Para caracterizar las materias primas bioproductoras de metano y sus rendimientos en biogás es necesario cuantificarlas por la cantidad de masa seca (M_s), y para el análisis estequiométrico de acuerdo con el contenido de celulosa. En el primer caso la masa seca del estiércol de vacuno y del pasto (pennisetum clandestinum), se determinan en función de su masa húmeda (M_h) y el contenido de humedad inicial (XW_i)

(1)

Considerando los requerimientos de la ecuación (1), la humedad inicial del estiércol de vacuno que se recoge en el establo es del 79 %, y del pasto recién cortado del 67 %, valores que son característicos de cada biomasa [15]. En lo referente a la producción total de biogás y metano (CH₄), por kg de masa seca, el estiércol de vacuno produce 0.24 m³/kg y 0.19 m³/kg respectivamente, y los pastos 0.5 m³/kg de biogás, y 0.42 m³/kg de metano [16].

Por otra parte, si se requiere mejorar la producción de biogás y aumentar sus rendimientos de forma convencional, se deben evitar fluctuaciones térmicas en el interior y exterior del sustrato, mantener baja presión interna sobre el lecho bacteriano para no afectar su crecimiento por aplastamiento, controlar los niveles de pH entre 6.5 y 7.5, la relación carbono/nitrógeno (C/N) de 25/1 a 30/1, y usar catalizadores para reducir los tiempos de fermentación de la materia orgánica hidrolizada. Además, en el proceso previo a la preparación del sustrato, se debe tener en cuenta el tamaño de las partículas, especialmente de las hierbas y hojas secas, que deben ser trituradas para obtener harina vegetal, mediante el secado y molienda. Un material orgánico de gran tamaño puede aumentar considerablemente los tiempos de degradación del sustrato, y reducir la producción de biogás. En el secado del pasto se debe remover una cantidad de agua ($\textcolor{red}{}\Delta$ W), que se calcula con la siguiente función:

(2)

Donde: XW_i contenido de humedad inicial de la materia prima vegetal que viene del campo, en %; XW_f contenido de humedad final, en % luego del secado. Para el último término de la ecuación (2), se recomienda que el XW_f =12%, de acuerdo con lo indicado por Ortega [1]. A continuación, se necesita conocer la cantidad efectiva de pennisetum clandestinum a mezclar con el estiércol de vacuno, para lo cual es de utilidad reemplazar el valor de la relación (C/N) de cada componente en la expresión:

(3)

De allí que, el porcentaje de carbono en el estiércol %C_e = 32%, y del pasto %C_p=41%. El porcentaje de nitrógeno del estiércol %N_e =1.5%, y del pennisetum clandestinum %N_p =1%. Estos datos corresponden a la caracterización físico-química de desechos existentes en el medio rural [10]. Después de realizar el balance de masas secas de estiércol (M_e) y pasto (M_p) es necesario estimar la cantidad de agua que hay que añadir en la mezcla para formar el lodo (sustrato), por lo que se pueden aplicar dos criterios. En el primero el lodo debe tener un contenido de humedad [1] superior al 85%. Y en el segundo caso, al considerar la celulosa (C₆H₁₀O₅) como componente principal de la biomasa, se puede calcular la cantidad de agua y los productos de la reacción, con la expresión dada para la fermentación anaeróbica [6]:

(4)

donde, n es el número de moles de celulosa y el término 19n es la cantidad de calor generado por la transformación bioquímica, por acción de los microorganismos. En la ecuación (4), se observa que por cada n moles de celulosa, hay que añadir n moles de agua. Además, si se requiere cuantificar el biogás que se produce en la fermentación anaeróbica de materiales orgánicos de rápida degradación, se puede utilizar el criterio de Zubkov y Burkill, el cual se complementa con la teoría de Tchobanoglous [17], donde se propone el modelo estequiométrico para la obtener la cantidad de metano (CH₄) generado a partir de la expresión empírica C_aH_bO_cN_d, obteniéndose una reacción típica definida por la ecuación:

(5)

Con la masa de los elementos constitutivos y la masa atómica, se calcula el número de moles de cada componente. En el siguiente paso se determinan los coeficientes a, b, c, d, considerando despreciable el número de moles de azufre, y tomando como menor valor para la división, el número de moles de nitrógeno. A continuación se halla el valor adimensional del metano, mediante la relación entre el contenido de metano y de la sustancia a degradar. La masa final de CH₄ es el producto entre masa seca, el contenido de metano y un factor de seguridad de 0.85. Con el procedimiento propuesto por Tchobanoglous [17], y utilizando la ecuación (5), para los residuos de poda se obtiene se obtiene una producción teórica de metano de 14.73 m³. Y con lo sugerido en la Bioconversión de la Energía [16] se obtiene 13.86 m³. Finalmente, La producción total de biogás en una carga es de 28.74 m³, masa de 34.48 kg equivalente 2.3 cilindros de gas (propano) de uso doméstico (véase Tabla 1).

Tabla 1
Componentes químicos de los residuos de poda [17].

Para reducir el tiempo de retención hidráulico (TRH), y el tiempo de retención biológico (TRB), se utilizó la energía solar térmica para obtener agua caliente sanitaria (ACS), que se suministró por la región anular del digestor que contiene en la parte central el lecho de sustrato hidrolizado. La tecnología de calentamiento de agua consiste en el uso de colectores planos orientados al sur, con ángulo de inclinación de 20°. En el dimensionamiento de colectores se consideró el Código Técnico de la Edificación (CTE) capítulo H₄, el cual indica lo siguiente: 60 < M/A < 100 L/m²d.

Donde, M volumen que calienta el sistema, A área de captación de la energía solar. Un parámetro importante de esta investigación es la determinación del recurso solar local para el mes peor sobre superficie inclinada, la misma que se encuentra con la ecuación ISF [18] dada por la función:

(6)

G_dm(0) irradiación solar sobre superficie horizontal en kWh/m² día, este parámetro puede ser tomado del mapa de radiación solar local, de los anuarios meteorológicos, datos de satélite (NASA), (GOES), Isocad, o mediante la medición con instrumentos llamados piranómetros para radiación global, directa y difusa del cielo. En la ecuación (6), el coeficiente A₀, depende de la inclinación del colector, y del coeficiente de reflectividad del suelo ($\textcolor{red}{}\rho$). Para el pavimento, este valor es de 0.4, el coeficiente B₀ depende de la latitud del emplazamiento, la inclinación del panel y del mes del año. Encontrado Gdm($\textcolor{red}{}\beta$), para el mes peor, y al dividir para la media mundial de la irradiancia I_m = 1000 (W/m²), se obtienen las horas de sol pico (HSP).

Conocido (HSP), se puede encontrar la potencia térmica necesaria para el calentamiento del agua y del sustrato, con la siguiente ecuación:

(7)

Donde: P extracción de energía por unidad de tiempo, en W; M_amasa de agua, en kg; $\textcolor{red}{}\Delta$T diferencia de temperatura entre la suministrada por la red y la temperatura de proceso, en °C; c capacidad calorífica del agua, en kJ/kg°C. Por otra parte, con la expresión desarrollada por Hotel-Whillier y Bliss, se puede calcular la ganancia de energía instantánea por unidad de tiempo y unidad de área de los colectores planos [19]:

(8)

Donde: Q ganancia de energía instantánea por unidad de tiempo y unidad de área, en W; F_R factor de remoción del calor; E irradiancia sobre el plano del colector, en W/m²; k factor de sombra y suciedad; $\textcolor{red}{}\tau$, transmitancia de la cubierta de vidrio; $\textcolor{red}{}\alpha$, absortancia del captador, U_L coeficiente global de transferencia de calor, en W/m²K; T1 y T2 son las temperaturas de entrada y salida del agua en el colector solar plano, en °C.

Por lo que, la cantidad de calor necesario para calentar el sustrato (lodo hidrolizado) está dado por:

(9)

(10)

Donde: M_s masa del sustrato, en kg; C_p capacidad calorífica del lodo, en kJ/kg °C; T_s2 y T_s1 temperatura inicial y final del sustrato, en °C. La ecuación (10) tiene como base la expresión (7), añadiendo en el denominador el aporte solar en HSP. Además, el calor perdido por las paredes del digestor anaeróbico (Q_p ) se calcula con la ley de Fourier:

(11)

Dónde: U₀ es el coeficiente global de transferencia de calor [20], para flujo de calor de agua que fluye y gas que fluye tiene un valor de 10 a 50 W/m²K. A_p área de pared vertical del digestor, en m²; T_i temperatura del agua en la región anular del digestor, en °C; T₀ temperatura ambiente, en °C.

El método de las curvas f es uno de los más utilizados para hacer cálculos de las prestaciones en los sistemas de calentamiento de agua con energía solar térmica de baja temperatura inferior a 100°C. Se desarrolló en la Universidad de Wisconsin [21].

Definición del método. Siendo f, la fracción solar (porcentaje de la demanda que cubre el sol), se utiliza una función del tipo:

(2)

Para este caso se tiene las siguientes variables de diseño: área de captación, capacidad de almacenamiento, caudales de fluido, prestaciones de intercambiadores, en este caso de tipo tubular. Los tipos de sistemas que pueden evaluarse con el método son:

- Calefacción, y agua caliente sanitaria(ACS), donde el sistema de captación es de líquido o de aire.

- Producción de ACS solo, tanto con sistema de captación por líquido o aire.

Los parámetrosadimensionales utilizados por el método son:

(13)

(14)

Donde: A_c área de captación, en m²; F'_R factor captador-intercambiador; UL coeficiente global de pérdidas del captador solar, en W/m²K; $\textcolor{red}{}\Delta$t tiempo total del mes, en s; T_a temperatura ambiente media mensual, en ºC; Lo demanda mensual de energía, en J; H_r radiación diaria media mensual sobre captadores, en J/m²; N número de días del mes; ($\textcolor{red}{}\tau \alpha$) media mensual del producto $\textcolor{red}{}\tau \alpha$; T_ref temperatura de referencia se toma de 100°C.

Para calcular el factor captador-intercambiador se utiliza la expresión:

(15)

Sistemas con líquido. Cuando el fluido de transferencia y almacenamiento es un líquido, que en este caso es el agua. La expresión que da la cobertura solar en función de los parámetros definidos es:

(16)

Cuando la capacidad de almacenamiento no es de 75 L/m², debe modificarse el parámetro X, antes de utilizar la correlación:

En la instalación solar térmica para calentamiento del sustrato con energía solar, el fluido caliente (ACS) se suministra por la parte inferior del recipiente, hacia la región anular del digestor (véase Fig. 1a), con el fin de producir flujo constante de calor por convección natural. El tanque de acumulación que contiene el sustrato y el gas tiene una capacidad de 0.5 m³ (véase Fig. 1b).

Fig. 1
Digestor con calentamiento del sustrato con energía solar.

En la Fig. 2 se presenta un corte de los cilindros concéntricos, con el propósito de desarrollar el procedimiento para encontrar los coeficientes U_i, U₀ de transferencia de calor hacia el sustrato y la pérdida de energía térmica hacia el exterior del recipiente. Estos coeficientes se establecen a partir de Pitts [22], y se estructuran para el modelo de transferencia de calor en el digestor anaeróbico con calefacción solar.

(17)

(18)

Fig. 2
Paredes compuestas del digestor de cilindros concéntricos con calefacción solar.

Donde: h_s coeficiente de convección para el sustrato, en W/m²K, k_aconductividad térmica del acero, en W/mK; k_ais conductividad térmica de la lana de roca; en W/mK; he coeficiente de convección externo. También, se pueden encontrar lo coeficientes de transferencia de calor para varias aplicaciones de acuerdo con Beek y Muttzal [20]. Para agua y otros líquidos Ui = 200-1000 W/m²K, y U0 = 10-50 W/m²K. U₀ se reemplaza en la ecuación (11) descrita anteriormente.

Por otra parte, para analizar el campo de colectores se parte de los conceptos energéticos definidos en [19] y [23] para el balance de energía y las propiedades ópticas de los materiales. El modelo se observa en la Fig. 3.

Fig. 3
Flujos térmicos en el colector solar plano.

El campo de colectores planos de la Fig. 1 puede suministrar con energía solar (gratuita y no contaminante) una potencia térmica máxima de 6 kW, suficientes para mantener la carga de sustrato de 693 kg, a una temperatura promedio de 26°C. Si el digestor se calienta con resistencias eléctricas, se tendría un coste mensual por pago de electricidad de 81 (USD). Además, no es bueno convertir la electricidad que es una energía de alta calidad en calor de baja calidad mediante el efecto Joule.

Suponiendo cubierta transparente para la mayor del espectro solar, el balance energético es el siguiente:

(19)

Para la placa absorbedora de color negro mate, el balance energético por unidad de área es:

(20)

Donde: $\textcolor{red}{}{\alpha }_c$, absortancia de la cubierta; qr_,p-c calor de radiación de la placa a la cubierta, calor de radiación del cielo a la cubierta;q_r,p-C calor por convección entre la placa y la cubierta; qr_,c-a calor perdido por radiación desde la cubierta al ambiente;q_r,c-p calor de radiación entre la cubierta y la placa; q_c,c-a transferencia de calor entre la cubierta y el ambiente; $\textcolor{red}{}{\alpha }_p$, absortancia de la placa; $\textcolor{red}{}{\tau }_c$, transmitancia de la cubierta de vidrio; I_b irradiancia solar directa, en W/m²; q_d pérdida de calor por conducción; q_u calor útil necesario para calentar el ACS (Agua Caliente Sanitaria).

Para realizar el ensayo se utiliza el siguiente procedimiento:

- Determinación de las variables de medición: presión, temperaturas, humedad relativa, radiación global, albedo.

- Verificación del estado funcional de los instrumentos de medición.

- Verificación del estado técnico y funcional del digestor, colectores, tuberías, tuberías de agua fría y caliente.

- Carga del sustrato en el digestor anaeróbico con cargas que se indican en la Tabla 2.

- Toma de datos y mantenimiento externo de colectores, evacuación de agua caliente sanitaria.

- Análisis de los datos y el promedio diario.

- Lectura de presión de biogás.

- Descarga de biogás para procesos de corte de plancha de acero.

La materia prima que se carga en el digestor está compuesta por: estiércol de vacuno, pennisetum clandestinum, urea y agua en las proporciones que se indican en la Tabla 2.

Tabla 2
Materia prima para formar el sustrato hidrolizado.

De acuerdo con la Fig. 4, el incremento de la presión interna del biogás en función del tiempo, entre descargas guarda una relación lineal debido a que el crecimiento de los microorganismos generadores del gas mantienen una importante actividad metanogénica. De allí que, es necesario indicar que si la presión es constante o empieza a decrecer [24], se debe a un salto térmico en el (ACS) por el aumento de la radiación solar que puede sobrepasar los 1000 W/m² en el verano. La población bacteriana es muy sensible a los cambios bruscos de temperatura que inhibe su crecimiento e incluso muere a temperaturas sobre los 48°C.

Fig. 3
Flujos térmicos en el colector solar plano.

Para determinar las bondades del proceso de fermentación anaeróbica con calefacción solar del sustrato a 26°C, se tienen algunos aspectos importantes entre los cuales se puede indicar los siguientes: En los recipientes sin aporte térmico, se logra una presión interna del biogás de 18 (PSI) en 20 días, mientras que de acuerdo con la Fig. 4, esta presión se supera en solo 5 días después de haber realizado la carga, con lo que se puede afirmar que la actividad bacteriana es más representativa al utilizar (ACS). Otro aspecto está relacionado con la rapidez de producción de gas, en el primer caso se obtiene biogás a los 60 días de fermentación, y en el digestor con camisa de agua caliente sanitaria se produce biogás en solo 12 días con una composición de (CH₄) del 23.8% y (CO₂) del 75.03%. Por otra parte, es necesario indicar que en la investigación preliminar de este proyecto se utilizaron 10 recipientes cilíndricos para cargar mezclas de estiércol de vacuno y pasto, de los cuales solo en 4 digestores produjeron biogás y en los 6 restantes no se produjo actividad bacteriana, consiguiendo una efectividad tan solo del 40%, debido a los cambios bruscos de temperatura ambiental y a la ausencia de suministro de calor a los tanques. Posteriormente al realizar las cargas en el nuevo digestor con calentamiento indirecto mediante energía solar se puede alcanzar una efectividad del 100%.

A continuación, en la Fig. 5 y Fig. 6, se presentan los perfiles de temperatura del (ACS), sustrato y del ambiente correspondientes al digestor y colectores planos.

Fig. 5
Temperatura del sustrato, BIOL.

Fig. 6
Temperatura T1, T2 de entrada y salida del agua calientes sanitaria (ACS).

La temperatura del sustrato tiende a mantenerse en 26°C, durante la fermentación de la materia orgánica, debido al aporte térmico solar y a la generación de calor producido por los microorganismos. La temperatura de suministro del agua (TRE), se mantiene constante en un valor 19°C.

El agua caliente que suministra el campo de colectores planos, llega al digestor a una temperatura promedio de 35°C, a lo largo del intervalo de tiempo (días) de retención de la biomasa.

Este trabajo de investigación sobre las aplicaciones de energía solar para mejorar la producción de biogás, se realizó con la cooperación técnica del Laboratorio de Energías Renovables de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE de Ecuador, y del Centro de Investigaciones Energéticas Tecnológicas y Ambientales CITECNIA CORP., Instituciones a las cuales los autores expresan su profundo agradecimiento. Además, no podemos olvidar al selecto grupo de profesionales que apoyaron esta noble causa, para ellos nuestro sentimiento de infinita gratitud.