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Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
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Módulo 2
Presentado por: EBP Autor: Pablo Bahamonde Burgos ([email protected])
Control de calidad y contenidos: Cristián de la Cerda (EBP) Andrea Moraga (Asesor EBP) Karin von Osten (SEC) Ignacio Sánchez (Ministerio de Energía) Website: www.biogasenergia.cl
Curso de Formación Especializada En Biogás para Profesionales
MÓDULO 2
Diseño de Plantas Pequeñas
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
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Módulo 2
Contenido 2. Diseño de Plantas Pequeñas ............................................................................................... 5
2.1. Introducción Plantas Pequeñas ........................................................................................... 5
2.1.1. Tipos de Digestores Pequeños ....................................................................................................... 5
2.2. Componentes de una planta pequeña .............................................................................. 10
2.2.1. Canalización de purines y aguas .................................................................................... 10
2.2.2. Separación de sólidos .................................................................................................... 11
2.2.3. Biodigestor ..................................................................................................................... 11
2.2.4. Acumulación o almacenamiento del digestato ........................................................................... 12
2.2.5. Conducción de biogás a equipos de consumo ............................................................................ 12
2.3. Estimación de RILes ........................................................................................................... 15
2.3.1. Estimación de Purines (teórico) ................................................................................................... 16
2.3.1.1. Fuente de Purines (Tipos de purines) .......................................................................................... 16
2.3.1.2. Co-digestión (2 o más tipos de biomasa) ..................................................................................... 16
2.3.1.3. Cálculo de Purines Mediante Ecuación ........................................................................................ 17
2.3.2. Estimación aguas de aporte ......................................................................................................... 18
2.3.2.1. Aguas Sucias .................................................................................................................................. 19
2.3.2.2. Aguas Lluvia ................................................................................................................................... 20
2.3.2.3. Aguas de Lavado ............................................................................................................................ 21
2.3.2.4. Ejemplo de estimación de aguas .................................................................................................. 22
2.3.3. Estimación de Sustrato ................................................................................................................. 23
2.4. Estimación del Potencial de Producción de Digestato ....................................................... 24
2.5. Estimación del potencial de producción de Biogás ............................................................ 25
2.5.1. Estimación por Método N°1, Teórico ........................................................................................... 25
2.5.2. Estimación por Método N°2, Práctico .......................................................................................... 28
2.5.3. Estimación por Método N°3, Práctico .......................................................................................... 29
2.6. Dimensionamiento de Unidades Principales de una Planta de Biogás .............................. 31
2.6.1. Sistemas de Digestión (tipos de biodigestores) ........................................................................... 31
2.6.1.1. Tipo o Sistema por Laguna Cubierta ........................................................................................ 31
2.6.1.2. Tipo o Sistema por Mezcla Completa ...................................................................................... 32
2.6.1.3. Selección del biodigestor ......................................................................................................... 33
2.6.2. Tipos de Unidades Básicas o Principales según Sistema de Digestión ....................................... 34
2.6.2.1 Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta ............................................................................ 34
2.6.2.2 Sistema de Digestión Tipo Mezcla Completa .......................................................................... 36
2.6.3. Dimensionamiento de cada Unidad por TRH .............................................................................. 38
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2.7. Estimación de Generación de Energía ............................................................................... 40
2.7.1. Cálculo de Energía Total Contenida y Potencia Nominal ............................................................ 41
2.7.2. Generación de Energía .................................................................................................................. 42
2.7.3. Determinación de Potencia Instalada .......................................................................................... 44
Figuras Figura 1-1: Sistema de Digestión Tipo Domo Flotante Hindú o Modelo Indiano ............................... 6
Figura 1-2: Sistema de Digestión Tipo Domo Fijo Chino o Modelo Chino .......................................... 7
Figura 1-3: Sistema de Digestión Tipo Estructura Rígida y Gasómetro Externo ................................. 8
Figura 1-4: Sistema de Digestión Tipo Batch o Discontinuo ............................................................... 9
Figura 2-1: Planta general de un Sistema Predial de Biodigestión.................................................... 13
Figura 3-1: Muestreo de Orina en Litros Diarios (Valdivia, Sandoval Castro) ................................... 16
Figura 5-1: Esquema de Ecuaciones Balance de Equilibrio de Masas ............................................... 26
Figura 5-2: Gráfico Eficiencia Bacteriológica o Actividad Relativa (Ar) ............................................. 27
Figura 5-3: Testeo de Muestras en Biodigestor Experimental (Laboratorio Biotecsur). .................. 30
Figura 6-1: Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta .................................................................... 31
Figura 6-2: Sistema de Digestión Tipo Mezcla Completa .................................................................. 32
Figura 6-3: Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta Sin Generación Eléctrica ............................ 36
Figura 6-4: Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta Con Generación Eléctrica .......................... 36
Figura 6-5: Sistema de Digestión Tipo Mezcla Completa .................................................................. 38
Figura 6-6: Biodigestor circunferencial ............................................................................................. 40
Tablas Tabla 3-1: Resultados de Cálculos de Potencial Cantidad de Purines ............................................... 18
Tabla 3-2: Agua Utilizada para Lavado de Pisos y Equipos en Lecherías .......................................... 18
Tabla 3-3: Datos Utilizados para la Estimación de Aguas .................................................................. 22
Tabla 3-4: Resultados de la Estimación de Aguas Presente en Purín................................................ 23
Tabla 3-5: Resultados de Cálculos de Potencial Cantidad de RILES .................................................. 24
Tabla 4-1: Cálculos de Volumen del Digestato .................................................................................. 25
Tabla 5-1: Resultados Aplicación de Método N°1, Teórico ............................................................... 27
Tabla 5-2: Resultados Aplicación de Método N°2, Práctico .............................................................. 28
Tabla 5-3: Resultados Aplicación de Método N°3, Práctico .............................................................. 30
Tabla 6-1: Datos y Parámetros para Selección del Tipo de Biodigestor............................................ 33
Tabla 6-2: Evaluación para Selección del Tipo de Biodigestor .......................................................... 34
Tabla 6-3: Ejemplo Cálculo de Distribución de Volumen de Biogás .................................................. 35
Tabla 6-4: Ejemplo cálculo de volúmenes de Biodigestores para cada predio ................................. 39
Tabla 6-5: Esquema Concepto de Talud ............................................................................................ 39
Tabla 7-1: Ejemplo cálculo de Energía Total Contenida .................................................................... 41
Tabla 7-2: Ejemplo Cálculos de Potencia Nominal ............................................................................ 42
Tabla 7-3: Ejemplo cálculos de Energía y Potencia Eléctrica............................................................. 43
Tabla 7-4: Ejemplo cálculos de Energía y Potencia Térmica ............................................................. 44
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2. Diseño de Plantas Pequeñas
2.1. Introducción Plantas Pequeñas
Para entender y asimilar lo que involucra la instalación de una Planta Pequeña, primero se debe
tener clara la definición de ciertos conceptos básicos y claves. A continuación se definen y aclaran
los siguientes conceptos según D.S. 119/2017:
Planta de Biogás: Entiéndase por toda instalación de producción, almacenamiento y
suministro de biogás, para uso y consumo del mismo, incluyendo todo equipamiento,
edificios e instalaciones complementarias que permiten la operación de dichas
instalaciones.
Instalaciones Pequeñas: Se define como, toda instalación de producción y suministro de
Biogás cuya Potencia Nominal es menor o igual 180kW.
Tipos de biodigestores más comunes y presentes en una Planta de Biogás Pequeña:
2.1.1. Tipos de Digestores Pequeños
A continuación se presentan los más comunes modelos de digestores a baja escala.
Tipo Domo Flotante Hindú1 o Modelo Indiano2: Se define como un estanque o piscina enterrada y
vertical, semejando a un pozo. Se cargan por gravedad una vez al día, con un volumen de mezcla
que depende del tiempo de fermentación o retención y producen una cantidad diaria más o menos
constante de biogás si se mantienen las condiciones de operación.
1 Manual de Biogás (MINENERGIA / PNUD / FAO / GEF), Proyecto CHI/00/G32, 2011. 2 Biogás de residuos agropecuarios en la Región de los Ríos (INDAP y GORE Los Ríos), 2017.
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Figura 2-1: Sistema de Digestión Tipo Domo Flotante Hindú o Modelo Indiano
Fuente: Adaptado de Biogás de residuos agropecuarios en la Región de Los Ríos, INDAP-Gobierno Regional Región de Los Ríos- 2017.
El gasómetro está integrado al sistema, o sea que, en la parte superior del pozo flota una campana
donde se almacena el gas. De esta forma, la presión del gas sobre la superficie de la mezcla es muy
baja, de alrededor de 30 cm de columna de agua. Con esta campana se logra, además, una presión
constante, lo que permite una operación eficiente de los equipos a los que alimenta. La campana
también ayuda al rompimiento de la espuma que se forma en muchos biodigestores.
La entrada de la carga diaria por gravedad hasta el fondo del pozo, además de producir agitación,
provoca la salida de un volumen equivalente de lodos digeridos, desde la superficie o desde el fondo,
según el diseño del sistema, los que se hacen fluir hasta una pileta para su aplicación a los cultivos.
Para aumentar la retención de la materia prima, posee un tabique central. En este caso, los
materiales usados son preferentemente excretas, las que deben estar bien diluidas y mezcladas
homogéneamente.
Este tipo de digestor presenta una buena eficiencia de producción de biogás, generándose entre 0.5
y 1,0 volumen de gas por volumen de digestor por día.
Tipo Domo Fijo Chino3 o Modelo Chino4: Se define como un estanque o piscina cilíndrica con el
techo y el piso en forma de domo y se construyen totalmente enterrados.
3 Manual de Biogás (MINENERGIA / PNUD / FAO / GEF), Proyecto CHI/00/G32, 2011. 4 Biogás de residuos agropecuarios en la Región de los Ríos (INDAP y GORE Los Ríos), 2017.
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Figura 2-2: Sistema de Digestión Tipo Domo Fijo Chino o Modelo Chino
Fuente: Adaptado de Biogás de residuos agropecuarios en la Región de Los Ríos, INDAP-Gobierno Regional Región de Los Ríos- 2017.
Al iniciar el proceso, el digestor se llena con residuos agrícolas compostados mezclados con lodos
activos de otro digestor, a través de la cubierta superior, que es removible. Una vez cargado así, es
alimentado diariamente con los residuos que se encuentren disponibles, provenientes de la letrina
y de los animales domésticos, a través del tubo de carga el cual llega a la parte media del digestor.
En este tipo de digestores no existe gasómetro, almacenándose el biogás dentro del sistema. A
medida que aumenta el volumen del gas almacenado en el domo del digestor, aumenta su presión
forzando al líquido, en los tubos de entrada y salida a subir y llegándose a alcanzar presiones de
hasta 100 cm de columna de agua. Se generan entre 0.15 y 0.20 volúmenes de gas por volumen de
digestor/día. Como consecuencia de la variación de presión, la que aumenta al generarse el gas y
disminuye al consumirse éste, se reduce la eficiencia en los equipos consumidores.
Periódicamente se extrae una parte del líquido en fermentación a través del tubo de salida,
mediante una cubeta y una o dos veces al año el digestor se vacía completamente aplicando el
residuo (sólido) a los campos de cultivo. A pesar que el digestor chino es poco eficiente para generar
biogás, es excelente en la producción de bioabono, ya que los tiempos de retención son en general
largos y además se tiene gran cantidad de este material cuando se necesita para mezclar con el
suelo antes de la siembra. Los tiempos de retención de operación para los biodigestores tipo chino
son de 30 a 60 días, requiriéndose para alcanzar la misma eficiencia (máximo 50% de reducción de
la materia orgánica) de 1/2 a 1/3 de este tiempo de retención en los biodigestores tipo hindú.
Tipo Estructura Rígida y Gasómetro Externo5: Se define como un estanque o piscina sin forma
predominante (es decir, puede ser vertical, cilíndrica, rectangular u horizontal), pero todas con
cubierta rígida, lo que implica una capacidad de acumulación de biogás reducida. Es por ello la
5 Biogás de residuos agropecuarios en la Región de los Ríos (INDAP y GORE Los Ríos), 2017.
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necesidad de contar con un equipo exclusivamente dedicado al almacenamiento de grandes
producciones de biogás en relación al consumo requerido por la misma planta o plantel donde es
instalado.
Es interesante destacar que este tipo de biodigestores por lo general corresponden a otros tipos de
biodigestores de estructura rígida que son complementados con un gasómetro por diversos motivos
operacionales, como es el caso del Biodigestor Tipo Batch o Discontinuo. Si bies este tipo de
biodigestor es discontinuo en su carga de sustrato, es continuo en su producción de biogás, cuya
producción muchas veces supera el espacio disponible al interior del estanque reactor ya que está
diseñado para satisfacer un suministro constante para un consumo inmediato, cosa que no siempre
se cumple a cabalidad, debido a diversas causas operacionales, ya sean contempladas o no
contempladas.
En resumen, los sistemas de estaques digestores rígidos no poseen una buena reacción frente a una
sobreproducción de biogás, sea cual sea la circunstancia. Es por esto que surge de manera natural
la implementación de una unidad de almacenamiento externa a un sistema rígido.
Figura 2-3: Sistema de Digestión Tipo Estructura Rígida y Gasómetro Externo
Fuente: Adaptado de Biogás de residuos agropecuarios en la Región de Los Ríos, INDAP-Gobierno Regional Región de Los Ríos- 2017.
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Tipo Batch o Discontinuo6: Se define como un estanque rígido sobre terreno o semi-enterrado.
Figura 2-4: Sistema de Digestión Tipo Batch o Discontinuo
Fuente: Manual Biogás MINENERGIA – PNUD - FAO - GEF, Proyecto CHI/00/G32, 2011.
Este tipo también suele construirse en una batería de estanques o depósitos herméticos (digestores)
con una salida de gas conectada con un gasómetro, donde se almacena el biogás. El objetivo de
disponer de más un digestor es tener siempre uno de ellos en carga o en descarga, mientras el resto
se encuentra en producción de biogás.
La alimentación o carga del digestor con la materia prima, sólida, seca, se realiza por lotes
(discontinuamente) y la descarga de los residuos estabilizados se efectúa una vez que ha finalizado
la producción de biogás.
Este sistema discontinuo es aplicable en situaciones particulares, como sería la de materias primas
que presentan problemas de manejo en un sistema semi-continuo y continuo, o materiales difíciles
de digerir metanogénicamente o cuando las materias primas a procesar, están disponibles en forma
intermitente, como es el caso de los rastrojos de cosecha.
Está destinado a pequeñas y grandes explotaciones agropecuarias, su uso a escala doméstica es
poco práctico.
El volumen de digestor es pequeño en relación al volumen de biogás producido, debido a la alta
concentración de materia seca en el sustrato (40 – 60%), además de ocupar 60 – 80% menos de
agua que los digestores continuos y semi-continuo, junto con la escasa formación costra, lo que no
hace prescindible agitación diaria.
6 Manual de Biogás (MINENERGIA / PNUD / FAO / GEF), Proyecto CHI/00/G32, 2011.
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Este sistema no sufre cambios de temperaturas violentos y la mayor parte del bioabono o
biofertilizante se obtiene en forma sólida, y la menor parte en forma líquida.
Tipo Laguna Cubierta: Se define como un estanque o piscina enterrada y/o de superficie con Tiempo
de Retención Hidráulica (TRH) superior a 40 días y que se encuentre cubierta con algún elemento
que genere un sellado hermético parcial o total, y por lo general flexible. Este tipo de biodigestores
generalmente operan con sustrato en fase líquida con escasa materia sólida orgánica. Además,
puede o no presentar sistema de agitación o sistema de calefacción y algunos casos ambos.
Tipo Mezcla Completa: Se define como, un estanque o piscina enterrada y/o de superficie con
Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) inferior o igual a 40 días y que se encentre cubierta con algún
elemento que genere un sellado hermético total o parcial. Este tipo de biodigestores generalmente
operan con sustrato en fase líquida con toda la materia sólida orgánica disponible. Además, debe
presentar sistema de agitación y sistema de calefacción.
Estos últimos dos tipos de digestores, laguna cubierta y mezcla completa, serán abordados en
profundidad más adelante en el desarrollo del presente módulo.
2.2. Componentes de una planta pequeña
En general estos sistemas comprenden 5 etapas de desarrollo para la producción de biogás,
generación de energía y disminución del impacto medioambiental, las que se detallan a
continuación.
2.2.1. Canalización de purines y aguas
Canalización de purines (patio de espera, ordeña y alimentación) y aguas (lavado de la sala de
ordeña y patios, aguas lluvias) mediante canaletas abiertas para facilitar su limpieza normalmente
construidas de hormigón armado o tuberías de PVC.
Canalización con tubería 300mm. Canalización con hormigón tipo canal abierta.
Fuente: Biotecsur
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2.2.2. Separación de sólidos
Realizada de forma mecánica o por gravedad, cuya función es atrapar materia no biodigerible.
Corresponden a arena, piedras, restos de fibra de alimentos, plásticos, maderas, entre otros, que
son arrastradas por los purines. Los dispositivos más comúnmente usados en plantas pequeñas y
medianas son los siguientes:
Decantador: Separación por efecto de la gravedad. Presenta menor inversión inicial y gasto
operacional, pero a mayores tiempos de retención hidráulica (TRH) y menores eficiencias de
operación.
Prensa electromecánica: El purín es sometido a presión y forzado a pasar por tamices que permiten
el paso únicamente de la fase liquida, reteniendo las partículas sólidas o gruesas (obtenidas con bajo
contenido de humedad). Requiere un mayor número de equipos, potencias de trabajo altas
(generalmente 6 a 10 kW), además de una bomba para suministrar la mezcla hacia el separador,
haciendo este sistema considerablemente más costoso, tanto en inversión como operación, pero
con alta eficiencia.
Decantadores para 100 vacas.
Fuente: Biotecsur
2.2.3. Biodigestor
Generalmente son construidos con geomembranas interiores ancladas a un muro perimetral en
estanques tipo laguna. Una vez instalada se genera un sello hermético con la geomembrana
superior. Como se utiliza la fase líquida, estos biodigestores pueden prescindir de sistemas de
agitación permanente y se pueden instalar sistemas de tubería para realizar agitación de forma
esporádica.
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Instalación de Geomembrana inferior. Instalación de Geomembrana superior.
Fuente: Biotecsur
2.2.4. Acumulación o almacenamiento del digestato
Corresponde al acopio de los purines digeridos (digestato), desde donde se retira para ser usado
como fertilizante en las praderas o cultivos. Estos estanques pueden ser construidos con
geomembranas, hormigón o cualquier otro material resistente a la corrosión. El tamaño de este
acopio depende de las necesidades del propietario, es decir, si se utiliza el digestato para riego de
praderas, y el propietario riega cada tres meses, el diseño se hará en función de este tiempo.
Estanque de Acopio con Geomembrana PVC.
Fuente: Biotecsur
2.2.5. Conducción de biogás a equipos de consumo
Conducción, mediante tuberías, del biogás producido a los equipos de generación energética, ya
sean calderas (energía térmica), grupo electrógeno (energía eléctrica) o cogeneración (energía
térmica y eléctrica combinada). Estas tuberías deben ser resistentes a la corrosión generada por el
ácido sulfhídrico (H2S) y agua. Además, deben respetar una pendiente mínima que considere el
punto de recolección de agua condensada dentro de las mismas. Se recomienda pintar las tuberías
de color amarillo representando la conducción de gas e incluir señalética apropiada (letreros de
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advertencia, cinta de peligro, etc.) en caso de estar enterradas, previniendo la rotura de estas una
vez instaladas.
Ejemplo de tubería PVC para transportar biogás.
Fuente: Biotecsur
El tratamiento con biodigestores es una alternativa eficiente para disminuir la Demanda Biológica
de Oxigeno (DBO5) de los residuos orgánicos o, en otras palabras, reducir su contenido de materia
orgánica.
Figura 2-5: Planta general de un Sistema Predial de Biodigestión
Fuente: Biotecsur
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En general para diseñar y llevar a cabo la construcción y puesta en marcha de una planta de biogás
se requiere:
Estudio Preliminar:
Indispensable para el éxito del proyecto. Corresponde a la fase de recolección de datos tales como
la cantidad de vacas, peso promedio, alimento suministrado, tiempo de estabulación, área
disponible para el diseño del biodigestor, tipo de suelo, existencias de napas subterráneas, demanda
de energía térmica y eléctrica, entre otras.
El estudio determina el sustrato producido y cantidad de agua añadida al sistema, ya sea asociado
al lavado de los patios y equipos o por lluvia. Además, determina el potencial de generación de
biogás y se evalúan los diferentes factores que pueden intervenir en la fase de diseño.
Diseño e ingeniería:
Corresponde al dimensionamiento de los elementos principales de una planta de biogás, tales como
el volumen del biodigestor, decantadores, estanque de acopio, entre otros. Además, se determina
el espacio necesario para la construcción de la Planta, definiendo la ubicación y posterior diseño de
red de tuberías, cámaras de registro y ubicación de los decantadores. Finalmente, se recalcula y/o
testea la cantidad de biogás a producir con el fin de evaluar su utilización y beneficios económicos
del proyecto. Algunos de los productos esperados de esta etapa son:
Planos de detalles constructivos
Especificaciones técnicas
Lista de materiales
Memorias de cálculo
Planos As-Built de la planta
Ministerio del Medio Ambiente
Una vez realizado lo anterior y construida la planta se debe ingresar la carpeta de inscripción de
proyecto a la Superintendencia de Electricidad y Combustibles.
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2.3. Estimación de RILes
RILes: Corresponden a un Residuo Industrial Líquido (RIL)
RISes: Corresponden a un Residuo Industrial Sólido (RIS)
En el caso particular de este módulo, usaremos la definición anterior para referirnos a la materia
orgánica mezclada con agua, las que pueden provenir de los procesos propios e intrínsecos de cada
plantel, industria o sala de proceso y sus instalaciones.
RILES = (Materia Orgánica) + (Agua)
Resulta importante mencionar que los RILes se diferencian de los RISes por la cantidad de agua que
contenga su composición. Los RISES, no necesariamente son materia orgánica en ausencia de agua,
pese a que uno pudiese pensar lo contrario debido a su definición formal (Residuos Industriales
Solidos). La forma más sencilla de detectar si estamos en presencia de un RIS es cuando los desechos
industriales no pueden ser bombeados y requieren de equipamiento especializado y/o específico
para ser movilizados. De lo anteriormente expuesto se sub-entiende que la única forma de que un
RIS ingrese a un biodigestor es en forma sólida y no líquida, excepto si se produjera una trituración
y posterior mezcla con un líquido (con otro RIL, por ejemplo y/o directamente con agua) para
transformarlo en un RIL, proceso que se conoce como licuefacción.
Materia Orgánica (MO): Se define como la materia compuesta de productos orgánicos que
provienen de restos de organismos que alguna vez estuvieron vivos, tales como plantas y animales.
En el rubro del biogás, se suele hablar de que los RILes y RISes contienen materia orgánica con más
o menos agua según corresponda obviando el hecho de que, en gran parte de las ocasiones, estos
contienen una cantidad considerable de materia mineral que, por supuesto, no es digerible y que
no aporta en la producción de biogás. Es ahí el motivo de muchas veces ni siquiera se nombre.
Agua: Por definición, los RILES y RISES son MO + Agua, sin embargo esta agua no siempre es
simplemente agua (H2O), también puede ser agua de algún proceso en particular o una mezcla de
aguas provenientes de varios y diversos procesos y, por consecuencia, no es agua pura (H2O),
arrastrando con ella materia solida diluida o no diluida. Además, dicha materia sólida puede ser
orgánica, mineral o una combinación de ambas. Por tanto, el concepto de agua debe ser utilizado
únicamente para advertir la concentración de materia orgánica y mineral.
Finalmente, en particular para plantas de pequeña escala, su aplicación se encuentra acotada
principalmente a la agro-industria lechera, de crianza porcina y, en menor proporción, en el sector
industrial avícola. Bajo este contexto, el RIL corresponde a las excretas de dichos animales, conocido
como purín.
RILES = (Materia Orgánica) + (Agua)
RILES = (Purín) + (Agua)
En concordancia a esta expresión es que se hace indispensable la estimación de estas dos variables
y así abrir paso al diseño de una planta productora de biogás pequeña.
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2.3.1. Estimación de Purines (teórico) La estimación se realiza de forma teórica, ya de forma empírica resulta impracticable en términos
técnicos y económicos. La forma empírica contempla instalar un artefacto de recolección de
residuos para su posterior medición, como se ilustra en la siguiente imagen.
Figura 2-6: Muestreo de Orina en Litros Diarios (Valdivia, Sandoval Castro)
2.3.1.1. Fuente de Purines (Tipos de purines)
En la agro-industria, los purines provienen de distintas fuentes, desde cultivos varios y ganado
bovino en el caso de los planteles lecheros, ganado porcino para el caso de los planteles de crianza
y engorde de cerdos, y desde una masa de aves y grano para el caso de planteles avícolas. Para la
recolección de estas fuentes es indispensable contar con un periodo diario de estabulación e
instalaciones que lo permitan. Este corresponde al tiempo en el cual los animales se encuentran
confinados dentro de un establecimiento cerrado, posibilitando la recolección de los purines. Las
principales fuentes de purines corresponden a:
Cultivos: Hojas y frutos derivados de plantaciones para alimentación humana y animal
(ganado) presente en predios donde se encuentran inmerso los planteles.
Ganado: Corresponde, en su mayoría aunque no exclusivamente, a planteles bovinos y
porcinos. Requiere contar con un periodo de estabulación que permita la recolección de la
materia orgánica.
Grano: Remanente de la alimentación que se le brinda a la masa animal. Esta fuente
representa una mayor fracción en sistemas de estabulación prolongada debido al uso de
comederos para la alimentación animal.
2.3.1.2. Co-digestión (2 o más tipos de biomasa)
Se denomina “co-digestión” al tratamiento conjunto de dos o más residuos. Esta alternativa
presenta un futuro prometedor por las grandes ventajas que presenta tanto en la afectación en
forma inmediata al proceso, como en el largo plazo como una búsqueda de mejorar el proceso.
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Ventaja en el ámbito de la afectación inmediata al proceso:
La digestión anaerobia permite obtener una forma de energía renovable (biogás) y, además,
reciclar residuos agroindustriales para su uso como fertilizantes de uso agrícola. La co-
digestión anaerobia permite aprovechar la complementariedad de la composición de los
residuos para hacer procesos más eficientes. Además, unifica su gestión al compartir
instalaciones de tratamiento, reduciendo costos de inversión y operación.
Ventajas en el ámbito de la afectación al proceso, en el largo plazo:
Desarrollo de nuevos pre-tratamientos del tipo mecánico, térmico, enzimático,
microbiológico, entre otros, con el fin de reducir el tamaño de partícula y/o incrementar la
biodegradabilidad de los residuos menos atacables por los microorganismos durante la
digestión.
Valoración de nuevos sustratos de elevado potencial de biogás como la glicerina y otros
subproductos de la producción de biocombustibles líquidos, destríos de la producción
citrícola y hortofrutícola, cultivos energéticos específicos para producción de biogás, micro-
algas, etc.
A modo de aclaración, la co-digestión no sólo es la mezcla entre varios tipos de purines, sino que
también su mezcla con otros RILES o RISES, en un porcentaje considerable de aporte de todos los
sustratos involucrados en la mezcla, por ejemplo purín de vaca con suero de leche en un 75 y 25%,
respectivamente.
2.3.1.3. Cálculo de Purines Mediante Ecuación
Para este módulo se basa en el manejo del sector agro-industrial lechero, debido a que es el más
común, complejo y replicable para otros planteles del mismo sector. A continuación se ilustra la
expresión utilizada para la estimación de purines generados:
𝑃𝑢𝑟𝑖𝑛𝑒𝑠 [𝑘𝑔
𝑑í𝑎] = 𝑃𝑣 ∙ 10% ∙ 𝑁𝑣 ∙
𝑇𝑝
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Dónde:
𝑃𝑣: Peso promedio de las vacas en (Kg). Se considera que el 10% del peso vivo es estiércol y orina
generada durante las 24 horas del día (kg/día).
𝑁𝑣: Número de vacas (unidad)
𝑇𝑝: Tiempo de permanencia en patios por día (hrs/día). Corresponde al porcentaje de estabulación.
Un ejemplo de cálculo se muestra en la siguiente tabla:
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Tabla 2-1: Resultados de Cálculos de Potencial Cantidad de Purines
2.3.2. Estimación aguas de aporte
El aporte de aguas en la producción de purines por lo general proviene de tres orígenes:
Aguas sucias (del lavado de equipos de leche como: equipos de ordeña y estaque de frio)
Aguas lluvia (de techos sin canalizar, construcciones sin techar y superficie de pozos
purinero)
Aguas de lavado (agua lavado de pisos y patios, y agua de lavado de ubres en el caso del
sector lechero)
Los valores de estos dependen del sistema de producción y pueden ser modificados haciendo
mejoras en el predio, como por ejemplo en el manejo de aguas limpias de lavado y las aguas lluvia.
Al disminuir estas la dilución es menor y se obtiene una mayor concentración de materia orgánica,
y viceversa.
Algunos datos utilizados en las ecuaciones a describir más adelante provienen desde el “Manual de
Manejo y Utilización de Purines de Lechería”, capítulo 1, Cuadro 1.1 y se ilustran a continuación. El
dato usado para estimar la cantidad de agua de lavado de ubres se destaca en color rojo, y color
azul se destaca datos que corroboran el rango de utilización de aguas para lavado de pisos.
Tabla 2-2: Agua Utilizada para Lavado de Pisos y Equipos en Lecherías
Dato
Total
Kg/día
Pv Nv Tp Ag Dp/1000 m3/día m3/mes m3/año
3,832
2,045
2,935
2,050
4,051
1,555
2,832
1,045
3,050
5,051
12.040
Tota
l Can
tida
d Pu
rine
s
Gen
erad
os e
n (K
g/dí
a)
16.142
Feca
s y
Ori
nes
Segú
n (T
p)
7.8763.0211.143
Datos y Cálculos
Aportados
5,0 4.102
Total de
Aguas
Fact
or S
egún
Rel
ació
n A
guas
y
Feca
s co
n O
rine
s
3,935
Otr
os R
esid
uos
Apo
rte
de "
Suer
o" e
n (K
g/dí
a)
592 888 1.428
Predio
1 550 358
Total Purines
Generados
Peso
Pro
m.
Vac
as (
Kg)
N°
Vac
as
en O
rdeñ
a
Tiem
po e
n
Pati
os (
hr)
Gen
erac
ión
Dia
ria
Dat
os
16,14 484,26 5.811
Gen
erac
ión
Men
sual
Gen
erac
ión
Anu
al
Den
sida
d
del P
urín
(m3/K
g)
0,001
Datos y Cálculos Aportados
Cantidad de Agua que Posee la
Mezcla de Sustrato en (Kg/día)
Agu
as
Suci
as e
n
(Kg/
día)
Agu
as
Lluv
ia e
n
(Kg/
día)
Agu
as d
e
Lav.
Pis
os y
Ubr
es
0
Rel
ació
n de
Agu
a en
Func
ón d
e la
s Fe
cas
y
Ori
nes
Segú
n (T
p)
3 500 206 5,0 2.146 572 1.562 2.266 4.399 6.545 0,001 6,55 196,35 2.3560
4,78 143,32 1.720
3.473 0,001 3,477 550 150 2,0 688 710 875 1.200 2.785
2.907 4.7778 550 204 4,0 1.870 02,555
12 500 103 4,0 858 496 904 1.030 2.431 3.289 0,001 3,29
453 1.151 2.160 3.764 9.41414 600 90 16,0 3.600
98,666 1.184
2.050
0
0,001 9,41 282,41 3.389
104,18 1.2500
0,001
EDITOR: Francisco Salazar
Ingeniero Agronomo. INIA REMEHUE.
CONSORCIO LECHERO
La Cadena Lactra de Chile
ORIGEN
Agua Lavado Equipos Ordeña
Agua LavadoTK-Frío o Leche
Total =
Agua Lavado de Ubres
Agua Lavado de Pisos
5,0 s/inf. s/inf.
40,8 5,8 172,9
1,1 0,5 2,3
31,2 2,0 169,4
MínimoMedia
(Litros/vaca/día)
3,5 11,11,5
Máximo Este cuadro 1.1. Se desprende de
l ibro ti tulado: "Manual de Manejo y
Utilización de Purines de Lechería"
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
19
Módulo 2
Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería", Capítulo 1, Cuadro 1.1,
página 14
2.3.2.1. Aguas Sucias
Corresponde al lavado de equipos de leche, como lo son los equipos de ordeña y estaque de frío o
leche.
Aguas de lavado de equipos de ordeña: Corresponde a una mezcla de agua además de detergente
y desinfectantes en baja concentración utilizados para el lavado y desinfección del equipo de
ordeña. Esta agua, dependiendo del manejo, puede ser canalizada a un pozo purinero u a otro
especialmente habilitado para ello, no debiendo ser evacuadas a cursos de agua sin tratamiento
previo de depuración. El volumen de agua limpia utilizada para lavado de equipos está
estandarizado para los distintos tipos de sala de ordeña, dependiendo también de las distintas
rutinas manuales o automáticas que son entregadas por el proveedor de los equipos e insumos de
ordeña. Para calcular el agua a utilizar se puede utilizar la siguiente ecuación:
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑣𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 𝑜𝑟𝑑𝑒ñ𝑎[𝑙
𝑑í𝑎] = 27,75 ∙ 𝑈𝐸𝑂 + 134,4 7
Donde 𝑈𝐸𝑂 corresponde a las unidades de equipos de ordeña
Aguas de lavado de estanque de frío o leche: Corresponde a una mezcla de agua limpia y de
detergentes utilizados para el lavado y desinfección del estanque de frío. En general, las empresas
recomiendan utilizar una cantidad de agua de lavado equivalente al 1% de la capacidad total del
estanque, las cuales deben ser ponderadas por las fases de lavado de acuerdo a la rutina
recomendada. Para calcular el agua a utilizar se puede utilizar la siguiente ecuación:
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑣𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑓𝑟í𝑜[𝑙
𝑑í𝑎] = 0,0403 ∙ 𝐶𝑒 + 11,153 8
Donde 𝐶𝑒 corresponde a la capacidad del estanque en litros
7 Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería",
Capítulo 1, página 10
8 Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería",
Capítulo 1, página 11
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
20
Módulo 2
2.3.2.2. Aguas Lluvia
Aguas lluvia de techos sin canalizar: Corresponde a aguas lluvia que reciben los techos de las
distintas construcciones de la sala de ordeña, patios de alimentación, confinamiento u otros. En un
gran porcentaje, estos techos se encuentran sin canaletas y sistemas de conducción de aguas en
forma independiente y son descargadas a los pisos, siendo contaminados con las fecas y/u orina,
formando parte de los purines. El volumen de agua colectado dependerá directamente de la
superficie de techos sin canalizar y la pluviometría del emplazamiento. Para calcular el agua a recibir
se puede utilizar la siguiente ecuación:
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 𝑠𝑖𝑛 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑟[𝑙
𝑑í𝑎] =
𝑆𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜𝑠∙𝑃
365 9
Donde,
𝑆𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜𝑠 ∙corresponde a la superficie de los techos en [m2]
𝑃 corresponde a la pluviometría en mmagua/año equivalente a litros/(m2·año)
Aguas lluvia de construcciones sin techar: Corresponde a aguas lluvia que reciben los patios y pisos
de las distintas construcciones de los patios de espera, patios de alimentación y pisos de las
instalaciones que están descubiertos y que normalmente son superficies cementadas. Al
contaminarse con las fecas y/u orina, forman parte de los purines y deben ser conducidos al pozo
purinero para ser almacenados. El volumen de agua colectado dependerá directamente de las
superficies cementadas y la pluviometría del emplazamiento. Para calcular el agua a recibir se puede
utilizar la siguiente ecuación:
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎𝑠 𝑠𝑖𝑛 𝑡𝑒𝑐ℎ𝑎𝑟[𝑙
𝑑í𝑎] =
𝑆𝑝𝑎𝑡𝑖𝑜𝑠∙𝑃
365 10
Donde,
𝑆𝑝𝑎𝑡𝑖𝑜𝑠 corresponde a la superficie de los patios sin techar en [m2]
𝑃 corresponde a la pluviometría en mmagua/año equivalente a litros/(m2·año)
Aguas lluvia en el pozo purinero: Corresponde a aguas lluvia que recibe directamente el pozo
purinero, por lo tanto el volumen de agua colectado dependerá directamente de la superficie
9 Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería",
Capítulo 1, página 12
10 Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería",
Capítulo 1, página 13
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
21
Módulo 2
expuesta del pozo y la pluviometría del emplazamiento. Para calcular el agua a recibir se puede
utilizar la siguiente ecuación:
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑝𝑜𝑧𝑜[𝑙
𝑑í𝑎] =
𝑆𝑝𝑜𝑧𝑜∙𝑃
36511
Donde,
𝑆𝑝𝑜𝑧𝑜 corresponde a la superficie expuesta del pozo en [m2]
𝑃 corresponde a la pluviometría en mmagua/año equivalente a litros/(m2·año)
2.3.2.3. Aguas de Lavado
Aguas de lavado de pisos y patios: Corresponde a agua utilizada para la limpieza de pisos, patios
y/o construcciones en general, tanto en sala de ordeña, como en instalaciones anexas como patios
de estabulación espera o alimentación. El uso de agua limpia tiene una gran variación entre predios
y dentro del mismo predio, dependiendo de la época del año. El factor humano es relevante dado
que es el operador quien decide la cantidad de agua a utilizar. Para calcular el agua a usada se puede
utilizar la siguiente ecuación:
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑣𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑠𝑜𝑠 𝑦 𝑝𝑎𝑡𝑖𝑜𝑠[𝑙
𝑑í𝑎] = 𝑁𝑣 ∙ 31,212
Donde 𝑁𝑣 corresponde al número promedio de vacas en ordeña. El valor 31,2 corresponde a la
estimación de litros de agua utilizada para limpieza por vaca al día.
Aguas de lavado de ubres: Corresponde a agua limpia utilizada para la limpieza de la ubre de las
vacas a ordeñar y el piso de sala de ordeña de forma focalizada. El factor humano es relevante dado
que es el operador quien decide la cantidad de agua a utilizar. Para calcular el agua a usada se puede
utilizar la siguiente ecuación:
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑣𝑎𝑑𝑜 𝑢𝑏𝑟𝑒𝑠 [𝑙
𝑑í𝑎] = 𝑁𝑣 ∙ 513
Donde 𝑁𝑣 corresponde al número promedio de vacas en ordeña. El valor 5 corresponde a la
estimación de litros de agua utilizada para limpieza de las ubres por vaca al día.
11 Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería",
Capítulo 1, Cuadro 1.2, página 15
12 Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería",
Capítulo 1, Cuadro 1.2, página 15
13 Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería",
Capítulo 1, Cuadro 1.2, página 15
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
22
Módulo 2
2.3.2.4. Ejemplo de estimación de aguas
Tabla 2-3: Datos Utilizados para la Estimación de Aguas
Una vez agrupados los datos e identificadas las ecuaciones, se da curso a los cálculos respectivos
que son expresados a través de una tabla junto a los resultados obtenidos en el proceso como lo
son la cantidad de aguas sucias, aguas lluvia, aguas para lavado de pisos y ubres y, en particular, el
parámetro o variable relacionada a la cantidad total de aguas en sus distintas unidades ya sean estas
(kg/día); (Lts/día); (Lts/año) y (m3/día). Expresión atingente al total de aguas de aporte se ilustra a
continuación.
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐴𝑔𝑢𝑎𝑠𝑢𝑐𝑖𝑎 + 𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 + 𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑣𝑎𝑑𝑜14
14 Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería",
Capítulo 1, Cuadro 1.2, página 15
Extrac.
Cua.1.1Dato
Adicio.
Dato
Adicio.
2161.500Abierto01.500NoNo
Predio Áre
a Te
cho
Leva
ntam
ie
nto
Terr
eno
Si Si No Abiertos Si
No
No Techado Si
No
No No Abierto Si
No No
No No Si Abierto Si
1.500
0
10.987
3.000
70
0
Alimen.
TechadoSi0
Lavado y
canalizadoRaspado y
lavado
3.200
Utiliza
las
aguas
Lluvias
Si/No
Caidas
agua en
direc-
ción a
patios
Si/No
Canali-
zado
de
aguas
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Si/No
Patios
Abiertos
o
techados
Datos
Adicionales(L
itro
s ag
ua
lluví
a. /
m2)
al a
ño.
1.500
1.500
1.500
Dat
os
1
3
1.500 138
Extracto Tabla N°4: (Tabulación Datos Específicos 1)
Datos
Adicionales
(Lit
ros
agua
lluví
a. /
m2)
al a
ño.
Áre
a Pa
tios
Leva
ntam
ie
nto
Terr
eno
1.500 665
Lavado
de
patios
Si/No
Raspado y
lavadoRaspado y
lavado
12
14
7
8
1.500
Si
1.500 380
75
1.500 280Si No Si
1.500 220
5,0
5,0
5,0
Lav.
Ubr
es
(Lts
./va
ca/
día)
5,0
5,0
3,0
2,0
Raspado, lavado
y canalizado
Lav.
Pis
os
(Lts
./va
ca/
día)
17,0
3.500
Capa
cida
d
TK-F
río
en
(Lts
.)
Extracto Tabla N°5:
Tipo de Sist. de
Recoleción de los
Purines a Pozo
Purinero
5,0
5,019,0Raspado y
lavado
6,0
Datos Adicionales
Encuesta y Visitas
8
6
Levantamiento
Visitas Terreno
15
11
Uni
dade
s
Equi
po d
e
Ord
eña
20
11
3.675
3.500
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
23
Módulo 2
Tabla 2-4: Resultados de la Estimación de Aguas Presente en Purín
2.3.3. Estimación de Sustrato
A partir de lo anterior, es posible estimar la cantidad de RILES generados por cada predio en estudio,
que finalmente será la el sustrato (lo que ingresa al sistema). A continuación se ilustra la expresión
utilizada para el cálculo de la cantidad de RILES generados:
𝑅𝐼𝐿𝐸𝑆 [𝑚3
𝑑í𝑎] =
(𝑃𝑣∙10%∙𝑁𝑣∙𝐴𝑔∙𝑇𝑝
24)
(Dp)15
Dónde:
𝑃𝑣: Peso promedio de las vacas en (Kg). Se considera que el 10% del peso vivo es estiércol y orina
generada durante las 24 horas del día.
𝑁𝑣: Número de vacas (unidad)
𝑇𝑝: Tiempo de permanencia en patios en (hrs/día)
𝐴𝑔: Factor Ag = 1 + [Total de Aguas / Cantidad Fecas y Orines]
𝐷𝑝: Densidad del Purín (kg/m3) = 1000 (kg/m3)
15 Fuente de la fórmula o expresión matemática proviene de la empresa consultora Biotecsur.
Tp NvLav. eq.
Ordeña
Lav. TK-
Frio
∑ de
Aguas
Patio Sin
Techar
Techo Sin
Canalizar
En Pozo
Purinero
∑ de
Aguas
Lavado
Pisos
Lavado
Ubres
∑ de
Aguas(Lts/año) (m
3/año)
16,0 90
4.395
1.606
1.017
1.374
1.2361.562572
Extracto
Tabla N°4:Ti
empo
en
Pati
os (
hrs)
N°
Vac
as
en O
rdeñ
a
5,0 358
5,0 206
Predio
Aguas Sucias en (Kg/día)
o (Lts/día)
Dat
os
Datos y Cálculos Aportados
Cantidad de Agua que Posee la Mezcla de Sustrato en (Kg/día)
Aguas Lluvia en (Kg/día) o (Lts/día)Aguas Lavado de Pisos y
Ubres en (kg o Lts/día)
4.394.519288 1.790 12.0400,0 7.8761 689 454 2.733 6.0863.0211.143
Aporte Total
Anual de Aguas Total de
Aguas
(kg/día)
(Lts/día)
3 440 1.605.7250 1.030 4.3990,0 2.266132 1.562
7 551150 1.016.5792,0 308 750 2.7850,0 450875 1.200567710
0 1.020 2.907 1.0610,0 408888 1.4288885928 440 1.061.2104,0 204
0 515 2.431 8870,0 904 1.03051512 356 887.1414,0 103 140
450 3.7640,0 1.151 2.1601.710 1.373.746
152
159
14 301
904
0453
496
1.151152
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
24
Módulo 2
El desarrollo de estos cálculos se expresan a continuación:
Tabla 2-5: Resultados de Cálculos de Potencial Cantidad de RILES
2.4. Estimación del Potencial de Producción de Digestato
La estimación del Digestato se realiza a partir de la estimación de sustrato que ingresará al
Biodigestor. Se considera la masa del afluente igual a la masa del efluente, por lo menos en primera
instancia y considerando que su densidad es igual a 1 [kg/l]:
𝑆𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 [𝑚3] = 𝐷𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑜[𝑚3] = 𝐴𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒[𝑚3] = 𝐸𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒[𝑚3]
De acuerdo al tipo de Biodigestor (laguna cubierta o mezcla completa), se determina si el caudal de
entrada (𝑄𝑒) es igual al caudal de salida (𝑄𝑠) ya que, en ambos sistemas, se retira la fibra gruesa y
elementos pesados no biodigeribles que representan entre un 3% a 5% del sustrato. 𝑄0 representa
el caudal de entrada efectivo luego de eliminar los elementos no biodigeribles. En el caso de los
digestores tipo laguna, se estipula un 1% de retención y estratificación superficial de la fibra más
corta, además de la decantación de partículas sólidas más pesadas al interior del digestor16. Para el
caso particular de los digestores de mezcla completa, la retención de elementos al interior del
mismo no existe debido a la presencia de agitación, evitando la estratificación superficial y
decantación de material particulado. En definitiva el cálculo del digestato para estos dos sistemas
se determina por las siguientes expresiones:
Para Donde Se tiene
𝑸𝒆 ≠ 𝑸𝒔 𝑄𝑒 = 𝑄0 · 97% 𝑄𝑠 = (𝑄0 ∙ 97%) ∙ 99%
𝑸𝒆 = 𝑸𝒔 𝑄𝑒 = 𝑄0 · 97% 𝑄𝑠 = (𝑄0 ∙ 97%)
16 En base a la experiencia de Biotecsur con digestores construidos
Dato
Total
Kg/día
Pv Nv Tp Ag Dp/1000 m3/día m3/mes m3/año
3,832
2,045
2,935
2,050
4,051
1,555
2,832
1,045
3,050
5,051
12.040
Tota
l Can
tida
d Pu
rine
s
Gen
erad
os e
n (K
g/dí
a)
16.142
Feca
s y
Ori
nes
Segú
n (T
p)
7.8763.0211.143
Datos y Cálculos
Aportados
5,0 4.102
Total de
Aguas
Fact
or S
egún
Rel
ació
n A
guas
y
Feca
s co
n O
rine
s
3,935
Otr
os R
esid
uos
Apo
rte
de "
Suer
o" e
n (K
g/dí
a)
592 888 1.428
Predio
1 550 358
Total Purines
Generados
Peso
Pro
m.
Vac
as (
Kg)
N°
Vac
as
en O
rdeñ
a
Tiem
po e
n
Pati
os (
hr)
Gen
erac
ión
Dia
ria
Dat
os
16,14 484,26 5.811
Gen
erac
ión
Men
sual
Gen
erac
ión
Anu
al
Den
sida
d
del P
urín
(m3/K
g)
0,001
Datos y Cálculos Aportados
Cantidad de Agua que Posee la
Mezcla de Sustrato en (Kg/día)
Agu
as
Suci
as e
n
(Kg/
día)
Agu
as
Lluv
ia e
n
(Kg/
día)
Agu
as d
e
Lav.
Pis
os y
Ubr
es
0
Rel
ació
n de
Agu
a en
Func
ón d
e la
s Fe
cas
y
Ori
nes
Segú
n (T
p)
3 500 206 5,0 2.146 572 1.562 2.266 4.399 6.545 0,001 6,55 196,35 2.3560
4,78 143,32 1.720
3.473 0,001 3,477 550 150 2,0 688 710 875 1.200 2.785
2.907 4.7778 550 204 4,0 1.870 02,555
12 500 103 4,0 858 496 904 1.030 2.431 3.289 0,001 3,29
453 1.151 2.160 3.764 9.41414 600 90 16,0 3.600
98,666 1.184
2.050
0
0,001 9,41 282,41 3.389
104,18 1.2500
0,001
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
25
Módulo 2
Tabla 2-6: Cálculos de Volumen del Digestato
2.5. Estimación del potencial de producción de Biogás
El potencial de producción de biogás se puede realizar mediante una diversidad de métodos teóricos
descritos en la literatura relacionada a estudios de Biogás, sin dejar de lado unos cuantos más del
orden de los métodos prácticos entre los que destacan ensayos de la laboratorio y plantas piloto
construidas. En este módulo se explicaran solo tres métodos, uno teórico y otros 2 prácticos, a fin
de poder dar una resolución en base a sus diferencias de parámetros y datos que cada uno considera
para su desarrollo.
2.5.1. Estimación por Método N°1, Teórico
Potencial de producción de biogás en base a los purines generados y la Demanda Química de
Oxígeno (DQO) en el mismo. Se basa en un balance de masas entre la materia orgánica que entra al
digestor y la que sale de él. En la estimación, se consideran diversos parámetros, que son ilustrados
en la siguiente figura
Laguna Cubierta
Mezcla Completa
4,63
_
Laguna Cubierta
Mezcla Completa
OBSERVACIONES
Tipo de
Biodigestor
Tipo Laguna
Cubierta o Tipo
Mezcla Completa
Laguna Cubierta
Mezcla Completa
14 9,41 9,13 _ 9,13 9,13 3.333
3,16 1.15312 3,29 3,19 3,16
4,63 1.6918 4,78 4,63 _
7 3,47 3,37 3,33 _ 3,33 1.217
2.317
5.6581 16,14 15,66 _15,50 15,50
3 6,55 6,35 _ 6,35 6,35
Caud
al d
e Sa
lida
del B
iodi
gest
or c
on
1% M
enos
Tip
o
Lagu
na C
ubie
rta
Prod
ucci
ón d
e
Dig
esta
to e
n
(m3 /
día)
Prod
ucci
ón d
e
Dig
esta
to e
n
(m3 /
año)
PredioQ0 Qe Qs=Qe
Dat
os
Caudal Entrada
(Sustrato) (m3/día)
Caudal Salida (Digestato)
(m3/día) (m3/día) (m3/año)
Caud
al A
flue
nte
de
Entr
ada
a
Dec
anta
dor
Caud
al d
e En
trad
a
a B
iodi
gest
or c
on
3% M
enos
Caud
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del B
iodi
gest
or
Mez
cla
Com
plet
a
Qs≠Qe PPDD PPDA
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
26
Módulo 2
Figura 2-7: Esquema de Ecuaciones Balance de Equilibrio de Masas
Entrada (𝑄0 - Sustrato): Materia efectiva saliente del proceso de decantación y entrante al proceso
de digestión. Los parámetros DQO y 𝑄0 son conocidos y definen la 𝐶𝐷0 (carga diaria de entrada), la
cual sufre cambios en el digestor.
Digestión: Proceso en el cual se produce la remoción de la DQO en base al rendimiento (70 %)17.
Como subproductos de la digestión, se obtienen una fase líquida conocida como digestato y una
gaseosa, conocida como biogás.
Salida (Digestato): Materia resultante en fase líquida del proceso de digestión e independiente de
la eficiencia del proceso. En general no presenta mayores cambios en términos de volumen y masa
(propiedades físicas), aunque sí variaciones en su aspecto (color, olor y propiedades químicas como
concentraciones de DQO, ST y SV, entre otras). En definitiva, solo afecta aspectos en torno a su
calidad.
Salida (Biogás): Materia resultante en fase gaseosa del proceso de digestión, la cual es altamente
dependiente de la eficiencia del proceso. Dejando fuera factores constructivos asociados al diseño
del digestor, el factor temperatura es uno de los más influyentes y es quien determina la eficiencia
bacteriológica o actividad relativa (Ar), directamente relacionada al rendimiento de remoción (Y).
Factor (Ar): Actividad bacteriológica (mesofílica) encargada de la producción de metano. Refleja la
relatividad de la producción en base a la temperatura del medio en que se desenvuelve. El Factor
Ar se puede entender como la eficiencia bacteriológica (%EB) de producción de metano, donde 100%
corresponde a la eficiencia a 35°C. La figura N°02 muestra la pérdida de rendimiento en la actividad
metanogénica fuera del rango de 32°C a 40°C. Un ejemplo de cálculo mediante este método se
muestra en la tabla N°07.
17 En base al rendimiento estándar de los biodigestores construidos por Biotecsur en la Región de Los Lagos
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27
Módulo 2
Figura 2-8: Gráfico Eficiencia Bacteriológica o Actividad Relativa (Ar)
Fuente: (Adaptado de Henze, Harremoes, 1983).
Tabla 2-7: Resultados Aplicación de Método N°1, Teórico
Mezcla Completa104,463,6 60,98 104,4 35,0 100
60,98 54,2 13,0 20,0 10,83 Laguna Cubierta
181,8 0,3514 9,41 9,13 20,529 187,5 70,0
12 3,29 3,19 30,500 97,3 70,0 94,4 0,35 33,0
60,98 246,4 35,0 1000,35 150,3 246,4 Mezcla Completa8 4,78 4,63 95,512 442,6 70,0 429,3
7 3,47 3,37 25,604 86,2 70,0 83,7 0,35 29,3 60,98 48,0 13,0 20,0 9,60 Laguna Cubierta
266,03 6,55 6,35 75,244 477,7 70,0 463,4 0,35 162,2
Q0 Q0 S0 CD0 Y (%) CD0*Y
Cálc
ulo
Rem
oció
n
de (
DQ
O)
Ren
dim
ient
o
Prod
ucci
ón M
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(Nm
3CH
4/K
g D
QO
)
Prod
ucci
ón d
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Met
ano
(CH
4)
Rdt Nm3CH4
/día
OBSERVACIONES
Laguna Cubierta
Mezcla Completa
Nm3/día
Ren
dim
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n
porc
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je d
e
Met
ano
Pres
ente
en e
l Bio
gás
Prod
ucci
ón d
e
Bio
gás
% CH4 Nm3/día °T (°C)
20,0 63,45552,7 0,35 193,4 60,98 317,2 13,0
60,98 266,0 35,0 100
Estimaciones de Entrada
(Sustrato)
Estimaciones en
BiodigestorDat
os
Caud
al A
flue
nte
de
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Dec
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Ca
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3% M
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Sust
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(Kg
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3)
Carg
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Predio
Tem
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Prom
edio
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ón
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Porc
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Efec
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ia
Bac
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ción
de
Bio
gás
Aju
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a
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%E
B)
o (A
r)
Estimaciones de Salida (Biogás)
Tipo de
Biodigestor
Tipo Laguna
Cubierta o Tipo
Mezcla
Completa(%Ar)
1 16,14 15,66 50,428 789,6 70,0
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
28
Módulo 2
2.5.2. Estimación por Método N°2, Práctico
Potencial de producción de biogás a partir de un proyecto de referencia existente18, consistente en
un biodigestor del tipo laguna cubierta. Los datos recogidos de dicho proyecto se resumen a
continuación.
Factor de producción real - 𝐹𝑝𝑟 = 7,3 [𝑚𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠
3
𝑚𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜3 ]
Tiempo de retención hidráulica - TRH=100 días.
En la estimación se consideraron los siguientes parámetros:
Temperatura (T): El biodigestor de referencia presenta una temperatura de operación aproximada
en primavera de 13°C. Se establece un rango aplicable según la temperatura de operación entre:
(11 < T°C < 17).
Número de Vacas: Purines generados por un promedio anual de 100 vacas en ordeña y de los
procesos de higienización del lavado de equipos y sala de ordeña.
Solidos Totales (ST): En base a la toma de muestras. Sólidos totales - ST=17.320,0mg/L.=1,732%. Se
establece un rango aplicable según la concentración de sólidos entre: (5.000 < ST (mg/L) < 45.000)
o (0,5 < ST (%) < 4,5).
Este método no aplica a sustratos mezclados y co-digeridos con otros residuos como es el caso de
predios con aporte de Suero y tampoco a sustratos con altas concentraciones de sólidos (ST), como
lo son los candidatos a digestores de tipo mezcla completa, ya que los valores resultan poco
representativos. Los resultados obtenidos con este método se a continuación.
Tabla 2-8: Resultados Aplicación de Método N°2, Práctico
18 Este método considera una condición potencial de producción de biogás basada en un factor resultante de una toma de mediciones en la estación primaveral de la Región de Los Lagos.
APLICAN
No Aplica _35,0 Mezcla CompletaSí No Aplica14 9,41 9,13 7,3 66,7 2,26
No12 3,29 3,19 7,3 23,3 4,24 Aplica 23,3 Laguna Cubierta13,0Aplica
Laguna Cubierta
8 4,78 4,63 7,3 33,8 15,35
13,0
No Aplica _ Mezcla Completa
Aplica7 3,47 3,37 7,3 24,6 1,42
35,0No Aplica
No
No
Aplica 24,6
35,0No Aplica No AplicaNo3 6,55 6,35 7,3 46,3 10,27 _ Mezcla Completa
Laguna Cubierta13,0Aplica AplicaNo1 16,14 15,66 7,3 114,3 3,64
T (°C)
RES
ULT
AD
OS
Prod
ucci
ón d
e
Bio
gás
al D
ía.
114,3
Rango de
concentración de
sólidos totales en
Porcentaje
[0,5 < ST(%) < 4,5]
Rango de
Temperatura de
Operación en
Porcentaje
[11,0 < T(°C) < 17,0]
Apo
rte
a la
Mez
cla
de O
tros
Res
iduo
s
SUERO
Análisis Comparativo y Aplicabilidad del Método
Dat
os
Estimaciones Producción de
Biogás OBSERVACIONES
Caud
al A
flue
nte
de
Dec
anta
dor
(m3 Su
stra
to/d
ía)
Caud
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3% M
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Fact
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rodu
cció
n
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s
/m3 Su
stra
to)
Prod
ucci
ón d
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Bio
gás
al d
ía
Conc
entr
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n de
Sólid
os T
otal
es e
n
(mg/
L)
Tipo de
Biodigestor
Predio
Tipo Laguna
Cubierta o Tipo
Mezcla CompletaQ0 Q0 FpR (m
3/día) ST(%)
Tem
pera
tura
Prom
edio
de
Ope
raci
ón
(m3/día)
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
29
Módulo 2
2.5.3. Estimación por Método N°3, Práctico
Potencial de producción de biogás a partir de la cantidad de purines pre-definida por una mezcla
constituida por (% de fecas y orines más un % agua) y la aplicación de un factor de producción de
testeo experimental de un biodigestor de laboratorio tipo batch de mezcla completa.
Factor de producción real - 𝐹𝑝𝑟 = 15 − 30 [𝑚𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠
3
𝑚𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜3 ]
Tiempo de retención hidráulica - TRH=40 días.
Es de mencionar que este método en particular considera un potencial de producción de biogás
basado en un factor resultante de una toma de mediciones en dos digestores experimentales, uno
para simular biodigestores con mezcla de materia orgánica fecal más agua, y otro para simular uno
con mezcla de materia fecal co-digerida con suero más agua. Con ello, se logra representar un año
promedio, al ponderar por la producción estimada de fecas y orines en una mezcla igual o similar a
la antes descrita.
En la estimación se consideraron los siguientes parámetros:
Temperatura (T°C): 35°C. Se establece un rango aplicable según la temperatura de operación entre:
(33,0 < T°C <37,0).
Solidos Totales (ST): Se establece un rango aplicable a partir de una muestra de referencia . 45.000
< ST (mg/L) < 200.000 o 4,5 < ST (%) < 20,0.
Porcentaje Mezclas: A partir de dos testeos simulados para biodigestores de tipo mezcla completa,
uno para predios con altas concentraciones de sólidos (ST) y otro para predios con co-digestión de
Suero.
Este método no aplica a sustratos con temperaturas no controladas y estabilizadas, y mucho menos
a temperaturas bajas, como la de los sistemas psicrofílicos y tampoco a sustratos con baja
concentraciones de sólidos (ST) como lo son los candidatos a digestores de tipo laguna cubierta, ya
que los valores resultan poco representativos.
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
30
Módulo 2
Figura 2-9: Testeo de Muestras en Biodigestor Experimental (Laboratorio Biotecsur).
Fuente: Biotecsur
Los resultados de las estimaciones vía este método se ilustran a continuación.
Tabla 2-9: Resultados Aplicación de Método N°3, Práctico
APLICAN
Apo
rte
a la
Mez
cla
de S
uero
(m
3 /día
)
Suero
0,0
0,0
2,26 Aplica 35,0
4,24 No Aplica 13,0
Aplica 169,5 Mezcla Completa14 3,600 6,78 25,0 169,5 Sí2,05
No Aplica _ Laguna Cubierta12 0,858 1,03 20,0 20,6 No0,0
15,35 Aplica 35,0 Aplica 44,9 Mezcla Completa8 1,870 2,24 20,0 44,9 No0,0
1,42 No Aplica 13,0 No Aplica _ Laguna Cubierta7 0,688 0,83 20,0 16,5 No0,0
3 2,146 2,58 20,0 51,5 No
13,0 No Aplica _ Laguna Cubierta
10,27 Aplica 35,0 Aplica 51,5 Mezcla Completa
Tipo de
Biodigestor
RES
ULT
AD
OS
Prod
ucci
ón d
e
Bio
gás
al D
ía.
[33,0< T(°C) <37,0] (m3/día)
1 4,102 4,92 20,0 98,5 No 3,64 No Aplica
Predio
Dat
os
Estimaciones Producción de Biogás Análisis Comparativo y Aplicabilidad del Método OBSERVACIONES
Prod
ucci
ón F
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y
Ori
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(m3 /d
ía)
Cant
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cla
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m3 B
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Prod
ucci
ón d
e
Bio
gás
al d
ía
Tipo Laguna
Cubierta o Tipo
Mezcla CompletaFecas y
Orines (m3/día) FpTE (m
3/día) SUERO ST(%) [4,5< ST(%) <20,0] T (°C)
Apo
rte
a la
Mez
cla
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tros
Res
iduo
s
Conc
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Sólid
os T
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n
(mg/
L)
Rango de
concentración de
sólidos totales en
Porcentaje
Tem
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tura
Prom
. Ope
raci
ón
Rango de
Temperatura de
Operación en
Porcentaje
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
31
Módulo 2
2.6. Dimensionamiento de Unidades Principales de una Planta de Biogás
Antes de iniciar cualquier tipo de cálculo, estimación o dimensionamiento, se debe determinar el
sistema de digestión que se utilizará o tipo de biodigestor. Este se selecciona mediante un diseño
adecuado y ajustado a su propio potencial, necesidades reales y normativa vigente y aplicable a
cada caso de estudio. Entre los parámetros fundamentales se destaca el porcentaje de Sólidos
Totales (ST) o (materia seca) y Sólidos Volátiles (SV).
2.6.1. Sistemas de Digestión (tipos de biodigestores)
En reducidas cuentas los dos tipos más frecuentemente encontrados en instalaciones de plantas
pequeñas son dos y se enumeran a continuación:
2.6.1.1. Tipo o Sistema por Laguna Cubierta
Este tipo de sistemas se caracteriza por ser efectivos en el tratamiento de purines y por operar con
un sustrato líquido con bajas concentraciones de materia sólida, permitiendo una operación en
mayoría de los casos. Esto lo hace un sistema de bajo costo debido principalmente a la ausencia de
un sistema de calefacción y agitación. Presenta condiciones psicrofílicas en un rango de
temperaturas de entre 10°C a 25°C (Temperatura ambiente).
Mientras más baja la temperatura, mayor será el TRH, algunos autores recomiendan TRH superior
a 50 o 60 días para condiciones psicrofílicas y, aunque en particular no existe límite superior, no se
recomienda TRH superiores a 100 días ya que la producción de biogás cae considerablemente. Estos
sistemas no contemplan sistema de agitación a causa de la inexistencia de un sistema de calefacción,
por ende, no hay necesidad de homogenizar la temperatura de la mezcla con agitación.
Figura 2-10: Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta
Fuente: Adaptado de Biogás de residuos agropecuarios en la Región de Los Ríos, INDAP-Gobierno Regional Región de Los Ríos- 2017.
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32
Módulo 2
2.6.1.2. Tipo o Sistema por Mezcla Completa
Este tipo de sistemas se caracterizan por ser efectivos en la producción de biogás y por operar con
sustrato líquido con considerables concentraciones de materia sólida, restringiendo su operación.
Es un sistema de alto costo que requiere un sistema de calefacción, agitación e impulsión. Presenta
condiciones mesofílicas entre un rango de 25 a 37°C (Temperatura controlada).
La operación a mayores temperaturas posibilita la reducción del Tiempo de Retención Hidráulica
(TRH). Mientras más alta la temperatura, menor será el TRH. Se recomienda un TRH de entre 25 a
30 días para condiciones mesofílicas y, aunque en particular no existe límite superior, no se
recomienda TRH superiores a 40 días, ya que la producción de biogás cae considerablemente.
Figura 2-11: Sistema de Digestión Tipo Mezcla Completa
Fuente: Adaptado de Biogás de residuos agropecuarios en la Región de Los Ríos, INDAP-Gobierno Regional Región de Los Ríos- 2017.
En la selección de uno u otro se debe considerar lo siguiente:
Sólidos totales (materia seca) y sólidos volátiles19: De acuerdo al contenido de materia seca del
purín en cada predio, se debe considerar el ajuste de ST a un valor adecuado para los diferentes
tipos de biodigestor, siendo 2% para laguna cubierta y 6% para mezcla completa (USDA, 2009),
considerando que el porcentaje de SV no varía. De esta manera, en los casos que presenten valores
altos (mayores a 4,5%) de materia seca, se seleccionaron para mezcla completa, mientras que los
de bajo porcentaje de materia seca (menores a 4,5%), para laguna cubierta. Cuando los ST son
superiores al valor objetivo, el ajuste de ST se logra diluyendo el purín con agua, y no utilizando un
separador para reducir la cantidad de sólidos, ya que se pretende utilizar la mayor cantidad de
sólidos posibles, aumentando la producción de biogás. En caso contrario, cuando el purín está muy
19 De acuerdo a la metodología descrita por Salazar y Saldaña (2007)
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33
Módulo 2
diluido, se ajusta el contenido de ST reduciendo el uso de agua mediante, por ejemplo, un mejor
uso y gestión de este recurso. Estos ajustes afectan el volumen de purines generados, aumentando
o disminuyendo dicho volumen según sea el caso.
2.6.1.3. Selección del biodigestor
En complemento con lo anterior, es posible determinar de manera teórica20 el tipo de biodigestor a
utilizar. Para ello se debe:
Estimación preliminar del tamaño del biodigestor asumiendo para todos los casos un
digestor de laguna cubierta trabajando en el rango psicrofílico de temperatura.
Selección del TRH acorde al rango psicrofílico, por ejemplo, 90 días.
Análisis sobre la factibilidad en la implementación de un digestor de mezcla completa en
base a tres parámetros: la cantidad de ST en el sustrato (Alta o Baja Concentración), tipo de
sustrato a utilizar (aporte de otros residuos con altos niveles de metanización, co-digestión)
y el tamaño del biodigestor (alta o baja capacidad volumétrica).
A continuación, se presenta un ejemplo:
Tabla 2-10: Datos y Parámetros para Selección del Tipo de Biodigestor
Evaluación: El cumplimiento de tan solo un parámetro para un biodigestor del tipo laguna cubierta
conlleva a la clasificación para mezcla completa. Cabe destacar que la evaluación de cada caso
involucra la puntuación de cada concordancia (cumple) con un valor numérico =1 y la
inconcordancia =0 (no cumple). La evaluación tras este análisis queda de manifiesto a continuación.
20 “Fortalecimiento del marco regulatorio, capacidades técnicas y cartera de proyectos para el desarrollo de una industria local de biogás en el sector lechero”. Informe de Avance – Noviembre 2016. Instituto de Investigaciones Agropecuarias (INIA).
Suero
Quesos
ST (mg/L) ST (%)Tipo Laguna
< 4,5%
Mezcla C.
> 4,5% (Kg/día)
Tipo Laguna
(No aporta)
Mezcla C.
(Sí aporta)
Generación
día (m3/día)
Capacidad
(m3)
Tipo Laguna
< 2000m3
Mezcla C.
> 2000m3
36.415
153.450
14.180
102.650
22.583
42.370
3,642
10,265
1,418
15,345
4,237
2,258
Cumple
Cumple
Cumple
Alta o Baja Concentración Solidos Totales
Parametro Restrictivo
(Lag. =No ; Sí= Mezc. C.)
Cumple
Aporte de Otros Residuos
Cumple
Parametro Restrictivo
(Lag. < 4,5% > Mezc. C.)
Cumple
Cumple
Concentración
Solidos Totales
Cumple
Cumple
Cumple
Cumple
0
0
0
0
0
2.050
Cumple
Alta o Baja Capacidad Volumetrica Biodigestor
Capacidad Biodigestor
(Considera TRH=90días)
Parametro Restrictivo
(Lag. <2000m3> Mezc. C.)
16,1419 1.452,8 Cumple
6,5451 589,1 Cumple
3,4726 312,5 Cumple
4,7774 430,0 Cumple
Cumple
9,4137 847,2 Cumple
Dat
os
Predio
1
3
7
8
12
14
Selección de Sistema, Tipo: (Laguna o Mezcla Completa)
3,2889 296,0
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
34
Módulo 2
Tabla 2-11: Evaluación para Selección del Tipo de Biodigestor
2.6.2. Tipos de Unidades Básicas o Principales según Sistema de Digestión
2.6.2.1 Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta
Se describe como un sistema de 4 etapas: separación, digestión, almacenamiento y
aprovechamiento.
1. Separación: Método físico por decantación en el cual se realiza una retención hidráulica de
RILES por un determinado periodo con el fin de separar las fases y eliminar los elementos
no deseados para la biodigestión. Como resultado del proceso se obtienen 3 fases, dos
sólidas (superior e inferior) y una líquida (intermedia). Proceso realizado en un estanque
decantador.
2. Digestión: Proceso de metanización mediante bacterias psicrófilas a temperaturas de
operación entre 10°C a 25°C, dependiendo de las condiciones climáticas particulares de la
zona y estación del año. Se realiza al interior de un biodigestor anaerobio sellado
herméticamente considerando Tiempos de Retención Hidráulica (TRH) extensos (>50 días).
3. Almacenamiento: Para cada uno de los productos resultantes.
a. Sustrato (subproducto): Se almacena en un estanque de acopio contiguo al biodigestor con un volumen dado por un TRH de entre 30 a 60 días. Una vez alcanzada la capacidad máxima, debe ser vaciado y regado en praderas para dar paso a una nueva producción.
b. Biogás (producto): Acumulado en el mismo biodigestor mediante su cubierta flexible que opera como gasómetro. Su capacidad es limitada, posibilitando el almacenamiento de 2 a 3 días de producción.
4. Aprovechamiento: Consumo de los productos de la digestión.
a. Sustrato: Utilizado como bio-fertilizante.
Tip. Lagun.
< 4,5%
Mezcla C.
> 4,5%
Tip. Laguna
(No aporta)
Mezcla C.
(Sí aporta)
Tipo Laguna
< 2000m3
Mezcla C.
> 2000m3
Dat
os
Resumen Selección de Sist. Tipo: (Laguna o Mezcla Compl.)
Alta o Baja
Concentración (ST)
Aporte de Otros
Residuos (SUERO)
Alta o Baja Capacidad
Volumétrica
Predio
Parametro Restrictivo
(Lag. <4,5% > Mezc. C.)
Parametro Restrictivo
(Lag. =No ; Sí= Mezc. C.)
Parametro Restrictivo
(Lag. <2000m3>Mezc. C.)
Cumple1 Cumple Cumple
Cumple3 Cumple Cumple
Cumple
8 Cumple Cumple Cumple
7 Cumple Cumple
0
12 Cumple Cumple Cumple 1 1
14 Cumple Cumple Cumple
1 1
0 1
1 1
0 1
1
Alt
o o
Baj
o
(ST)
Tipo Laguna Tipo Mezcla Completa
Evaluación de los Sististemas
Apo
rte
de
(SU
ERO
) ∑ de
Para-
metros
Alt
a o
Baj
a
Capa
cida
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Apo
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Alt
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Baj
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(ST)
∑ de
Para-
metros
Alt
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Baj
a
Capa
cida
d
1 3 0 0 0 0
1 2 1 0 0 1
1 3 0 0 0 0
1 2 1 0 0 1
1 3 0 0 0 0
1 2 0 1 0 1
Co
ncl
usi
ón
Laguna
Mezcla C.
Laguna
Mezcla C.
Laguna
Mezcla C.
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
35
Módulo 2
b. Biogás: Aprovechamiento para generación térmica, eléctrica o ambas en simultáneo (co-generación) dependiendo del potencial de generación de biogás para cada predio en particular.
Criterio de utilización de biogás
Aprovechamiento térmico: Uso del biogás en una caldera para reemplazar de forma total o
parcial los consumos de agua caliente principalmente para higienización de salas y equipos.
Aprovechamiento eléctrico: Utilización de equipos de generación de eléctrica para
autoabastecer los consumos existentes y, en caso de presentar excedentes, inyectar a la
red.
Producción de biogás Utilización del biogás
≤ 25 [m3/día] Térmico
> 25 [m3/día] Potencial para generación eléctrica. Evaluación caso a caso dependiendo de los consumos existentes y el nivel de inversión requerido.
Tabla 2-12: Ejemplo Cálculo de Distribución de Volumen de Biogás
Equipos principales sistema de Laguna Cubierta
Nombre equipo Cantidad Observaciones
Estanque Decantador 2
Biodigestor 1
Cámara de Registro 4 a 5
Estanque de Acopio 1
Caldera a biogás 1
Recuperador de calor (intercambiador) 1 Solo para generación eléctrica
_ _ 0,03 _
_ _ 0,03 _
200 1 0,03 6,0
_ _ 0,03 _
Cant
idad
de
Bio
gás
a U
sar
en (
m3 /d
ía)
Cald
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Agu
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Calie
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Vec
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Bio
gas
para
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1 L
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Agu
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80°C
(Lts)N°
/día (m3/Lt) BELÉc.
_ _ 0,03 _
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Biogás para
Generador Eléc.
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Tipo de Biodigestor
Tipo Laguna
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%PPPBD
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Ener
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un
1m3
Bio
gás
Estimaciones Biogás
Reemplazo Eléctrico
DATOS
1 88,9 12.000 5600 _ 88,9 100%
_ 143,7 90,5%
Laguna C.
Mezcla C.3 158,7 12.000
100%
_ 11,1 65%7 17,1 12.000100% _ 5600
100%8 145,6 12.000 5600 _ 145,6100% _ _ _ 0,03 _
62,3%12 17,1 12.000 5600 6,4 10,6Laguna C. 3,000 _ 0,03
14 136,9 12.000 5600 _ 112,9 82,5%Mezcla C. _ 200 0,03 24,04
Laguna C.
Mezcla C.
Estimaciones Biogás para
Reemplazo GLP
Producción
Promedio
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1Kg
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100%
100% 5600
(Lts) (m3/Lt) BLEÑA
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Estimaciones Biogás
para Reemplazo LEÑA
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N°
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_
250 0,03 15,0
_ 0,03 _
_ 0,03 _
2
__
_
_
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
36
Módulo 2
Generador de Energía Eléctrica 1 Solo para generación eléctrica
Estación de Filtrado 1 Solo para generación eléctrica
Sala de Máquinas 1 Solo para generación eléctrica
Sala Tableros de Fuerza 1 Solo para generación eléctrica
Figura 2-12: Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta Sin Generación Eléctrica
Fuente: Biotecsur
Figura 2-13: Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta Con Generación Eléctrica
Fuente: Adaptado de http://www.farmersjoint.com
2.6.2.2 Sistema de Digestión Tipo Mezcla Completa
Se describe como un sistema de 5 etapas, recepción, digestión, almacenamiento, filtrado, y
aprovechamiento.
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
37
Módulo 2
1. Recepción: Se realiza en un estanque que contempla agitación periódica y suave,
permitiendo solo una leve separación de 3 fases, resultando una fase superior e inferior
sólidas y una intermedia líquida. A diferencia del proceso de separación por decantación,
en la recepción se busca solo la separación de la materia solida más gruesa y producir un
mezclado de la materia sólida diluible u homogenizable en la fase líquida a fin de que sea
ingresada en el biodigestor como sustrato.
2. Digestión: Proceso de metanización mediante bacterias mesófilas a temperaturas de
operación entre los 25°C a 45°C. Se realiza en el interior de un digestor anaerobio
herméticamente sellado con Tiempos de Retención Hidráulica de entre 20 a 40 días, razón
por la cual su volumen es menor que los de laguna cubierta, pero requiere una estructura
de soporte debido a que contempla agitación.
3. Almacenamiento: Para cada uno de los productos resultantes.
a. Sustrato (subproducto): Se almacena en un estanque de acopio contiguo al biodigestor con un volumen dado por un TRH de entre 30 a 60 días. Una vez alcanzada la capacidad máxima, debe ser vaciado y regado en praderas para dar paso a una nueva producción.
b. Biogás (producto): Acumulado en el mismo biodigestor mediante su cubierta flexible que opera como gasómetro. Su capacidad es limitada, posibilitando el almacenamiento de 2 a 3 días de producción.
4. Filtrado: Proceso en el cual se retienen las trazas de gases no deseados en el biogás con el
propósito de:
a. Eliminar ciertas trazas que son corrosivas para el equipo de generación eléctrica (grupo electrógeno).
b. Aumentar la concentración de metano al eliminar gases inertes o no deseados, aumentando el poder calorífico del biogás y, por ende, su calidad.
5. Aprovechamiento: Consumo de los productos de la digestión.
a. Sustrato: Utilizado como bio-fertilizante. b. Biogás: Aprovechamiento para generación eléctrica o co-generación. Dependiendo
de los consumos particulares de cada caso, puede considerar adicionalmente la generación de energía térmica.
Equipos principales sistema de Mezcla Completa
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
38
Módulo 2
Nombre equipo Cantidad Observaciones
Estanque de Recepción 1
Biodigestor 1
Cámara de Registro 4 a 5
Estanque de Acopio 1
Recuperador de calor (intercambiador) 1
Generador de Energía Eléctrica 1
Estación de Filtrado 1
Sala de Máquinas 1
Sala Tableros de Fuerza 1
Sistema de agitación 1
Sistema de calefacción por loza radiante 1 Dependiendo de los consumos térmicos
Caldera a biogás 1 Dependiendo de los consumos térmicos
Figura 2-14: Sistema de Digestión Tipo Mezcla Completa
Fuente: Biotecsur
2.6.3. Dimensionamiento de cada Unidad por TRH Una vez seleccionado el sistema a utilizar, se puede estimar el volumen del biodigestor en función
del TRH.
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
39
Módulo 2
Tipo de Sistema Tiempo de Retención Hidráulica (TRH)
Laguna Cubierta 100 días
Mezcla Completa 40 días
𝑇𝑅𝐻 = (𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟
𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎) = (
𝑉
𝑄𝑒)
Tabla 2-13: Ejemplo cálculo de volúmenes de Biodigestores para cada predio
En este manual se ejemplifican las dimensiones del biodigestor para dos casos: piscinas o estanques
enterrados de forma circunferencial y rectangular. Para ello, es necesario conocer previamente el
concepto de Talud.
Talud: Se define matemáticamente como la relación entre la altura y la basa de una pendiente
𝑻𝒂𝒍𝒖𝒅 = 𝑻 =𝑩𝒂𝒔𝒆
𝑨𝒍𝒕𝒖𝒓𝒂=
𝒃
𝒉= 𝒃: 𝒉
Tabla 2-14: Esquema Concepto de Talud
DATO
(L x A)S
(m)
(52x10)
(L x A)I
(m)
(55x13)
(13x11,5)
(14x13)
(13x9)
(11x10)
(12x10)
(10x8,5)
122
ф M : (m) ф S : (m) ф I : (m)
25,8 28,8
62
106
85
3,0 (9x7)14 Mezcla Com. 9,41 9,13 40 365 12,5 15,5 9,5 (15x13)
3,0 (8x7)12 Laguna Cub. 3,29 3,19 100 319 11,6 14,6 8,6 (14x13)
3,0 (7x3)8 Mezcla Com. 4,78 4,63 40 185 8,9 11,9 5,9 (10x6)
7 Laguna Cub. 3,47 3,37 100 337 3,0 (8x17)112 12,0 15,0 9,0 (11x10)
3 Mezcla Com. 6,55 6,35 40 254 3,0 (7x5,5)10,4 13,4 7,4
1 Laguna Cub. 16,14 15,66 100 1.566 3,0 (49x7)
Capa
cida
d
Vol
umét
rica
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BIo
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Predio
Tipo Laguna
Cubierta
o
Tipo Mezcla
CompletaQ0 Qe TRH V : (m
3) h : (m)
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Bio
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522 22,8
Biodigestor REDONDO
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(L x A)M
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(Sustrato)
Tipo de
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Volumen
(Biodigestor)Dimensiones de los (Biodigestores)
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Biodigestor RECTANGULAR
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Infe
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Bio
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stor
Larg
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Anc
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Supe
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Bio
dige
stor
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
40
Módulo 2
Forma rectangular
El cálculo puede ser realizado por la siguiente expresión:
𝑉 =ℎ
3· [(𝐿 · 𝐴) + ⟨𝐿 − (2 · ℎ · 𝑇)⟩ · ⟨𝐴 − (2 · ℎ · 𝑇)⟩] + √(𝐿 · 𝐴) · ⟨𝐿 − (2 · ℎ · 𝑇)⟩ · ⟨𝐴 − (2 · ℎ · 𝑇⟩
Forma circunferencial
𝑉 = 𝑉∅𝑆 − ((𝑉∅𝑆 − 𝑉∅𝐼)
2) = 𝜋 · 𝑟∅𝑆
2 · ℎ − [(𝜋 · 𝑟∅𝑆
2 · ℎ) − (𝜋 · 𝑟∅𝐼2 · ℎ)
2]
Donde,
𝑉∅𝑆: Volumen del cilindro según diámetro superior sin talud
𝑉∅𝐼: Volumen del cilindro según diámetro inferior sin talud
Talud = 1:1
Figura 2-15: Biodigestor circunferencial
Para el cálculo o dimensionamiento de los estanques de acopio se debe realizar el mismo
procedimiento.
2.7. Estimación de Generación de Energía
Esta Guía contempla el cálculo o la estimación de variables como la energía total contenida, potencia
nominal, generación eléctrica y generación térmica, dichas variables serán individualizadas a
continuación.
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
41
Módulo 2
2.7.1. Cálculo de Energía Total Contenida y Potencia Nominal
Se debe entender por Energía Total Contenida (𝐸𝑇𝐶) como la energía total disponible con la que
cuenta un combustible antes de ser combustionado. Dicha energía es la máxima teórica, la cual será
aprovechada parcialmente dependiendo de la eficiencia del equipo. Por lo tanto, para 1m3 biogás
con 61% de metano (CH4) tendremos el desarrollo de la siguiente expresión Expresión para la
Energía Total Contenida en el Biogás, ilustrada a continuación:
𝐸𝑇𝐶[𝑘𝑊ℎ
𝑑í𝑎] = 𝑄𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠 [
𝑚3
𝑑í𝑎] · 𝑚[%𝐶𝐻4] · 𝑃𝐶𝐼 [
𝑘𝑊ℎ
𝑁𝑚3 𝐶𝐻4]
Donde,
𝐸𝑇𝐶: Energía Total Contenida en el biogás
𝑄𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠: Caudal diario de producción de biogás
𝑚: Porcentaje de metano contenido en el biogás
𝑃𝐶𝐼: Poder calorífico inferior del metano
Tabla 2-15: Ejemplo cálculo de Energía Total Contenida
A partir de la Energía Total Contenida es posible calcular la Potencia Nominal Teórica de la
instalación:
𝑃𝑛𝑜𝑚 [𝑘𝑊] =𝐸𝑇𝐶 [
𝑘𝑊ℎ𝑑í𝑎
]
24 [ℎ𝑟𝑠𝑑í𝑎
]=
𝑄𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠 [𝑚3
𝑑í𝑎] · 𝑚[%𝐶𝐻4] · 𝑃𝐶𝐼 [
𝑘𝑊ℎ𝑁𝑚3 𝐶𝐻4
]
24 [ℎ𝑟𝑠𝑑í𝑎
]
DATOS
Sí
No
Sí
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Sí o No
Sí
Sí
No
DATOS
232,8 55% 432,1 49,5%26,7%3 Mezcla C. 87,65 1,8 90%
144,0
67,4
884,6
873,0
9,96
9,96
9,96
182,9 55%
17,2 55%
143,7
64,6
685,9 339,5 49,5%26,7% 90%14 Mezcla C. 112,9 68,87 1,8 90%9,96
32,0 49,5%26,7% 90%12 Laguna C. 10,6 6,48 1,8 90%9,96
437,9 49,5%26,7% 90%8 Mezcla C. 145,6 88,82 1,8 90% 236,0 55%
33,4 49,5%26,7% 90%7 Laguna C. 11,1 6,77 1,8 90% 18,0 55%
90% 49,5%26,7%
90%
1 Laguna C. 88,9 54,19 1,8 90%
%
(GT/ETC)BGE
Con %CH4
(60,98%)KWh/m
3 (%)PE GE%
(GT/ETC)GTETC
KWh/N
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(%)PE
55% 267,2539,89,96
(%)
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Tipo
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Tipo de Biodigestor
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(CH
4)
Estimaciones de Generación
Eléctrica
Gen
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Térm
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(Kw
ht/
día)
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
42
Módulo 2
Donde,
𝑃𝑛𝑜𝑚: Potencia nominal
Tabla 2-16: Ejemplo Cálculos de Potencia Nominal
2.7.2. Generación de Energía
Para calcular la energía teórica total generada, ya sea eléctrica o térmica, se debe incorporar el
concepto de eficiencia de los equipos. En generación eléctrica, la eficiencia de generación
corresponde a aproximadamente un 30%, mientras que para la térmica, corresponde a cerca de un
85%. En el caso de cogeneración, la eficiencia global del sistema es cercana al 85%, donde la eléctrica
representa un 30%, mientras que la térmica un 45% adicional. Resulta importante mencionar que
dicha eficiencia depende exclusivamente de los equipos utilizados y es entregada por el fabricante
en las especificaciones técnicas.
𝐸𝑒 [𝑘𝑊ℎ
𝑑í𝑎] = 𝐸𝑇𝐶 [
𝑘𝑊ℎ
𝑑í𝑎] · 𝜂𝑒[%]
𝐸𝑡 [𝑘𝑊ℎ
𝑑í𝑎] = 𝐸𝑇𝐶 [
𝑘𝑊ℎ
𝑑í𝑎] · 𝜂𝑡[%]
Donde,
𝐸𝑒: Energía eléctrica teórica generada
𝐸𝑡: Energía térmica teórica generada
𝜂𝑒: Eficiencia equipo de generación eléctrica
𝜂𝑡: Eficiencia equipo de generación térmica
DATOS
Sopl
ador
de
Bio
gás
Predio
Laguna
Cubierta o
Mezcla
Completa BGE%CH4
(60,98%)
KWh/N
m3CH4
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KWh
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Tipo de Biodigestor
Bio
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DATOS (Potencias)
Tota
l Pot
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Aut
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Dat
os
OBS. Biogás Destinado Generación Estimaciones de
Generación Eléctrica
Estimaciones de Potencia
Eléctrica para Autoconsumo
(%)
en R
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ión
a
Elec
tric
. Gen
erad
a
%(PEA
/GEH)
Sí/N
o
1 Laguna C. 88,9 2,26 9,96 22,5 1,8 90%
(%)PE GEH
%
GEH/PNCKW KW PEA
No6,0 26,7% 0 0 0 0%
6,9 71,1% Sí1,8 90% 9,7 26,7% 6,0 0,53 Mezcla C. 143,7 3,65 9,96 36,4
0 0% No
8 Mezcla C. 145,6 3,70 9,96 36,9 1,8
1,8 90% 0,7 26,7% 0 007 Laguna C. 11,1 0,28 9,96 2,8
70,2% Sí90% 9,8 26,7% 6,0 0,5 6,90,4
12 Laguna C. 10,6 0,27 9,96 2,7 1,8 0% No90% 0,7 26,7% 0 0 00
5,0 0,5 5,9 77% Sí0,414 Mezcla C. 112,9 2,87 9,96 28,6 1,8 90% 7,6
Bio
gás
Des
tina
do
Gen
erac
ión
de
Ener
gía
(m
3/hr
.)
BGE
por hora
3,7
6,0
26,7%4,7
0,5
6,1
Bom
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facc
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KW
0
0,4
0,4
(%)P
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ntaj
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n
Dec
anta
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y
Bio
dige
stor
(PCI
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Infe
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(CH
4)
Ran
go d
e
Prod
ucci
ón
Eléc
tric
a
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
43
Módulo 2
Luego, tanto la potencia eléctrica y térmica se pueden expresar mediante las siguientes expresiones:
𝑃𝑒[𝑘𝑊] =𝐸𝑇𝐶 [
𝑘𝑊ℎ𝑑í𝑎
] · 𝜂𝑒[%]
24 [ℎ𝑟𝑠𝑑í𝑎
]
𝑃𝑡[𝑘𝑊] =𝐸𝑇𝐶 [
𝑘𝑊ℎ𝑑í𝑎
] · 𝜂𝑡[%]
24 [ℎ𝑟𝑠𝑑í𝑎
]
Donde,
𝑃𝑒: Potencia eléctrica del equipo de generación
𝑃𝑡: Potencia térmica del equipo de generación
Tabla 2-17: Ejemplo cálculos de Energía y Potencia Eléctrica
DATOS
Sí205,8 8,6 55% 90% 339,5 49,5%14 Mezcla C. 112,9 68,87 9,96 685,9 24,0 30%
32,0 49,5% No24,0 30% 19,4 0,8 55% 90%12 Laguna C. 10,6 6,48 9,96 64,6
437,9 49,5% Sí24,0 30% 265,4 11,1 55% 90%8 Mezcla C. 145,6 88,82 9,96 884,6
0,8 55% 90% 33,4 49,5% No7 Laguna C. 11,1 6,77 9,96 67,4 24,0 30% 20,2
10,9 55% 90% 432,1 49,5% Sí3 Mezcla C. 143,7 87,65 9,96 873,0 24,0 30% 261,9
49,5% Sí30% 161,9 6,7 55% 90% 267,2
GT%
(GT/ETC)Sí o No
1 Laguna C. 88,9 54,19 9,96 539,8 24,0
hrs/día (%)Ne Ee Pe
%
(GT/ETC)(%)PE
Predio
Tipo
Laguna
Cubierta o
Tipo
Mezcla BGE
Con %CH4
(60,98%)
KWh/N
m3CH4
ETC
Gen
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Térm
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(Kw
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KW
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DATOS
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en (
Kw
he/
día)
Esti
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Elé
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en (
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)
DATOS
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OBS. Biogás Destinado Generación Estimaciones de Generación
Eléctrica
Estimaciones de Generación
Térmica
PRO
YECT
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QU
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ACI
ÓN
ELÉ
C.
Tipo de Biodigestor
Bio
gás
Des
tina
do
Gen
erac
ión
de
Ener
gía
(m
3/d
ía)
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
44
Módulo 2
Tabla 2-18: Ejemplo cálculos de Energía y Potencia Térmica
2.7.3. Determinación de Potencia Instalada
Para determinar la potencia instalada, se debe considerar el tiempo de operación de los equipos.
Ello viene dado por diversos factores, entre los que se encuentra la demanda total de energía,
periodos punta que se busca reducir, sistemas de almacenamiento de energía (térmica
principalmente), entre otros.
𝑃𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑎[𝑘𝑊] =𝐸𝑇𝐶 [
𝑘𝑊ℎ𝑑í𝑎
] · 𝜂𝑡[%]
𝑇𝑓 [ℎ𝑟𝑠𝑑í𝑎
]
Donde,
𝑇𝑓: Tiempo de funcionamiento diario.
DATOS
Sí308,7 12,9 55% 90% 339,5 49,5%14 Mezcla C. 112,9 68,87 9,96 685,9 24,0 45%
32,0 49,5% No24,0 45% 29,1 1,2 55% 90%12 Laguna C. 10,6 6,48 9,96 64,6
437,9 49,5% Sí24,0 45% 398,1 16,6 55% 90%8 Mezcla C. 145,6 88,82 9,96 884,6
1,3 55% 90% 33,4 49,5% No7 Laguna C. 11,1 6,77 9,96 67,4 24,0 45% 30,3
16,4 55% 90% 432,1 49,5% Sí3 Mezcla C. 143,7 87,65 9,96 873,0 24,0 45% 392,8
49,5% Sí45% 242,9 10,1 55% 90% 267,2
GT%
(GT/ETC)Sí o No
1 Laguna C. 88,9 54,19 9,96 539,8 24,0
hrs/día (%)Nt Et Pt
%
(GT/ETC)(%)PE
Predio
Tipo
Laguna
Cubierta o
Tipo
Mezcla BGE
Con %CH4
(60,98%)
KWh/N
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DATOS
Dat
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OBS. Biogás Destinado Generación Estimaciones de Generación
Térmica
Estimaciones de Generación
Térmica
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