Reporte de Biomasa - Energías Renovables, Monografías, Ensayos de Energía y Medio Ambiente

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Tarea 1:

Reporte

Diseño de Proyectos de

Bioenergía

Thais Diosdado

Universidad Tecnológica del Suroeste de Guanajuato

Nombre de la Alumna:

Thais Adamari Diosdado García

Nombre del Profesor de la Materia:

ING. Carmen Mariana Romero Ramírez

Nombre de la Materia:

Diseño de Proyectos de Bioenergía

Nombre de la Carrera:

Ingeniería en Energías Renovables

Grado: 10º Grupo: “A”

Fecha de Entrega:

Lunes 07 de Octubre del 2022

Introducción

Un biodigestor es un contenedor sellado herméticamente al que entra estiércol, desperdicios de comida, rastrojos de siembra y materia orgánica, en general. Dentro del mismo ocurre un proceso de biodigestión anaerobio.

En la biodigestión anaerobia la materia prima se transforma en un biofertilizante, llamado biol, y también se produce biogás; mismo que puede utilizarse para tareas como cocción, calefacción y electrificación.

Ésta tecnología permite satisfacer diferentes necesidades: es una alternativa para el tratamiento de los residuos pecuarios que evita la contaminación de suelo y agua por la deposición inadecuada de las excretas; el biogás puede ser utilizado para cocción de alimentos, iluminación, calefacción, calentamiento de agua y producción de electricidad; y el biol como fertilizante y regenerador de suelos.

Existen biodigestores a pequeña y gran escala. Los más adecuados a nivel familiar son los biodigestores “modulares”, entre los que destacan los biodigestores “de bolsa”. Un biodigestor de bolsa es un sistema de flujo continuo en el que los desechos orgánicos ingresan por un extremo de la bolsa (reactor), la recorren en un tiempo de retención hidráulica determinado, y salen tratados como fertilizante orgánico por otro extremo, produciendo biogás en su recorrido.

¿Qué es Biomasa?

La biomasa es un tipo de energía renovable generada a partir de la combustión de materia orgánica, la cual se origina a partir de diferentes procesos que suceden en el día a día. Estos procesos pueden ser biológicos (restos de plantas), espontáneos (residuos de las podas de árboles) o provocados (excrementos de animales en ganaderías). Como recurso energético, la biomasa se puede clasificar en las siguientes categorías:

1) Biomasa Natural

Es aquella generada de forma espontánea en la naturaleza sin intervención humana. También, se incluyen los residuos que se generan a partir de la poda de un bosque. El uso de estos recursos requiere de gestión y de un medio de transporte que los lleve hasta el lugar destinado a convertirlos en energía, hecho que provoca que su uso no sea viable económicamente.

2) Biomasa Residual Seca

Es la que surge como resultado de ciertas actividades humanas. Esta clase de biomasa se subdivide en dos tipos:

 Biomasa Residual Seca

Se origina en las actividades agrícolas y forestales o en sus respectivas industrias, como los restos de las podas de frutales, el serrín, las cáscaras de frutos secos o la paja.

Generación Vía Seca

Es aquella que puede obtenerse en forma natural con un tenor de humedad menor al 60%, como la leña, paja, etc. Este tipo se presta mejor a ser utilizada energéticamente mediante procesos Termoquímicos o Fisicoquímicos, que producen directamente energía térmica o productos secundarios en la forma de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos.

 Gasificación

Consiste en la quema de biomasa (fundamentalmente residuos foresto-industriales) en presencia de oxígeno, en forma controlada, de manera de producir un gas combustible denominado “gas pobre” por su bajo contenido calórico en relación, por ejemplo, al gas natural (del orden de la cuarta parte). La gasificación se realiza en un recipiente cerrado, conocido por gasógeno, en el cual se introduce el combustible y una cantidad de aire menor a la que se requeriría para su combustión completa.

El gas pobre obtenido puede quemarse luego en un quemador para obtener energía térmica, en una caldera para producir vapor, o bien ser enfriado y acondicionado para su uso en un motor de combustión interna que produzca, a su vez, energía mecánica.

 Pirólisis

Proceso similar a la gasificación (a la cual en realidad incluye) por el cual se realiza una oxigenación parcial y controlada de la biomasa, para obtener como producto una combinación variable de combustibles sólidos (carbón vegetal), líquidos (efluentes piroleñosos) y gaseosos (gas pobre). Generalmente, el producto principal de la pirólisis es el carbón vegetal, considerándose a los líquidos y gases como subproductos del proceso.

La pirólisis con aprovechamiento pleno de subproductos tuvo su gran auge antes de la difusión masiva del petróleo, ya que constituía la única fuente de ciertas sustancias (ácido acético, metanol, etc.) que luego se produjeron por la vía petroquímica. Hoy en día, sólo la producción de carbón vegetal reviste importancia cuantitativa.

El carbón vegetal como combustible sólido presenta la ventaja frente a la biomasa que le dio origen, de tener un poder calórico mayor o, lo que es lo mismo, un peso menor para igual cantidad de energía, lo que permite un transporte más fácil. No obstante, debe hacerse notar que la carbonización representa una pérdida muy importante de la energía presente en la materia prima, ya que en el proceso consume gran cantidad de ella.

 Licuefacción

Se refiere a un método de transformación de biomasa lignocelulósica sólida en líquida, que comprende al menos las siguientes etapas: mezclar la biomasa molida en una solución que comprende al menos un líquido solvente y al menos un catalizador, elegido entre uno bien ácido o básico.

En una concentración de biomasa en el líquido solvente entre el 10% y el 50% en peso; someter la mezcla a una temperatura comprendida entre 260°C y 400°C, incluidos ambos límites, y a una presión seleccionada entre 30 bar y 80 bar, incluidos ambos límites, hasta producirse una fracción líquida y gases de reacción; poner en contacto la mezcla con un catalizador de desoxigenación, en el reactor de presión; retirar y enfriar la biomasa líquida, y separarla de los gases de reacción.

El tiempo de reacción una vez que se ha alcanzado la temperatura máxima está comprendido entre 10 segundos y 2 horas.

tiene el biogás. Para este equipo se supervisará el indicador de nivel para no sobrepasar la capacidad del tanque.

Cuarto Paso:

En esta etapa se disminuye la temperatura del gas, que viene del biodigestor cerca de 80°C, a una temperatura ambiente aproximada que permita la solubilidad del gas en la torre de lavado, ya que esta mejora a bajas temperaturas. El control del flujo del agua se hará con una válvula de bola con actuador eléctrico que realizará el cambio del porcentaje de apertura por medio de un software para tener la temperatura de salida del gas bajo los rangos permitidos.

Quinto Paso:

Es una etapa importante del sistema puesto que es el principal elemento para la mejora y limpieza del gas, y el control de las variables de presión, flujo y nivel son importantes en el sistema. Contempla los lazos 700, 800, 900 y 1000.

Sexto Paso:

En esta última etapa se hará control manual del nivel del agua, ya que este no requiere un control complejo. Cuando el nivel del agua supere los límites permitidos de condensado, su evacuación se puede realizar de manera compleja sin alterar el proceso de limpieza o poner el peligro al operario.

Extracción

De las plantas que tienen frutos aceitosos como las olivas, el maíz, girasol, etc., se pueden extraer sus aceites para utilizarlos como combustible. En algunos casos se procede al prensado en una almazara, como en el caso de las aceitunas:

En el caso de cereales oleaginosos, tras el molido se procede a disolver los aceites con benceno y otros disolventes que después se separan por decantación.

Digestión

La vía húmeda, consiste en utilizar ácidos, bases y agentes oxidantes, para asegurar la total destrucción de la materia orgánica y la vía seca, se fundamenta en procesos de calcinación en muflas, seguida de tratamiento con estas mismas sustancias. No obstante, estas técnicas requieren de un tiempo considerable de análisis y volúmenes elevados de ácidos, lo que contribuye a impactar negativamente al medio ambiente con emisiones de vapores y residuos tóxicos.

Por otra parte, se pueden presentar problemas de disolución incompleta, precipitación de analitos insolubles, contaminación de la muestra y perdida de elementos volátiles. Debido a estos inconvenientes, se han propuesto otros procedimientos para la preparación de muestras vegetales, como digestión asistida por microondas y ultrasonido, sin embargo, el equipo de la digestión asistida por microondas es costoso y limita su aplicación.

Fermentación

La fermentación es uno de los mecanismos de degradación de biomasa más frecuentes en la Naturaleza, por el que las moléculas orgánicas complejas son descompuestas en sus componentes energéticos individuales de forma espontánea por medio de microorganismos. Cuando la fermentación transcurre en condiciones rigurosas de ausencia de oxígeno (medio anaerobio) y se prolonga el tiempo necesario, da lugar a una mezcla de productos gaseosos (principalmente metano y dióxido de carbono), conocida como biogás y a una suspensión acuosa de materiales sólidos (lodo o fango), en la que se encuentran los componentes difíciles de degradar, junto con el nitrógeno, el fósforo y los elementos minerales inicialmente presentes en la biomasa. Este proceso es el que actualmente se suele denominar digestión anaerobia.

Variables de Control en el Proceso de Generación de Biogás

El proceso anaeróbico puede ser afectado por diversos factores que pueden influenciar (inhibir o acelerar) el proceso de biodigestión. Debido a que cada grupo de bacterias que intervienen en las distintas etapas del proceso responde en forma diferente a la influencia de esos factores, no es posible dar valores cualitativos precisos sobre el grado que cada uno de ellos afecta a la producción de biogás.

Como todo proceso biológico la digestión anaerobia se efectuará satisfactoriamente o no, dependiendo de las condiciones que se presenten en el biodigestor. Para posibilitar el adecuado desarrollo de los microorganismos que actúan sobre la materia orgánica es de gran importancia conocer los rangos de estos parámetros y en qué medida contribuyen o no al proceso de biodigestión.

A continuación se resumen los parámetros mínimos que hay que controlar para mantener un desarrollo óptimo del proceso de biodigestión:

 PH

El valor óptimo siempre debe estar en un pH neutro alrededor de 7,5. Las variaciones permisibles para que no ocurra una inhibición del proceso de biodigestión son de 6,8 a 7,6.

 Alcalinidad

Para asegurar la capacidad tampón y evitar la acidificación. Es recomendable una alcalinidad superior a 1,5 g/l CaCO3.

 Potencial

Redox con valores recomendables deben estar en el rango de -350 mV a -550 mV.

 Temperatura

La temperatura debe mantenerse en un rango con bajas variaciones entre 35-38 ºC. El valor óptimo esta alrededor de 37ºC. No deben ocurrir variaciones bruscas de temperatura. En los países de clima tropical generalmente siempre se pueden mantener estos rangos de temperatura. Las tasas de crecimiento y reacción aumentan conforme lo hace el rango de temperatura, pero también la sensibilidad a algunos inhibidores, como el amoníaco.

 Agitación

En función del tipo de sustrato es importante que el sistema de agitación opere las horas y en continuidad suficiente para que no se formen costras y se pueda garantizar una mezcla completa en todas las zonas del biodigestor. La potencia y número de agitadores debe estar de cuardo con el tipo de sustrato y volumen del biodigestor.

Para que el biodigestor pueda aprovechar al máximo la masa orgánica, el contenido en sólidos en las mezclas de alimentación debe ser del 10 % o menos. Contenidos de masa seca mayores al 10% pueden inhibir el proceso de biodigestion debido a que dificultan el proceso de agitación y el desarrollo de las bacterias productoras de metano.

 Carga orgánica volumétrica (COV)

Es la cantidad de materia orgánica alimentada al biodigestor por m3 y por día. El incremento en la COV implica una reducción en la producción de biogás por unidad de materia orgánica introducida, debiendo encontrarse un valor óptimo técnico/económico para cada instalación y residuo a aprovechar.

 Control de la relación FOS/TAC

El valor de esta relación tiene que estar alrededor de 0,40.

parte del material salga en el efluente sin haberse degradado completamente. Existen dos tipos esenciales de estos biodigestores:

 Modelo Chino

Es una estructura cerrada de cemento armado o ladrillos, que puede llegar a tener unos 15 años de vida útil. Cuenta con cámaras de carga y descarga. Necesita un gasómetro para contener el volumen de gas generado.

 Modelo Indio

Tiene una campana que sube y baja dependiendo del volumen de gas generado. Su principal ventaja es que no necesita un gasómetro, ya que el gas se mantiene a una presión relativamente constante en el interior.

Biodigestores Discontinuos

Se trata de contenedores cerrados en los que el proceso de biodegradación de los residuos no finaliza hasta que no se ha producido todo el biogás posible. Una de sus ventajas es que pueden contener una gran carga de materiales requiriendo poca agua. Por lo tanto, se aplican especialmente en residuos muy sólidos, como los del ganado vacuno con lecho de paja.

En este caso, la relación entre la producción de biogás y los biodigestores se marca con una evolución temporal paralela al crecimiento de los microorganismos que se producen. Es decir, poseen un tiempo de digestión de las sustancias, pero no de retención. Hay que tener en cuenta que, para optimizar la producción de biogás, es necesario contar con diversos reactores que se pongan en funcionamiento de manera intercalada a lo largo del tiempo.

Conclusión

El rendimiento de un biodigestor está ligado principalmente a la estructura de la comunidad microbiana presente en el mismo. Además, la producción de metano tiene un límite que depende también de la naturaleza de la materia dispuesta en el sistema digestor.

Sin embargo, mediante la manipulación de los factores químicos, físicos y biológicos presentados en esta revisión, se puede adaptar, de un modo sencillo, la producción de biogás a la demanda actual de energía. Entre estos factores cabe resaltar los que resultan de bajo costo, como por ejemplo la combinación de sustratos, la adición de grasas, la separación de los sólidos y la inoculación de los biodigestores con microorganismos metanogénicos.

La utilización de biodigestores ofrece grandes ventajas para el tratamiento de los desechos orgánicos, además de disminuir la carga contaminante de los mismos, extrae gran parte de la energía contenida en el material mejorando su valor fertilizante controlando, de manera considerable, los malos olores.