Granja La Estrella[1]

1er Premio a la Innovacin Tecnolgica Guanajuato 2008

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Categora: Innovacin Empresarial

Tercer lugar

Sistema innovador para la generacin de energa elctrica y produccin de

bioslidos a partir de la digestin anaerbica de estircol de bovino

DATOS GENERALES

Organizacin que concursa:

Granja La Estrella

Ubicacin: Carretera a los Ramrez km 9.0 Col. San Agustn del Mirasol

C.P. 37680 Tel. (477) 745 62 64

Len, Gto. Correo electrnico: [email protected]

Giro de la Organizacin:

Agropecuario - Productor de Leche de Bovino

Representantes: Jos Manuel Gonzlez Rodrguez

Director General Correo electrnico: [email protected]

Jos Manuel Gonzlez Gutirrez

Gerente General Correo electrnico: [email protected]

Jos de Jess Rangel Delgado Director de Proyectos Productivos


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Antecedentes

El gas natural que en su mayor composicin es metano, fue utilizado por los pueblos chinos y

persas hace miles de aos como generador de temperatura. Pasaron muchos aos para que se dieran

cuenta que el metano no solo se encuentra en el gas natural fsil. En el ao de 1776, el cientfico

italiano Volta descubri que el principal compuesto del gas natural era metano. Solo 100 aos

despus se descubri el origen microbiolgico de la formacin de metano. En el ao 1887 el

cientfico Hoppe-Seyler pudo comprobar la formacin de metano a partir de acetato. La misma

observacin hizo Omelianski en 1886 con estircol de vacas. En 1888 Gayon obtuvo gas al mezclar

estircol y agua a una temperatura de 35c. En 1895 la digestin anerbica lleg a Inglaterra cuando

el biogs fue recuperado de una instalacin de tratamiento de aguas residuales y se us para

alimentar el alumbrado pblico de Exeter.

Desde los aos 1970, la investigacin y tecnologa del biogs se ha venido desarrollando a

pasos agigantados y esta tecnologa la ha promovido con singular vigor el gobierno chino. En las

reas rurales, ms de 5 millones de pequeos digestores se han construido y actualmente ms de 20

millones de personas usan biogs como combustible. En la India, el desarrollo de plantas a biogs

para las viviendas rurales empez en la dcada de los 1950, un incremento acelerado en el nmero

de plantas a biogs se registr en los 70s a travs de un fuerte apoyo gubernamental, as ms de un

milln de plantas de biogs existen en ese pas. En Alemania y Dinamarca la diseminacin de

plantas a biogs se debe a la necesidad de fuentes alternas de energa como frente a economas en

crisis energtica, adems de la elevacin de precios de la electricidad. La primer planta centralizada

de biogs en Dinamarca fue establecida en 1984 a iniciativa del fondo de Jutlandia del Norte como

una reaccin a los altos precios del petrleo a inicio de los aos 1980.

Otra razn para implementar un sistema de biogs en una instalacin pecuaria, es el control

de emisiones de gases de efecto invernadero, en este caso metano. Las actividades agropecuarias

contribuyen sustancialmente a las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de fuente

antropognica. El metano y el oxido nitroso emitido por el sector agropecuario en el ao 2000, en

los hasta entonces 15 pases de la unin europea, fue el equivalente a 383 mega toneladas de

dixido de carbono, que correspondi aproximadamente al 10% del total de las emisiones de GEI

en dicha regin geogrfica. Alrededor del 49% de metano y del 63% de xido nitroso emitido,

puede ser atribuido a la produccin agropecuaria; dentro de este sector las instalaciones pecuarias

representan la mayor fuente de emisiones, y por tanto, es el sector con ms rea de oportunidad (7)


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y (8). Sin embargo, la experiencia del biogs en los Estados Unidos en los aos 70s y 80s, ha

demostrado que la tecnologa del biogs no es aplicable a todas las granjas. La produccin de

biogs se adapta mejor para granjas que manejan grandes cantidades de estircol como un lquido,

pasta o semi-slido con poco o nada de rastrojo agregado. Aunque hay muchos factores que

influencian la produccin de biogs a partir del estircol del ganado, la cantidad de estircol

recolectado determina la cantidad de biogs que puede ser producido. El tamao de la instalacin

referida al nmero de cabezas de ganado, es un indicador primario para ver si la recuperacin del

biogs es econmicamente factible. Con respecto a ganado bovino, una instalacin de 500 cabezas

de ganado es el tamao mnimo recomendable para implementar un sistema de esta naturaleza. Otro

factor a tomar en cuenta para llevar a cabo un proyecto de esta naturaleza, es el costo de la energa,

en lugares donde el costo de la energa sea superior a los $0.08 usd. ($0.86 mex.) por kwh, pueden

ser muy lucrativos los proyectos de recuperacin de biogs.

La ganadera en Mxico, y en particular en Guanajuato, es un sector estratgico que enfrenta

muchos problemas productivos, falta de apoyos, competencia desleal de productores extranjeros y

riesgos, adems de bajos precios de los productos ganaderos como son la leche y carne. La opcin

de innovar los procesos es de alto costo para los productores, pero se contempla como la nica

alternativa para sobrevivir y competir internacionalmente.

La granja La Estrella inici un proceso de modernizacin para dar respuesta a las nuevas

condiciones econmicas mundiales, que contempla la automatizacin de los procesos, mayor

eficiencia e investigacin aplicada para la produccin animal. Una parte de este macro proyecto, fue

la utilizacin del estircol para obtener mediante el proceso de biodigestin, explicado brevemente

en el primer prrafo, metano (ch4) para generar energa elctrica que pueda dirigirse al

autoconsumo y analizar la posibilidad de vender los excedentes a la Comisin Federal de

Electricidad (CFE), y adems obtener composta o humus orgnico enriquecido para uso agrcola.

Cabe mencionar que el proyecto nace por el problema de la deposicin y tratamiento del estircol,

ya que el costo del manejo de ste impacta fuertemente a los gastos de produccin, y en pocas de

lluvia el problema se acenta a dimensiones incontrolables.

Para solucionar el problema de la deposicin del estircol, se analizaron varias opciones y de

acuerdo a la informacin recopilada durante una investigacin documental y de campo, se opt por

la alternativa de realizar un proceso de biodigestin anaerobia para obtener biogs, este proceso se

puede entender en la siguiente figura.


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La composicin del biogs se muestra en el siguiente cuadro.

De los gases que componen el biogs, el de mayor inters para nuestro proyecto es el metano

(ch4), ya que lo utilizaramos como combustible para motogeneradores elctricos de combustin

interna. Nuestro proyecto se esquematiza en la siguiente figura.

BIOGASBIOGAS

Es la mezcla de Metano y otros gases que se desprenden durante Es la mezcla de Metano y otros gases que se desprenden durante la degradacila degradacin anaerobia de la materia orgn anaerobia de la materia orgnica por la accinica por la accin n de microorganismos.de microorganismos.

COMPONENTECOMPONENTE CONCENTRACIONCONCENTRACION CARACTERISTICASCARACTERISTICASMetano (CHMetano (CH44)) 5050--70%70% ExplosivoExplosivoBiBixido de Carbono (COxido de Carbono (CO22)) 2525--35%35% AcidAcidzzHidrHidrgeno (Hgeno (H22)) < 5%< 5% ExplosivoExplosivoOxigenoOxigeno (O(O22)) < 5%< 5% InocuoInocuoMercaptanosMercaptanos (CHS)(CHS) 1.1%1.1% Mal Mal OlorOlorAcidoAcido SulfhSulfhdricodrico(H(H22S)S) < 2%< 2% Mal Mal OlorOlor


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Al inicio del proyecto contaba con 780 cabezas de ganado de la raza holstein, productoras de

leche, y produca 8200 litros diarios con una carga animal en ordea de 320 vacas. Actualmente

cuenta con 1020 cabezas de ganado y produce 16,100 litros diarios de leche con una carga animal

promedio de 620 vacas en lnea de produccin. El estircol derivado de la produccin de leche y de

la granja en su conjunto era de 12 ton/da, el cual se dejaba secar al aire libre para incorporarlo

posteriormente al campo. Durante ese proceso produca malos olores, permitiendo la liberacin a la

atmsfera de gas metano que contamina y provoca el efecto invernadero, adems de la reproduccin

de una cantidad considerable de moscas que incomodan al ganado provocando disminucin en la

produccin lctea. Al continuar con el proyecto de crecimiento que contempla la ordea de un

promedio de 1020 vacas diariamente, se triplicara la produccin de estircol y por consiguiente,

tambin el problema del manejo de ste. Adems se permitira la liberacin de 2,100 m de metano

diariamente a la atmsfera, perdindose la oportunidad de producir 180 kw/hrs las 24 horas del da.

Actualmente se producen en promedio 1,400 m de biogs al da con una concentracin de

58% de metano (ch4), y se utiliza el 70% del biogs para la produccin de 110 kw/h las 24 horas

del da; el 30% restante, se incinera para evitar la expulsin a la atmsfera de metano, que tiene 21

veces ms efecto invernadero que el CO2, producto de la incineracin del biogs.


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Objetivos

a. Objetivo general Proporcionar un servicio de energa elctrica para autoconsumo a partir de la combustin de gas

metano (ch4) producido por la fermentacin anaerbica del estircol bovino generado en un sistema

de biodigestion instalado en la granja, as como el aprovechamiento de los bioslidos resultantes del

proceso como bioabonos y mejoradores de suelos. Adems de promover la implantacin de

sistemas similares en otros sitios, fortaleciendo as el sector agropecuario con nuevos negocios de

alto valor agregado, estratgicos para el estado de Guanajuato.

b. Objetivos especficos

1. Instalar, arrancar y operar el digestor anaerbico.

2. Disear e instalar el sistema auxiliar perifrico.

3. Elaborar los manuales de arranque, operacin y mantenimiento de las instalaciones.

4. Promover entre los ganaderos el uso de este tipo de tecnologa.

5. Llevar a cabo el estudio de factibilidad de interconexin con la Comisin Federal de

Electricidad para conectarse a las lneas de distribucin.

Metodologa

1. Se realiz la investigacin sobre materiales y equipo existentes en el mercado nacional y se

disearon el digestor, sus sistemas internos y perifricos.


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Figura 1. Representacin General del Intercambiador de Calor

E_A-Entrada

A-Entrada

E-A-Salida


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2. Para la instalacin del digestor anaerbico, se llev a cabo un estudio de localizacin y

cimentacin del suelo y posteriormente se realizaron las excavaciones e instalaciones

necesarias. Se llen el digestor de la mezcla estircol-agua y se sell para dar la condicin

anaerbica.


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3. Se dise el equipo auxiliar perifrico que consisti en tres instalaciones adicionales al

sistema de biodigestin y combustin.

a. Sistema de dosificacin del estircol para el aseguramiento de la alimentacin continua

del digestor. Para esto, se seleccion el equipo de manejo y transporte del estircol hasta

el punto de alimentacin, y se construy la fosa de recepcin de estircol y de agua

utilizada en la granja para las actividades de limpieza y ordea. Esta fosa se dise con un

sistema de agitacin para preparar la mezcla adecuada para el digestor.


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Licuadora para mezclar estircol, agua y su envo al digestor


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b. Central de produccin de Energa Elctrica. Se dise el sistema de transmisin elctrica

y el cuarto de mquinas, se adquiri el equipo de acuerdo al diseo y se realizaron las

instalaciones necesarias.


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c. Sistema de Recepcin y manejo de los bioslidos (bioabono). Se dise una fosa

secundaria y un rea de separacin de slidos del efluente del digestor, se compr el

equipo necesario y se realizaron las obras civiles del sistema.


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4. Se realizaron eventos pblicos para la difusin de los resultados, se imprimi material de

difusin consistente en trpticos y folletos que se entreg en eventos acadmicos y foros

especializados en el tema. Adems que se publicaron los resultados en artculos impresos de

revistas especializadas de investigacin.


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5. Se trabaj conjuntamente con el departamento de planeacin de la Comisin Federal de

Electricidad zona Bajo, en el estudio de factibilidad de interconexin de la planta de

generacin elctrica a partir de biogs a la red de distribucin para el porteo elctrico.


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Resultados

a. Especificacin de la innovacin realizada

La creacin de un sistema eficiente de produccin de energa elctrica a partir de biogs producido

anaerbicamente desde el estircol de bovino, el sistema evita la expulsin a la atmsfera de 1,400

m de gases de efecto invernadero, adems de no contaminar el subsuelo.

b. Impacto econmico.

Se tiene un ahorro del 80% del gasto de energa elctrica del establo. Se logr el ahorro en el

manejo del estircol de mano de obra, maquinaria y combustibles por $41,340.00 pesos mensuales.

Se inici la venta de bioabono a productores de aguacate orgnico con un incremento en el precio

del 250% por camin de 14m, comparado con estircol secado al aire libre.

c. Impacto tecnolgico.

Se dise un sistema de generacin elctrica eficiente a partir de biogs producido por la digestin

anaerobia de estircol de bovino, adems de que el proyecto dio pie al desarrollo de los

motogeneradores elctricos, que utilizan biogs como fuente de combustible por parte de la empresa

Mopesa de la ciudad de Toluca en el Edo. de Mxico.

d. Contribucin en el desarrollo sustentable.

La planta de generacin elctrica a partir del biogs producido por la digestin anaerobia del

estircol de bovino, permite el aprovechamiento de energas renovables, lo que trae consigo un

ahorro en el gasto de energa, beneficiando la competitividad de la granja, adems de la notable

reduccin de contaminacin debido a las descargas de estircol al aire libre, as como el

aprovechamiento del bioabono como fertilizante para los cultivos de la granja y la venta de los

excedentes.

e. Contribucin social.

Actualmente se dispone el estircol al aire libre, lo que representa un foco de infeccin por el

esparcimiento de patgenos al ambiente, ocasionando que los habitantes de las cercanas estn en

riesgo de contagio. Adems de que la presencia de malos olores tienen un impacto negativo en la

calidad de vida de la poblacin. Con la implantacin de este sistema, adems de resolver los


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problemas anteriores, se dejarn de emitir diariamente a la atmsfera 812 m de gas metano (CH4),

mismo que tiene un poder de efecto invernadero 21 veces mayor que el CO2.

Conclusiones

El sistema de biodigestin con que cuenta la granja, consta de un digestor que es un modelo para el tratamiento de los residuos ganaderos que son un problema ambiental y de

salud pblica, y que tiene un excesivo costo por el manejo de sus desechos.

El sistema de biodigestin es capaz de producir 1,400 m de biogs diariamente con un contenido promedio de 58% de metano (CH4) y 5 toneladas diarias de bioslidos. Los

bioslidos fueron analizados fisicoqumicamente y se encontr una calidad excelente

como bioabono, que actualmente se est vendiendo a productores de aguacate orgnico.

El sistema cuenta con dos plantas de generacin elctrica que producen 55 kw/hora cada uno y trabajan las 24 horas del da. Se ha logrado un ahorro de energa elctrica del

80% del consumo del establo.

Cabe mencionar que de la produccin actual de biogs de 1,400 m al da en promedio, se utiliza el 70% en la generacin de electricidad y el 30% restante es quemado en un

incinerador para as, impedir que el metano (CH4) se escape a la atmsfera ya que su

efecto invernadero es 21 veces mayor que el del CO2.

De la electricidad producida, se pierde el 13% por cada de tensin elctrica y debido a las instalaciones actuales de las 24 horas del da, solo se utiliza la generacin de 14 horas por

lo que se estn perdiendo 110kw/hora durante 10 horas diariamente.

El sistema de produccin de electricidad a partir del biogs producido por el estircol de las vacas, con la difusin que se ha realizado, ha despertado el inters de ganaderos y de

instituciones gubernamentales como la Comisin Federal de Electricidad (CFE), quienes

han realizado diversas visitas y han mostrado su inters en apoyarnos para realizar un

proyecto en conjunto y lograr utilizar el 100% del biogs en la generacin de energa

elctrica para autoconsumo, as como apoyarnos en realizar los estudios correspondientes

para la venta de los excedentes a la CFE.


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Bibliografa

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