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El biogas para la generación de electricidad.

El biogas puede ser utilizado como combustible para motores diesel y a gasolina, a partir de los cuales se puede producir energía eléctrica por medio de un generador. En el caso de los motores diesel, el biogas puede reemplazar hasta el 80% del acpm (la baja capacidad de ignición del biogas no permite reemplazar la totalidad del acpm en este tipo de motores que carecen de bujía para la combustión). Aunque en los motores a gasolina el biogas puede reemplazar la totalidad de la misma, en general en los proyectos a nivel agropecuario se le ha dado preferencia a los motores diesel considerando que se trata de un motor más resistente y que se encuentra con mayor frecuencia en el medio rural.

Durante el primer semestre de 1997 CIPAV dio inicio a un proyecto para la utilización del biogas como reemplazo del combustible diesel (acpm) en motores diesel para generación eléctrica.

El trabajo se ha llevado a cabo en la Granja Pozo Verde (llamada anteriormente Arizona), localizada en el municipio de Jamundí, departamento del Valle del Cauca, a 1000 metros sobre el nivel del mar, con temperatura promedio de 24 oC. La granja Pozo Verde se dedica a la producción pecuaria, integrando la producción bovina (leche y carne), porcina y avícola. A continuación se presentan los detalles de las actividades realizadas hasta el momento dentro del proyecto biogas-electricidad.

Biodigestores.

Para la producción del biogas, se instalaron 2 biodigestores plásticos de 1.25 metros de diámetro y de 14 y 25 metros de longitud. Los biodigestores se colocaron uno a continuación del otro, conectados por medio de una caja de cemento; la capacidad total de ambos es de 48 m3.

Los biodigestores se encuentran en la cercanía de las porquerizas de la granja . El estiércol de las cerdas y el agua de lavado de las cocheras son conducidos por gravedad hacia ellos.

Conducción del biogas.

Cada biodigestor esta equipado con un orificio para la salida del biogas. Ambas salidas se unieron por medio de tubería de PVC y a partir de este punto se instaló una tubería de Agrotubo de 1.5 pulgadas de diámetro y 150 m de longitud para conducir el biogas hasta un reservorio localizado en un mezanine situado encima de los motores a utilizar.

Reservorio

Como reservorio se instaló una bolsa del mismo material plástico de los biodigestores, de 2.5 m de diámetro y 10 m de longitud, para una capacidad de almacenamiento de 49 m3.

Motores – generadores.

A partir del reservorio, el biogas es conducido por tubería de Agrotubo hacia los motores. Se realizaron los ajustes necesarios para que el biogas ingrese al interior del filtro de aire, de tal manera que el motor al aspirar el aire que requiere para la combustión del acpm, aspira una mezcla de biogas-aire.

Los trabajos se han llevado a cabo utilizando 2 motores diesel:

Blackstone, 3 pistones, 100 kW de potencia (135 HP), 600 r.p.m., acoplado a generador eléctrico de 92 kW.
Perkins, 6 pistones, 74 kW de potencia (100 HP), 1800 r.p.m., acoplado a generador eléctrico de 63 kW.

Medidor de consumo de combustible.

Para la realización de las pruebas se diseñó y construyó un medidor de acpm, utilizando un tubo de PVC de 6" de diámetro y 1.5 m de altura, al cual se le conectó en su parte externa, una manguera plástica transparente que permite apreciar el cambio en el nivel interno de acpm.

Filtro para la captación del sulfuro de hidrógeno en el biogas.

En el biogas se encuentran cantidades variables de sulfuro de hidrógeno (H2S), también denominado ácido sulfídrico. El H2S al reaccionar con agua se convierte en ácido sulfúrico (H2SO4) el cual es altamente corrosivo y puede ocasionar graves daños en el motor. Con el fin de eliminar o disminuir el porcentaje de H2S en el biogas se emplean sistemas de filtro con sustancias como cal viva o pagada, limadura de hierro o ciertos tipos de tierras conocidas como hematites parda o limonita, las cuales son ricas en sustancias ferrosas (Muche y Zimmermann 1985).

Con el fin de determinar el contenido de H2S en el biogas de la granja Pozo Verde, se realizaron dos mediciones, utilizando para ello el Tubo de control Dräger CH28101. Los resultados de estas mediciones han sido de 0.125 y 0.176% de H2S en el biogas. Aunque en la literatura se encuentran grandes variaciones en los valores considerados mínimos permisibles de H2S para la utilización del biogas en motores, en el presente trabajo se consideró como mínimo permisible la cifra de 0.15% (volumen) reportada por Mitzlaff (1988) y se decidió colocar un filtro.

El filtro se instaló en la línea de conducción biodigestor-reservorio, a 3 metros de la entrada a este último. Como sistema de filtro se utilizó un tubo de PVC de 6 pulgadas de diámetro y 2 metros de altura el cual se rellenó en 2/3 partes con limadura de hierro y el tercio restante con esponjilla de hierro (Bonbril MR) utilizada para la limpieza doméstica de utensilios de cocina. El biogas ingresa por la parte inferior del filtro y lo abandona por su parte superior. El H2S es atrapado por el material ferroso formándose sulfuro de hierro.

Ensayos
Para la evaluación del nivel de reemplazo de acpm, las pruebas se llevaron a cabo de la siguiente manera:

Durante 30 minutos se determina el consumo de acpm con el motor alimentado únicamente con acpm.
Se abre la válvula para permitir que el motor sea alimentado con biogas-acpm.
Tratando de mantener una carga estable, se determina el consumo de acpm en el sistema biogas-acpm durante 30 minutos .
En ambos casos se realizan mediciones del consumo de acpm y de la potencia generada cada 5 minutos.
Los datos obtenidos de esta manera nos permiten determinar el consumo de acpm de cada motor bajo el sistema biogas-acpm y compararlo con solo-acpm.
Resultados
Los resultados obtenidos hasta el momento indican un nivel de sustitución del acpm de 47% para el motor Blackstone y de 67% para el motor Perkins (en otras palabras, el consumo de acpm en el sistema biogas-acpm es de 53% y 33% para los motores Blackstone y Perkins respectivamente, al compararse con el sistema solo-acpm).

Consumo de acpm litros/ kWh

Motor Perkins
Motor Blackstone

Solo acpm Biogas-acpm Solo acpm Biogas-acpm
0.285 0.094 0.380 0.200

Los resultados permiten apreciar que el consumo de acpm/kWh por parte del motor Blackstone es mucho mayor que el del Perkins. Dos factores pueden explicar este resultado:

El motor Perkins se evaluó en un rango de generación entre 36 y 46 kW (70 por ciento de su potencia nominal). El motor Blackstone entre 36 y 43 kW (45 por ciento de su potencia nominal). En un motor que trabaja a media carga o menos (como sucedió en el caso del Blackstone) , el consumo de acpm/kWh es mayor.
El motor Blackstone es un motor mucho más antiguo (aproximadamente 1936; Perkins 1980) y de un volumen mucho mayor. Los motores antiguos presentan eficiencias inferiores a la de los modelos más modernos.
Evaluación económica
En la Tabla 1 se presentan los resultados de la evaluación económica de la utilización del biogas en el motor Perkins, considerando un nivel de sustitución del acpm del 60% y 4 horas diarias de generación de electricidad.

La utilización del biogas significa una reducción del 40% en el costo por kWh ($104 vs 174.4) al compararse con el costo del kWh suministrado por la empresa que presta el servicio en la región (EPSA, Empresa de Energía del Pacífico S.A.)

Debe tenerse en cuenta que la capacidad de los biodigestores utilizados para el presente estudio (48 m3 de capacidad) no es suficiente para generar el gas que se consumirá en 4 horas diarias de trabajo de los motores. En las condiciones aquí consideradas (60% sustitución acpm, 160 kWh/ día) se requerirá de un biodigestor de aproximadamente 240 m3 de capacidad.

En esta evaluación no se tiene en cuenta el costo del biodigestor pues se considera que su instalación es un requisito para la descontaminación de las aguas sucias.