Eficiencias de biodigestores tipo tubular (salchicha, plastico, ect.) y domo fijo (camartec, chino, etc.)

Me han preguntado sobre la eficiencia de los biodigestores tubulares y domo fijo, aprovecho para volcar aquí un análisis rápido que voy hacer con un ejemplo.

Biodigestor tubular de plástico instalado en Provincia del Oro en Ecuador, instalado por Gerardo Parra

La mayor diferencia entre ambos biodigestores es que el tubular requiere de una relación en la carga estiércol:agua de 1:3, mientras que el domo-fijo solo requiere 1:1. Esto tiene fuertes implicaciones y una desventaja inicial para los tubulares por requerir mas agua.

Biodigestor de domo fio, modelo CAMARTEC, instalado en el Centro de investigación de Biodigestores Biogás y Biol (CIB3) en la Finca experimental de Choquenaira (Viacaha, La Paz, Bolivia) de la Facultad de Agronomía de la Universidad Mayor de San Andrés.

Empecemos con el análisis:
Supongamos que queremos diseñar un biodigestor tubular y uno de domo fijo que sean capaces de tratar 30kg de estiércol por día cada uno. Lo primero que vemos es que en el caso tubular habrá que añadir 90 litros de agua a la carga sumando 120 litros de carga al día. En el caso de domo fijo la carga diaria será de 60 litros(30 kg de estiércol y 30 l de agua).
Ahora supongamos que diseñamos para 50 días de tiempo de retención, y encontramos que entonces el biodigestor tubular requerirá 6m3 de  volumen líquido, y el domo fijo 3m3 de volumen líquido. los tubulares los venimos haciendo de 80% fase líquida y 20% de fase sólida, mientras que en el domo fijo hay mas espacio para el gas siendo un 25% gaseoso y 75% líquido. Entonces el volumen total del tubular será 7,5m3 y el del domo fijo 4m3.


¿como evaluar la eficiencia de los biodigestores?
Hay dos parámetros clave: el Specific Biogas Production (SBP) y el Biogas Production Rate (BPR). Hay que tener ciudado con estos parámetros pues ademas es necesario saber normalmente el tiempo de retención, medido en dñias, la carga orgánica (Organic Load Rate, kgSV/m3/día) y la temperatura de trabajo. En este caso estamos suponiendo todo esto identico en mabos biodigestores.
El SBP se mide en metro cúbicos de biogas producido por kilogramo de sólidos volites (m3/kgSV). el estiércol fresco tiene un alto contenido en humedad (del 80 al 85%) y pro tanto queda un 20-15% de Sólidos Totales (ST). Para saber el % de humedad se suele poner una muestra a 110ºC hasta que se evapore todo el agua quedando solo los ST. De estos sólidos totales, parte son orgánicos y tienen  potencial de producir biogas, llamados sólidos Volátiles (SV), y otra parte son minerales e inertes. Para saber los sólidos volátiles se pone lo que ha quedado de ST ha 550ºC de forma que se calcina la parte orgánica, quedando las cenizas. La diferencia de peso entre la muestra de Sólidos Totales y las cenizas representan los SV.
Bien, sabiendo esto, hay que decir que un número de referencia sería el 77% de los sólidos totales son Sólidos Volátiles y el 33% son cenizas. También podemos hablar respecto al estiércol fresco de vaca (suponiendo 17% de ST), teniendo que el 13% son sólidos volátiles y el 87% restante se reparte en 83% agua, y  4% de cenizas cenizas. Ahora volvemos al SBP.
El SBP mide la calidad de digestión anaerobia, o sea, cuando gas se ha producido por cantidad de materia que ha entrado al biodigetsor. en este caso se ignora el tamaño del biodiegstor, su tiempo de retención, su temperatura....todo, lo único que importa el la calidad de la digestión anaerobia. Podemos dar números generales para estiercol de vaca, encontrando un rango de 0.23-0,33m3/kgSV (en condiciones normales, 0ºC y 1atm). Para los cálculos posteriores supongamos un valor conservador de SBP de 0,26m3/kgSV.

SBP y BPR de varios biodigestores monitoreados en diferentes estudios, donde se ve que le SBP está en el rango 0,23-0,33 m3/kgSV. En el caso del BPR, como depende del volumen del biodigestor, se ve que es menor a los cálculos que resultan del ejemplo de este post, pero es debido a que estos biodigestores tienen 90 días de tiempo de retención, y por tanto son mayores en volumen que el ejemplo que tratamos con 50 dáas de tiempo de retención. Además, en el caso de las tablas los biodegestores tienen menor OLR, o sea,m son cargados con menor cantidad de estiércol por m3 de biodigestor y por tanto producirán menor cantidad de biogas por metro cubico de biodigestor. Tabla sacada de

• J. Martí-Herrero, R. Alvarez, M.R. Rojas, L. Aliaga, R. Céspedes, J. Carbonell. 2014. Improvement through low cost biofilm carrier in anaerobic tubular digestion in cold climate Bioresource Technol, 167 (2014), pp. 87–9

Entonces, en el caso que estamos, un biodigestor alimentado con 30 kg de estiércol de vaca al día, significa que entran 3,9 kgSV (kilogramos de Sólidos Volátiles), y por tanto, con un SBP=0,26m3/kgSV, resulta que los 30 kg de estiércol podrán producir 1000 litros de biogas. Entonces ambos biodigestores, pueden producir la misma cantidad de biogas al día siendo cargados con la misma cantidad.
¿Entonces como medir la eficiencia? el otro parámetro BPR, que se mide en metros cúbicos de biogas producidos por metro cúbico de biodigestor y día (m3/m3/d). En este caso, ¿que volumen de biodigestor consideramos? el volumen total o el líquido? yo tiendo a usar el líquido. Entonces para una producción de 1000 litros d ebiogas en el biodigestor tubular del ejemplo que tiene 6m3 de volumen líquido resulta en un BPR de 0,17m3/m3/d. En el caso del biodigestor de domo fijo que produce 1000 litros de biogas al día y tiene un volumen líquido de 3m3, resulta en BPR de 0,33m3/m3/d, el doble.
Este es un parámetro clave. para producir la misma cantidad de biogás se requiere la mitad de volumen líquido en el biodigestor de domo fijo respecto al biodigestor tubular.

¿es suficiente este análisis? no lo creo, hay mas aspectos:

• Por ejemplo, el domo fijo es mas caro, mas del doble que el tubular plástico. Así que la eficiencia respecto a inversión es menor la del domo fijo. Aunque por otro lado el domo fijo llega a durar mas de 15 años, mientras que el tubular plástico supera difícilmente los 5 años de operación. ¿que es mejor? depende la cantidad de dinero que pueda invertir inicialmente, o la seguridad que tenga en que voy a disponer de estiércol (actividad lechera) de forma sostenida por 15 años y no voy a cambiar de rubro, o la tentación de invertir en algo barato para probar la tecnología... hay mas factores, y muchos corresponden al usuario decidir. 
• Otro factor es que el domo fijo requiere poder cavar profundo, y en algunos sitios el suelo es de piedra, roca o la capa freática está ahí mismo, complicando y encareciendo la instalación del domo fijo respecto al tubular, ya que el Tubular va semi-enterrado y no necesita profundizar tanto. 
• Otro punto es que el domo fijo es difícil adaptarlo a clima frío, siendo valido para climas tropicales, pero no tan claro para fríos, mientras que el tubular, al estar semientetarrado, se puede diseñar para ganar calor del sol y poder ser instalado en climas fríos, como tantas veces se ha mostrado en este blog. 
• Otro punto son los materiales, ya que el domo fijo requiere de  buena cantidad de ladrillos y cemento...todos son materiales que se encuentran fácilmente en la ciudad, pero que hay que transportar hasta el campo, y a veces el transporte encare mucho los costes. Incluso en algunos casos el lugar de instalación no se llega mas que caminando, y ya la dificultad de transportar tanto ladrillo y cemento se complica. En cambio, los materiales para instalar un biodigestor tubular se pueden transportar en una mota o en un burro, facilitando mucho el acceso al área rural.
• otro punto es el espacio que ocupan, pues el domo fijo va enterrado y no ocupa espacio superficial apenas siendo idóneo para ser instalado en áreas peri-urbanas con poco espacio disponible, mientras que el tubular va semi-enterrado ocupando espacio superficial. 
• un análisis de ambos modelos de biodiegstores se puede encontrar en : Estudio de Factibilidad de un Programa Nacional de biogas/biodigestores en Bolivia

.... al final, son dos alternativas tecnológicas que ofrecen pros y contras y que se adaptan a diferentes circunstancias, y en vez de competir, se complementan. Incluso dentro de los biodigestores tubulares hay varios modelos que se pueden dividir en tubulares plásticos, en tubulares de geomembrana de PVC y tubulares de geomembrana de polietileno, cada uno de ellos con sus propias características y costes... al final se trata de ofertar un abanico tecnológico al usurio, junto con información veraz sobre las diferentes opciones, y que sea el usuario quien elija el libertad que biodigestor le conviene y se adapta más a sus circunstancias.

Como ejemplo, que siempre pongo, están las motos. Sabemos que hay las Harley Davidson, las honda, las chinitas.... ¿cual es mejor? ¿cual compra mas la gente?

seguimos...

Curso de biodigestores de la REDBIOLAC

Raul Botero durante el curso exponiendo como incorporar una
salida de lodos en los biodigestores tubulares de plástico

La semana del 10 al 15 de noviembre de 2014 se ha desarrollado el IV Encuentro de la REDBIOLAC que como otros años ha tenido un curso con visita a campo e instalación de un biodigestor, un congreso de dos días y la asamblea anual de la redbiolac.
por el momento ya esta publicado el material didáctico que se impartió durante el curso y que se puede acceder desde AQUI.

Fabian Henao coordino la instalación de un biodigestor tubular
modelo CIPAV, que se caracterizan por sus camaras de cemento
de carga y descarga.

Personalmente creo que este curso ha estado muy bien enfocado, ya que nos han exigido a todos los ponentes cálculos prácticos de diseño, evitando de este modo que el curso se convierta en una sucesión de clases magistrales teóricas. Además participamos como ponentes perfiles muy diferentes, desde técnicos, usuarios hasta empresas, enriqueciendo sumamente el curso con las diferentes visiones. Muy buen punto para los organizadores.
Por eso animo a quien quiera meterse a este mundillo que consulte los diferentes trabajos expuestos como parte del curso.

aqui lo dejo.
seguimos...

Comportamiento de la temperatura en biodigestores adaptados a clima frio

Hoy he tenido un breve debate con Vladimir Morales, especialista en biogas del Programa andino-boliviano de biodigestores que recién arracó el pasado 8 de Octubre de 2014.
Vladimir, junto con Davide Poggio, Thibault Perrigault y Vergil Weatherford, los considero las personas que mas experiencia han tenido en el desarrollo de los biodigestores tubulares adaptados a clima frío, ellos desde Perú y yo desde Bolivia. Con Davide, Thibo y Vergil, de hecho, publique un articulo (y con Thibault Perrigault y Vergil Weatherford) en el 2012 sobre el comportamiento térmico de estos biodigestores (Perrigault, T., Weatherford, V., Martí-Herrero, J., Poggio, D., 2012. Towards thermal design optimization of tubular digesters in cold climates: a heat transfer model. Bioresour. Technol. 124, 259–268.)

El caso es que hablábamos de la importancia del invernadero y sus muros de adobe para aumentar y mantener la temperatura dentro de los biodigestores adaptados a clima frío. Estos tienen  un aspecto como el que se ve en las siguientes fotografías.

Biodigestor tubular de bajo costo adaptado a clima frío, Bolivia

Biodigestor tubular de bajo costo adaptado a clima frío, Bolivia

Biodigestor tubular de bajo costo adaptado a clima frío, Bolivia

Interior del invernadero de un Biodigestor tubular de bajo costo adaptado a clima frío, Bolivia

Como se puede ver, siempre hemos venido usando muros de adobe y cubierta de plástico de invernadero para cubrir y proteger el biodigestor, que por dentro, como se ve en la última imagen, es similar a cualquier otro biodigestor tubular.
El caso es que antes usábamos paja como aislante en la zanja, cubriendo el fondo y paredes de la zanja con unos 5-10 cm de paja. En el CIB3  nos dimos cuenta que esta paja desaparecía al cabo de un año, dejando por tanto sin aislamiento al biodigestor. Ya entonces estábamos probando a usar poliestireno expandido como aislante en la zanja, como se ve en la siguiente fotografía en un grupo de biodigestores instalados en Laguna Colorada a 4300 msnm (de los que espero poder hablar otro día), otro ejemplo son los biodigestores del zoológico de Mallasa, ya comentado en el blog aquí y aquí.

biodigestores instalados en Laguna Colorada a 4300msnm como parte de un sistema de tratamiento de aguas de un campamento de 80 personas, donde se ve el uso del poliestireno expandido como aislante en las zanjas

 Hasta ahora siempre hemos dicho que los muros de adobe del invernadero son claves por su inercia térmica, que permiten mantener cierta temperatura en el interior del invernadero durante las noches frías. Y es verdad que los muros tienen mejor temperatura de noche que el ambiente, como ya se mostraba en el articulo comentado arriba (Perrigault, T., Weatherford, V., Martí-Herrero, J., Poggio, D., 2012. Towards thermal design optimization of tubular digesters in cold climates: a heat transfer model. Bioresour. Technol. 124, 259–268.) de donde saco esta gráfica:

Figura1: Temperaturas de un biodigestor adaptado a clima frío, reportado en (Perrigault, T., Weatherford, V., Martí-Herrero, J., Poggio, D., 2012. Towards thermal design optimization of tubular digesters in cold climates: a heat transfer model. Bioresour. Technol. 124, 259–268)

Como se puede ver en la Figura 1, de noche, los muros interiores tienen una temperatura de unos 5ªC por encima de la temperatura ambiente. Pero el interior del invernadero, solo tiene unos 2-3ºC más que la temperatura ambiente de noche. Aun así, mirando la temperatura ambiente nocturna, vemos que el biodigestor (Tslurry) se mantiene a unos 12ºC por encima, considerando que en este caso había unos 10cm de aislamiento de paja en la zanja en el momento de las medidas. Esto ya nos estaría indicando que de noche el invernadero no protege, ni mantiene tanto la temperatura, como esperaríamos. Quiero resaltar que la temperatura del interior del lodo no esta lejos de las temperaturas ambiente máximas

Pero en 2014, publicamos otro articulo con datos del comportamiento térmico de biodigestores adaptados a clima frío, que hicimos en el CIB3. Esta publicación en verdad iba dirigida a reportar el aumento de producción de biogas que se producía (50% mas) al meter anillos de botellas plásticas de refresco dentro del biodigestor, pero ademas reportábamos los datos de temperatura ( Martí-Herrero J, Alvarez R, Rojas MR, Aliaga L, Céspedes R, Carbonell J. 2014b. Improvement throughLow cost biofilm carrier  in anaerobictubular digestion in cold climate regions. Bioresource Technology. 167, 87-93.). Esta vez, también medimos la temperatura del biogas, además de la del invernadero y el interior del biodigestor, como se muestra en la siguiente figura:

Figura 2:Temperaturas de un biodigestor adaptado a clima frío, reportado en   Martí-Herrero J, Alvarez R, Rojas MR, Aliaga L, Céspedes R, Carbonell J. 2014b. Improvement throughLow cost biofilm carrier  in anaerobictubular digestion in cold climate regions. Bioresource Technology. 167, 87-93.

En la parte de arriba de la Figura 2 vemos otra vez como las temperaturas mínimas del ambiente y del invernadero (greenhouse) no son tan diferentes, encontrando solo un par de grados de diferencia entre ellos. O sea, de nuevo, los muros de adobe no son capaces de mantener caliente el invernadero. Pero por otro lado, si miramos las temperaturas mínimas del biogas (Tb_min) encontramos que estas si son unos 7-8ºC superiores a las mínimas del ambiente ¿que esta pasando? que el biogas está siendo calentado por el lodo del biodigestor, que sí tiene mucha inercia térmica. En la parte de abajo de la Figura 2 se puede ver la temperatura del lodo interior del biodigestor (Tsl_min) que se encuentra a unos 10ºC por encima de las temperaturas mínimas ambiente, considerando que se instaló en Mayo de 2011 con 5cm de aislamiento de paja en la zanja, y que dos años después no quedaba nada. Entonces, la verdadera inercia térmica a conservar es la del lodo. Y este solo puede perder calor o bien a través del fondo y paredes de la zanja, o bien a través del biogas que hay acumulado en la campana. De nuevo, en este caso  la temperatura del interior del lodo no esta lejos de las temperaturas ambiente máximas,

Si aislamos la zanja con poliestireno expandido, minimizamos fuertemente las perdidas por ese lado, mientras que por el lado del biogas, hay que considerar que este se comporta como una "cámara de aire", usada en el aislamiento de paredes en casas, pero en este caso, es una "cámara de biogas" entre el biodigestor y el ambiente/invernadero. ¿es necesario el resto del invernadero que solo me aporta 2-3ºC durante las noches? el invernadero es importante porque, ademas de proteger el plástico tubular del biodigestor de la radiación directa del Sol, protege del viento, que puede ser fuerte y frío en ciertas épocas (y que podría robar calor al biogas acumulado, y por tanto este a al lodo del biodigestor).

Si hemos cambiado la paja por el poliestireno, hemos reducido muchísimo las perdidas de calor del biodigestor hacia la zanja. Pero por otro lado, ¿que ocurre de día? de día el invernadero incrementa fuertemente su temperatura (llegando a 50 y 60ºC) y esto podría ser un punto a favor de la importancia del invernadero. Pero este aumento de temperatura del invernadero de día, no esta relacionado con los muros de adobe y su inercia térmica, así que seguimos sin encontrar puntos a favor para mantener los muros de adobe.

Pero reporto aquí los datos de un biodigestor, con aislamiento de poliestireno expando en zanja, pero sin invernadero (en valles, a 2600msnm), de un ensayo llevado en el matadero municipal de Cochabamba (del que ya hablamos aquí), de cual estamos escribiendo ahora el articulo:

Figura 3:Temperaturas de un biodigestor con aislamiento en la zanja pero sin invernadero

Aqui esta la clave. este biodigestor solo tiene 5cm de aislamiento en la zanja con poliestireno expandido, y no hay invernadero. Si comparamos las temperaturas ambiente mínimas de la serie de la Figura 3, están en un rango cercano, y comparable, a los reportado en la Figura 1 de temperaturas del artículo de 2012:  T ambiente mínima entorno a 10ºC. Pero miremos la temperatura del biodigestor; en este caso está por encima de los 25ºC, y de nuevo muy cerca de las temperaturas ambientes máximas.Si volvemos a mirar la Figura 1 de temperaturas, veremos que el biodigestor también esta a 25ºC, con temperaturas mínimas y máximas ambiente similares a este último caso.... Tanto el biodigestor dela Figura 1 como el de la Figura 3 se comportan de forma muy similar, en condiciones ambientales similares, teniendo en ambos casos aislamiento (paja en el primero y poliestireno expandido en el segundo), pero en el primer caso se tiene invernadero y en el segundo no. El invernadero no parece la clave, y menos sus muros de adobe.

¿cual es la función térmica del invernadero? pues tras lo expuesto aquí lo pongo en duda. Otra cosa es su función como protector de accidentes, y de la incidencia directa de la radiación solar sobre el plástico negro. Se que desde 2003 que empezamos a utilizar estos invernaderos compactos con muros de adobe para adaptar los biodigestores al clima frío del altiplano Boliviano. Y se que desde entonces hemos instalado mas de mil de estos sistemas, con sus invernaderos de muros de adobe...pero los datos son los datos, y estos nos ayudan a comprender mejor los fenómenos de transferencia de calor que están sucediendo en el biodigestor, y de este modo, seguir avanzando en la optimización sin anclarnos en ideas preconcebidas, que aunque intuitivamente atractivas, no soportan un análisis numérico.  

Creo que es hora de probar biodigestores en el altiplano, con aislamiento en la zanja de unos 5cm de poliestireno, y en vez de invernadero cerrado con adobe y plástico, cerrarlo con malla y cubierta de calamina plástica... algo mas parecido a esto, aunque yo le hubiera puesto la cubierta mucho mas pegada al biodigestor, no tan alta, y quizás alguna manera de proteger del viento:

Biodigestor instalado en Tarija en Junio de 2014, con aislamiento en zanja, cubierta de calamina plástica y cerco con malla

Biodigestor instalado en el Zoológico de Mallasa de La Paz, Bolivia, con aislamiento en zanja y cubierta de calamina. Mas información de este biodigestor aquí, y aquí.

Espero que esta entrada ayude