Determinación del calor efectivo generado por el biogás de un biodigestor

familiar frente a otras fuentes de energía.

Federico Vargas Lehner1*

; Claudio Moreno Gavilán1

1. Facultad de Ciencias Agrarias-UNA. San Lorenzo, Paraguay

* Autor para correspondencia: fvargaslehner@gmail.com

1 Introducción

La principal fuente energía en las familias rurales es el fuego para el cual se utiliza leña.

Según estudios realizados en zonas del distrito de Ybicui las necesidades, en promedio, de

leña son de 20 hasta 30 metros cúbicos (m3) por familia y año (Grulke, 2003).

Ante la dificultad para el acceso a la leña y al GLP y su elevado costo surge la necesidad de

buscar fuentes alternativas y económicas de energía; es a partir de esta premisa, que la

Facultad de Ciencias Agrarias a través de la Carrera de Ingeniería en Ecología Humana viene

promocionando la utilización de biodigestores en la agricultura familiar (Botero & Preston,

1987; IIR, 2009; Guevara, 1996; Marti, 2008). El biogás es uno de los productos obtenidos

del biodigestor y surge a partir de la degradación anaeróbica de la materia orgánica. Su

composición está dada por las condiciones en las que se da la degradación y sus dos

principales componentes son el metano (CH4), en 60 a 70%, y el dióxido de carbono (CO2)

entre un 30 a 40%; además contiene pequeñas cantidades trazas de monóxido de Carbono

(CO), hidrogeno (H2), nitrógeno (N2), oxígeno (O2), ácido sulfhídrico (H2S) (Guevara, 1996;

IIR, 2009; Marti, 2008). El modelo de biodigestor analizado en esta investigación es el

tubular o manga, que es el que presenta mejores condiciones para su adopción inicial por

parte de las fincas familiares (Marti, 2008).

Esta investigación tiene por objeto determinar el poder calorífico del biogás frente a otras

fuentes de energía; para ello se pretende caracterizar el biodigestor utilizado, determinar la

temperatura que alcanza el agua pura con diferentes fuentes energéticas, y establecer el poder

calorífico de cada una de estas fuentes.

De acuerdo a diversos autores, el poder calorífico del biogás es de entre 5.500 y 6.200

kcal/m3, por lo que es menor al del butano o propano (Marti, 2008).

El calor efectivo es la cantidad de energía que se trasmite de un cuerpo a otro y depende de

factores como la masa y el calor específico del material calentado. El Calor específico es una

propiedad intensiva de la materia y mientras mayor sea, la sustancia demandará mayor

energía para elevar su temperatura.

2 Metodología

Localización del experimento. La investigación se llevó a cabo en el Centro de Capacitación

y Tecnología Apropiada perteneciente a la Carrera de Ingeniería en Ecología Humana de la

FCA-UNA situado en el Barrio Santa Ana, distrito de Piribebuy. Los puntos geográficos de

ubicación del biodigestor son 21 J 496398 7883951 con una altitud de 265 msnm. Diseño

experimental y tratamientos. El diseño experimental está compuesto por tres tratamientos y

cuatro repeticiones cada uno totalizando 12 unidades experimentales. Los tratamientos son:

T1. Fuente de energía: biogás. T2. Fuente de energía: leña. T3. Fuente de energía: GLP. El

Tipo de investigación es descriptiva con enfoque cuantitativo porque se describe las

diferentes temperaturas alcanzadas por el agua pura de acuerdo a la fuente de energía y el

poder calorífico de las mismas. La fuente primaria para la recolección de datos lo constituye

la observación. La fuente secundaria está determinada por la bibliografía de apoyo. Manejo

del experimento. El experimento fue realizado en el mes de junio de 2014; durante los días

de medición la variación térmica ambiental fue de 7,5°C siendo la mínima 19,05 ºC y la

2

máxima de 26,55 ºC, la presión atmosférica promedio fue de 1015 hPa. Para la determinación

de las temperaturas del agua pura se utilizó un recipiente metálico (similar a lo utilizado en las

viviendas pertenecientes al estrato de la agricultura familiar) cargado con un litro de agua

(igual a 1 kg.) y expuesto a la flama generada por cada una de las fuentes citadas; la

temperatura del agua se registró al inicio del proceso y luego cada cinco minutos hasta

alcanzar seis registros. Recursos, materiales y equipos. Se utilizó un cuaderno para el

apunte, un termómetro de mercurio, un hidrómetro digital para el registro de la temperatura

ambiental, un manómetro de baja presión y mechero de Bunsen.

Cuadro de variables e indicadores.

Objetivos Variable Indicador

Caracterizar el biodigestor

utilizado,

Características técnicas del

biodigestor

Volumen, tasa diaria de carga,

tasa diaria de producción de

biogás, tipo de sustrato utilizado.

Determinar la temperatura que

alcanza el agua pura con

diferentes fuentes energéticas

Temperatura del agua pura Temperatura inicial

Temperatura final

Tiempo

Establecer el calor efectivo de

cada una de las fuentes

Calor efectivo Calor efectivo

Análisis e interpretación de los datos. Para determinar el calor efectivo se utilizó la

ecuación fundamental de la calorimetría: . Donde Qx es calor

efectivo recibido por la masa de agua; m es la masa de agua; ce es el calor específico del agua

(1 kcal/kg) y es la variación entre la Tº inicial del agua y la final.

3 Resultados

Caracterización del biodigestor utilizado. Las características están resumidas en el cuadro

1. Cuadro 1. Características técnicas del biodigestor tubular

Tasa de Carga diaria 50,8 kg de estiércol y 150

litros de agua

Volumen total 8,8 m3

Producción de biogás diario 1,80 m3

Ancho de rollo 2,5 m

Producción de fertilizante

diario

203,33 litros Longitud del

biodigestor y de la

zanja

5 m

Tiempo de retención 30 días Longitud del plástico 7 m

Temperatura ambiente 19,05°C a 26,55°C Plástico total 14 m

Volumen liquido (70% del

total)

6,1 m3

Ancho inferior de la

zanja

1,2 m

Volumen gaseoso (30% del

total)

2,7 m3

Ancho superior de la

zanja

1,5 m

Profundidad de la zanja 0,90 m

(Fuente: Moreno & Vargas 2014*)

Estas características corresponden, según Botero (1987), corresponde a un biodigestor de bajo

costo y flujo continuo, tipo Taiwan, elaborado en polietileno de 250 micrones tubular. El

costo de este tipo de biodigestores, dependiendo del tamaño y los materiales, puede variar de

entre 200 a 500 U$S.

*Moreno C.; Vargas F. 2014. Características técnico económicas de un biodigestor de tipo tubular empleado en

la agricultura familiar (En publicación)

3

Temperatura del agua pura con diferentes fuentes de energía. En la figura 1 se puede

apreciar el comportamiento de la temperatura del agua en el trascurso de los minutos según

las tres fuentes de energías.

Figura 1. Variación de la temperatura del agua pura

A partir de esta gráfica es posible apreciar que el comportamiento del calor trasmitido por los

gases es mucho más estable que el de la madera alcanzando la mayor temperatura al minuto

25 con 93 ºC y la fuente de energía es el Gas Licuado de Petróleo.

El calor efectivo. A partir de la variación de temperatura registrada en el gráfico anterior y

considerando que la masa de agua es igual a 1kg y su calor específico sea de 1 kcal/kg se

obtiene que el calor efectivo del biogás es 74 kcal. Por su parte el GLP posee un calor efectivo

de 75 kcal. y la madera 72 kcal.

4 Conclusiones

El biodigestor tubular con un volumen total de 8,8 m3 puede tener una tasa de producción

diaria de biogás de 1,80 m3 con una tasa de carga diaria de 50 kg de estiércol y 150 litros de

agua. La temperatura alcanzada por el agua en las tres fuentes de energía es similar, siendo

levemente superior el Gas Licuado de Petróleo; el biogás logra calentar el agua hasta los 92

ºC en 25 minutos. Por su parte, en cuanto al calor efectivo trasmitido por la flama generada el

GLP es el mayor con 75 kcal, levemente superior al biogás que posee 74 kcal. de calor

efectivo.

5 Referencias bibliográficas

Botero, R.; Preston, T. 1987. Biodigestor de bajo costo para la producción de combustible y

fertilizante a partir de excretas. Cali, CO: CIPAV. 20 p IIR, 2009;

Grulke, M. 2003. Forestería Campesina en la Región Oriental del Paraguay: Un estudio de

caso referente a opciones técnicas e impactos económicos de actividades forestales en fincas

de pequeños agricultores. Eschborn: AL. GTZ (Cooperación Técnica Alemana). 140 p.

Guevara, Antonio. 1996. Fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaeróbicos

rurales: producción de gas y saneamiento de efluentes. Lima, PE: OPS (Organización

Panamericana de la Salud). 80 p.

Marti, J. 2008. Biodigestores familiares: Guía de diseño y manual de instalación. La Paz, BO:

GTZ. 85 p.

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20

40

60

80

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atu

ra e

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Minutos

Biogás

Madera

GLP