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 [email protected] 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]. Página 1 de 10 Km 19 ½, c. nueva a León, Urb. VDM, B: 54, C#1, Mateare, Managua, Nicaragua Tel.: 2293-9886/8966-3792 Compañía Centroamericana de Biogás S. A. CCA Biogás Figura 1. Esquema del proceso de digestión anaerobia, según “Guía técnica para el manejo y aprovechamiento de biogás en PTAR”, México, 2017. Página 2 de 10 Km 19 ½, c. nueva a León, Urb. VDM, B: 54, C#1, Mateare, Managua, Nicaragua Tel.: 2293-9886/8966-3792 Compañía Centroamericana de Biogás S. A. CCA Biogás 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 Página 3 de 10 Km 19 ½, c. nueva a León, Urb. VDM, B: 54, C#1, Mateare, Managua, Nicaragua Tel.: 2293-9886/8966-3792 Compañía Centroamericana de Biogás S. A. CCA Biogás 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 Página 4 de 10 Km 19 ½, c. nueva a León, Urb. VDM, B: 54, C#1, Mateare, Managua, Nicaragua Tel.: 2293-9886/8966-3792 Compañía Centroamericana de Biogás S. A. CCA Biogás 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). Página 5 de 10 Km 19 ½, c. nueva a León, Urb. VDM, B: 54, C#1, Mateare, Managua, Nicaragua Tel.: 2293-9886/8966-3792 Compañía Centroamericana de Biogás S. A. CCA Biogás 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). Página 6 de 10 Km 19 ½, c. nueva a León, Urb. VDM, B: 54, C#1, Mateare, Managua, Nicaragua Tel.: 2293-9886/8966-3792 Compañía Centroamericana de Biogás S. A. CCA Biogás 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. Página 7 de 10 Km 19 ½, c. nueva a León, Urb. VDM, B: 54, C#1, Mateare, Managua, Nicaragua Tel.: 2293-9886/8966-3792 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. [En 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 en: 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, núm. 49, pp. 8–18, sep. 2020. Consultado: sep. 20, 2020. [En línea]. Disponible en: 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 needs of China’s rural households? London: International Institute for Environment and Development (UK), 2013. [En línea]. Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/277924253_Domestic_Biogas_in_a_Cha nging_China_Can_biogas_still_meet_the_energy_needs_of_China%27s_rural_hous eholds [9] Lei Gu, Yi-Xin Zhang, Jian-Zhou Wang, Gina Chen, y Hugh Battye, “Where is the future of China’s biogas? Review, forecast, and policy implications”, Pet. Sci., vol. 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: ago. 05, 2020. [En línea]. 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, 2017. Consultado: sep. 02, 2020. [En línea]. 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. Página 9 de 10 Km 19 ½, c. nueva a León, Urb. VDM, B: 54, C#1, Mateare, Managua, Nicaragua Tel.: 2293-9886/8966-3792 Compañía Centroamericana de Biogás S. A. CCA Biogás Confeccionado por: Dr. Ing. Roberto A. González-Castellanos Director Ejecutivo Compañía Centroamericana de Biogás, S. A. Mateare, Managua, Nicaragua Página 10 de 10 Km 19 ½, c. nueva a León, Urb. VDM, B: 54, C#1, Mateare, Managua, Nicaragua Tel.: 2293-9886/8966-3792