De los detritus al biogás y la
electricidad
Por: Arnaldo Gonzalez Arias,
Dpto. Física Aplicada, Universidad de La Habana
y Antonio
Horta Rangel, Dpto. Ing. Civil y Ambiental, Universidad de
Guanajuat
4 agosto, 2011
El empleo del biogás en quemadores de todo
tipo como sustituto de los combustibles fósiles es actualmente
algo bastante común en los medios rurales. Sin embargo,
la generación directa de electricidad usando el biogás en
celdas de combustible no lo es tanto, y pudiera ser una vía
económica para aprovechar, y al menos neutralizar parcialmente
los residuos contaminantes generados por diversas
industrias. Un ejemplo concreto puede ser el de las vinazas residuales provenientes de las
destilerías, pues por cada litro de alcohol producido a partir
de las mieles finales se obtienen de manera adicional 15
litros de vinazas.
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Esquema del proceso biogás- celda de
combustible. Parte del calor generado se emplea en
estabilizar la temperatura del
digestor. |
Estos residuos tóxicos contaminan tanto las aguas
superficiales como subterráneas y causan trastornos en
la producción agrícola, además de convertirse en una amenaza
impredecible para la salud de la población. El efecto sobre
los peces puede ser letal; estudios realizados muestran que, a
partir de determinadas concentraciones, al ser expuestos a las
vinazas el 50 por ciento de los ejemplares de las dos
diferentes especies analizadas murieron dentro de las 96
horas, aunque algunos opinan que el tema no se ha estudiado lo
suficiente y hay muy pocas referencias al
respecto.
Para paliar el problema se han propuesto diversas soluciones, que tampoco son
enteramente aceptables, pues pueden conducir a la acidez de
los suelos o a la contaminación de los alimentos. La toxicidad
pudiera llegar a la mesa de comer cuando se emplean como
fertilizantes o para alimentar al ganado y las aves de
corral.
Aparentemente este último aspecto tampoco ha
sido muy estudiado, pues no fue posible encontrar reportes que
indiquen la concentración de elementos tóxicos en carne,
grasas, huesos, leche o huevos provenientes de los animales
alimentados con las vinazas.
No obstante, su
contenido relativamente alto de materia orgánica sugiere que
quizás se puedan aprovechar con eficiencia para generar
electricidad empleando celdas de combustible.
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Planta de electricidad por biogás a
partir de los residuos de una fabrica de cerveza en la
prefectura de Chiba, Japón, inaugurada en
1998 |
Una celda de combustible funciona de forma
bastante parecida a una pila convencional, pues posee
dos electrodos separados por un electrolito. Se diferencia de
aquellas en que los reaccionantes se inyectan desde el
exterior: la pila nunca se descarga, pero consume combustible
continuamente.
Existen celdas de diferentes
tipos y tamaños. En las de hidrógeno, por ejemplo, se inyecta
aire a través de un electrodo poroso e hidrógeno en el otro,
dando por resultado agua, calor y electricidad. Las
investigaciones avanzan en el sentido de reducir el tamaño de
las celdas para que puedan ser utilizadas en dispositivos
portátiles tales como las laptops y similares. Una
investigación de este tipo se lleva a cabo en la actualidad en
la Harvard School of Engineering and Applied
Sciences, usando el metano como fuente de
energía.
El metano es el componente mayoritario del biogás, en proporción del 50-80 por
ciento. Le sigue el dióxido de carbono, CO2, con un
20-50 por ciento y, en dependencia de la materia orgánica
empleada en el digestor, también puede incluir algunos
componentes minoritarios como hidrógeno, vapor de agua,
nitrógeno y monóxido de carbono (CO). En dependencia del
tipo de celda y del detritus utilizado, a veces es necesario
eliminar algunas impurezas para obtener electricidad de manera
eficiente.
Junto al CO2, el metano influye
grandemente en el calentamiento global gracias el efecto
invernadero; su influencia es unas veinte veces mayor que la
del CO2 cuando se libera a la atmósfera sin quemarlo
previamente. Es por eso que resulta ecológico emplear el
biogás como combustible para uso doméstico o para mover
turbinas. Sin embargo, en los últimos años se ha comenzado a
extender su aplicación como materia prima para generar
electricidad en forma directa usando celdas de combustible, lo
que también resulta beneficioso para el medio ambiente.
Las primeras plantas dedicadas a este fin datan de
hace más de diez años, y actualmente diversas compañías en
EE.UU., Europa y Japón trabajan en nuevos proyectos para
diversificar y mejorar su eficiencia, subvencionadas en
ocasiones con fondos estatales.
Algunos sistemas
incluyen purificadores para el biogás; otros, un ‘reformador
de combustible’ que permite emplear celdas de hidrógeno usando
cualquier hidrocarburo en vez de hidrógeno -incluyendo el
biogás-. Uno de estos proyectos, que se ejecuta en
California, incluye en su primera etapa la construcción de una
refinería para producir biometano purificado, que será
transformado en electricidad mediante celdas de combustible de
carbonato fundido, seguras para el medio ambiente.
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Biogás para vehículos automotores en
Barcelona |
En julio de 2001 la Fuji Electric Co.
desarrolló una instalación similar en Kobe, y otra se
construyó en marzo de 2002 en la ciudad de Yamagata, para
generar energía a partir del producto de una planta de
tratamiento de aguas negras.
Otro proyecto piloto, una
granja lechera privada en Minnesota, ha estado produciendo
electricidad usando los excrementos que generan sus 900 vacas
desde el año 2000. La eficiencia o razón de conversión
de gas en energía eléctrica es del 50 por ciento, y llega a 80
si se aprovecha el calor evolucionado en el proceso. En
comparación, quemar el gas en un motor de combustión interna
para generar electricidad proporciona sólo el veinte por
ciento de eficiencia.
En muchas granjas se utiliza la
digestión anaeróbica para tratar los residuos animales, aunque
posteriormente el biogás no se convierte en electricidad; sin
embargo, el uso del biogás para generar electricidad por
diversos medios ha ido en aumento paulatinamente.
Un
estudio llevado a cabo en 2009 dio por resultado que en abril
de 2008 existían en EE.UU. 114 granjas tratando sus
residuos mediante digestores anaeróbicos. Las mismas
aprovechaban el 80 por ciento del gas producido en forma de
electricidad. El resto se quema como combustible o se inyecta
en la línea de gas comercial después de ser refinado.
Como
promedio, la cantidad de gas diaria generada por los
excrementos de cada animal en una granja de cerdos es de
cuatro pies cúbicos. Asumiendo un contenido de metano
del 60 por ciento y la actual eficiencia del 47 por ciento de
una celda de combustible, equivaldría a una generación de
energía de 12.8 watt por animal.
En las granjas
lecheras las cifras son de 46 pies cúbicos y 147 watt por
cabeza, en las de ganado de 28/90 y en las aviares de 0.29/1,
respectivamente. Si la granja es pequeña y no genera
suficiente gas para operar la celda a plena capacidad, el
proceso de conversión biogás-electricidad no resulta
ventajoso.
Los esfuerzos para lograr una conversión
eficiente incluyen la creación de digestores comunitarios, con
la participación de varias granjas para garantizar un
suministro estable. Otra posibilidad es mezclar los residuos
animales con desechos de otro tipo, capaces de generar una
mayor cantidad de gas
