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Clasificación de Plantas de Biogás (10-09-2021)

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Compañía Centroamericana de Biogás S. A.
(CCA Biogás)
Documento Divulgativo No. 1, septiembre de 2021
CLASIFICACIÓN DE
LAS PLANTAS DE
BIOGÁS
Descripción breve
Se presentan una introducción del uso de los Digestores Anaerobios para el
reciclado de los desechos orgánicos y una clasificación práctica de los
mismos, teniendo en cuenta las condiciones específicas de los países en
desarrollo
Roberto A. González-Castellanos
rgonzalezc@ccabiogas.com
Compañía Centroamericana de Biogás S. A.
CCA Biogás
Introducción a la Digestión Anaerobia
El correcto manejo de los residuos orgánicos se logra a través de diferentes
tratamientos que implican un reciclaje de estos residuos, transformándolos en productos
con valor agregado. El reciclaje de materia orgánica ha recibido un fuerte impulso con
el alto costo de los fertilizantes químicos, con la búsqueda de alternativas no
tradicionales de energía, así como también, con la necesidad de encontrar vías de
descontaminación y eliminación de residuos [1]. La población microbiana juega un
importante papel en las transformaciones de estos residuos orgánicos especialmente si
se considera que disponen de un amplio rango de respuestas frente a la molécula de
oxígeno, componente universal de las células. Esto permite establecer bioprocesos en
función de la presencia de oxigeno (Procesos Aerobios) o ausencia de oxígeno (Procesos
Anaerobios), con el objeto de tratar adecuadamente diversos residuos orgánicos [2].
De ambos procesos, es el anaerobio el más utilizado para el reciclaje de los residuos
orgánicos y su desarrollo se denomina Digestión Anaerobia, que se lleva a cabo en
equipos denominados Digestores. La Digestión Anaerobia es un proceso biológico
complejo y degradativo en el cual parte de los materiales orgánicos de los residuos
animales y vegetales se convierten en biogás, que es una mezcla de Dióxido de Carbono
(CO2) y Metano (CH4), con trazas de otros elementos. Este proceso se lleva a cabo por
un consorcio de bacterias que son sensibles o completamente inhibidas por el oxígeno o
sus precursores como el agua oxigenada (H2O2) y, utilizando este proceso es posible
convertir, en subproductos útiles, gran cantidad de residuos, como los residuos
vegetales, estiércoles, efluentes de la industria alimentaria y fermentativa, de la
industria papelera y de algunas industrias químicas. En la digestión anaerobia más del
90% de la energía disponible por oxidación directa se transforma en metano,
consumiéndose solo un 10% de la energía en crecimiento bacteriano.
La Digestión Anaerobia a partir de compuestos complejos se produce gracias a la
acción coordinada de tres grupos de bacterias, que actúan de forma coordinada e
interdependiente, cada uno con su papel establecido [3] (Figura 1). Los principales
productos del proceso de digestión anaerobia son el Biogás y el efluente estabilizado de
la planta (Lodo Digerido o Digestato), que constituye un valioso fertilizante orgánico. El
biogás es una mezcla gaseosa formada principalmente de Metano (CH4) y Dióxido de
Carbono (CO2) y que también contiene diversas impurezas. La composición del biogás
depende del material digerido y del funcionamiento del proceso. Cuando el biogás tiene
un contenido de CH4 superior al 45% es inflamable [2].
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Figura 1. Esquema del proceso de digestión anaerobia, según “Guía técnica para el
manejo y aprovechamiento de biogás en PTAR”, México, 2017.
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Clasificación de las Plantas de Biogás
Las instalaciones prácticas en que se procesan los residuos orgánicos mediante la
Digestión Anaerobia se denominan Plantas de Biogás y en las mismas los Digestores
Anaerobios constituyen el equipo central. Por ese motivo en muchas ocasiones, se habla
de Digestores Anaerobios cuando en realidad se está hablando de Plantas de Biogás, ya
que el Digestor Anaerobio solo no puede asegurar el proceso completo de los residuos
orgánicos. Además, como la variedad de los residuos orgánicos a procesar es muy
grande, así como son muy cambiantes las condiciones específicas en que se deben
procesar, las Plantas de Biogás pueden tomar diferentes configuraciones tecnológicas,
las que se toman como base para la clasificación de las mismas.
En la práctica hay diferentes criterios para la clasificación de las Plantas de Biogás y
una de las clasificaciones de origen europeo, que se emplea en varios países de América
como Chile [4], Argentina y EEUU considera las plantas divididas en tres escalas –
pequeña, mediana y grande– y, por ejemplo, dentro de la Escala Pequeña, se incluyen
aquellas Plantas de Biogás en las cuales los digestores anaerobios tienen una Potencia
Nominal hasta 180 kW. Para obtener esa potencia, si se considera ~65% de CH4 como
valor promedio en el biogás, se necesita producir hasta 665 m3 biogás/día, valor que
excede en mucho el volumen de producción de las plantas consideradas de “pequeña
escala” en la mayoría de los países en vías de desarrollo, en los cuales hay consenso en
la necesidad de utilizar una escala más pequeña, la denominada Escala Doméstica, como
un subconjunto de la Escala Pequeña de la Clasificación por Potencia.
Ahora bien, esa necesidad no se presenta únicamente de los países en vías de
desarrollo. También en Europa se ha considerado conveniente incluir una escala más
pequeña y así surge el concepto de Micro Escala. Por supuesto que tampoco existe
unanimidad en la definición de los límites de la Micro Escala e incluso las plantas de ese
tipo no se han desarrollado igual en todos los países de la Unión Europea. Pero en lo que
hay consenso es en la necesidad de considerar dicha Micro Escala [5] aunque, incluso
esa clasificación, al menos en el trabajo de referencia, abarca plantas mucho más
grandes que las que se consideran en la Escala Doméstica.
No obstante, en la actualidad se considera aceptado el concepto de Micro Escala y,
por ejemplo, ya la Asociación Mundial de Biogás (WBA por sus siglas en inglés) incluye
en sus estadísticas oficiales las Plantas de Micro Escala, considerándolas por debajo de
las escalas de la Clasificación por Potencia y, aunque abarca toda las Plantas de Biogás
de Escala Doméstica de los países en desarrollo, la Micro Escala de los países
desarrollados incluye plantas hasta de 100 m 3 de volumen total, siempre y cuando se
alcance ese volumen mediante grupos de plantas más pequeñas, por ejemplo 5 plantas
de 20 m3 cada una [6]. Al resto de las plantas las engloban en la categoría de “Plantas
de Escala” y las diferencian, más que por su tamaño, por el uso que se le da al biogás.
Para la Micro Escala se define el uso directo del biogás como combustible, ya sea para
cocinar o para otros usos domésticos. En el caso de los Digestores de Escala (Pequeña,
Mediana y Grande), los divide entre los que utilizan el biogás para Generar Electricidad
y los que lo emplean para Producir Biometano [7]. Más abajo (Figura 2) se muestra un
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esquema general de las Plantas de Biogás, en el que se consideran las entradas que
tienen y las tres posibles salidas (uso directo, energía eléctrica y biometano).
Figura 2. Proceso de Digestión Anaerobia y sus entradas y salidas, tomado de “Outlook for
biogas & biomethane. Prospects for organic growth”, IEA, 2020”.
En relación con la Escala Doméstica, en China se considera que “los Digestores de
Biogás Domésticos permiten que los hogares rurales con ganado conviertan el estiércol
y otros desechos orgánicos en biogás para cocinar y lodo digerido como fertilizante. Los
digestores tienden a ser contenedores subterráneos herméticos con un volumen de 4 a
20 m3. Las tuberías transportan el biogás directamente a la cocina de la casa y el lodo
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biológico se puede descargar con regularidad para su uso como fertilizante. Un metro
cúbico de biogás proporciona unas dos horas de cocción” [8].
No obstante, más recientemente, en China se propuso clasificar las Plantas de Biogás
en tres categorías: Producción Doméstica Rural, Producción Industrial Basada en la
Agricultura y Producción Industrial Basada en la Industria [9] y se hizo un pronóstico de
la producción futura de biogás de China en esas tres categorías, a partir de la aplicación
de modelos matemáticos originados en la investigación petrolera, como los modelos
Hubbert, Weibull, Weng generalizado, H – C – Z y Gray, que se ha comprobado que son
también válidos para otras fuentes de energía.
Los resultados de la simulación revelaron que es poco probable que la producción
total de biogás de China mantenga en los próximos años la tendencia actual de rápido
crecimiento debido a que, si bien se mantiene la tendencia creciente de la Escala
Industrial, se mantiene también la reciente disminución en la producción de biogás de
los hogares rurales. Esos resultados difieren mucho del objetivo oficial establecido,
aunque se mantiene un muy alto crecimiento y la preponderancia de lo que los autores
denominan Producción Doméstica Rural, que es prácticamente la Escala Doméstica
tradicional. Más abajo se muestra dicho pronóstico (Figura 3) [9].
Figura 3. Pronóstico de la producción de biogás de diferentes sectores en China, entre 1989
y 2014 (Lei Gu et al, 2016).
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La preponderancia de la Micro Escala (Escala Doméstica) no es solamente en China,
aunque es el país que más utiliza esa escala. En la actualidad, aproximadamente 126
millones de personas en todo el mundo, utilizan el biogás para cocinar, mediante un
total de 50 millones de estufas de biogás. De ese total de personas, en China 112
millones utilizan el biogás para cocinar, mientras que en la India lo utilizan 10 millones.
En 2016 China se produjo 13 millones de metros cúbicos de biogás para cocinar o
calentar, desplazando combustibles sólidos de alta emisión como leña y carbón vegetal,
mientras que en India se produjo 2 millones de metros cúbicos [10].
En general la industria del biogás está creciendo a nivel mundial en todas las escalas.
En 2017, además de los sistemas de biogás de Escala Doméstica, en China había un
total de 110,448 sistemas de biogás operando, de las cuales 6,972 eran de Escala
Grande. Europa tenía 17.783 plantas con una capacidad de generación de electricidad
de 10,5 GW. Alemania es el líder en el mercado europeo con 10.971 plantas, seguida de
Italia (1.655), Francia (742), Suiza (632) y Reino Unido (613). En Estados Unidos operan
2.200 digestores anaeróbicos con una capacidad instalada de 977 MW. La capacidad
instalada estimada de generación de electricidad basada en biogás en India fue de 300
MW. Canadá tenía alrededor de 180 digestores con una capacidad instalada de 196 MW.
Sobre la base de estas cifras, se estima que hay un total de alrededor de 132.000
digestores de Pequeña, Mediana o Gran escala en funcionamiento en el mundo, sin incluir
los digestores de Escala Doméstica o Micro Escala [10]. A manera de resumen,
considerando la cifra total de plantas de biogás, incluyendo la Escala Doméstica, más
abajo se muestran (Tabla 1) los 10 países que más biogás producen en el mundo, según
los datos de la Asociación Internacional de Energía (IEA), reportados en el documento
Global Bioenergy Statistics 2016 [11].
Y para resumir las consideraciones sobre la Clasificación de las Plantas de Biogás, se
hace un análisis de las clasificaciones más empleadas [12] [4] [8] [9] y, como resultado
de ese análisis, se selecciona como criterio de clasificación una combinación de la
Producción de Biogás (PB) y la Potencia Nominal (PN) y se agrupan las Plantas de Biogás
en cuatro escalas: Doméstica –que coincide con la Micro Escala–, Productiva Pequeña –
que llega hasta el final de la Escala Pequeña–, Productiva Mediana –que coincide con la
Escala Mediana– e Industrial, que coincide con la Escala Grande. Como límite aproximado
para la Escala Doméstica se define que la producción de biogás no supere 20 m3 de
biogás/día, lo que equivale a una Potencia Nominal de 5.5 kW, si se considera biogás
producido con un contenido de CH4 de ~65%. Se tuvo en cuenta también que, para
alcanzar ese límite y en dependencia del Rendimiento Específico de Biogás (m3
biogás/m3 digestor*día) que se obtenga, se requieren digestores con un volumen de
líquido entre 10 y 15 m3. Más abajo se muestra la clasificación desarrollada por el autor
(Tabla 2).
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Tabla 1. Los 10 países que producen más biogás en el mundo (2016).
Tabla 2. Clasificación de las Plantas de Biogás que incluye las Escalas Doméstica y Productiva.
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Figuras
Figura 1. Proceso de Digestión Anaerobia y sus entradas y salidas. ........................... 4
Figura 2. Pronóstico de la producción de biogás de diferentes sectores en China, entre
1989 y 2014 (Lei Gu et al, 2016). ......................................................................... 5
Tablas
Tabla 1. Los 10 países que producen más biogás en el mundo (2016). ...................... 7
Tabla 2. Clasificación de las Plantas de Biogás que incluye las Escalas Doméstica y
Productiva. ........................................................................................................ 7
Bibliografía
[1] Anil Kumar, Biswajit Mandal, y Atul Sharma, “Advancement in Biogas Digester”, en
Energy Sustainability through Green Energy, Springer, 2015, pp. 351–382. [En
línea]. Disponible en: https://www.springer.com/gp/book/9788132223368
[2] María Teresa Barnero Moreno, Manual de Biogás. Santiago de Chile: FAO, 2011.
[3] Jorge Edgardo López Hernández, Benly Liliana Ramírez Higareda, Carolina Bayer
Gomes Cabral, y Juan Manuel Morgan-Sagastume, Guía técnica para el manejo y
aprovechamiento de biogás en plantas de tratamiento de aguas residuales, 1a ed.
Ciudad
de
México:
GIZ
GmbH,
2017.
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línea].
Disponible
en:
https://www.gob.mx/sener/documentos/guia-tecnica-para-el-manejo-yaprovechamiento-de-biogas-en-plantas-de-tratamiento-de-aguas-residuales
[4] Hernán Quiroz Marchant, “Diseño de Plantas Medianas y Grandes Módulo 4 del Curso
de Formación Especializada en Biogás para Profesionales”. GIZ, 2017.
[5] Kurt Hjort-Gregersen, “Market overview micro scale digesters. Plants in EU
Countries”. AgroTech A/S, jul. 24, 2015. Consultado: sep. 05, 2020. [En línea].
Disponible
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http://www.bioenergyfarm.eu/wpcontent/uploads/2015/05/D2.1_EN-Market-overview.pdf
[6] Angela Bywater, “Horses for courses - The guide to AD”, AD & Bioresources News,
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https://adbioresources.org/docs/adba-56ppa4_highres-digital-2020-09-21.pdf
[7] IEA, “Outlook for biogas & biomethane. Prospects for organic growth, IEA, 2020”.
IEA Publications, mar. 2020. Consultado: sep. 06, 2020. [En línea]. Disponible en:
https://www.iea.org/reports/outlook-for-biogas-and-biomethane-prospects-fororganic-growth
Compañía Centroamericana de Biogás S. A.
CCA Biogás
[8] Xia Zuzhang, Domestic biogas in a changing China. Can biogas still meet the energy
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https://www.researchgate.net/publication/277924253_Domestic_Biogas_in_a_Cha
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[9] Lei Gu, Yi-Xin Zhang, Jian-Zhou Wang, Gina Chen, y Hugh Battye, “Where is the
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13, pp. 604–624, 2016, doi: 10.1007/s12182-016-0105-6.
[10] Sarika Jain, “Global Potential of Biogas”. World Biogas Association, jun. 2019.
Consultado:
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Disponible
en:
https://www.worldbiogasassociation.org/wp-content/uploads/2019/09/WBAglobalreport-56ppa4_digital-Sept-2019.pdf
[11] World Bioenergy Association, “Global Bioenergy Statistics 2016”. WBA publishing,
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Consultado:
sep.
02,
2020.
[En
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Disponible
en:
www.worldbioenergy.org
[12] Tom Bond y Michael R. Templeton, “History and future of domestic biogas plants
in the developing world”, Energy Sustain. Dev., vol. 15, pp. 347–354, 2011, doi:
10.1016/j.esd.2011.09.003.
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Confeccionado por:
Dr. Ing. Roberto A. González-Castellanos
Director Ejecutivo
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