Granja la estrella
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  • 1. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  Categoría: Innovación Empresarial Tercer lugar Sistema innovador para la generación de energía eléctrica y producción de biosólidos a partir de la digestión anaeróbica de estiércol de bovino DATOS GENERALES Organización que concursa: Granja “La Estrella” Ubicación: Carretera a los Ramírez km 9.0 Col. San Agustín del Mirasol C.P. 37680 Tel. (477) 745 62 64 León, Gto. Correo electrónico: granja_la_estrella@hotmail.com Giro de la Organización: Agropecuario - Productor de Leche de Bovino Representantes: José Manuel González Rodríguez Director General Correo electrónico: granja_la_estrella@hotmail.com José Manuel González Gutiérrez Gerente General Correo electrónico: capricho@prodigy.net.mx  José de Jesús Rangel Delgado Director de Proyectos Productivos 1  
  • 2. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS) AntecedentesEl gas natural que en su mayor composición es metano, fue utilizado por los pueblos chinos ypersas hace miles de años como generador de temperatura. Pasaron muchos años para que se dierancuenta que el metano no solo se encuentra en el gas natural fósil. En el año de 1776, el científicoitaliano Volta descubrió que el principal compuesto del gas natural era metano. Solo 100 añosdespués se descubrió el origen microbiológico de la formación de metano. En el año 1887 elcientífico Hoppe-Seyler pudo comprobar la formación de metano a partir de acetato. La mismaobservación hizo Omelianski en 1886 con estiércol de vacas. En 1888 Gayon obtuvo gas al mezclarestiércol y agua a una temperatura de 35ºc. En 1895 la digestión aneróbica llegó a Inglaterra cuandoel biogás fue recuperado de una instalación de tratamiento de aguas residuales y se usó paraalimentar el alumbrado público de Exeter. Desde los años 1970, la investigación y tecnología del biogás se ha venido desarrollando apasos agigantados y esta tecnología la ha promovido con singular vigor el gobierno chino. En lasáreas rurales, más de 5 millones de pequeños digestores se han construido y actualmente más de 20millones de personas usan biogás como combustible. En la India, el desarrollo de plantas a biogáspara las viviendas rurales empezó en la década de los 1950, un incremento acelerado en el númerode plantas a biogás se registró en los 70’s a través de un fuerte apoyo gubernamental, así más de unmillón de plantas de biogás existen en ese país. En Alemania y Dinamarca la diseminación deplantas a biogás se debe a la necesidad de fuentes alternas de energía como frente a economías encrisis energética, además de la elevación de precios de la electricidad. La primer planta centralizadade biogás en Dinamarca fue establecida en 1984 a iniciativa del fondo de Jutlandia del Norte comouna reacción a los altos precios del petróleo a inicio de los años 1980. Otra razón para implementar un sistema de biogás en una instalación pecuaria, es el controlde emisiones de gases de efecto invernadero, en este caso metano. Las actividades agropecuariascontribuyen sustancialmente a las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de fuenteantropogénica. El metano y el oxido nitroso emitido por el sector agropecuario en el año 2000, enlos hasta entonces 15 países de la unión europea, fue el equivalente a 383 mega toneladas dedióxido de carbono, que correspondió aproximadamente al 10% del total de las emisiones de GEIen dicha región geográfica. Alrededor del 49% de metano y del 63% de óxido nitroso emitido,puede ser atribuido a la producción agropecuaria; dentro de este sector las instalaciones pecuariasrepresentan la mayor fuente de emisiones, y por tanto, es el sector con más área de oportunidad (7) 2  
  • 3. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS) y (8). Sin embargo, la experiencia del biogás en los Estados Unidos en los años 70’s y 80’s, hademostrado que la tecnología del biogás no es aplicable a todas las granjas. La producción debiogás se adapta mejor para granjas que manejan grandes cantidades de estiércol como un líquido,pasta o semi-sólido con poco o nada de rastrojo agregado. Aunque hay muchos factores queinfluencian la producción de biogás a partir del estiércol del ganado, la cantidad de estiércolrecolectado determina la cantidad de biogás que puede ser producido. El tamaño de la instalaciónreferida al número de cabezas de ganado, es un indicador primario para ver si la recuperación delbiogás es económicamente factible. Con respecto a ganado bovino, una instalación de 500 cabezasde ganado es el tamaño mínimo recomendable para implementar un sistema de esta naturaleza. Otrofactor a tomar en cuenta para llevar a cabo un proyecto de esta naturaleza, es el costo de la energía,en lugares donde el costo de la energía sea superior a los $0.08 usd. ($0.86 mex.) por kwh, puedenser muy lucrativos los proyectos de recuperación de biogás. La ganadería en México, y en particular en Guanajuato, es un sector estratégico que enfrentamuchos problemas productivos, falta de apoyos, competencia desleal de productores extranjeros yriesgos, además de bajos precios de los productos ganaderos como son la leche y carne. La opciónde innovar los procesos es de alto costo para los productores, pero se contempla como la únicaalternativa para sobrevivir y competir internacionalmente. La granja “La Estrella” inició un proceso de modernización para dar respuesta a las nuevascondiciones económicas mundiales, que contempla la automatización de los procesos, mayoreficiencia e investigación aplicada para la producción animal. Una parte de este macro proyecto, fuela utilización del estiércol para obtener mediante el proceso de biodigestión, explicado brevementeen el primer párrafo, metano (ch4) para generar energía eléctrica que pueda dirigirse alautoconsumo y analizar la posibilidad de vender los excedentes a la Comisión Federal deElectricidad (CFE), y además obtener composta o humus orgánico enriquecido para uso agrícola.Cabe mencionar que el proyecto nace por el problema de la deposición y tratamiento del estiércol,ya que el costo del manejo de éste impacta fuertemente a los gastos de producción, y en épocas delluvia el problema se acentúa a dimensiones incontrolables. Para solucionar el problema de la deposición del estiércol, se analizaron varias opciones y deacuerdo a la información recopilada durante una investigación documental y de campo, se optó porla alternativa de realizar un proceso de biodigestión anaerobia para obtener biogás, este proceso sepuede entender en la siguiente figura. 3  
  • 4. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  La composición del biogás se muestra en el siguiente cuadro. BIOGAS Es la mezcla de Metano y otros gases que se desprenden durante la degradación anaerobia de la materia orgánica por la acción degradació orgá acció de microorganismos. COMPONENTE CONCENTRACION CARACTERISTICAS Metano (CH4) 50-70% 50- Explosivo Bióxido de Carbono (CO2) Bió 25-35% 25- Acidéz Acidé Hidrógeno (H2) Hidró < 5% Explosivo Oxigeno (O2) < 5% Inocuo Mercaptanos (CHS) 1.1% Mal Olor Acido Sulfhídrico(H2S) Sulfhí drico(H < 2% Mal Olor De los gases que componen el biogás, el de mayor interés para nuestro proyecto es el metano(ch4), ya que lo utilizaríamos como combustible para motogeneradores eléctricos de combustióninterna. Nuestro proyecto se esquematiza en la siguiente figura. 4  
  • 5. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  Al inicio del proyecto contaba con 780 cabezas de ganado de la raza holstein, productoras deleche, y producía 8200 litros diarios con una carga animal en ordeña de 320 vacas. Actualmentecuenta con 1020 cabezas de ganado y produce 16,100 litros diarios de leche con una carga animalpromedio de 620 vacas en línea de producción. El estiércol derivado de la producción de leche y dela granja en su conjunto era de 12 ton/día, el cual se dejaba secar al aire libre para incorporarloposteriormente al campo. Durante ese proceso producía malos olores, permitiendo la liberación a laatmósfera de gas metano que contamina y provoca el efecto invernadero, además de la reproducciónde una cantidad considerable de moscas que incomodan al ganado provocando disminución en laproducción láctea. Al continuar con el proyecto de crecimiento que contempla la ordeña de unpromedio de 1020 vacas diariamente, se triplicaría la producción de estiércol y por consiguiente,también el problema del manejo de éste. Además se permitiría la liberación de 2,100 m³ de metanodiariamente a la atmósfera, perdiéndose la oportunidad de producir 180 kw/hrs las 24 horas del día. Actualmente se producen en promedio 1,400 m³ de biogás al día con una concentración de58% de metano (ch4), y se utiliza el 70% del biogás para la producción de 110 kw/h las 24 horasdel día; el 30% restante, se incinera para evitar la expulsión a la atmósfera de metano, que tiene 21veces más efecto invernadero que el CO2, producto de la incineración del biogás. 5  
  • 6. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS) Objetivos a. Objetivo generalProporcionar un servicio de energía eléctrica para autoconsumo a partir de la combustión de gasmetano (ch4) producido por la fermentación anaeróbica del estiércol bovino generado en un sistemade biodigestion instalado en la granja, así como el aprovechamiento de los biosólidos resultantes delproceso como bioabonos y mejoradores de suelos. Además de promover la implantación desistemas similares en otros sitios, fortaleciendo así el sector agropecuario con nuevos negocios dealto valor agregado, estratégicos para el estado de Guanajuato. b. Objetivos específicos 1. Instalar, arrancar y operar el digestor anaeróbico. 2. Diseñar e instalar el sistema auxiliar periférico. 3. Elaborar los manuales de arranque, operación y mantenimiento de las instalaciones. 4. Promover entre los ganaderos el uso de este tipo de tecnología. 5. Llevar a cabo el estudio de factibilidad de interconexión con la Comisión Federal de Electricidad para conectarse a las líneas de distribución.Metodología 1. Se realizó la investigación sobre materiales y equipo existentes en el mercado nacional y se diseñaron el digestor, sus sistemas internos y periféricos. 6  
  • 7. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  7  
  • 8. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  8  
  • 9. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  E-A-Salida E_A-Entrada A-Entrada Figura 1. Representación General del Intercambiador de Calor 9  
  • 10. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  2. Para la instalación del digestor anaeróbico, se llevó a cabo un estudio de localización y cimentación del suelo y posteriormente se realizaron las excavaciones e instalaciones necesarias. Se llenó el digestor de la mezcla estiércol-agua y se selló para dar la condición anaeróbica. 10  
  • 11. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  11  
  • 12. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  12  
  • 13. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  3. Se diseñó el equipo auxiliar periférico que consistió en tres instalaciones adicionales al sistema de biodigestión y combustión. a. Sistema de dosificación del estiércol para el aseguramiento de la alimentación continua del digestor. Para esto, se seleccionó el equipo de manejo y transporte del estiércol hasta el punto de alimentación, y se construyó la fosa de recepción de estiércol y de agua utilizada en la granja para las actividades de limpieza y ordeña. Esta fosa se diseñó con un sistema de agitación para preparar la mezcla adecuada para el digestor. 13  
  • 14. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  Licuadora para mezclar estiércol, agua y su envío al digestor 14  
  • 15. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  b. Central de producción de Energía Eléctrica. Se diseñó el sistema de transmisión eléctrica y el cuarto de máquinas, se adquirió el equipo de acuerdo al diseño y se realizaron las instalaciones necesarias. 15  
  • 16. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  16  
  • 17. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  c. Sistema de Recepción y manejo de los biosólidos (bioabono). Se diseñó una fosa secundaria y un área de separación de sólidos del efluente del digestor, se compró el equipo necesario y se realizaron las obras civiles del sistema. 17  
  • 18. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  4. Se realizaron eventos públicos para la difusión de los resultados, se imprimió material de difusión consistente en trípticos y folletos que se entregó en eventos académicos y foros especializados en el tema. Además que se publicaron los resultados en artículos impresos de revistas especializadas de investigación. 18  
  • 19. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS)  5. Se trabajó conjuntamente con el departamento de planeación de la Comisión Federal de Electricidad zona Bajío, en el estudio de factibilidad de interconexión de la planta de generación eléctrica a partir de biogás a la red de distribución para el porteo eléctrico. 19  
  • 20. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS) Resultados a. Especificación de la innovación realizadaLa creación de un sistema eficiente de producción de energía eléctrica a partir de biogás producidoanaeróbicamente desde el estiércol de bovino, el sistema evita la expulsión a la atmósfera de 1,400m³ de gases de efecto invernadero, además de no contaminar el subsuelo. b. Impacto económico.Se tiene un ahorro del 80% del gasto de energía eléctrica del establo. Se logró el ahorro en elmanejo del estiércol de mano de obra, maquinaria y combustibles por $41,340.00 pesos mensuales.Se inició la venta de bioabono a productores de aguacate orgánico con un incremento en el preciodel 250% por camión de 14m³, comparado con estiércol secado al aire libre. c. Impacto tecnológico.Se diseñó un sistema de generación eléctrica eficiente a partir de biogás producido por la digestiónanaerobia de estiércol de bovino, además de que el proyecto dio pie al desarrollo de losmotogeneradores eléctricos, que utilizan biogás como fuente de combustible por parte de la empresa“Mopesa” de la ciudad de Toluca en el Edo. de México. d. Contribución en el desarrollo sustentable.La planta de generación eléctrica a partir del biogás producido por la digestión anaerobia delestiércol de bovino, permite el aprovechamiento de energías renovables, lo que trae consigo unahorro en el gasto de energía, beneficiando la competitividad de la granja, además de la notablereducción de contaminación debido a las descargas de estiércol al aire libre, así como elaprovechamiento del bioabono como fertilizante para los cultivos de la granja y la venta de losexcedentes. e. Contribución social.Actualmente se dispone el estiércol al aire libre, lo que representa un foco de infección por elesparcimiento de patógenos al ambiente, ocasionando que los habitantes de las cercanías estén enriesgo de contagio. Además de que la presencia de malos olores tienen un impacto negativo en lacalidad de vida de la población. Con la implantación de este sistema, además de resolver los 20  
  • 21. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS) problemas anteriores, se dejarán de emitir diariamente a la atmósfera 812 m³ de gas metano (CH4),mismo que tiene un poder de efecto invernadero 21 veces mayor que el CO2.Conclusiones • El sistema de biodigestión 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 pública, y que tiene un excesivo costo por el manejo de sus desechos. • El sistema de biodigestión es capaz de producir 1,400 m³ de biogás diariamente con un contenido promedio de 58% de metano (CH4) y 5 toneladas diarias de biosólidos. Los biosólidos fueron analizados fisicoquímicamente y se encontró una calidad excelente como bioabono, que actualmente se está vendiendo a productores de aguacate orgánico. • El sistema cuenta con dos plantas de generación eléctrica que producen 55 kw/hora cada uno y trabajan las 24 horas del día. Se ha logrado un ahorro de energía eléctrica del 80% del consumo del establo. • Cabe mencionar que de la producción actual de biogás de 1,400 m³ al día en promedio, se utiliza el 70% en la generación de electricidad y el 30% restante es quemado en un incinerador para así, impedir que el metano (CH4) se escape a la atmósfera ya que su efecto invernadero es 21 veces mayor que el del CO2. • De la electricidad producida, se pierde el 13% por caída de tensión eléctrica y debido a las instalaciones actuales de las 24 horas del día, solo se utiliza la generación de 14 horas por lo que se están perdiendo 110kw/hora durante 10 horas diariamente. • El sistema de producción de electricidad a partir del biogás producido por el estiércol de las vacas, con la difusión que se ha realizado, ha despertado el interés de ganaderos y de instituciones gubernamentales como la Comisión Federal de Electricidad (CFE), quienes han realizado diversas visitas y han mostrado su interés en apoyarnos para realizar un proyecto en conjunto y lograr utilizar el 100% del biogás en la generación de energía eléctrica para autoconsumo, así como apoyarnos en realizar los estudios correspondientes para la venta de los excedentes a la CFE. 21  
  • 22. 1er Premio a la Innovación Tecnológica Guanajuato 2008 (MEMORIAS) Bibliografía 1. Consolidated management services Nepal ltd. (1996), Biogas technology: a training manual for extension. Nepal. Support for development of nations: Fao. 2. Fontaine E. (1993), Evaluación social de proyectos 12ª edición. Alfaomega. Mexico, D.F. 3. Gugele B., Ritter M., Mareckova K. (1990-2000), Greenhouse gas emission trends in Europe, Topic report 7/002. European Environment Agency, Copenhagen. 4. H Lee Willis, Scott W G. (2000), Distributed power generation, planning and evaluation. Marcel Decker Inc. U.S.A. 5. http:// www.seisa.com.mx. 6. Maeng H., Lund H., Hvelplund F. (1999), “Biogas plants in Denmark: technological and economic developments”, Apply energy, 64,195-206. 7. Mattocks R., Moser. Agstar (2004), Handbook: a manual for developing biogas systems at commercial farms in the United States, U.S: Environmental Protection Agency. 8. McCabe J.,Eckenfelder W. (1957), Biological treatment of sewage and industrial wastes, Two volumes. New York: Reinhold publishing. 9. Meynell PJ (1976), Methane: planning a digester, New York: Schocken books. 10. Monteith A., Wagner C. (1964), “Electrical transmission and distribution”. Reference book. Westinghouse electric company. Pitttsburg, Pa. 11. Norma Oficial Mexicana Nom-001-sede-1999. 12. Patiño-Flores A. (2004), Guía de gestiones para implementar una planta de generación eléctrica que utiliza energías renovables en México. Comisión Nacional de Ahorro de Energía. México. 13. Vengel M., et. al. (1992), Editors toturial on distribution planning, Eho 361-6-pwr. Institute of Electrical and Electronics Enginners. Hoes lane. Nj. 14. Weiske A., Vabitsch A., Olesen JE. et. al. (2005), Mitigation of greenhouse gas emissions in european conventional and organic dairy farming. Agr., Ecosystems & Env. In press. 15. Werner U., Stohr U., Hees N. (1898), Biogas plants in animal husbandry, Germany. Una publicación del Deutsches Zentrum für Entwicklungstechnologien, Ed. Vieweg & Sonh. 22