Biogás en la Región de Murcia

OBJETIVO

1 GRANJA = 1 DIGESTOR

Digestión anaerobia para pequeñas granjas

Autores: Antonio Sánchez Salas

Lorca, Diciembre de 2009

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Índice

1. Estado actual del uso del biogásen el Régimen Especial.

2. Breve descripción del proceso deobtención del biogás.

3. Tecnologías existentes para elaprovechamiento del biogás.

4. Aplicación en la Región de Murcia.

5. Solución adoptada.

6. Referencias bibliográficas

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1. Estado actual del uso del biogás en el Régimen Especial.

El Real Decreto 661/2007 estipula que las instalaciones que aprovechen el biogás procedente de la digestión de biomasa de residuos agrícolas y ganaderos, para producir electricidad, recibirán por la venta de esa electricidad al mercado, unos ingresos fijos. El precio de la electricidad generada con biogás es el de mercado diario más una prima de referencia.Este Real Decreto clasifica en diferentes grupos a las distintas tecnologías renovables, las instalaciones de biomasa se clasifican en el grupo b.7:

Y dentro de este grupo existe un subgrupo para el biogás:

Las tarifas y primas que perciben este grupo de instalaciones secorrigen en las Órdenes ITC que el Gobierno publica de manera semestral. A continuación se refleja los precios en vigor para la electricidad generada usando biogás procedente de digestor, los precios en amarillo son para tarifa regulada en c€/kWh, la columna de la derecha es la prima a percibir si se opta por vender a mercado diario. Las columnas siguientes son los límites inferior y superior a percibir si se elige la venta de electricidad a mercado.

El Real Decreto 661/2007 deroga al antiguo 436/2004 y traspone en España los objetivos marcados por los países de la Unión Europea en el famoso Protocolo de Kyoto.Una de las herramientas utilizadas en este Decreto para reducir los gases de efecto invernadero es el biogás. Su combustión no eleva el nivel de CO2 de la atmósfera ya que proviene de la digestión anaerobia de biomasa, por ello se utilizó en el acuerdo de Kyoto para luchar contra el cambio climático.Aunque el biogás tiene un gran potencial, hasta hoy, se ha dado más prioridad a otras energías renovables subvencionando en mayor medida la electricidad generada con fotovoltaica o eólica que con biomasa.

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En esta gráfica se observa la buena evolución que ha tenido el biogás en los últimos años, se observa como en 2004 hubo un descenso en la construcción de nuevas plantas para la producción de electricidad mediante biogás, esto fue debido al impulso de plantas de secado de residuos mediante gas natural (cogeneración), proceso muy discutible desde el ámbito de la eficiencia energética. En 2007 se superaron los objetivos marcados por el Plan de energías Renovables para el biogás (150.000 tep), si bien estos objetivos fueron muy discretos teniendo en cuenta el gran potencial que tiene el biogás en España. La mayor parte de las instalaciones existentes corresponden a biogás generado en vertederos, debido a su facilidad de acceso y bajos costes en instalaciones. Un vertedero de residuos sólidos urbanos (RSU) es de por sí, un digestor de biomasa con una vida útil de 14 ó 15 años dependiendo de sus características. Con sólo colocar chimeneas de extracción del biogás en el interior del vertedero, se puede aprovechar directamente en un motor para la producción de electricidad.

En vista del razonamiento del párrafo anterior, las medidas recogidas para el impulso del sector del biogás pueden ser:• Difusión de las tecnologías existentes entre estamentos afectados, como Ayuntamientos, Diputaciones, etc: pese al avance demostrado en los últimos años en las aplicaciones del biogás, siguen siendo desconocidas por muchos de los agentes implicados en su desarrollo. Estamos muy lejos respecto a países del norte de Europa.• Promoción de aquellas tecnologías que han demostrado su viabilidad técnica y ventajas medioambientales, para el tratamiento de residuos agrícolas-ganaderos, mediante su digestión anaerobia, generando biogás y su posterior valorización energética: el empleo de la digestión anaerobia para la producción de biogás debe ser una de las mayores áreas de expansión de esta actividad en nuestro país. El secado de este tipo de residuos, y en especial del purín, mediante cogeneración con gas natural, es muy poco eficiente desde el punto de vista energético y frena el desarrollo de los digestores anaerobios. Además, el secado de purines genera malos olores que afectan a la población.La digestión anaerobia es un proceso limpio, natural y evita los problemas a la sociedad generados por el secado.

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• Desarrollo de procesos de co-digestión: de cara al futuro desarrollo tecnológico, resulta indispensable conseguir unos mayores rendimientos de las instalaciones de digestión, que permitan mayores rentabilidades. Dentro de este interés, el desarrollo de procesos de co-digestión, en los que se somete a un mismo proceso de digestión anaerobia residuos de diversas procedencias, resulta fundamental. Ya se estáinvestigando en este terreno algún tiempo y se han descubierto soluciones interesantes.•Mayor amparo legislativo: en algunas Comunidades, como por ejemplo en la Región de Murcia, no se penaliza el vertido de residuos orgánicos directamente a los terrenos para su uso como abono. Esto no ocurre es otras Comunidades y frena el desarrollo de esta tecnología. Para el ganadero es más fácil deshacerse de estos residuos que valorizarlos energéticamente.

Se debe permitir una mayor mezcla de residuos en los digestores par alcanzar mayores producciones de biogás. La actual normativa limita esta mezcla, sobre todo para el caso de purines, los cuales se deben mezclar en un 80% con otro sustrato, lo que reduce la producción.

Las deyecciones ganaderas no tienen por qué ser solo eso. En España, el ganado estabulado genera más de 48 millones de toneladas al año de deyecciones, a pesar de este volumen teórico, el aprovechamiento para generar biogás en casi inexistente. Se puede acceder a casi el 84,3% de este residuo para su transformación en

electricidad o calor. El país podría producir casi dos millones de metros cúbicos de biogás al año y generar más de 4 millones de kWh. De cada m3 se genera aproximadamente 2,1 kWh.

A continuación se refleja la producción de residuos ganaderos en España por Comunidades, según un reciente estudio realizado por Ainia Centro tecnológico y cofinanciado por el Ministerio de Ciencia e Innovación. La digestión anaerobia podría convertirse una fuente inagotable de recursos energéticos.

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Pero no es oro todo lo que reluce, el Régimen Especial (se llama así al ámbito legislativo que prima la producción de energía mediante energías renovables y cogeneración) estápasando actualmente por una fase de cambios, motivado por el incremento en el déficit tarifarioprovocado en su mayor parte por las primas que reciben las renovables. Esto, junto a la caída de la demanda eléctrica debido a la crisis actual, provoca que las centrales de producción de electricidad que utilizan como combustible fuentes convencionales no puedan ser competitivas en el mercado pool de electricidad.

Por ello, el Ministerio de Industria se está viendo obligado a recortar los cupos de potencia a algunas renovables, sobre todo a la eólica, fotovoltaica y recientemente a la termosolar, ésta última debido al enorme registro de proyectos en el “pre-registro” habilitado por el Ministerio.

La intención del Gobierno es autorizar una serie de instalaciones par que, de forma escalonada, vayan entrando en funcionamiento de aquí a 2012. Esas iniciativas se podrán acoger a las primas actuales, a partir de ahí, habrá una nueva legislación que reducirá esas primas para evitar que su coste (que repercute en el recibo de la luz) no colapse el sistema eléctrico.

Según fuentes del sector, el Gobierno planea dar cabida a otros 10.000 MW a parte de los existentes actualmente.Según datos de la Comisión Nacional de la Energía (CNE), en España existe una potencia en Régimen Especial de 29860 MW, las instalaciones que ya están en funcionamiento han supuesto un coste al sistema eléctrico de 4029 millones de euros en primas en lo que va de año (actualizado a 6/11/09), de esa cantidad la fotovoltaica casi se lleva la mitad.

De los 10000 MW que el Gobierno tiene previsto autorizar, 2339 corresponden a la temosolar, entre 5000 y 6000 a la eólica y el resto a otras tecnologías, como el biogás. Estas cantidades son independientes a la fotovoltaica, que tendrá su propia regulación.

Por ello, el sector del biogás tiene mucho que decir, es una tecnología que está por explotar y hasta ahora no ha contribuido mucho al mix-energético. La Asociación de Productores de Energías Renovables (APPA) ha pedido al Gobierno mayor implicación en biomasa, cuyo despegue se puede traducir en 24.000 puestos de trabajo.

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2. Descripción del proceso de obtención del biogás.

2.1 INTRODUCCIÓN

La digestión anaerobia es un proceso biológico en el que la materia orgánica , en ausencia de oxígeno, y mediante la actuación de un grupo de bacterias específicas, se descompone en productos gaseosos o “biogás” (CH4, CO2, H2, H2S, etc.), y en digestato, que es una mezcla de productos minerales (N, P, K, Ca, etc.) y compuestos de difícil degradación.

El biogás contiene un alto porcentaje en metano, CH4 (entre 50-70%), por lo que es susceptible de un aprovechamiento energético mediante su combustión en motores, en turbinas o en calderas, bien sólo o mezclado con otro combustible.

El proceso controlado de digestión anaerobia es uno de los más idóneos para la reducción de emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos orgánicos y el mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los productos tratados. La digestión anaerobia puede aplicarse, entre otros, a residuos ganaderos, agrícolas, así como a los residuos de las industrias de transformación de dichos productos. Entre los residuos se pueden citar purines, estiércol, residuos agrícolas o excedentes de cosechas, etc. Estos residuos se pueden tratar de forma independiente o juntos, mediante lo que se da en llamar co-digestión. La digestión anaerobia también es un proceso adecuado para el tratamiento de aguas residuales de alta carga orgánica, como las producidas en muchas industrias alimentarias.

Los beneficios asociados a la digestión anaerobia son: – reducción significativa de malos olores, – mineralización, – producción de energía renovable si el gas se aprovecha energéticamente y sustituye a una fuente de energía fósil, – reducción de emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de la reducción de emisiones incontroladas de CH4, (que produce un efecto invernadero 20 veces superior al CO2), y reducción del CO2 ahorrado por sustitución de energía fósil.

La promoción e implantación de sistemas de producción de biogás colectivos (varias granjas), y de co-digestión (tratamiento conjunto de residuos orgánicos de diferentes orígenes en una zona geográfica, usualmente agropecuarios e industriales) permite, además, la implantación de sistemas de gestión integral de residuos orgánicos por zonas

geográficas, con beneficios sociales, económicos y ambientales.

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2.2 CARACTERISTICAS DEL BIOGÁS

La digestión anaerobia se puede llevar a cabo con uno o más residuos con las únicas premisas de que sean líquidos, contengan material fermentable, y tengan una composición y concentración relativamente estable. La co-digestión es una variante tecnológica que puede solucionar problemas o carencias de un residuo, si son compensadas por las características de otro.

El biogás es el producto gaseoso de la digestión anaerobia de compuestos orgánicos. Su composición, que depende del sustrato digerido y del tipo de tecnología utilizada, puede ser la siguiente: – 50-70% de metano (CH4). – 30-40% de anhídrido carbónico (CO2). – ≤ 5% de hidrógeno (H2), ácido sulfhídrico (H2S), y otros gases. Debido a su alto contenido en metano, tiene un poder calorífico algo mayor que la mitad del poder calorífico del gas natural. Un biogás con un contenido en metano del 60% tiene un poder calorífico de unas 5.500 kcal/Nm3.

Es decir, salvo por el contenido en H2S, es un combustible ideal, con unas equivalencias que se muestran en la figura

siguiente.

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2.3 USOS DEL BIOGÁS

El biogás producido en procesos de digestión anaerobia puede tener diferentes usos:

– En una caldera para generación de calor o electricidad. – En motores o turbinas para generar electricidad. – En pilas de combustible, previa realización de una limpieza de H2S y otros contaminantes de las membranas.– Purificarlo y añadir los aditivos necesarios para introducirlo en una red de transporte de gas natural. – Uso como material base para la síntesis de productos de elevado valor añadido como es el metanol o el gas natural licuado. – Combustible de automoción.

El biogás, además de metano tiene otra serie de compuestos que se comportan como impurezas: agua, sulfuro de hidrógeno, monóxido de carbono y compuestos orgánicos volátiles como hidrocarburos halogenados, siloxanos, etc. Por tanto, es necesaria la limpieza del combustible, dependiendo del uso final. Una aplicación tipo de la digestión anaerobia es en las granjas de ganado bovino y porcino de gran tamaño o como planta comarcal de gestión de residuos en zonas de alta concentración de ganado estabulado, por el gran problema que generan los purines. En este caso se puede proponer y proyectar una planta de digestión

anaerobia de producción de biogás como auto abastecimiento energético según las necesidades.Una situación ideal sería implantar un pequeño sistema de cogeneración, que permitiría un ahorro en agua caliente y electricidad en épocas frías, junto con la conexión a la red para la venta eléctrica. En los meses de verano, venta a la red eléctrica o venta de biogás para su embotellado a presión. Generalmente, los costes asociados a instalaciones de gestión de residuos orgánicos mediante digestión anaerobia son elevados y

la productividad es muy baja en términos de la energía contenida en el biogás respecto a la cantidad de residuo tratado.

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2.4 CO-DIGESTION ANAEROBIA

No es objeto de este trabajo el analizar los procesos anaerobios bioquímicos y microbiológicos que afectan a la obtención de biogás, sólo se realizará una descripción de la co-digestión anaerobia, por ser un proceso que afecta enormemente a la cantidad de biogás producido por un biodigestor.La co-digestión consiste en el tratamiento conjunto de residuos orgánicos diferentes con el objetivo de:

1 Aprovechar la complementariedad de las composiciones para permitir perfiles de proceso más eficaces. 2 Compartir instalaciones de tratamiento. 3 Unificar metodologías de gestión. 4 Amortiguar las variaciones temporales en composición y producción de cada residuo por separado. 5 Reducir costes de inversión y explotación.

El término co-digestión se utiliza para expresar la digestión anaerobia conjunta de dos o más sustratos de diferente origen. La ventaja principal radica en el aprovechamiento de la sinergia de las mezclas, compensando las carencias de cada uno de los sustratos por separado. La co-digestión de residuos orgánicos de diferente origen ha resultado una metodología exitosa tanto en régimen termofílico como mesofílico.

Se han conseguido buenos resultados para mezclas de residuos ganaderos con varios tipos de residuos de la industria de carne y mataderos, ricos en grasas, consiguiendo altas producciones de metano, del orden de 47 m3/t de residuo introducido. También se han conseguido buenos resultados con la co-digestión de lodos de depuradora y la fracción orgánica de residuos municipales, la mezcla de estos últimos con aguas residuales urbanas, y la co-digestión de fangos de depuradora y residuos de frutas y verduras. Los residuos urbanos e industriales acostumbran a contener altas concentraciones de materia orgánica fácilmente biodegradable,

por lo cual presentan un mayor potencial de producción de biogás que los residuos ganaderos.

Sin embargo, estos residuos pueden presentar problemas en su digestión, como deficiencia en nutrientes necesarios para el desarrollo de microorganismos anaerobios, baja alcalinidad o excesivo contenido en sólidos que provoquen problemas mecánicos. Los residuos ganaderos pueden ser una buena base para la co-digestión ya que, generalmente, presentan un contenido en agua elevado, una alta capacidad tampón y aportan una amplia variedad de nutrientes necesarios para el crecimiento de microorganismos anaerobios.

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2.4 CO-DIGESTION ANAEROBIA

La co-digestión no debe esconder prácticas de dilución de contaminantes, tales como metales pesados. El control de la calidad de los residuos de entrada a una planta de co-digestión colectiva es más factible que en una planta individual en una granja, donde el ganadero tendrá siempre dificultad en disponer de equipos de laboratorio para realizar comprobaciones rutinarias de composiciones de entrada. Este puede ser un limitante a considerar en un escenario de plantas de co-digestión individuales, a no

ser que se restringa la tipología de residuos a entrar en estas plantas.

2.5 ACONDICIONAMIENTO DEL SUSTRATO PREVIO A LA PRODUCCION DE BIOGÁS.

Antes de introducir los residuos orgánicos dentro del reactor hay que realizar una serie de operaciones de acondicionamiento. Dependiendo del tipo de reactor, el grado de pretratamiento será diferente. La finalidad de estas operaciones es introducir el residuo lo más homogéneo posible, con las condiciones físico-químicas adecuadas al proceso al que va a ser sometido, y sin elementos que puedan dañar el digestor.

La forma de acondicionar los residuos de entrada puede ser por pretratamientos, reducción del tamaño de partícula, espesamiento, calentamiento, control de pH, eliminación de metales y eliminación de gérmenes patógenos. Cuando se manejan ciertos sustratos, como los purines, es muy importante no almacenar demasiado tiempo, ya que decae muy

deprisa la productividad de biogás, al producirse fermentaciones espontáneas.

2.6 GESTIÓN DEL APROVISIONAMIENTO Y DE LOS SUBPRODUCTOS.

Para que una planta de digestión anaerobia sea rentable es imprescindible la garantía en el suministro de materia prima, tanto en tiempo como en calidad. Además, es muy importante la homogeneidad del sustrato a la entrada del reactor, para conseguir una eficiencia y rendimiento elevado de biogás. Por ejemplo, en plantas de purines, pobres en materia orgánica, y para conseguir la rentabilidad, es necesario el aprovechamiento de los efluentes de algún proceso, como por ejemplo los lodos de espesado, bien como salen o con un tratamiento posterior.

Los subproductos de la digestión anaerobia son agua y digestato (sólido); para su posterior uso hay que tener en cuenta la legislación en materia de vertidos y las composiciones de los efluentes del proceso. Muchas veces no se pueden utilizar tal y como salen del digestor, por lo que se ha de aplicar una serie de tratamientos como decantación/sedimentación, secado, para su

posterior utilización para riego, fertilización de campos o venta como compost.

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3. Tecnologías existentes para la obtención de biogás.

Los diseños utilizados para digestión anaerobia pueden clasificarse en función de su capacidad para mantener altas concentraciones de microorganismos en el reactor, siguiendo diferentes métodos. El reactor más simple es el de mezcla completa

(RMC, CSTR en inglés), y es el más utilizado para residuos.

3.1 REACTOR DE MEZCLA COMPLETA SIN RECIRCULACIÓN

Consiste en un reactor en el que se mantiene una distribución uniforme de concentraciones, tanto de substrato como de microorganismos (ver Figura 8.a). Esto se consigue mediante un sistema de agitación. Ésta puede ser mecánica (agitador de hélice o palas, de eje vertical u horizontal) o neumática (recirculación de biogás a presión), y nunca violenta. Esta tipología de reactor no ofrece problemas de diseño y es el más utilizado para residuos. Comparativamente a otros reactores, el tiempo de retención necesario es alto, debido a que la concentración de cualquier especie, que se mantiene en el reactor en régimen estacionario, es la misma que la que se pretende en el efluente. Si la velocidad de reacción depende de la concentración, como es el caso de los procesos biológicos, la velocidad será baja, y la forma de compensarla es aumentando el tiempo de reacción.

3.2 REACTOR DE MEZCLA COMPLETA CON RECIRCULACIÓN

Este sistema tiene el nombre de reactor anaerobio de contacto y sería equivalente al sistema de fangos activos aerobios para el tratamiento de aguas residuales (ver Figura 8.b).

Se comprueba que regulando la recirculación es posible conseguir tiempos de retención hidráulica más bajos que en un reactor simple de mezcla completa. Esto es a costa de aumentar el tiempo de retención de los microorganismos, gracias a su confinamiento en el sistema mediante la separación en el decantador y re-circulación. Debido a la necesaria separación de microorganismos en el decantador, este sistema sólo es aplicable a aguas residuales de alta carga orgánica (aguas residuales de azucareras, cerveceras, etc.), para las que sea posible una separación de fases líquido-sólido, con la fracción sólida consistente básicamente en flóculos biológicos. Antes del decantador se debe disponer de un sistema de desgasificación, sin el cual la

decantación se puede ver impedida.

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3.3 REACTOR CON RETENCIÓN DE BIOMASA, SIN RECIRCULACIÓN

Si se consigue retener bacterias en el interior del reactor, evitando la configuración de reactor de mezcla completa, es posible reducir el tiempo de retención por debajo del reactor RMC tomado como referencia. Los métodos de retención de biomasa son básicamente dos:

a) inmovilización sobre un soporte (filtros anaerobios y lechos fluidizados);

b) agregación o floculación de biomasa y su retención por gravedad (reactores de lecho de lodos). Estos sistemas se esquematizan en la Figura 9 y se comentan a continuación.

Aunque los reactores de flujo pistón (Figura 8.c) no estarían encuadrados en este apartado, el hecho de que la tasa de crecimiento de microorganismos sea más elevada a la entrada del reactor, donde la concentración de sustrato también es más elevada, hace que la concentración media en el reactor sea superior a la correspondiente a mezcla completa, o en todo caso superior a la de salida, con lo cual el tiempo de retención será inferior. Este tipo de reactor ha sido aplicado a diferentes tipos de residuos orgánicos, como fracción orgánica de residuos municipales (configuración vertical y flujo ascendente), residuos de porcino y bovino, y una de las dificultades es la debida a la falta de homogenización en la sección transversal a la dirección del flujo, en las configuraciones horizontales, lo cual se puede evitar mediante un sistema de agitación transversal (reintroducción de biogás a presión en la base del digestor si el reactor es horizontal, por ejemplo).

El filtro anaerobio. En este sistema las bacterias anaerobias están fijadas a la superficie de un soporte inerte —formando biopelículas—, columna de relleno, o atrapadas en los intersticios de éste, con flujo vertical. El soporte puede ser de material cerámico o plástico. Su distribución puede ser irregular (filtro anaerobio propiamente dicho, con flujo ascendente, Figura 9.b), y en este caso las bacterias se encuentran mayoritariamente atrapadas en los intersticios, o regular y orientado verticalmente, y en este caso la actividad es debida básicamente a las bacterias fijadas, recibiendo el nombre de lecho fijo con flujo descendente (Figura 9.a). En caso de utilizar un soporte orientado verticalmente con flujo ascendente y un sustrato lentamente degradable, con elevado tiempo de retención, la retención por sedimentación de los fragmentos de biopelícula desprendidos adquiere un efecto de

importancia en la actividad del reactor.

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3.3 REACTOR CON RETENCIÓN DE BIOMASA, SIN RECIRCULACIÓN

Este sistema ha sido extensamente aplicado para el tratamiento de aguas residuales de industria agroalimentaria, y existen experiencias piloto para la fracción líquida de residuos ganaderos. El coste de inversión es un limitante importante para su implantación.

El lecho fluidizado. En este sistema las bacterias se encuentran fijadas, formando una biopelícula, sobre pequeñas partículas de material inerte que se mantienen fluidizadas mediante el flujo ascendente adecuado del fluido. Para mantener el caudal adecuado,que permita la expansión y fluidización del lecho, se recurre a la recirculación (Figura 9.d). Igual que el filtro, puede ser aplicado a aguas residuales, especialmente de la industria agroalimentaria, y a fracciones líquidas o sobrenadante de residuos ganaderos, aunque las experiencias en este ámbito son muy limitadas.

El reactor de lecho de lodos. En este sistema se favorece la floculación o agregación de bacterias entre ellas, formando gránulos o

consorcios, de forma que por sedimentación se mantienen en el interior del reactor, con la velocidad ascendente adecuada del fluido, siempre que en la parte superior exista un buen separador sólido(biomasa)/líquido/gas. El diseño más común es el Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), Figura 9.c, el cual está siendo extensamente aplicado al tratamiento de aguas residuales de la industria agroalimentaria. Es el diseño más simple de entre los sistemas con retención de biomasa y el único limitante para su aplicación es que la biomasa activa granule, esto es, que forma agregados de alta densidad. Para ello es determinante la composición del agua a tratar y mantener una operación adecuada.

3.4 SISTEMAS DISCONTINUOS

En un sistema discontinuo, la curva de evolución temporal de la producción de biogás sigue la misma tendencia que la curva típica del crecimiento de microorganismos (latencia, crecimiento exponencial, estacionalidad y decrecimiento). Aquí el concepto de tiempo de retención no tiene sentido y se hablaría de tiempo de digestión. Para conseguir una producción de biogás cercana a la continuidad deben combinarse varios reactores discontinuos con puestas en marcha intercaladas en el tiempo. Estos reactores han sido aplicados a residuos con una alta concentración de sólidos que dificultan la adopción de sistemas de

bombeo, tales como residuos de ganado vacuno con lecho de paja.

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3.5 OTROS SISTEMAS

Los reactores anteriores pueden ser combinados para conseguir sistemas más eficientes, según el tipo de residuo a tratar.

3.5.1 Sistemas de dos etapas

Estos consisten en un primer reactor con elevado tiempo de retención, en el cual se favorece la hidrólisis, seguido de un reactor de bajo tiempo de retención que digiere la materia orgánica disuelta y los ácidos producidos en la primera etapa. Si la primera etapa consiste en un reactor discontinuo, el líquido tratado en la segunda es el obtenido por percolación en la primera una vez recirculado el efluente de la segunda. Este sistema permite mantener fácilmente la temperatura en el reactor discontinuo, controlando la temperatura del efluente del segundo reactor. Ha sido aplicado con éxito para tratar residuos sólidos cuya etapa limitante es la hidrólisis: frutas, verduras, residuos sólidos urbanos, de ganado vacuno, etc.

3.5.2 Sistemas de dos fases

A diferencia de los sistemas de dos etapas, la separación de fases se refiere a mantener dos reactores en serie, en los cuales se realizan, respectivamente, las fases de acidogénesis y metanogénesis, y su objetivo es conseguir un tiempo de retención global inferior al correspondiente a un único reactor de mezcla completa. La separación es de tipo cinético, controlando el tiempo de retención de cada reactor, el cual será inferior en el primero, debido a las más altas tasas de crecimiento de las bacterias acidogénicas. Este tipo de sistema ha sido aplicado con éxito a la digestión de residuos con alta concentración de azúcares y bajo contenido en sólidos, pero no para residuos con fibras y, en general, sustratos complejos cuyo limitante es la hidrólisis.

Sistemas híbridos. En general serán sistemas que combinen los conceptos que sustentan los diferentes tipos de reactores descritos. Los dos sistemas anteriores podrían considerarse como tales. También se han realizado diseños de reactores con

retención de biomasa híbridos, en los cuales la parte baja de éste se comporta como un UASB y la parte superior como un filtro.

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4.1 INTRODUCCION

Se debe realizar un análisis de la tipología de granjas existentes en la Región de Murcia para buscar una solución que se adapte a las condiciones de las cabañas ganaderas y agrícolas murcianas.La tecnología adoptada será aquella que consiga valorizar los residuos generados por las granjas y explotaciones agrícolas, dando solución a la problemática actual de gestión de residuos por un lado y, por otro, generando energía que se pueda aprovechar en la propia granja o vender al exterior. Todo ello sin que suponga para el ganadero unos esfuerzos económicos y operacionales demasiado elevados.

En este apartado se intenta demostrar que la tipología y tamaño de la mayoría de granjas en Murcia son de tamaño medio-pequeño y están distribuidas a lo largo de la geografía, lo que conllevaría a unos gastos logísticos demasiado elevados si se pretende centralizar la recogida a un solo digestor. Estos costes podrían repercutir negativamente a lo largo de la vida útil de la instalación, pues se supone que aumentarían en mayor medida que lo harían los ingresos por venta de electricidad a red, que por cierto, en la actualidad son demasiado bajos y ponen en tela de juicio su rentabilidad.

4.2 BREVE RESEÑA HISTÓRICA

En los años sesenta la mayor parte de las explotaciones agrarias cuentan con un ganado de una o varias especies, en muchos casos con carácter de autoconsumo, vendiendo sólo los excedentes. El incremento del consumo de carne en España ha precisado el desarrollo de tecnología aplicada a la ganadería: selección de razas, consumo masivo de piensos compuestos, etc. El ganado porcino es el mejor exponente de la hoy denominada ganadería industrializada. El impacto de tal evolución sobre el territorio queda visible en la enorme proliferación de granjas con naves e instalaciones de unas capacidades impensables hace 20 años.

4.3 DISTRIBUCIÓN ESPACIAL

Es de suma importancia conocer la distribución geográfica de la ganadería en la Región de Murcia para conocer su ubicación y el número aproximado de cabezas, que posibiliten hacer estimaciones de producción de residuos. Para ello se estudian las principales especies existentes en la Región: ovino, vacuno y porcino.

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4.3.1 Ganado ovino

La cabaña ovina de la Región de Murcia no se reparte de forma regular sobre el espacio, las diferencias de censo entre municipios son enormes. Junto a algunos como Lorca y Caravaca que cuentan con más de 50.000 cabezas, en otros se registran cifras inferiores a las 500, como es el caso de Albudeite, Archena, Ceutí, Ulea y Villanueva del Segura. El ganado ovino en la región presenta una alta concentración en un reducido nº de municipios, en estos precisamente se incluyen los de mayor extensión de los que cuenta la región, como es el caso de Caravaca y Lorca, que acumulan los dos una cuarta parte del censo ovino regional. Estos municipios se caracterizan por tener parte de su suelo cultivado en régimen de agricultura extensiva, con abundantes extensiones de cereales, lo que ha favorecido el desarrollo de esta ganadería.

Las cifras dadas por el último censo existente del 1999 (los censos agrícolas se realizan cada 10 años), cifran el total de cabezas de ovino en 505.140, la extensión de Murcia es de 11300 km2, esto hace una densidad de ganado ovino de 44,7 cabezas por km2. Esta densidad presenta unos contrastes enormes. Existen municipios que cuentan con un reducido censo, pero que debido a sus escasas dimensiones, presentan densidades muy altas, otros como Lorca, pese al tener el mayor nº de reses ovinas, cuenta con una densidad inferior a la media regional en 5 cabezas.

En función de la densidad ovina se pueden agrupar en tres grupos:

-Un primer grupo incluye los que al menos duplican la media regional: Fuente Álamo, Torre Pacheco, San Pedro del Pinatar, San Javier, La Unión, Alguazas, Puerto Lumbreras, Archena y Las Torres de Cotillas. Los 5 primeros situados en el campo de Cartagena cuentan con un nº superior a 100 cabezas por km2.-Otro grupo los constituyen municipios que cuentan con una densidad de 40 a 80 cabezas: Beniel, Calasparra, Cartagena, Lorca, Murcia, Pliego, Totana, Santomera y los Alcázares.-El último grupo los constituyen municipios con una densidad menor de 10 cabezas: Abanilla, Abarán, Águilas, Blanca y Ulea.

En los últimos años ha descendido considerablemente el nº de explotaciones, pero ha aumentado mucho el nº de cabezas por explotación (explotaciones sin tierras) lo que posibilita la gestión de sus residuos en la misma granja. Las explotaciones con un elevado nº de hectáreas son difíciles en cuanto al tratamiento de y aprovechado de residuos, pues los animales no están tabulados.

En 1989 el nº de cabezas en la región era de 397.602 y el nº de explotaciones de 3341. En 1999 el nº de cabezas era de 505.140 y habían 1770.

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Las siguientes gráficas muestran estos datos para el ganado bovino.

Conclusiones

El nº de explotaciones de ganado bovino ha descendido drásticamente en los últimos años, pero en contrapartida el nº de cabezaspor explotación ha aumentado mucho. Las zonas de mayor nº de cabezas presentan una baja densidad debido a la gran extensiónde su terreno, esto hace que existan muchas explotaciones pero separadas unas de otras. Sin embargo, en otras zonas con menorNº de cabezas la densidad es mucho mayor y las granjas están próximas unas de otras.

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4.3.2 Ganado vacuno

El vacuno de carne se localiza dentro de explotaciones de gran capacidad, alimentado única y exclusivamente con piensos compuestos, fabricados en muchos casos por los propios ganaderos, lo que hace que sus costes de producción sean menos cuantiosos y que se puedan obtener una mayor rentabilidad de las explotaciones vacunas de este tipo.

No obstante, la Región de Murcia no es una zona apropiada para el desarrollo de este ganado, debido a las dificultades de aprovisionamiento de alimento. Los ganaderos de la región son en su mayoría agricultores de regadío que aprovechan los subproductos de éstos para alimento de las vacas. Las vacas necesitan de una gran cantidad de alimento diario, lo que supone también una gran cantidad de residuos fecales, que es lo que vamos buscando.

De las 22000 cabezas existentes en 1989, pasamos a 49900 en 1999 debido sobre todo a la importación de terneros de Francia y Polonia y a la bajada de los precios de los cereales empleados para su alimentación.

El ganado vacuno en la Región de Murcia se encuentra en unos pocos municipios situados en el espacio central de la Región

En la figura adjunta se puede ver la distribución espacial del ganado vacuno en la región, se da un alto grado de concentración en la zona de Murcia y Lorca, acumulan el 50% de toda la región. El resto se distribuye de modo desigual por el resto de la geografía, lo que hace que el transporte y gestión de sus residuos a un punto central de la región sea difícil en cuanto a costes.Sólo se podría pensar en tratar los residuos generados por las explotaciones de Lorca y Murcia, al tener una alta concentración de vacas.

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Por ello, los municipios de Lorca y Murcia son los únicos en los que se podría pensar centralizar sus residuos ganaderos para su tratamiento anaerobio, pues las distancias de las explotaciones a un único punto son menores que en el resto de la región. La gráfica de la derecha representa la distribución del ganado vacuno en el municipio de Lorca.

A la izquierda se representa la distribución espacial del ganado vacuno en el municipio de Murcia, se observa como la concentración es mayor en este municipio que en el de Lorca. Debido sobre todo a que Lorca tiene una gran extensión de terreno.

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Conclusión

El ganado vacuno en la región presenta una alta concentración en sólo dos municipios: Murcia y Lorca, aunque en el primero es mayor que en el segundo. En Murcia podría ser rentable un digestor central debido a las cortas distancias entre explotaciones vacunas.En el resto de municipios no sería rentable debido a la gran dispersión entre las explotaciones, lo que elevaría de manera inaceptable los costes logísticos de los residuos.

4.3.3 Ganado porcino

Durante los últimos 25 años el ganado porcino ha sufrido un crecimiento espectacular, de las 166.251 cabezas censadas en 1965 hemos pasado a 1426712 en 1999 (último censo realizado) con un nº de explotaciones de 1511.

A la izquierda se representa la distribución espacial del ganado porcino en la región.Lorca, Murcia, Fuente Álamo y Puerto Lumbreras tienen cada una más de 100.000 cabezas y en los 4 municipios se sitúan dos de cada tres plazas porcinas. Cartagena y Totana también son dos municipios con mucha explotación porcina.En los demás municipios el ganado se distribuye de manera irregular, en algunos casos el nº de plazas no llega a las 500.

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El municipio de Lorca es uno de los que cuenta con el mayor nº de cabezas porcinas, la mayor parte de las explotaciones se encuentran agrupadas en 9 diputaciones, todas ellas situadas en el área de huerta y sus aledaños, el resto se encuentran dispersadas por el resto del municipio en explotaciones de tamaño medio.

A la derecha se encuentra reflejada esa concentración en el centro del municipio y su dispersión en el resto.

Tiene sentido el aprovechamiento de los residuos generados en las diputaciones centrales para su digestión centralizada, pero en el resto los costes asociados a su desplazamiento serían muy elevados. Por ello habría que implantar tecnologías que resolvieran el problema de los residuos in situ, además de poder valorizarlos.

Algo muy similar ocurre en el municipio de Murcia, representado a la izquierda, se observa la gran dispersión de granjas en las zonas fuera del centro.

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Conclusión

El alto nº de explotaciones porcinas concentradas en una misma zona geográfica posibilita la implantación de digestores centralizados para la valorización energética de los purines, no obstante, los purines hay que mezclarlos con otros residuos para que la cantidad de biogás resulte rentable. Por ello, estos digestores que en principio cuentan con una gran cantidad de purín en una zona pequeña, se debe identificar que co-digestato emplear, pues sin él probablemente no resulte rentable ningún proyecto de digestión anaerobia para la producción de electricidad.

El resto de las zonas geográficas de la región con baja intensidad de ganado porcino, no pueden emplear la digestión anaerobia de purines para su aprovechamiento eléctrico y venta red. La cantidad de purín a tratar y la dificultad de encontrar un co-digestato aceptable para el proceso de obtención de biogás son los culpables, aunque puede haber excepciones.

El hecho de que para poder gestionar los residuos ganaderos fuera del centro de producción de los mismos (las granjas) hay que hacerlo por medio de empresas gestoras acreditadas, encarece el proceso logístico, la rentabilidad de los grandes digestores centralizados podría disminuir considerablemente.

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5. Solución adoptada

5.1 INTRODUCCION

En los apartados anteriores se ha analizado las tecnologías existentes para el tratamiento de residuos ganaderos y su posible valorización energética, además, se ha descrito la distribución espacial de la ganadería en la Región de Murcia para identificar las posibilidades de implantación de la digestión anaerobia.

Ahora se pretende buscar una solución tecnológica para todas aquellas explotaciones ganaderas que están dispersadas fuera de los núcleos de concentración de ganado, y que por sus características, no pueden implantar grandes digestores debido a los costes asociados y la baja producción de residuos.

5.2 DESCRIPCION

Los países sudamericanos llevan muchos años aprovechando los residuos ganaderos para la obtención de biogás, usándolo en las propias granjas y casas para calefacción o para cocinar alimentos. Los métodos que utilizan son muy rudimentarios y no se optimiza la obtención de biogás, no obstante es un buen método para dar solución a la problemática de gestión de residuos de muchas granjas.

Existe una tecnología novedosa, simulando a los digestores ampliamente utilizados en países subdesarrollados, que optimiza la producción de biogás sin que conlleve a grandes inversiones, como ocurre con los grandes digestores convencionales. Son los denominados biodigestores de geomembrana.

Estos biodigestores utilizan materiales herméticos de alta durabilidad que proporcionan alta resistencia al ataque de bacterias y a los rayos UV. El reactor ocupa el 70% del volumen y el gasómetro el 30% restante. Dentro del biodigestor existen mamparas con orificios que obligan a los residuos a hacer recirculaciones en su interior y favorecer la producción de biogás.

La vida útil de estos biodigestores es de unos 15 años. El sistema puede incluir un invernadero protector para aprovechar al máximo la captura de energía térmica proporcionando aislamiento y minimizando la pérdida de calor al exterior.

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A la derecha se muestra una imagen de este tipo de biodigestor, sólo es necesario excavar en el terreno donde se va almacenando el residuo y colocar barreras para impedir su filtración al terreno. El biogás se va generando y elevándose a capas superiores hasta alcanzar el gasómetro, que es lo que se ve en la imagen, el resto está enterrado.

En la imagen también se observa el invernadero que protege la geomembrana y le proporciona el suficiente calor para favorecer los fenómenos bioquímicos que ocurren en el interior del digestor. En zonas cálidas en verano, como en la Región de Murcia, es necesario abrir el invernadero pues las temperaturas exteriores son suficientes.

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Existen dos opciones de montaje:

Opción A: El biodigestor se utiliza para el tratamiento de residuos, es decir, será el encargado de tratar adecuadamente los desechos de los animales sin tener que sacarlos fuera de la granja. Secundariamente se produce una cierta cantidad de biogás que puede servir para su aprovechamiento en la misma granja, ya sea por medio de calderas para el calentamiento de agua o calefacción o bien como combustible para pequeños grupos de generación de electricidad para autoconsumo.

Opción B: La principal finalidad es la producción de biogás en mayor cantidad para la producción de electricidad y su vertido a red para vender a mercado eléctrico, es decir, acogerse al Régimen Especial de producción de electricidad. El calor generado por los motores de cogeneración se puede aprovechar en la misma granja o en una casa adyacente, para calefacción o ACS.

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-Es necesario la incorporación de mezcla de residuos para aumentar la producción de biogás, esta mezcla se hace en un tanque que puede ser alimentado por un tractor o de manera automática.

-El residuo puede canalizarse directamente al biodigestor por medio de bombas, por decantación o ser cargado desde un camión dependiendo de su emplazamiento.

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-En condiciones climatológicas extremas, es posible cubrir el biodigestor con un sencillo invernadero con el objetivo de mantener la máxima producción energética.

-El sistema se puede ampliar con el aumento de los residuos, mediante la utilización de reactores más pequeños se puede ampliar el rendimiento.

-A la salida del biodigestor se dispone una balsa con abono de alta calidad libre de patógenos. Si se requiere se puede separar líquidos de sólidos o hacer tratamientos adicionales al abono para su óptima venta a mercado como fertilizante.

-En función de los residuos, necesidades energéticas y facilidad de conexión a la red eléctrica la planta puede producir calor y/o electricidad.

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6. Referencias bibliográficas

-Real Decreto 436/2004.-Real Decreto 661/2007-Real Decreto 949/2009 por el que se establecen las bases reguladoras para el plan de biodigestión de purines.-Plan de digestión de purines-Resumen de noticias de prensa del sector energético.-Guia de digestores anaerobios, editado por IDEA.-“La ganadería en la Región de Murcia”, autor: Cayetano Espejo Marín.-Instituto Nacional de Estadística.

Documents

Biogás en la Región de Murcia