estamos utilizando el peso del vehículo despejamos

𝑮 =𝑮𝒂

𝑮𝒓 ó 𝑮′ =

𝑮𝒂

𝒎 Ecuación 3. 10

Donde 𝐺 es la relación entre el peso del vehículo entre las toneladas cargadas para

camiones y varía entre 600÷1200 kg/t. Para vehículos de pasajeros varía entre

200÷400 kg/pasajeros y se asume cono 𝐺′

1.2 Neumáticos y radio dinámico

Conocido ya los neumáticos que lleva nuestro vehículo procedemos a calcular el

radio dinámico.

Mediante la expresión:

𝒓𝒌 =𝑫

𝟐+ 𝑩(𝟏 − ) Ecuación 3. 11


En donde:

𝑫 – Diámetro de la llanta

𝑩 – Ancho entre la llanta y el borde exterior del neumático

– Coeficiente de deformación radial del neumático (0,13 para vehículos ligeros).

En caso de no conocer los neumáticos calculamos la fuerza que se ejerce sobre

cada uno de ellos y seleccionamos uno que pueda soportar dicha carga.

1.3 Potencia a velocidad máxima

La potencia a velocidad máxima se calcula mediante la expresión siguiente:

𝑵𝒗 = (𝑮 ∙ 𝒇 +𝑲∙𝑭∙𝑽𝟐

𝟏𝟑)

𝑽𝒎á𝒙

𝟐𝟕𝟎𝒎

Ecuación 3. 12

En donde:

𝑓 – Coeficiente de resistencia al camino

𝐾 – Coeficiente aerodinámico del vehículo

𝐹 – Área frontal del vehículo

𝑚

– Rendimiento de la transmisión de fuerza

𝑉𝑚á𝑥 – Velocidad máxima del vehículo

Esta ecuación está ajustada para un ángulo de inclinación de cero grados.

1.4 Potencia máxima desarrollada por el motor

𝑵𝒎á𝒙 =𝑵𝒗

𝒄𝟏(𝒏𝒗𝒏𝑵

)+𝒄𝟐(𝒏𝒗𝒏𝑵

)𝟐

−𝒄𝟑(𝒏𝒗𝒏𝑵

)𝟑 Ecuación 3. 13

En donde:

𝒏𝒗 – Velocidad máxima del motor (rpm)

𝒏𝑵 – Velocidad a potencia máxima (rpm)


Si desconocemos alguna de estas dos velocidades la podemos hallar por la

siguiente ecuación

(𝒏𝒗

𝒏𝑵) = 𝟏, 𝟏 ÷ 𝟏, 𝟐 Ecuación 3. 14

Valores de los coeficientes

Tipo de motor c1 c2 c3

Gasolina y Gas 1 1 1

Diesel de 2 tiempos 0.87 1.113 1

Diesel de 4 tiempos 0.53 1.56 1.09

Coeficiente de revoluciones

El coeficiente de revoluciones es la relación entre el número de revoluciones del motor con velocidad máxima y la velocidad máxima. La fórmula es:

𝒏 =𝒏𝒗

𝑽𝒎á𝒙 Ecuación 3. 15

Marchas del vehículo

En caso de desconocerlas podemos hallarlas por las ecuaciones:

Relación de transmisión principal

𝒊𝒐 = 𝟎, 𝟑𝟕𝟕𝒓𝒌∙𝒏𝒗

𝑽𝒎á𝒙= 𝟎, 𝟑𝟕𝟕 ∙ 𝒓𝒌 ∙ 𝒏 Ecuación 3. 16

Para las trasmisiones de primera hasta cuarta se calcula la marcha en primera:

𝒊𝑰 =𝑮∙𝒓𝒌∙𝒔𝒆𝒏 𝜶𝒎á𝒙

𝑴𝒎á𝒙∙𝒊𝒐∙𝒎

=𝑮𝝋∙𝒓𝒌∙𝝋

𝑴𝒎á𝒙∙𝒊𝒐∙𝒎

Ecuación 3. 17

En donde:

𝑀𝑚á𝑥 – Momento torsor máximo

𝜑 – Coeficiente de adherencia al camino

𝛼𝑚á𝑥 – Ángulo de inclinación máximo del camino

Y luego el resto de las velocidades se calculan como se especifica en la tabla siguiente


Tabla 3. 8 Cálculo de las marchas del automóvil.

Marcha Caja de Velocidades

De 3 escalones De 4 escalones De 5 escalones

1ra 𝑖𝐼 𝑖𝐼 𝑖𝐼

2da

3ra 1

4ta - 1

5ta - - 1

Momento torzor máximo

El momento torsor máximo en caso de no tenerse se puede calcular por la siguiente relación:

𝒆𝑴 =𝑴𝒎á𝒙

𝑴𝑵 Ecuación 3. 18

Donde 𝑒𝑀 es el índice de elasticidad del torque y toma valores para:

Motores de gasolina: 1,1÷1,3

Motores diesel: 1,05÷1,15

𝑴𝑵 = 𝟕𝟏𝟔, 𝟐𝑵𝒎á𝒙

𝒏𝑵 Ecuación 3. 19

Velocidades lineales de traslación del vehículo

Las velocidades para cada marcha se calculan por la siguiente expresión:

𝑽𝒎á𝒙 = 𝟎, 𝟑𝟕𝟕𝒓𝒌∙𝒏𝒗

𝒊𝒐∙𝒊𝑲 Ecuación 3. 20

Donde 𝑖𝐾 son los valores de trasmisión para cada marcha. Balance de potencia del vehículo

𝑵 ∙ 𝒎 = 𝑵𝒇 + 𝑵𝑾 Ecuación 3. 21

2. Características dinámicas

Las características dinámicas se calculan por las siguientes ecuaciones:

𝑫 =𝑷𝒌−𝑷𝑾

𝑮 Ecuación 3. 22

Ii3 2

Ii4 3

Ii

3Ii

4 2

Ii

4Ii


𝑷𝒌 =𝑴∙𝒊𝒐∙𝒊𝒌𝒏∙𝒎

𝒓𝒌 Ecuación 3. 23

𝑷𝒘 =𝑲∙𝑭∙𝑽𝟐

𝟏𝟑 Ecuación 3. 24

Consumo del automóvil por cada 100 Km. Variando la velocidad para cada marcha

y la potencia.

Kml

V

Ng

V

GQ eT

S 100...........

10

102

Ecuación 3. 25

Resultados: Curvas características

Gráfico 5 Consumo del automovil por cada 100 km

Se puede concluir que el consumo del combustible por el vehículo por 100 km de

recorrido aumenta con el aumento del consumo específico de combustible por el

motor, con el crecimiento de la magnitud de la potencia utilizada y disminuye con el

aumento de la velocidad.


Gráfico 6 Fuerza de Tracción del vehículo. Resistencia al movimiento

Gráfico 7 Balance de Potencia del vehículo original

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

-5.00 15.00 35.00 55.00 75.00 95.00 115.00

Pk

(kg)

Velocidad (km/h)

Fuerza de Tracción del vehículo. Resistencia al movimiento

Pk (1ra-Original)

Pk (2da-Original)

Pk (3ra-Original)

Pk (4ta-Original)

Pf+Pw

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

-5.00 15.00 35.00 55.00 75.00 95.00 115.00

Po

ten

cia

(CV

)

Velocidad (km/h)

Balance de Potencia del vehículo original

N1

N2

N3

N4


Conclusiones

Luego de realizar el estudio acerca del biogás se puede concluir que.

1 Se realizó un estudio bibliográfico aserca de la utilización del Biogás como un

combustible alternativo. Donde se definió lo que es biomasa asi como sus

principales propiedades y características. Con la realización del trabajo se

identificó los principales procesos de obtención de biogás.

2 La produccion de biogas diaria es de 3433 m3 obteniendose como resultado

una energía disponible de 20 MW.

3 Se determinó que el volumen total de la planta es de 12 250 m3 teniendo en

cuenta la mescla sólidos mas agua. Sabiendo q la planta puede contar con

varios biodigestores para la digestión anaerobia

4 Se obtuvo la cararcterística de carga al motor estacionario, pudiendose

verificar lo regímenes de trabajo más eficientes y económicos, lo cual resulta

útil para la selección de los motores y explotación de los motores en la

generación de potencia eléctrica.

5 A partir de la aplicación del procedimiento mostrado en la tesis se determinó,

para el caso del motor Jenbacher GS J420, se puede generar una potencia

eléctrica de 1410 kW y una potencia térmica de 751 kW con una posible

producción de vapor de1.037 kg/h.

6 Se obtuvo la cararcterística exterior de velocidad al motor Scania, pudiendose

verificar lo regímenes de trabajo más eficientes y económicos, lo cual resulta

útil para la selección de los motores y explotación de los motores en el sector

del transporte.

7 Al generar unos 1 410 kW de energía electrica a base de biogás el país se

ahorra unos 1.3 millones de dólares anuales y deja de consumir 22978 barriles

de petróleo anuales.


Recomendaciones

Con la realización de este proyecto se puede sugerir que:

1 Se deben realizar estudios que verifiquen los resultados teóricos obtenidos

mediante el modelo de funcionamiento del ciclo de trabajo, mediante un banco

de prueba.

2 Valorar de manera práctica el potencial térmico que podria obtenerse en caso

de montar sistemas de cogeneración.

3 Realizar un estudio de factivilidad financiera para diferentes cantidades de

cerdo para verificar la rentabilidad del uso de biogás con combustible

alternativos.

4 Realizar las curvas características de los motores ya sea característica exterior

de velocidad y característica de carga con los coeficientes reales para un

motor a Biogás

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 82

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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ZÚÑIGA, I. C. 2007. RE: Biodigestoes.

ANEXOS 84

ANEXOS

Anexo I Calor específico molar medio (µCV) a volumen constante para

diferentes gases (kJ/kmol ºC).

ANEXOS 85

Anexo II Energía interna (U) de diferentes gases (MJ/kmol)

utilización del biogás como combustible. municipio placetas

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