Granja la estrella

1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008

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Categoría: Innovación Empresarial

Tercer lugar

Sistema innovador para la generación de energía eléctrica y producción de

biosólidos a partir de la digestión anaeróbica de estiércol de bovino

DATOS GENERALES

Organización que concursa:

Granja “La Estrella”

Ubicación: Carretera a los Ramírez km 9.0 Col. San Agustín del Mirasol

C.P. 37680 Tel. (477) 745 62 64

León, Gto. Correo electrónico: [email protected]

Giro de la Organización:

Agropecuario - Productor de Leche de Bovino

Representantes: José Manuel González Rodríguez

Director General Correo electrónico: [email protected]

José Manuel González Gutiérrez

Gerente General Correo electrónico: [email protected]

José de Jesús Rangel Delgado Director de Proyectos Productivos


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Antecedentes

El gas natural que en su mayor composición es metano, fue utilizado por los pueblos chinos y

persas hace miles de años como generador de temperatura. Pasaron muchos años para que se dieran

cuenta que el metano no solo se encuentra en el gas natural fósil. En el año de 1776, el científico

italiano Volta descubrió que el principal compuesto del gas natural era metano. Solo 100 años

después se descubrió el origen microbiológico de la formación de metano. En el año 1887 el

científico Hoppe-Seyler pudo comprobar la formación de metano a partir de acetato. La misma

observación hizo Omelianski en 1886 con estiércol de vacas. En 1888 Gayon obtuvo gas al mezclar

estiércol y agua a una temperatura de 35ºc. En 1895 la digestión aneróbica llegó a Inglaterra cuando

el biogás fue recuperado de una instalación de tratamiento de aguas residuales y se usó para

alimentar el alumbrado público de Exeter.

Desde los años 1970, la investigación y tecnología del biogás se ha venido desarrollando a

pasos agigantados y esta tecnología la ha promovido con singular vigor el gobierno chino. En las

áreas rurales, más de 5 millones de pequeños digestores se han construido y actualmente más de 20

millones de personas usan biogás como combustible. En la India, el desarrollo de plantas a biogás

para las viviendas rurales empezó en la década de los 1950, un incremento acelerado en el número

de plantas a biogás se registró en los 70’s a través de un fuerte apoyo gubernamental, así más de un

millón de plantas de biogás existen en ese país. En Alemania y Dinamarca la diseminación de

plantas a biogás se debe a la necesidad de fuentes alternas de energía como frente a economías en

crisis energética, además de la elevación de precios de la electricidad. La primer planta centralizada

de biogás en Dinamarca fue establecida en 1984 a iniciativa del fondo de Jutlandia del Norte como

una reacción a los altos precios del petróleo a inicio de los años 1980.

Otra razón para implementar un sistema de biogás en una instalación pecuaria, es el control

de emisiones de gases de efecto invernadero, en este caso metano. Las actividades agropecuarias

contribuyen sustancialmente a las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de fuente

antropogénica. El metano y el oxido nitroso emitido por el sector agropecuario en el año 2000, en

los hasta entonces 15 países de la unión europea, fue el equivalente a 383 mega toneladas de

dióxido de carbono, que correspondió aproximadamente al 10% del total de las emisiones de GEI

en dicha región geográfica. Alrededor del 49% de metano y del 63% de óxido nitroso emitido,

puede ser atribuido a la producción agropecuaria; dentro de este sector las instalaciones pecuarias

representan la mayor fuente de emisiones, y por tanto, es el sector con más área de oportunidad (7)


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y (8). Sin embargo, la experiencia del biogás en los Estados Unidos en los años 70’s y 80’s, ha

demostrado que la tecnología del biogás no es aplicable a todas las granjas. La producción de

biogás se adapta mejor para granjas que manejan grandes cantidades de estiércol como un líquido,

pasta o semi-sólido con poco o nada de rastrojo agregado. Aunque hay muchos factores que

influencian la producción de biogás a partir del estiércol del ganado, la cantidad de estiércol

recolectado determina la cantidad de biogás que puede ser producido. El tamaño de la instalación

referida al número de cabezas de ganado, es un indicador primario para ver si la recuperación del

biogás es económicamente factible. Con respecto a ganado bovino, una instalación de 500 cabezas

de ganado es el tamaño mínimo recomendable para implementar un sistema de esta naturaleza. Otro

factor a tomar en cuenta para llevar a cabo un proyecto de esta naturaleza, es el costo de la energía,

en lugares donde el costo de la energía sea superior a los $0.08 usd. ($0.86 mex.) por kwh, pueden

ser muy lucrativos los proyectos de recuperación de biogás.

La ganadería en México, y en particular en Guanajuato, es un sector estratégico que enfrenta

muchos problemas productivos, falta de apoyos, competencia desleal de productores extranjeros y

riesgos, además de bajos precios de los productos ganaderos como son la leche y carne. La opción

de innovar los procesos es de alto costo para los productores, pero se contempla como la única

alternativa para sobrevivir y competir internacionalmente.

La granja “La Estrella” inició un proceso de modernización para dar respuesta a las nuevas

condiciones económicas mundiales, que contempla la automatización de los procesos, mayor

eficiencia e investigación aplicada para la producción animal. Una parte de este macro proyecto, fue

la utilización del estiércol para obtener mediante el proceso de biodigestión, explicado brevemente

en el primer párrafo, metano (ch4) para generar energía eléctrica que pueda dirigirse al

autoconsumo y analizar la posibilidad de vender los excedentes a la Comisión Federal de

Electricidad (CFE), y además obtener composta o humus orgánico enriquecido para uso agrícola.

Cabe mencionar que el proyecto nace por el problema de la deposición y tratamiento del estiércol,

ya que el costo del manejo de éste impacta fuertemente a los gastos de producción, y en épocas de

lluvia el problema se acentúa a dimensiones incontrolables.

Para solucionar el problema de la deposición del estiércol, se analizaron varias opciones y de

acuerdo a la información recopilada durante una investigación documental y de campo, se optó por

la alternativa de realizar un proceso de biodigestión anaerobia para obtener biogás, este proceso se

puede entender en la siguiente figura.


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La composición del biogás se muestra en el siguiente cuadro.

De los gases que componen el biogás, el de mayor interés para nuestro proyecto es el metano

(ch4), ya que lo utilizaríamos como combustible para motogeneradores eléctricos de combustión

interna. Nuestro proyecto se esquematiza en la siguiente figura.

BIOGASBIOGAS

Es la mezcla de Metano y otros gases que se desprenden durante Es la mezcla de Metano y otros gases que se desprenden durante la degradacila degradacióón anaerobia de la materia orgn anaerobia de la materia orgáánica por la accinica por la accióón n de microorganismos.de microorganismos.

COMPONENTECOMPONENTE CONCENTRACIONCONCENTRACION CARACTERISTICASCARACTERISTICASMetano (CHMetano (CH44)) 5050--70%70% ExplosivoExplosivoBiBióóxido de Carbono (COxido de Carbono (CO22)) 2525--35%35% AcidAcidéézzHidrHidróógeno (Hgeno (H22)) < 5%< 5% ExplosivoExplosivoOxigenoOxigeno (O(O22)) < 5%< 5% InocuoInocuoMercaptanosMercaptanos (CHS)(CHS) 1.1%1.1% Mal Mal OlorOlorAcidoAcido SulfhSulfhíídricodrico(H(H22S)S) < 2%< 2% Mal Mal OlorOlor


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Al inicio del proyecto contaba con 780 cabezas de ganado de la raza holstein, productoras de

leche, y producía 8200 litros diarios con una carga animal en ordeña de 320 vacas. Actualmente

cuenta con 1020 cabezas de ganado y produce 16,100 litros diarios de leche con una carga animal

promedio de 620 vacas en línea de producción. El estiércol derivado de la producción de leche y de

la granja en su conjunto era de 12 ton/día, el cual se dejaba secar al aire libre para incorporarlo

posteriormente al campo. Durante ese proceso producía malos olores, permitiendo la liberación a la

atmósfera de gas metano que contamina y provoca el efecto invernadero, además de la reproducción

de una cantidad considerable de moscas que incomodan al ganado provocando disminución en la

producción láctea. Al continuar con el proyecto de crecimiento que contempla la ordeña de un

promedio de 1020 vacas diariamente, se triplicaría la producción de estiércol y por consiguiente,

también el problema del manejo de éste. Además se permitiría la liberación de 2,100 m³ de metano

diariamente a la atmósfera, perdiéndose la oportunidad de producir 180 kw/hrs las 24 horas del día.

Actualmente se producen en promedio 1,400 m³ de biogás al día con una concentración de

58% de metano (ch4), y se utiliza el 70% del biogás para la producción de 110 kw/h las 24 horas

del día; el 30% restante, se incinera para evitar la expulsión a la atmósfera de metano, que tiene 21

veces más efecto invernadero que el CO2, producto de la incineración del biogás.


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Objetivos

a. Objetivo general

Proporcionar un servicio de energía eléctrica para autoconsumo a partir de la combustión de gas

metano (ch4) producido por la fermentación anaeróbica del estiércol bovino generado en un sistema

de biodigestion instalado en la granja, así como el aprovechamiento de los biosólidos resultantes del

proceso como bioabonos y mejoradores de suelos. Además de promover la implantación de

sistemas similares en otros sitios, fortaleciendo así el sector agropecuario con nuevos negocios de

alto valor agregado, estratégicos para el estado de Guanajuato.

b. Objetivos específicos

1. Instalar, arrancar y operar el digestor anaeróbico.

2. Diseñar e instalar el sistema auxiliar periférico.

3. Elaborar los manuales de arranque, operación y mantenimiento de las instalaciones.

4. Promover entre los ganaderos el uso de este tipo de tecnología.

5. Llevar a cabo el estudio de factibilidad de interconexión con la Comisión Federal de

Electricidad para conectarse a las líneas de distribución.

Metodología

1. Se realizó la investigación sobre materiales y equipo existentes en el mercado nacional y se

diseñaron el digestor, sus sistemas internos y periféricos.


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Figura 1. Representación General del Intercambiador de Calor

E_A-Entrada

A-Entrada

E-A-Salida


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2. Para la instalación del digestor anaeróbico, se llevó a cabo un estudio de localización y

cimentación del suelo y posteriormente se realizaron las excavaciones e instalaciones

necesarias. Se llenó el digestor de la mezcla estiércol-agua y se selló para dar la condición

anaeróbica.


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3. Se diseñó el equipo auxiliar periférico que consistió en tres instalaciones adicionales al

sistema de biodigestión y combustión.

a. Sistema de dosificación del estiércol para el aseguramiento de la alimentación continua

del digestor. Para esto, se seleccionó el equipo de manejo y transporte del estiércol hasta

el punto de alimentación, y se construyó la fosa de recepción de estiércol y de agua

utilizada en la granja para las actividades de limpieza y ordeña. Esta fosa se diseñó con un

sistema de agitación para preparar la mezcla adecuada para el digestor.


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Licuadora para mezclar estiércol, agua y su envío al digestor


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b. Central de producción de Energía Eléctrica. Se diseñó el sistema de transmisión eléctrica

y el cuarto de máquinas, se adquirió el equipo de acuerdo al diseño y se realizaron las

instalaciones necesarias.


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c. Sistema de Recepción y manejo de los biosólidos (bioabono). Se diseñó una fosa

secundaria y un área de separación de sólidos del efluente del digestor, se compró el

equipo necesario y se realizaron las obras civiles del sistema.


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4. Se realizaron eventos públicos para la difusión de los resultados, se imprimió material de

difusión consistente en trípticos y folletos que se entregó en eventos académicos y foros

especializados en el tema. Además que se publicaron los resultados en artículos impresos de

revistas especializadas de investigación.


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5. Se trabajó conjuntamente con el departamento de planeación de la Comisión Federal de

Electricidad zona Bajío, en el estudio de factibilidad de interconexión de la planta de

generación eléctrica a partir de biogás a la red de distribución para el porteo eléctrico.


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Resultados

a. Especificación de la innovación realizada

La creación de un sistema eficiente de producción de energía eléctrica a partir de biogás producido

anaeróbicamente desde el estiércol de bovino, el sistema evita la expulsión a la atmósfera de 1,400

m³ de gases de efecto invernadero, además de no contaminar el subsuelo.

b. Impacto económico.

Se tiene un ahorro del 80% del gasto de energía eléctrica del establo. Se logró el ahorro en el

manejo del estiércol de mano de obra, maquinaria y combustibles por $41,340.00 pesos mensuales.

Se inició la venta de bioabono a productores de aguacate orgánico con un incremento en el precio

del 250% por camión de 14m³, comparado con estiércol secado al aire libre.

c. Impacto tecnológico.

Se diseñó un sistema de generación eléctrica eficiente a partir de biogás producido por la digestión

anaerobia de estiércol de bovino, además de que el proyecto dio pie al desarrollo de los

motogeneradores eléctricos, que utilizan biogás como fuente de combustible por parte de la empresa

“Mopesa” de la ciudad de Toluca en el Edo. de México.

d. Contribución en el desarrollo sustentable.

La planta de generación eléctrica a partir del biogás producido por la digestión anaerobia del

estiércol de bovino, permite el aprovechamiento de energías renovables, lo que trae consigo un

ahorro en el gasto de energía, beneficiando la competitividad de la granja, además de la notable

reducción de contaminación debido a las descargas de estiércol al aire libre, así como el

aprovechamiento del bioabono como fertilizante para los cultivos de la granja y la venta de los

excedentes.

e. Contribución social.

Actualmente se dispone el estiércol al aire libre, lo que representa un foco de infección por el

esparcimiento de patógenos al ambiente, ocasionando que los habitantes de las cercanías estén en

riesgo de contagio. Además de que la presencia de malos olores tienen un impacto negativo en la

calidad de vida de la población. Con la implantación de este sistema, además de resolver los


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problemas anteriores, se dejarán de emitir diariamente a la atmósfera 812 m³ de gas metano (CH4),

mismo que tiene un poder de efecto invernadero 21 veces mayor que el CO2.

Conclusiones

• El sistema de biodigestión con que cuenta la granja, consta de un digestor que es un

modelo para el tratamiento de los residuos ganaderos que son un problema ambiental y de

salud pública, y que tiene un excesivo costo por el manejo de sus desechos.

• El sistema de biodigestión es capaz de producir 1,400 m³ de biogás diariamente con un

contenido promedio de 58% de metano (CH4) y 5 toneladas diarias de biosólidos. Los

biosólidos fueron analizados fisicoquímicamente y se encontró una calidad excelente

como bioabono, que actualmente se está vendiendo a productores de aguacate orgánico.

• El sistema cuenta con dos plantas de generación eléctrica que producen 55 kw/hora

cada uno y trabajan las 24 horas del día. Se ha logrado un ahorro de energía eléctrica del

80% del consumo del establo.

• Cabe mencionar que de la producción actual de biogás de 1,400 m³ al día en promedio, se

utiliza el 70% en la generación de electricidad y el 30% restante es quemado en un

incinerador para así, impedir que el metano (CH4) se escape a la atmósfera ya que su

efecto invernadero es 21 veces mayor que el del CO2.

• De la electricidad producida, se pierde el 13% por caída de tensión eléctrica y debido a las

instalaciones actuales de las 24 horas del día, solo se utiliza la generación de 14 horas por

lo que se están perdiendo 110kw/hora durante 10 horas diariamente.

• El sistema de producción de electricidad a partir del biogás producido por el estiércol de

las vacas, con la difusión que se ha realizado, ha despertado el interés de ganaderos y de

instituciones gubernamentales como la Comisión Federal de Electricidad (CFE), quienes

han realizado diversas visitas y han mostrado su interés en apoyarnos para realizar un

proyecto en conjunto y lograr utilizar el 100% del biogás en la generación de energía

eléctrica para autoconsumo, así como apoyarnos en realizar los estudios correspondientes

para la venta de los excedentes a la CFE.


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