Categoría:Biogás

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Generalidades sobre el biogás[edit]

El biogás es un gas producido por bacterias mediante un proceso biológico de fermentación o digestión anaeróbica (sin aire) de compuestos orgánicos biodegradables. Se compone principalmente de metano y de dióxido de carbono.

Historia del biogás[edit]

Biogás se compone de dos palabras: bio (elemento prefijal y sufijal de origen griego - βιος - que significa vida) y gas; es decir un gas generado naturalmente, o el gas “de seres vivos”. Aunque existan gases más comunes que conozcamos y generados gracias a la vida, como el oxígeno producido por seres vivos que poseen clorofila (plantas y algas), como también el dióxido de carbono producto de la oxidación de un compuesto orgánico en el proceso de la respiración, el biogás designa únicamente a este gas compuesto principalmente de dióxido de carbono y de metano.

Tal vez el origen de su nombre se deba a la historia del gas natural, que en su mayor composición es también metano, utilizado por los pueblos chinos y persas hace miles de años como fuente de calor.

No obstante, siglos después se descubre “algún gas” combustible burbujeando debido a un fenómeno natural desconocido que fue descubierto por Shirley en 1667. Era más conocido como gas de pantano debido a su presencia abundante en el fondo de las aguas quietas, cargadas de material orgánico. Este gas tenía características similares al gas natural. Y de noche oscura, también se podría observar a menudo su actividad fenomenal y extraña, en los cementerios… (el fuego fatuo)

En el año 1776, el científico italiano Volta descubre que el principal compuesto del gas natural era metano. Y solo 100 años después se descubre el origen microbiológico de la formación de metano, pudiendo relacionarlo con el gas de pantano, cuando en el año 1887 el científico Hoppe-Seyler logra comprobar la formación de metano a partir de acetato; lo mismo hizo Omelianski en 1886 con guano de vacas. Evidenciada la relación entre este gas combustible y los microorganismos, podemos imaginar que se le asigne el nombre de biogás.

Es en 1888 que Ulysse Gayon (alumno de Louis Pasteur) en sus trabajos investigativos sobre la fermentación, concluye que este gas producido por la fermentación podría ser una fuente de energía para calentar y alumbrar.

Luego Soehngen descubre en 1906 la formación de metano a partir de hidrógeno y dióxido de carbono, describiendo los primeros dos organismos que participaban en la formación de metano. En 1920 Imhoff puso en práctica el primer biodigestor en Alemania.

Posteriormente a la segunda Guerra mundial (años 50 y 60), muchas experiencias y desarrollos a nivel industrial y agrícola fueron realizados, y relanzados después de la crisis del petróleo en 1973.

Hoy en día, numerosos reactores en escala pequeña como industriales están en explotación en todo el mundo, tanto como solución para la producción u oportunidad para la recolección de biogás (Rellenos Sanitarios), como también para la inertización de los desechos orgánicos generados por la industria agronómica, la crianza, el cultivo, o las plantas de tratamiento de aguas servidas (lodos).

Composición del biogás[edit]

La composición del biogás es variable y depende de varios factores que son: el sustrato, la calidad, eficiencia o etapa de la digestión, y finalmente la composición del agua combinada con la materia orgánica.

Los componentes del biogás son:

  • CH4: 50 a 80%
  • CO2: 25 a 40%
  • N2: 2 a 7%
  • H2: 1 a 5%
  • H2Ovapor: 1 a 4% (según la temperatura del biogás húmedo)
  • H2S: 50 a 10.000 ppm (más concentrado este gas inhibe la biodigestión)
  • O2: 0 a 3% (en rellenos sanitarios . Un valor superior implica riesgos en la operación)
  • NH4: 0 a 1% (ligado a la presencia de proteínas en el sustrato)
  • Siloxanos: unos ppm (problemáticos para los motores a cobustión interna)
  • Gases orgánicos: Trazas.

Características físicas[edit]

El biogás al ser un compuestos de distintos gases qui tienen características físicas diferentes, su característica (global) corresponde a la sumatoria de la de cada uno que lo compone, ponderado por su respectiva concentración. Bajo este concepto, si el componente Ci en su condición de pureza tiene una característica física Φc,i, y que su concentración en el biogás es de [Ci], entonces la característica física global para el biogás es:

Φbiogás =∑i=1→n { Φc,i x [Ci] }

Lo anterior es válido para la mayoría de las propiedades con la excepción de las que no son combinables entre sí (punto de congelación, punto de ebullición...)

Las características físicas relevantes indicadas a continuación se presentan por tanto para el rango de composición en metano: 80 a 50% CH4. (los valores indicados correspondiendo a las extremidades del rango)

  • Densidad absoluta 0,93 a 1,3 kg/Nm3
  • Densidad relativa 0,8 a 1,1 (en el aire)
  • Capacidad calórica 1,24 a 1,72 kJ/kg.ºK
  • PCI = 9,94 x %CH4 kWh/Nm3
  • Viscosidad dinámica = (1,12x%CH4 + 1,5x%CO2) 10-5 kg/m.s (Pa.s) (Viscosidad aproximada a 1 atm y 30ºC, desconsiderando los demás gases en concentración menor)
  • Incoloro
  • Tóxico en presencia de H2S (fuerte olor a huevo podrido)
  • Asfixiante debido a la ausencia de O2
  • Inflamable por contener metano (Límites de explosividad: LIE = 5% - LSE = 15%).

Componentes peligrosos[edit]

Los componentes peligrosos presentes en el biogás son: Metano (CH4) por su explosividad, Dioxido de carbono (CO2) ya que al desplazar el oxígeno es asfixiante, Acido sulfídrico (H2S) por su toxicidad.

Es difícil encontrar en la literatura una ficha de seguridad especial para el biogás puesto que su peligrosidad depende de la concentración de los respectivos componentes peligrosos. No obstante, se indican las fichas de seguridad siguientes:

Usos del biogás[edit]

El biogás puede ser utilizado acorde a las cualidades de sus dos principales componentes, el metano por su poder calorífico, y el dióxido de carbono como sustrato gaseoso en la fotosíntesis de plantas cultivadas en la agroindustria o para su reconversión en metano.

Calor[edit]

Si bien la incineración del biogás en antorchas produce calor, tal aplicación no se considera como un uso del biogás, sino más bien como una disposición final obligatoria (destrucción) sin aprovechamiento, con el fin de reducir los riesgos de incendios o los efectos invernaderos (el efecto invernadero del CH4 siendo 20 a 21 veces mayor que el del CO2).

Para un uso totalmente térmico, el biogás puede ser quemado en calderas, calefones o anafes (cocinillas) o calefactores a infrarrojo. En otro caso cuya aplicación no es estrictamente calórica, la generación eléctrica genera un excedente de calor disponible para uso como fuente térmica.

Considerando un PCI = 9,94 x %CH4 kWh/Nm3 (Poder Calorífico Inferior) para un biogás con una concentración de %CH4, podemos determinar que el calor disponible es de 9,94 x %CH4 x ηG ,siendo ηG la eficiencia global del sistema de transferencia de calor.

La eficiencia global del sistema de transferencia de calor dependerá de los equipos involucrados y de cómo se utiliza el calor.

Para una aplicación en calderas seguida de un intercambiador de calor:

  • ηG = ηquemador x ηcaldera x ηintercambiador x (1 - % pérdidas de calor del circuito)

Para una aplicación en calefones a biogás:

  • ηG = ηcalefón x (1 - % pérdidas de calor del circuito)

Para una aplicación en anafes (cocinillas):

Para una aplicación en calefactores de infrarrojos:

Electricidad[edit]

El principio básico en la generación de energía eléctrica es la transformación de la energía de entrada a un determinado sistema generador de electricidad, energía entrante que puede clasificarse en química, térmica, nuclear, solar, cinética, etc. Las instalaciones donde se realizan las citadas transformaciones de energía, comúnmente reciben el nombre de centrales eléctricas, y son la primera etapa para establecer un sistema eléctrico. El generador eléctrico es el medio por el cual se produce la energía eléctrica.

Gracias a los desarrollos que se ha experimentado en materia de tecnologías, es posible poder generar electricidad en base a energías renovables no convencionales (ERNC) como el biogás, al utilizar motores a combustión interno a gas natural reconvertidos o bien especialmente diseñados para el biogás. De acuerdo a lo señalado previamente, el biogás es un combustible que está compuesto principalmente por metano (CH4), mismo componente que posee el gas natural pero para este último en mayor cantidad (≅95%).

Requerimientos para uso en motores[edit]

A fin de poder realizar el aprovechamiento del biogás para la generación eléctrica, se deberá inicialmente cumplir con una serie de requerimientos, los cuales se han establecidos principalmente por los diferentes fabricantes de equipos. A continuación se presentan algunos de estos requerimientos y los principales problemas, a los cuales se podrá ver enfrentado cualquier unidad de generación en el aprovechamiento de esta ERNC.

Físico-químicos[edit]

En contraposición a combustibles líquidos como el diésel o la gasolina, los combustibles gaseosos por lo general no están sujetos a alguna especificación o clasificación estricta, por lo cual su composición puede variar de proyecto en proyecto. De esta forma, los fabricantes de equipos de generación han establecidos algunos parámetros límites a fin de intentar estandarizar el uso de dichos combustibles en sus máquinas. En algunos combustibles, como es el caso del biogás, es posible encontrar algunos contaminantes como agua, siloxanos, hidrocarburos clorados, material particulado, etc.

Los biogases y en general cualquier combustible gaseoso, por lo general son una mezcla de varios componentes, los cuales se subdividen en dos grupos: los principales y las trazas. Los componentes principales son aquellos que determinan las principales propiedades del combustibles y que en consecuencia son relevantes para su uso físico en equipos de generación (por ejemplo el poder calorífico, relación aire/combustible, velocidad laminar de llama, temperaturas de combustión, tiempo de encendido, resistencia a la detonación, entre otros). Los componentes principales en general se especifican en porcentaje por volumen. Las trazas generalmente se incorporan al caudal de combustible durante el proceso de generación del biogás. En general son impurezas y su forma de cuantificarlas es en ppm. En comparación a los componentes principales, los efectos producidos por las trazas problemáticas solo pueden apreciarse en los equipos luego de un cierto tiempo de operación, ya que el efecto producido en éstos es de carácter acumulativo. Debido a lo negativo de estos efectos sobre el equipo motriz, se desea que idealmente el gas combustible a emplearse no se encuentre acompañado de este tipo de trazas problemáticas.

El primer elemento problemático que siempre podremos encontrar en el biogás es el agua tanto en condición de fase vapor saturada, como de fase líquida (condensados particulados o en parte baja de las canalizaciones). Es importante notar que en ningún caso se permite el ingreso de agua liquida en el sistema de combustible de una unidad de generación o motor de combustión interna, ya que generalmente ésta resultará en producir contaminación del circuito, corrosión u otro tipo de daños. Se deberá prestar gran importancia al biogás de vertederos o aquellos provenientes de biodigestores, generalmente saturado con agua.

Luego es importante notar que dentro del grupo de las trazas es posible encontrar compuestos orgánicos de silicio, los cuales provienen de procesos de producción de biogás en basurales, plantas clarificadoras de agua e instalaciones de biogás en general. Durante el aprovechamiento del biogás en motores de combustión interna, estos se transforman en óxidos de silicio (partículas de cuarzo), los cuales son altamente abrasivos y tienen un efecto adverso en el ciclo de vida de los equipos, así como también en la eventual desactivación de catalizadores de gases de escape. Los compuestos orgánicos de silicio son un grupo amplio y donde generalmente es posible encontrar sustancias como siloxanos, silanos y silanoles. Los siloxanos son elementos que se utilizan mayoritariamente en la industria cosmética, en agentes de limpieza e inhibidores de espuma en algunos procesos industriales, las otras sustancias se incorporan debido a la degradación del siloxano. Estas sustancias son muy volátiles y generalmente emergen de sistemas acuosos como es el caso de lodos de clarificación, fermentadores, agua de drenaje (lixiviados) de rellenos sanitarios entre otros. A continuación se presentan ocho componentes individuales, los cuales pueden permitir ayudar a estimar el contenido de compuestos orgánicos de silicio en el biogás.

Denominación Abreviatura Fórmulas de totales
Tetrametisilano TMS Si-(CH3)4
Trimetilsilanol MOH Si-(CH3)3-OH
Hexametildisiloxano L2 Si2-O-(CH3)6
Hexametilciclotrisiloxano D3 Si3-O3-(CH3)6
Octametiltrisiloxano L3 Si3-O2-(CH3)8
Octametilciclotetrasiloxano D4 Si4-O4-(CH3)8
Decametiltetrasiloxano L4 Si4-O3-(CH3)10
Decametilciclopentasiloxano D5 Si5-O5-(CH3)10

De igual forma es relevante prestar atención a aquellas trazas de azufre presente en el biogás, ya que luego de la combustión se pueden generar gases que en combinación con agua forman ácidos altamente corrosivos para la unidad generadora. Una de las trazas que en combinación con agua o humedad es altamente corrosiva es el caso del Sulfuro de hidrogeno (H2S), cuya presencia en mediana a alta concentración tendrá un impacto directo en la reducción del ciclo de vida de la maquina y de sus conductos de evacuación de gases quemados.

Ref. (mencionar Manual Biogás sección Generación Eléctrica)

Acondicionamiento[edit]

En base a lo anterior y para intentar alcanzar un ciclo de vida de la máquina muy similar al de un uso con los gases limpios como puede verse el caso del gas natural, se vuelve necesario un tratamiento previo del biogás antes del ingreso a la unidad generadora. Esta etapa de acondicionamiento deberá considerar al menos las siguientes variables:

a) Prefiltrado: Previo al ingreso del biogás a la planta de tratamiento se hace necesario una etapa previa de filtrado, donde se pretenderá eliminar restos de líquidos y material particulado que puedan estar presentes en el torrente de biogás que se utilizará para la generación de energía. Para ello se podrán utilizar filtros coalescentes o separadores.

b) Compresión del biogás: Luego del pre-filtrado del biogás se deberá proceder a una etapa de compresión de éste, a fin de que pueda circular a través de los diferentes elementos que se han dispuestos previo a la llegada del gas combustible al motor. En este punto será necesario que el gas cumpla con ciertos parámetros de presión y de temperatura, sumado a la ideal remoción total de trazas contaminantes.

c) Enfriamiento: El biogás se encuentra saturado de vapor de agua, el cual tiene un efecto negativo en el aprovechamiento energético del biogás. Mediante un proceso de enfriamiento, la humedad contenida en el biogás es condesada y luego separada. Con la condensación de la humedad se precipitan de igual forma contaminantes mayores. Cabe mencionar que este proceso de enfriamiento se puede realizar mediante intercambiadores de calor agua/gas o gas/gas, e incluso mediante chillers.

d) Filtrado: Al igual que en la primera etapa de filtrado, en esta segunda instancia se pretende salvaguardar que no ingresen trazas de agua a la unidad de generación, o algún elemento contaminante que perjudique el ciclo de vida de la unidad.

e) Calentamiento: A fin de alcanzar una temperatura ideal en el biogás y obtener un gas prácticamente deshidratado, se procederá a elevar la temperatura del biogás mediante un intercambiador de calor gas/gas. Aquello permitirá que el gas previo al ingreso a la unidad generadora se encuentre entorno a los 29 – 35 °C.

f) Filtrado fino: La ultima instancia para salvaguardar la unidad de generación, es un filtro de material particulado que deberá tener la condicionante del tamaño de partículas a filtrar, para lo cual se deberá considerar un tamaño máximo de 0,3 micras. Será la última barrera ante cualquier impureza que pueda contener el biogás.

g) Remoción de contaminantes mayores: en el caso de que existan grandes cantidades de H2S o siloxanos en la composición del biogás, es recomendable que estos sean removidos remover del efluente de biogás previo a su aprovechamiento. Entre las formas más convencionales de tratamiento para el H2S, está el filtrado por medio de resina de hierro o el hacer fluir el gas por medio de una solución de agua y NaOH (hidróxido de sodio o Soda Caustica). Con relación al tratamiento de Siloxanos, se pueden tratar por medio de filtros de carbón activado, el cual absorbe los contaminantes presentes en el biogás. Existen diferentes tipos de carbón activado y su selección dependerá principalmente de la composición del biogás y del contenido de contaminantes a remover.

Generador y equipos anexos[edit]

Los motores de combustión interna que normalmente se emplean en proyectos de generación con biogás son motores del ciclo Otto. Estos difieren del ciclo diésel, principalmente porque son encendidos por una chispa, mientras que en los motores Diésel el encendido es obtenido mediante la compresión de una cantidad determinada de aire y su posterior inyección de combustible para lograr el encendido de dicha mezcla.

En la figura a continuación se presenta un balance de energía de un motor funcionando con biogás.

(Insertar balance energético)

Biometanización[edit]

Mobilidad[edit]

Fotosíntesis[edit]

Véase también[edit]

Notas[edit]

  1. Considerando: a) una combustión completa del biogás, b) la energía total producida es igual a la irradiación infrarroja sumada al calor residual de los gases quemados productos de la combustión, c) toda la energía calórica de la combustión (los gases quemados) se queda dentro del recinto calentado, entonces se puede determinar que la eficiencia térmica es de ≅100%)

Referencias[edit]

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Bibliografía[edit]

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