Cómo obtener biogás a partir de estiércol: revisión de los principios básicos y del dispositivo de la planta de producción

Las explotaciones agrícolas se enfrentan cada año al problema de la eliminación del estiércol. Se pierden considerables recursos económicos, que se requieren para su evacuación y depósito. Pero hay una manera que permite no solo ahorrar dinero, sino también aprovechar este producto natural en beneficio propio.

Los propietarios previsores llevan tiempo aplicando en la práctica una ecotecnología que permite obtener biogás del estiércol y utilizar el resultado como combustible.

Por ello, en nuestro artículo hablaremos de la tecnología de obtención de biogás, y también explicaremos cómo construir una instalación bioenergética.

Ventajas del uso de biotecnologías

La tecnología de obtención de biocombustible a partir de diversas fuentes naturales no es nueva. Las investigaciones en este campo comenzaron a finales del siglo XVIII y se desarrollaron exitosamente en el siglo XIX. En la Unión Soviética, la primera instalación bioenergética fue creada en los años cuarenta del siglo pasado.

Las biotecnologías se aplican desde hace tiempo en muchos países, pero hoy en día adquieren una especial importancia. Debido al deterioro de la situación medioambiental en el planeta y al alto costo de los recursos energéticos, muchas personas dirigen su atención hacia fuentes alternativas de energía y calor.

La tecnología de transformación del estiércol en biogás permite reducir la cantidad de emisiones nocivas de metano a la atmósfera y obtener una fuente adicional de energía térmica.

Sin duda, el estiércol es un fertilizante muy valioso y, si en la explotación hay dos vacas, no hay problemas para su utilización. Otra cosa es cuando se trata de granjas con un número grande o mediano de cabezas de ganado, donde cada año se generan toneladas de material biológico maloliente y en descomposición.

Para que el estiércol se convierta en un fertilizante de calidad se necesitan áreas con un régimen de temperatura determinado, lo que supone gastos adicionales. Por eso, muchos agricultores lo almacenan donde pueden y luego lo transportan a los campos.

En función del volumen de materia prima generada al día, se deben elegir las dimensiones de la instalación y el grado de automatización de la misma.

Si no se respetan las condiciones de almacenamiento, del estiércol se volatilizan hasta un 40% de nitrógeno y la mayor parte del fósforo, lo que deteriora significativamente sus parámetros cualitativos. Además, a la atmósfera se libera gas metano, que influye negativamente en la situación medioambiental del planeta.

Las biotecnologías modernas permiten no solo neutralizar el efecto nocivo del metano en la situación ecológica, sino también hacer que sirva para el beneficio humano, obteniendo además una considerable ventaja económica. Como resultado, del procesamiento del estiércol se genera biogás, del cual luego se pueden obtener miles de kW de energía, y los residuos de producción constituyen un fertilizante anaeróbico muy valioso.

Mecanismo de formación de gas a partir de materia orgánica

El biogás es una sustancia volátil sin color ni olor, que contiene hasta un 70% de metano. Por sus cualidades, se acerca al tipo tradicional de combustible: el gas natural. Tiene un buen poder calorífico: 1 m³ de biogás libera tanto calor como la combustión de un kilo y medio de carbón.

La formación de biogás se debe a las bacterias anaeróbicas, que trabajan activamente en la descomposición de la materia orgánica, como el estiércol de animales de granja, los excrementos de aves y los residuos de cualquier planta.

En la producción propia de biogás se puede utilizar excrementos de aves y productos de desecho de ganado menor y mayor. La materia prima puede usarse pura o en forma de mezcla con hierba, hojas, papel viejo.

Para activar el proceso, es necesario crear condiciones favorables para la vida de las bacterias. Deben ser similares a aquellas en las que los microorganismos se desarrollan en un depósito natural: en el estómago de los animales, donde hace calor y no hay oxígeno.

Precisamente, estas son las dos condiciones principales que contribuyen a la milagrosa transformación de la masa de estiércol en descomposición en combustible ecológico y fertilizantes valiosos.

Para obtener biogás se necesita un reactor hermético sin acceso al aire, donde ocurrirá el proceso de fermentación del estiércol y su descomposición en componentes:

• metano (hasta 70%);
• dióxido de carbono (aproximadamente 30%);
• otras sustancias gaseosas (1-2%).

Los gases formados suben a la parte superior del recipiente, de donde luego se extraen, mientras que en el fondo se deposita el producto residual: un fertilizante orgánico de alta calidad que, como resultado del procesamiento, conserva todas las sustancias valiosas presentes en el estiércol (nitrógeno y fósforo) y ha perdido una parte significativa de microorganismos patógenos.

El reactor para obtener biogás debe tener una construcción completamente hermética, en la que no haya oxígeno; de lo contrario, el proceso de descomposición del estiércol será extremadamente lento.

La segunda condición importante para la descomposición eficiente del estiércol y la formación de biogás es el cumplimiento del régimen de temperatura. Las bacterias que participan en el proceso se activan a partir de los +30 grados.

Además, en el estiércol hay dos tipos de bacterias:

• Mesófilas. Su actividad vital ocurre a una temperatura de +30 a +40 grados;
• Termófilas. Para su reproducción es necesario mantener un régimen de temperatura de +50 (+60) grados.

El tiempo de procesamiento de la materia prima en las instalaciones del primer tipo depende de la composición de la mezcla y oscila entre 12 y 30 días. Asimismo, 1 litro de área útil del reactor produce 2 litros de biocombustible. Al utilizar instalaciones del segundo tipo, el tiempo de producción del producto final se reduce a tres días y la cantidad de biogás aumenta hasta 4,5 litros.

La eficiencia de las instalaciones termófilas es evidente a simple vista, sin embargo, el costo de su mantenimiento es muy alto, por lo que antes de elegir uno u otro método para obtener biogás, es necesario calcular todo con mucho cuidado.

A pesar de que la eficiencia de las instalaciones termófilas es decenas de veces mayor, se utilizan con mucha menos frecuencia, ya que mantener altas temperaturas en el reactor implica grandes gastos.

El mantenimiento y la conservación de las instalaciones de tipo mesófilo son más baratos, por lo que la mayoría de las granjas utilizan estas para obtener biogás.

El biogás, según los criterios de potencial energético, es ligeramente inferior al combustible gaseoso convencional. Sin embargo, contiene vapores de ácido sulfúrico, cuya presencia debe tenerse en cuenta al seleccionar los materiales para construir la instalación.

Cálculos de la eficiencia del uso del biogás

Unos sencillos cálculos ayudarán a evaluar todas las ventajas del uso de biocombustibles alternativos. Una vaca de 500 kg produce aproximadamente 35-40 kg de estiércol al día. Esta cantidad es suficiente para obtener alrededor de 1.5 m³ de biogás, del cual a su vez se pueden generar 3 kWh de electricidad.

Usando los datos de la tabla, es fácil calcular cuántos m³ de biogás se pueden obtener a la salida de acuerdo con el ganado disponible en la granja.

Para obtener biocombustible se puede utilizar tanto un solo tipo de materia prima orgánica como mezclas de varios componentes con una humedad del 85-90%. Es importante que no contengan impurezas químicas extrañas que afecten negativamente el proceso de procesamiento.

La receta más simple de la mezcla la inventó en el año 2000 un campesino ruso de la región de Lípetsk, quien construyó con sus propias manos una instalación muy sencilla para obtener biogás. Mezclaba 1500 kg de estiércol de vaca con 3500 kg de desechos de diversas plantas, añadía agua (aproximadamente el 65% del peso de todos los ingredientes) y calentaba la mezcla a 35 grados.

Después de dos semanas, el combustible gratuito está listo. Esta pequeña instalación producía 40 m³ de gas al día, lo que era suficiente para calentar la casa y las dependencias durante medio año.

Opciones de instalaciones para la obtención de biocombustible

Después de realizar los cálculos, es necesario decidir cómo fabricar la instalación para obtener biogás según las necesidades de su explotación. Si el ganado es pequeño, entonces servirá la opción más simple, que no es difícil de fabricar con materiales disponibles por sus propias manos.

Para las grandes explotaciones agrícolas que tienen una fuente constante de grandes cantidades de materia prima, es recomendable construir un sistema industrial automatizado de biogás. En este caso, difícilmente se podrá prescindir de la contratación de especialistas que diseñen el proyecto e instalen el equipo a nivel profesional.

En el esquema se muestra claramente cómo funciona un complejo industrial automatizado para la producción de biogás. La construcción de tales dimensiones puede organizarse para varias explotaciones agrícolas cercanas a la vez.

Hoy en día existen decenas de empresas que pueden ofrecer múltiples opciones: desde soluciones prefabricadas hasta el desarrollo de un proyecto individual. Para abaratar la construcción, se puede cooperar con las explotaciones vecinas (si las hay cerca) y construir una sola instalación para todos para la obtención de biogás.

Hay que tener en cuenta que para la construcción incluso de una instalación pequeña es necesario tramitar los documentos correspondientes, realizar un diagrama tecnológico, un plano de ubicación del equipo y ventilación (si el equipo se instala en un recinto cerrado), y pasar los procedimientos de aprobación con el SES, la inspección de bomberos y de gas.

Se puede fabricar una miniplanta de producción de gas para cubrir las necesidades de una pequeña explotación privada por cuenta propia, basándose en el diseño y las características de las instalaciones fabricadas a escala industrial.

Los diseños de las instalaciones para procesar estiércol y materia orgánica vegetal en biogás no son complicados. El original producido industrialmente servirá perfectamente como plantilla para construir su propia miniplanta.

Los artesanos independientes que decidan construir su propia instalación deben proveerse de un recipiente para agua, tuberías de plástico para agua o alcantarillado, codos, juntas y un cilindro para almacenar el gas obtenido en la instalación.

Características del sistema de biogás

Una instalación de biogás completa es un sistema complejo compuesto por:

1. Biorreactor, donde ocurre el proceso de descomposición del estiércol;
2. Sistema automatizado de alimentación de residuos orgánicos;
3. Dispositivo para mezclar la biomasa;
4. Equipo para mantener la temperatura óptima;
5. Gasómetro: depósito para almacenar gas;
6. Receptor de residuos sólidos procesados.

Todos los elementos anteriores se instalan en instalaciones industriales que funcionan en modo automático. Los reactores domésticos, por lo general, tienen un diseño más simplificado.

En el esquema se presentan los componentes principales de un sistema automatizado de biogás. El volumen del reactor depende del ingreso diario de materia orgánica. Para el funcionamiento adecuado de la instalación, el reactor debe estar lleno hasta dos tercios de su capacidad.

Principio de funcionamiento de la instalación

El elemento principal del sistema es el biorreactor. Existen varias opciones para su construcción; lo principal es garantizar la estanqueidad de la estructura y evitar la entrada de oxígeno. Puede fabricarse como un recipiente metálico de diversas formas (generalmente cilíndrica) ubicado en la superficie. A menudo se utilizan tanques de combustible vacíos de 50 metros cúbicos para estos fines.

Se pueden adquirir recipientes prefabricados de construcción desmontable. Su ventaja es la posibilidad de desmontaje rápido y, si es necesario, el transporte a otro lugar. Las instalaciones industriales de superficie son adecuadas para grandes explotaciones donde hay un flujo constante de grandes cantidades de materia orgánica.

Para pequeñas propiedades, la opción de colocar el depósito subterráneamente es más adecuada. El búnker subterráneo se construye con ladrillo u hormigón. Se pueden enterrar en el suelo recipientes prefabricados, por ejemplo, barriles de metal, acero inoxidable o PVC. También es posible su colocación en superficie al aire libre o en una habitación especialmente designada con buena ventilación.

Para fabricar una instalación de producción de biogás, se pueden adquirir recipientes prefabricados de PVC e instalarlos en una habitación equipada con un sistema de ventilación.

Independientemente de dónde y cómo se coloque el reactor, se suministra con una tolva para cargar el estiércol. Antes de cargar la materia prima, debe someterse a un tratamiento previo: se tritura en fracciones de no más de 0,7 mm y se diluye con agua. Idealmente, la humedad del sustrato debe ser alrededor del 90%.

Las instalaciones automatizadas de tipo industrial están equipadas con un sistema de alimentación de materia prima que incluye un receptor donde la mezcla se lleva a la humedad necesaria, una tubería para el suministro de agua y una bomba para transferir la masa al biorreactor.

En las instalaciones domésticas para la preparación del sustrato se utilizan recipientes separados, donde los residuos se trituran y se mezclan con agua. Luego la masa se carga en el compartimento receptor. En los reactores ubicados bajo tierra, la tolva de recepción del sustrato se lleva al exterior, y la mezcla preparada fluye por gravedad a través de una tubería hacia la cámara de fermentación.

Si el reactor está colocado en el suelo o en una habitación, el tubo de entrada con el dispositivo receptor pueden estar ubicados en la parte lateral inferior del recipiente. También es posible llevar el tubo a la parte superior y colocar un embudo en su cuello. En este caso, la biomasa deberá suministrarse mediante una bomba.

En el biorreactor también es necesario prever un orificio de salida, que se coloca prácticamente en el fondo del recipiente en el lado opuesto a la tolva de entrada. En la colocación subterránea, el tubo de salida se instala inclinado hacia arriba y conduce a un receptor de residuos, que tiene forma de caja rectangular. Su borde superior debe estar por debajo del nivel de la abertura de entrada.

Los tubos de entrada y salida se colocan inclinados hacia arriba en diferentes lados del recipiente, mientras que el recipiente de compensación, al que ingresan los residuos, debe estar por debajo de la tolva de recepción.

El proceso transcurre de la siguiente manera: la tolva de entrada recibe un nuevo lote de sustrato, que fluye hacia el reactor, al mismo tiempo, la misma cantidad de masa agotada se eleva por el tubo hacia el receptor de residuos, de donde posteriormente se extrae y se utiliza como biofertilizante de alta calidad.

El almacenamiento de biogás se realiza en un gasómetro. La mayoría de las veces se encuentra directamente en el techo del reactor y tiene forma de cúpula o cono. Está fabricado de chapa para tejados y luego, para evitar procesos de corrosión, se pinta con varias capas de pintura al óleo.

En instalaciones industriales diseñadas para obtener grandes cantidades de gas, el gasómetro a menudo se realiza como un depósito independiente conectado al reactor mediante una tubería.

El gas obtenido mediante la fermentación no es adecuado para su uso porque contiene una gran cantidad de vapor de agua y, en ese estado, no arderá. Para eliminar las fracciones de agua, el gas se pasa a través de un sello hidráulico. Para ello, se saca un tubo del gasómetro por el que el biogás llega a un recipiente con agua, y desde allí se suministra a los consumidores a través de un tubo de plástico o metal.

Esquema de una instalación ubicada bajo tierra. Las aberturas de entrada y salida deben estar en lados opuestos del recipiente. Sobre el reactor hay un sello de agua a través del cual se pasa el gas obtenido para su secado.

En algunos casos, para almacenar gas se utilizan bolsas especiales de gasómetro fabricadas de policloruro de vinilo. Las bolsas se colocan junto a la instalación y se llenan gradualmente con gas. A medida que se llenan, el material elástico se infla y el volumen de las bolsas aumenta, permitiendo almacenar temporalmente una mayor cantidad del producto final si es necesario.

Condiciones para el funcionamiento eficiente del biorreactor

Para el funcionamiento eficiente de la instalación y la producción intensiva de biogás, es necesaria una fermentación uniforme del sustrato orgánico. La mezcla debe estar en constante movimiento. De lo contrario, se forma una costra, el proceso de descomposición se ralentiza y, como resultado, se obtiene menos gas del previsto inicialmente.

Para garantizar una mezcla activa de la biomasa, en la parte superior o lateral del reactor típico se instalan agitadores de tipo sumergido o inclinado, equipados con accionamiento eléctrico. En instalaciones artesanales, la mezcla se realiza mecánicamente mediante un dispositivo similar a una batidora doméstica. Se puede manejar manualmente o dotarlo de un accionamiento eléctrico.

Cuando el reactor está en posición vertical, el mango del agitador se lleva a la parte superior de la instalación. Si el recipiente está instalado horizontalmente, el tornillo también se coloca en el plano horizontal y el mango se encuentra en el lateral del biorreactor.

Una de las condiciones más importantes para obtener biogás es mantener el régimen de temperatura necesario en el reactor. La calefacción puede realizarse de varias maneras. En las instalaciones fijas se utilizan sistemas de calefacción automatizados que se activan cuando la temperatura desciende por debajo del nivel establecido y se desactivan cuando se alcanza el régimen de temperatura necesario.

Para la calefacción se pueden utilizar calderas de gas, realizar el calentamiento directo con aparatos de calefacción eléctricos o incorporar un elemento calefactor en la base del recipiente.

Para reducir las pérdidas de calor, se recomienda construir un pequeño armazón alrededor del reactor con una capa de lana de vidrio o cubrir la instalación con aislamiento térmico. El poliestireno expandido y otras de sus variedades posee buenas propiedades de aislamiento térmico.

Para instalar el sistema de calefacción de la biomasa, se puede tender una tubería desde la calefacción doméstica que se alimenta del reactor

Determinación del volumen necesario

El volumen del reactor se determina en función de la cantidad diaria de estiércol producido en la granja. También es necesario tener en cuenta el tipo de materia prima, el régimen de temperatura y el tiempo de fermentación. Para que la instalación funcione correctamente, el depósito se llena al 85-90% de su volumen; al menos el 10% debe quedar libre para la salida del gas.

El proceso de descomposición de la materia orgánica en una instalación mesófila a una temperatura media de 35 grados dura desde 12 días, después de lo cual se extraen los residuos fermentados y el reactor se llena con una nueva porción de sustrato. Dado que antes de enviarlos al reactor los residuos se diluyen con agua hasta un 90%, la cantidad de líquido también debe tenerse en cuenta al determinar la carga diaria.

Basándose en los indicadores mencionados, el volumen del reactor será igual a la cantidad diaria de sustrato preparado (estiércol con agua) multiplicada por 12 (el tiempo necesario para la descomposición de la biomasa) y aumentada en un 10% (el volumen libre del depósito).

Construcción de una estructura subterránea

Ahora hablemos de la instalación más simple que permite obtener biogás en condiciones domésticas con el menor costo. Consideremos la construcción de un sistema subterráneo. Para fabricarlo, es necesario cavar un hoyo, su base y paredes se vierten con hormigón armado de arcilla expandida.

En los lados opuestos de la cámara se disponen las aberturas de entrada y salida, donde se instalan tubos inclinados para la alimentación del sustrato y la extracción de la masa procesada.

El tubo de salida con un diámetro de aproximadamente 7 cm debe estar prácticamente en el fondo del depósito; su otro extremo se instala en un depósito compensador de forma rectangular, al que se bombearán los residuos. La tubería para la alimentación del sustrato se coloca aproximadamente a 50 cm del fondo y tiene un diámetro de 25-35 cm. La parte superior del tubo ingresa en el compartimento de recepción de materia prima.

El reactor debe ser completamente hermético. Para evitar la entrada de aire, el depósito debe cubrirse con una capa de impermeabilización bituminosa.

La parte superior del depósito es un gasómetro con forma de cúpula o cónica. Se fabrica con chapas metálicas o hierro para tejados. También se puede terminar la estructura con mampostería de ladrillo, que luego se cubre con una malla de acero y se enyesa. En la parte superior del gasómetro se debe hacer una escotilla hermética, sacar un tubo de gas que pase a través de un sello hidráulico e instalar una válvula para aliviar la presión del gas.

Para mezclar el sustrato, se puede equipar la instalación con un sistema de drenaje que funcione según el principio de burbujeo. Para ello, fije verticalmente dentro de la estructura tubos de plástico de modo que su borde superior quede por encima de la capa de sustrato. Haga múltiples agujeros en ellos. El gas a presión descenderá y, al ascender, las burbujas de gas mezclarán la biomasa contenida en el depósito.

Si no desea construir un depósito de hormigón, puede comprar un depósito de PVC ya preparado. Para conservar el calor, debe recubrirlo con una capa de aislamiento térmico, como poliestireno expandido. El fondo del pozo se vierte con hormigón armado en una capa de 10 cm. Los depósitos de PVC se pueden utilizar si el volumen del reactor no supera los 3 m³.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Cómo hacer la instalación más simple a partir de un barril común, lo aprenderá si mira el video:

Cómo ocurre la construcción de un reactor subterráneo, puede verlo en el video:

Cómo se realiza la carga de estiércol en una instalación subterránea se muestra en el siguiente video:

Una instalación para obtener biogás a partir de estiércol permitirá ahorrar significativamente en el pago de calefacción y electricidad, y destinar el material orgánico, que abunda en toda granja, a una buena causa. Antes de comenzar la construcción, es necesario calcular y preparar todo cuidadosamente.

Se puede hacer un reactor simple en unos pocos días con sus propias manos, utilizando materiales disponibles. Si la granja es grande, lo mejor es comprar una instalación ya preparada o recurrir a especialistas.

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