Hombre, Ciencia y Tecnología ISSN: 1028-0871 Vol. 26, No. 3, jul-sept, p.110-118, 2022
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Factores que determinan la factibilidad técnica y económica de la generación de
electricidad con biogás
Determining factors in the technical and economic feasibility of electricity generation
through biogas
Autores:
M.Sc. Gustavo E. Fernández-Salva
1
, https://orcid.org/0000-0001-7425-8571
Dr.CT. Luis J. García-Faure
2
,
https://orcid.org/0000-0003-1237-3915
Dr.CT. Lorenzo Enríquez-García
3
, https://orcid.org/0000-0001-7300-8204
M.Sc. Robuam Peña-Domínguez
1
, https://orcid.org/0000-0002-6348-0123
M. Sc. Ramon Mustelier-Pardo
4
, https://orcid.org/0000-0002-9868-7634
Organismo:
1
Universidad de Guantánamo, Cuba.
2
Universidad de Oriente, Santiago de
Cuba, Cuba.
3
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Ingeniería Eléctrica,
Riobamba, Ecuador.
4
Copextel S. A. Guantánamo. Cuba.
E-mail: gfsalva2021@gmail.com, lorenzeniquez@yahoo.com, robuam@cug.co.cu,
lgarcia@uo.edu.cu, rmustelier@elecgtm.une.cu
Fecha de recibido: 18 abr. 2022
Fecha de aprobado: 15 jun. 2022
Resumen
En este trabajo se demuestra que cuando se
proyecta generar electricidad con un
combustible diferente de aquél para el cual
fue diseñado el motor, deben tenerse en
cuenta los factores técnicos y económicos
que permitan adaptarlo al nuevo combustible,
ha sido el resultado de estudios realizados a
proyectos que han fracasado por no tomar en
cuenta estos factores. Las propiedades
físicas y químicas del combustible determinan
los cambios que hay que efectuar en el
sistema de alimentación, de avance del
encendido, el lubricante utilizado y otros. Se
demuestra también, que la cantidad de
biomasa bruta consumida está en función de
la relación de conversión kg de biogás/ton
biomasa, esto debe tenerse en cuenta para
determinar la disponibilidad del recurso y su
costo. Se precisan las variables de
sensibilidad que deben ser controladas para
aprovechar las oportunidades que ofrece la
utilización del biogás y garantizar la
sostenibilidad económica de los proyectos.
Palabras clave: Biogás; Valor calórico;
Relación de conversión; Factibilidad tecno-
económica; Variables de sensibilidad
Abstract
This work demonstrates the need of taking
into consideration the technical and economic
factors that allow to generate electricity with a
fuel different from the one for which the engine
was designed. This has been the result of
studies carried out on projects which have
failed because these factors were forgotten.
The physical and chemical properties of the
fuel determine the changes to be made in the
feeding system, the ignition advance, the
lubricant used and others. It is also shown that
the amount of raw biomass consumed is a
function of the conversion ratio kg biogas/ton
biomass, which must be taken into account to
determine the availability of the resource and
its cost. The sensitivity variables that must be
controlled to take advantage of the
opportunities offered by the use of biogas and
to guarantee the economic sustainability of
the projects are specified.
Keywords: Biogas; Calorific value;
Conversion ratio; Techno-economic
feasibility; Sensitivity variables
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Introducción
En reiteradas ocasiones, se ha estudiado la posibilidad de utilizar otros combustibles diferentes
de los derivados del petróleo para la explotación de los motores de combustión interna. Las
Primera y Segunda Guerras Mundiales fueron testigo de esto. Muchos países importadores de
petróleo se vieron en la necesidad de investigar y desarrollar combustibles alternativos; otros
han mantenido una línea consecuente con el desarrollo de biocombustibles, como Brasil, que
desde finales de la década de los 60 del pasado siglo, ha venido sustituyendo gran parte de la
gasolina que utiliza por alcohol de caña y ha desarrollado diseños de motores apropiados para
su utilización. En la actualidad, la generalización del uso de los biocombustibles tiene mayor
relevancia estratégica por lo inevitable del agotamiento gradual del petróleo, su elevado costo
e impacto sobre el medio ambiente.
En la naturaleza existen innumerables sustancias que por acción natural, por efecto del trabajo
del hombre, o por los residuos de sus producciones, pueden ser utilizadas para la obtención
de biocombustibles líquidos o gaseosos, tales como los biodiesel, obtenidos a partir de
mezclas de alcoholes con aceites vegetales o animales; los gases de la pirolisis de los residuos
de maderas, carbón vegetal y otros; el biogás, que se obtiene por la descomposición
anaeróbica de diferentes sustancias orgánicas, etcétera [Cuesta, Villa, 2015].
Cuando se proyectan los motores de combustión interna, un parámetro determinante en el tipo
de combustible a utilizar es la relación de compresión, ya que de ella depende la forma y
efectividad con que se produce la combustión. En los motores diésel, se exigen altos valores
de relación de compresión (12-20), porque el combustible sólo debe comenzar la combustión
cuando se alcanza la temperatura requerida al final de la compresión. En los motores de
carburación la combustión debe comenzar mediante una chispa, por lo que el combustible
puede tener menor temperatura de inflamación. Existen otros factores, como el ángulo de
avance de la inyección, el número de revoluciones del motor, el diseño de la cámara de
combustión y otros, que ejercen una notable influencia en las propiedades físico-química del
combustible utilizado.
Utilización de combustibles gaseosos en motores Diésel
De estudios previos realizados, se ha podido precisar, que en general, las propiedades de los
combustibles gaseosos permiten que éstos puedan ser utilizados como sustitutos del
combustible en los motores diésel y de carburación mediante el adecuado ajuste del ángulo
de avance de la inyección, sin embargo para llevar a cabo la sustitución hay que tener
presente determinadas propiedades del combustible y del proceso de combustión que
determinan ciertas restricciones desde el punto de vista de la alimentación que influyen en la
potencia y eficiencia del motor.
Materiales y métodos
Se aplican los fundamentos teóricos de los sistemas de alimentación y combustión de los
motores cuando son alimentados con gas, se presenta la metodología para el cálculo del
consumo de biomasa y el costo total para sustituir el combustible original, se plantean las
oportunidades que ofrece el biogás que deben ser aprovechadas para garantizar la
sostenibilidad de los proyectos. Fue desarrollado un software para facilitar la toma de
decisiones.
Relación de sustitución del combustible
En general, los combustibles gaseosos con excepción de algunos derivados del petróleo y el
Hidrógeno, poseen menor poder calórico que el combustible diésel, como se muestra en la
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tabla 1. Luego, la masa de gas que debe introducirse al motor para que sustituya al combustible
diésel y equivalente energía generada, está dada por:
gasdelcalóricopoder
dieseldelcalóricopoder
dieseldekggasdekg
(1)
Si se toma como ejemplo, un combustible diésel con poder calórico promedio de 45 MJ/kg, y
el combustible gaseoso a utilizar es biogás con valor calórico de 20 MJ/kg, la relación de
sustitución está dada por:
Debe sustituirse cada kg de combustible diésel por 2,5 kg de biogás.
En la tabla 1 se relacionan los poderes calóricos medio de los principales combustibles
gaseosos, obtenidos a partir de su composición molecular mediante la ecuación de
Mendeléiev. [Maslo, Jovav, 2002
)9(51,2)(86,1034,12584,33 WHSOHCVCB
MJ/kg (2)
Tabla 1 Poder calórico de los gases combustibles
Gases
V.C.B. MJ/kg
Kg gas/kg Diesel
Diésel
42-45
1
Hidrógeno
125
0.36
Monóxido de Carbono
6
7
Metano
51
0,82
Propano
50
0,84
Butano
49
1,17
Bio gas 40% CO
2
14-16
3
Bio gas 60 % CO
2
18-22
2.25
Se observa, que los combustibles de menor valor calórico requieren mayor masa para
compensar el valor calórico del combustible sustituido y viceversa
Relación aire/combustible
Si el combustible líquido se sustituye por uno gaseoso como el biogás, el problema presenta
mayor grado de complejidad; se demuestra que para generar la misma energía, la relación
entre la masa (y el volumen) del nuevo combustible con respecto al que se va a sustituir está
en relación inversa de los valore calóricos de estos, lo cual trae como consecuencia que el
volumen de la mezcla aire-biogás sea mucho mayor que el volumen de aire solo que succiona
el motor de inyección y de la mezcla aire-gasolina en el de carburación; y como a revoluciones
constantes el volumen de desplazamiento del motor es fijo, el biogás debe entrar
sobrealimentado.
5,2
20
45
dieseldekg
biogásdekg
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Para que se produzca la combustión, el combustible debe reaccionar con una proporción
definida de oxígeno. El oxígeno para la combustión se toma del aire, del cual le corresponde
el 23%, por lo que la relación se establece entre la masa de aire requerida y la masa de
combustible (kg de aire/kg de combustible). Siempre es conveniente, que exista un exceso de
aire para garantizar que todas las moléculas de combustible se puedan combinar con el
oxígeno del aire. En los motores diésel trabajando a plena carga, se suele tomar de un 20 a
30% de exceso de aire. Si el combustible posee en su composición oxígeno, éste hace
disminuir la cantidad de aire necesario para la combustión, lo cual es una ventaja de algunos
gases desde el punto de vista de la alimentación. Tomando como referencia un combustible
diésel cuya composición elemental es: 87 % de C, 12,6 % de H y 0,4 % de O, la relación de
aire/combustible teórica es de: 14,45 kg de aire/kg de combustible. En la tabla 2 se presenta
la relación aire-combustible con un coeficiente de exceso de aire del 30 % para los principales
gases combustibles.
Tabla 2. Relación aire combustible
Combustible
Kg de aire/kg de comb. =1,3
Diesel
≈ 19
Hidrógeno
≈ 45
Monóxido de carbono
3,21
Metano
22,61
Propano
20,54
Butano
20,28
Biogás 40 % de metano
≈ 9
Biogás 60 % de metano
≈14
Se puede observar, que el monóxido de carbono (CO), es el que menos aire requiere para la
combustión porque contiene oxígeno en su composición, lo cual es una ventaja, pues es el
que menor poder calórico posee y por tanto, debe entrar mayor masa de gas al motor. El
hidrógeno, por el contrario, es el de mayor poder calórico, pero para su combustión debe
agregarse una mayor masa de aire.
Volumen de mezcla succionada por el motor diésel
En el motor diésel no existen dispositivos para alterar la cantidad de aire admitido al cilindro.
Por consiguiente, a revoluciones constantes, las resistencias en el sistema de admisión
permanecen invariables y la variación de la carga se obtiene mediante el enriquecimiento o
empobrecimiento de la mezcla por la cantidad de combustible inyectado al final de la
compresión. La masa de aire que entra al cilindro para determinada potencia y número de
revoluciones está dada por el volumen de desplazamiento efectivo del émbolo y la densidad
del aire dentro del cilindro.
)3(
3
/mkg
aire
efectivoentoimdesplazadeVolumensuccionadoairedemasa
A la presión atmosférica, las densidades del aire y del biogás son muy próximas, de alrededor
de 1,2 kg/m
3
, por tanto, si el motor diésel succiona 19 kg de aire para combustionar 1 kg de
diésel, para generar la misma energía con la mezcla de aire-biogás de valor calórico de 20
MJ/kg, la masa de mezcla para una relación de conversión de 2,25 será de:
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Resultados y discusión
Resumen parcial 1
Para generar la misma energía con la mezcla aire-biogás que, con el combustible diésel, la
masa de la mezcla (y por tanto del volumen) debe ser 1,78 veces superior. Como el volumen
de desplazamiento del motor es fijo para un número de revoluciones dadas, si la succión se
produce a la presión atmosférica, el motor experimenta una reducción de potencia de
aproximadamente el 43%.
Se concluye, que para lograr obtener la misma potencia que con el diésel, la masa de aire-
biogás debe entrar sobre alimentada con una relación de presiones de R
p
=1,78
En la figura 1 se presenta el dispositivo diseñado para la alimentación de la mezcla a presión
en el proyecto Magueyal del municipio San Luis, provincia Santiago de Cuba.
Figura 1. Dispositivo para la alimentación de la mezcla aire-biogás a presión (Fuente de los autores)
Factor económico
Este es un importante factor que en ocasiones no se le presta la atención que merece porque
se piensa que la biomasa es gratis por ser un residuo, sin embargo, tiene gran incidencia en
la sostenibilidad del proyecto y su rentabilidad económica.
Aunque existen muchos residuos de biomasa con las que se puede obtener biogás, las más
utilizadas por su rendimiento son las excretas de algunos animales, algunos residuos de
cosechas en descomposición y las aguas residuales. El biogás es un combustible gaseoso
que se obtiene como resultado de las reacciones anaeróbicas de la biomasa con el agua en
determinadas condiciones de concentración, temperatura y PH. El tiempo de conversión total
puede oscilar entre 28 y 32 días, el cual puede ser acelerado por la presencia de algunos
catalizadores.
La relación de conversión de la biomasa bruta en biogás está en dependencia del tipo de
biomasa, siendo las de mayor rendimiento las que se presentan en la tabla 3 junto con las
relaciones de conversión y la disponibilidad diaria por animal [ FAO, PNUD, 2011]
Tabla 3. Relación de conversión de las biomasas
Tipo de residuo de
biomasa
Relación de conversión
(kg de biogás/Ton. de biomasa)
Disponibilidad diaria
(Kg/día)
Excreta vacuna
40
10
Excreta porcina
60
2,25
Excreta avícola
80
0,18
Excreta equina
40
10
Excreta caprina
50
2
Excreta humana
60
0,4
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Mediante un cálculo elemental se puede determinar la cantidad de biomasa y su costo para
sustituir el combustible diésel, Si se toma como referencia la biomasa vacuna para producir
biogás con valor calórico de 20 MJ/kg.
1 ton de biomasa = 40 kg de biogás
Como el factor de conversión kg de biogás/kg de diésel es de 2,25
Entonces, con una tonelada de excreta ovina se pueden sustituir:
Abundando en el ejemplo del biogás de 20 MJ/kg de valor calórico, para producir 80 kWh/día
con un motor diésel cuyo consumo específico es de 200 g/kWh, El consumo específico con
biogás sería de:
Consumo específico con biogás= 2,25*200= 450 g/kWh
Que para los 80 kWh/días representa un consumo de biogás de:
80 kWh/día*0,450 kg/kWh =36 kg/día de biogás, es decir casi una tonelada de biomasa bruta
Resumen parcial 2
De lo anterior se puede concluir que: para sustituir 18 kg de diésel de valor calórico 45 MJ/kg,
son necesarios 40 kg de biogás con valor calórico de 20 MJ/kg que se obtienen con una
tonelada de biomasa de excreta vacuna.
Si cada animal del ganado vacuno produce como promedio diario 10 kg de excreta, entonces
serán necesarios 100 animales para producir 18 kg equivalentes de diésel [Vera y otros,
2014,2015].
Costo máximo de la biomasa
La biomasa bruta debe ser recolectada, transportada y preparada, por tanto tiene un costo, Si
el único interés del uso de la biomasa fuera sustituir el combustible diésel, entonces el costo
máximo permitido a la biomasa sería el costo del combustible a sustituir, por ejemplo, si el
costo del diésel es de 1 $/kg (un kg de diesel≈1,1 litro), con una tonelada de biomasa se pueden
sustituir 18 kg de diésel, entonces el costo total máximo de la biomasa no puede ser superior
a $18, que al cambio oficial de 24x1 serían unos 432 cup. En la figura 2 se presentan los
costos máximos de la biomasa bruta para tres valores calóricos diferentes del biogás en
dependencia del costo del diésel.
Figura 2. Costo del biogás relativo al diésel
(Elaborada por los autores)
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Otros factores adversos a considerar
Además del costo de la biomasa, en la rentabilidad económica del proyecto hay otros factores
económicos adversos, tales como el costo inicial de la inversión, el cual además del grupo
electrógeno lleva necesariamente la construcción de los digestores, que en el caso de la
generación de electricidad deben tener grandes volúmenes de almacenamiento, luego la
compresión, filtrado y almacenamiento del biogás. En la figura 3 se presentan los elementos
utilizados en el proyecto de Magueyal.
Figura 3. Otros componentes del proyecto de electrificación con biogás
Oportunidades que deben aprovecharse
A pesar de las dificultades anteriores que presenta la generación de electricidad con biogás y
que hay que tomar muy en serio, este posee muchas oportunidades que deben ser
aprovechadas para hacer rentable el proyecto.
1. Mediante la digestión anaeróbica los microorganismos transforman el carbono, el hidrógeno
y el oxígeno de la biomasa en metano, monóxido de carbono e Hidrógeno libre que son los
componentes energéticos de la biomasa, pero quedan los componentes ricos en minerales
como los compuestos de fósforo y nitrógeno, que son muy apreciados como abonos
orgánicos [Cepero y otros, 2012]. La venta de estos abonos puede disminuir el costo de la
biomasa bruta.
2. El metano que se forma por la descomposición natural en los campos tiene una gran
incidencia en el calentamiento global, su poder es 21 a 23 veces superior al del CO
2
por lo
que su utilización en forma de biogás constituye un notable aporte a la protección del medio
ambiente; también disminuye la emisión de óxidos de nitrógeno [Pino y otros, 2012] . Esto
puede argumentarse para lograr proyectos financiados con bajas tasas de interés y para
obtener bonificaciones de organismos internacionales por la disminución de emanaciones
de gases a la atmósfera.
3. Es importante también destacar, que mediante la recolección de las excretas o la utilización
de las aguas residuales, sobre todo de la industria cárnica, lagunas de oxidación y otras, se
hace un importante aporte a la higiene, que también tiene un costo y debe ser contabilizado
[ ].
En todos los casos, debe hacerse el estudio integral de factibilidad económica mediante los
criterios de evaluación financiera más conocidos tales como el VAN, el COE, el TIR u otros
[Blank, L, 2002]. Por ejemplo, el VAN:
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- 130 -
+
El proyectista puede incidir en el costo del combustible (C
comb
) haciendo bajar el costo de la
biomasa como se dijo anteriormente, también puede aumentar la rentabilidad mediante otros
ingresos (O
I
) por la venta de fertilizantes, el cobro de tasas internacionales por la disminución
de emisiones de CH
4
y NO
x
a la atmósfera, puede también negociar tasas de interés que hagan
rentable el proyecto.
Conclusiones
Resulta imposible hacer un cálculo económico de resultados, pues cada caso debe analizarse
por separado. El objetivo de este trabajo es dar a conocer los factores que deben tenerse en
cuenta para lograr que el proyecto sea factible técnicamente y tenga sostenibilidad económica.
No existe nada de magia en el biogás, pero debe tenerse presente que para el caso de la
generación de electricidad debe hacerse el cálculo del consumo y la disponibilidad de la
biomasa.
Recomendaciones
No se tiene información exacta sobre el rendimiento y composición del “lodo” que queda al
final del proceso anaeróbico para la producción de biogás, solo se conoce que es rico en
compuestos de fosforo, nitrógeno y azufre. Por la importancia que representa para su uso
como abono orgánico y con ello disminuir los gastos de producción, se recomienda que se
realicen las investigaciones correspondientes en este sentido.
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