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SEMINARIO INTERNACIONAL
Seguridad y Eficiencia Energética
Un aporte científico para la generación de políticas públicas
Producción de energía a partir de residuos orgánicos y cultivos agrícolas: Europa y potencial para Chile
Dr. Felipe Kaiser
1 Introducción
La producción de energía renovable, a través del uso de biodigestores, permite el eficaz ahorro de recursos naturales. Para la agricultura la tecnología de biogás tiene beneficios claves, como el almacenamiento sencillo de abono orgánico, la reducción de olores, de óxido nitroso y de emisiones de metano. Además el estiércol líquido pre tratado por digestión anaeróbica puede sustituir la fertilización mineral en el campo.
En lugar de almacenar simplemente los estiércoles y restos orgánicos por medios estándares se puede utilizar la tecnología de digestión anaeróbica para la producción de energía (electricidad y calor), y tras esta fermentación, el residuo mejora su valor como fertilizante. La digestión anaeróbica favorece activamente los ciclos de nutrientes de los cultivos y la utilización descentralizada de sustancias orgánicas. De este modo, los agricultores que operen un biodigestor conseguirán una nueva posición en la sociedad al producir no solo alimentos, sino también energía.
Después de una visión general de los procesos y tecnologías de la digestión anaeróbica el presente escrito presentará los marcos regulatorios que favorecen esta tecnología en Europa y se dará un ejemplo de estudio de potencial en la agricultura chilena.
2 Tecnología de biogás
El biogás es un producto del metabolismo de bacterias metanogénicas que participan en la descomposición de tejidos orgánicos en ambiente húmedo y carente de oxígeno. Dependiendo del tejido orgánico a descomponer o fermentar el contenido de metano del biogás puede variar de un 50% hasta un 70%. Este proceso fermentativo es también dependiente de la temperatura y acidez del sistema. En la agricultura se utilizan biodigestores de concreto cerrados herméticamente con cubiertas plásticas, con temperatura controlada y con sistemas de agitación que permiten la homogenización del sustrato a fermentar. Para la producción de energía eléctrica a partir de biogás, se utilizan motores a combustión especialmente diseñados para tal efecto y se acoplan con generadores eléctricos.
En su comienzo la producción de biogás en Alemania se basaba principalmente en la fermentación de desechos orgánicos de la agricultura, como los estiércoles. Hoy en día la producción se basa principalmente en la fermentación de cultivos. De hecho, algunos agricultores están utilizando nuevas tecnologías que permiten fermentar cultivos sin la necesidad de mezclarlos con estiércoles (sistemas de monofermentación).
2.1 Bases bioquímicas
La digestión anaeróbica consiste en la degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno. Este proceso bioquímico produce un gas llamado biogás que se compone principalmente por metano y dióxido de carbono. El proceso ocurre en los siguientes cuatro pasos:
a) Hidrólisis: largos polímeros son degradados por enzimas a aminoácidos y azúcares simples.
b) Acidogénesis: aminoácidos y azúcares simples son degradados a ácidos grasos volátiles, principalmente acetato.
c) Acetogénesis: degradación de ácidos grasos volátiles a acetato e hidrógeno.
d) Metanogénesis: acetato e hidrógeno son convertidos a metano y dióxido de carbono.
2.2 Procesos y tecnología
El diseño del proceso de la digestión anaeróbica se caracteriza por cuatro principios que se grafican en la figura 1:
Figura 1: Los cuatro principios del diseño del proceso de la digestión anaeróbica.
En el proceso de digestión anaeróbica se distinguen generalmente dos rangos de temperatura:
a) temperatura mesofílica desde 25 a 42°C
b) temperatura termofílica desde 50 a 60°C
La mayoría de los biodigestores agrícolas son operados a temperatura mesofílica. Temperaturas termofílicas son utilizadas en biodigestores centralizados de mayor escala donde el residuo utilizado requiere de mayor seguridad higiénica.
El modo de alimentar el biodigestor puede ser de forma continua o discontinua. En el sistema discontinuo de batch, el material fresco es alimentado en conjunto con un inóculo al interior de un reactor. Durante los primeros dos a tres días el material es aireado para subir su temperatura. En las siguientes dos a tres semanas el material es degradado anaeróbicamente. Al inicio de la degradación la curva de producción de biogas presenta una curva creciente, alcanzando su máxima producción entre los días 10 y 14 de degradación. En los siguientes días la producción disminuye aproximadamente a la mitad y permanece luego un tiempo constante. Para compensar esta producción desigual se utilizan tres a cuatro biodigestores en forma paralela, pero con una alimentación desfasada para obtener en conjunto una producción estable en el tiempo. Este sistema es muy poco común en biodigestores agrícolas.
Otra forma de alimentación discontinua es el sistema de almacenaje. Este sistema combina el biodigestor con un estanque de acumulación en un solo estanque. Este sistema es alimentado lentamente con material fresco (estiércol en general) según la cantidad producida diariamente. La ventaja de este sistema es el bajo costo, pero por otro lado, el costo energético para mantener el biodigestor a una temperatura óptima es muy alto en comparación con la baja producción de este sistema.
Los sistemas de acumulación continua (ACF) son los más utilizados en el ámbito agrícola. En este sistema, el material fresco es bombeado al biodigestor a medida que es producido. El residuo del biodigestor es removido ocasionalmente según la necesidad de fertilización requerida. Cuando no existe requerimiento de fertilización, el residuo es almacenado en un estanque que también está cubierto y que tiene también la capacidad de almacenar biogas.
Otro sistema muy utilizado es el de flujo continuo. En este sistema el material fresco es bombeado al interior del biodigestor y el mismo volumen es eliminado, manteniendo un volumen de llenado continuo. Este sistema es alimentado una a dos veces por día y en los biodigestores de mayor escala la alimentación puede llegar a ocurrir a cada hora.
Existen muchos tipos de biodigestores y sistemas de homogenización como se puede observar en la figura 2:
Figura 2: Tipos de biodigestores y sistemas de homogenización.
Un biodigestor está compuesto por más que sólo un reactor, en general se identifican tres elementos principales (figura 3):
a) Unidad de producción que incluye el sistema de recolección de la materia fresca y el biodigestor.
b) Unidad de almacenaje de biogás y tratamiento de biogás.
c) Equipos que utilizan el biogás y el residuo del biodigestor como fertilizante.
Figura 3: Biodigestor; sistemas de acumulación continua (ACF).
Existen un sinnúmero de diseños para cada uno de estos elementos. Algunos de los más comunes son descritos en el siguiente texto.
El biodigestor puede tener un diseño horizontal o vertical. El diseño horizontal tiene como ventajas ser un sistema muy eficiente en el uso de la energía, ya que permite calentar y homogenizar con un mismo elemento. En este sistema el material fresco es introducido por un extremo y paralelamente se elimina el mismo volumen por el otro extremo sin que se mezclen los sustratos. De este modo se obtienen altos rendimientos en la producción de biogas. Por razones técnicas y económicas se construyen hasta un volumen máximo de entre 200 a 800 m3.
Para biodigestores de tamaño mayor a 800 m3 se utiliza el diseño vertical. Estos son construidos generalmente de concreto y en forma cilíndrica por motivos estructurales. La ventaja de este diseño es la relación volumen / superficie y las pérdidas termales son reducidas. La desventaja de este sistema es el no poder asegurar un tiempo de retención hidráulica para los sustratos, ya que el material fresco es homogenizado con el degradado y no existe un control del material eliminado.
Una vez que el biodigestor funciona correctamente es necesario controlar la calidad del biogás producido. Generalmente es necesario desulfurar el biogás para evitar la corrosión del motor a gas y la emisión de dióxido sulfuroso tras la combustión. En los biodigestores agrícolas se realiza la desulfuración con un sistema biológico, el cual consiste en introducir en muy bajo volumen oxígeno para que éste reaccione con el azufre y precipite en la fase líquida, eliminándose así del gas. La cantidad de oxígeno requerido se traduce a una inyección de aire en una relación de un 2 - 6% del biogás producido, dependiendo de la concentración de hidrógeno sulfurado presente en el biogás. En biodigestores de mayor escala se encuentran estanques biológicos de desulfuración externos al biodigestor.
La utilización más común del biogás en Europa es en motores a gas (CHP) con un generador eléctrico incorporado. En el caso donde la venta de energía eléctrica no es posible se utiliza el biogás como combustible para calderas. En el caso de biodigestores pequeños, en los cuales la potencia instalada no supera los 100 kW, se utilizan motores combinados. Estos motores utilizan entre un 8 a un 10% de diesel para la ignición, lo que permite poder utilizar biogas de menor calidad (menor % de metano). Para el caso de biodigestores de gran producción de biogás existen motores especialmente acondicionados que permiten una mejor eficiencia eléctrica. A futuro, la celda de combustible para biogás puede ser una alternativa económicamente eficiente. O también, según la legislación local, se podrá introducir al sistema de gas natural tras una purificación para aumentar el contenido de metano al nivel de éste (figura 4).
Figura 4: Esquema de las diferentes posibilidades de uso del biogás
3 Marco regulatorio
Para establecer en forma satisfactoria la tecnología de digestión anaeróbica se requieren dos requisitos:
a) Factibilidad económica.
b) Factibilidad legal.
Un proyecto de digestión anaeróbica será realizado sólo si el análisis económico demuestra que la inversión tiene un retorno favorable en un tiempo razonable y que las condiciones legales en la localidad sean favorables para el proyecto. Como los proyectos de digestión anaeróbica son de sistemas complejos, que interactúan con diferentes leyes, normas y regulaciones, es necesario tener la claridad si el proyecto será aprobado o no por las autoridades.
El estudio de la factibilidad económica debe comprobar la rentabilidad, analizando los costos de desarrollo del proyecto, equipamiento técnico y costos de producción. Por el lado de los ingresos se deben considerar la venta de energía, el reemplazo en los costos de fertilización y la posible venta de bonos de equivalentes de CO2.
El desarrollo de la tecnología de digestión anaeróbica comienza usualmente por el entusiasmo y la iniciativa de personas interesadas en sus beneficios ecológicos. Una vez que los biodigestores pilotos funcionan correctamente se deben convencer a los políticos de sus beneficios públicos. Un argumento importante dentro de los beneficios públicos, que justifica la inversión en tecnología de biogás es, no sólo el aporte a la agricultura sustentable, sino también, a los efectos positivos en las economías rurales de cada región.
Una vez establecido la tecnología de digestión anaeróbica en un país, los productores comienzan a buscar sustratos adicionales de todo tipo de desecho orgánico que les permita aumentar su producción de biogás. En algunos países el ingreso adicional generado por el retiro de este tipo de desecho ha asegurado la rentabilidad de estos sistemas.
Sin embargo, esta doble fuente de ingresos no ha sido suficiente en otros países para asegurar una rentabilidad del sistema frente al alto costos de inversión que varía desde 100.000 hasta un par de millones de Euros, dependiendo del tamaño y del nivel técnico del biodigestor. En estos países se ha concluido que el mejor sistema de compensación es la bonificación en el precio de venta de la energía eléctrica. Por supuesto que este precio debe reflejar los costos reales de producir esta energía renovable.
Además de la factibilidad económica, el exitoso desarrollo de la digestión anaeróbica depende fuertemente de los marcos regulatorios legales. La digestión anaeróbica se ve envuelta en la legislación de manejo de residuos, en la de emisiones al medio ambiente, en la ley eléctrica, como también en la de planificación y seguridad de construcción. Hasta hoy en día, la digestión anaeróbica no es un sistema común en el manejo de residuos orgánicos, y por lo general, las normas y regulaciones deben ser adaptadas para este sistema, e incluso en algunos casos deben ser creadas.
Para este último punto son claves los aspectos de medio ambiente e higiene que envuelven a la digestión anaeróbica. Para tal efecto se creó una red de información a nivel europeo para la digestión anaeróbica. La AD-Nett (www.ad-nett.org) ha reunido una base de datos de los distintos países para intercambiar esta información. La digestión anaeróbica tiene un alto potencial respecto al manejo de desechos y producción de energía renovable en toda Europa y es de esperar que el futuro legislativo esté en manos de la legislación comunitaria y no en los países en forma individual.
Un cálculo de los efectos ambientales producidos por el uso de digestión anaeróbica se ejemplifica para el caso de Alemania en la figura 5.
Figura 5: Efecto de la digestión anaeróbica en el medio ambiente.
4 Beneficios de la producción de biogás en la agricultura
4.1 Energía eléctrica
En Europa y especialmente en Alemania, la producción de energía eléctrica a partir del biogás producido en la agricultura está en una fase de importante expansión. Día a día son más los agricultores alemanes que ven en la producción de biogás una alternativa productiva frente a los bajos precios de los productos agrícolas debido a la globalización del mercado. Esto ha permitido que algunas zonas tengan autoabastecimiento de energía eléctrica completa.
4.2 Sustitución de gas natural
El biogás producido en la agricultura puede ser refinado a calidad de gas natural. Para ello se debe eliminar el dióxido de carbono presente y llevar la concentración de metano por sobre 96% en su contenido. La tecnología existente es variada para realizar este proceso y en Alemania se están construyendo las primeras plantas para inyectar biogás a la red de gas natural. En este sentido, Suecia ya cuanta con estaciones de servicios para automóviles a gas donde es posible llenar el estanque del auto con biogás. Es más, los suecos cuentan con el primer tren a biogás, el cual inauguraron a comienzos de este año.
4.3 Producción de calor y sus usos agrícolas
Durante el proceso de combustión del biogás para la producción de energía eléctrica a través de un generador, se produce calor que puede ser utilizado para numerosos fines. De la energía contenida en el biogás sólo un 35% es transformada a energía eléctrica y un 45% es calor utilizable. En zonas agrícolas esta energía calórica puede ser utilizada para dar valor agregado a otros productos o puede ser vendida como tal a la industria de la zona. En Alemania el uso más frecuente de la energía calórica producida es su venta a queserías, lecherías, destilerías, etc. o como calefacción para invernaderos, establos, hogares, etc.
4.4 El residuo de un biodigestor como bio-fertilizante
El residuo de un biodigestor es un sustrato estable, ya que no contiene materia orgánica y contiene todos los minerales de los substratos con los cuales se ha alimentado el biodigestor.
4.5 Beneficios medioambientales
La producción de energía eléctrica a partir de biogás permite sustituir combustibles fósiles y por lo tanto se favorece en disminuir la concentración de gases efecto invernadero.
Durante su producción es posible eliminar patógenos presentes en los estiércoles, evitando la contaminación de aguas subterráneas. Además al degradar la fase orgánica del sustrato fermentado, el residuo de un biodigestor no presenta olores al ser aplicado como fertilizante.
4.6 Beneficios económicos
Como se nombró anteriormente, es posible lograr autoabastecimiento eléctrico para el productor y el mayor porcentaje de la producción se puede vender a la empresa distribuidora de la zona.
La energía calórica producida durante el proceso puede ser utilizada también para autoconsumo y venta.
Otro beneficio económico es el ahorro en fertilizante, que puede permitir tener un ciclo cerrado de minerales sin la necesidad de comprar fertilizantes minerales.
4.7 Beneficios sociales
El sistema de producción de biogás en la agricultura permite la descentralización de la producción eléctrica, pudiéndose producir en sectores rurales que hoy en día no cuentan con abastecimiento eléctrico.
La producción de biogás en la agricultura permite ciclos cerrados productivos y por lo tanto contribuye al sistema de producción limpia y aumenta el grado de sustentabilidad de la agricultura.
Como se puede concluir, el producir biogás tiene un sinnúmero de beneficios, ya que existen diferentes alternativas para su uso.
5 Biogás en Europa
La comisión europea de energías renovables a puesto como meta el aumentar la contribución de estas energías de un 6% hasta un 12% entre los años 1995 y 2010. La energía producida por biomasa debe aumentar por lo tanto de 44,8 millones de toneladas de petróleo equivalente a 135 en el mismo período. Como en sólo algunos países se han logrado progresos importantes en la materia, existen muchos obstáculos para la totalidad de los países de la comunidad. Estos incluyen vacíos legales en el incentivo económico para las energías verdes y las nuevas restricciones en los marcos legislativos del manejo de residuos.
Países como Dinamarca, Alemania, Austria y Suecia han liderado en estos últimos años la promoción de mecanismos para fomentar la tecnología de biogás.
En Alemania se encuentran en operación unos 50 biodigestores CAD y aproximadamente 4.000 biodigestores agrícolas. Este gran número de biodigestores se debe a la ley de energías renovables que se implementó en abril del año 2000 y se mejoró en agosto del año 2004. Esta ley no solo obliga a la empresa distribuidora de electricidad a comprar la energía producida, sino que fija un precio por 20 años según la potencia eléctrica instalada en el biodigestor (tabla 1).
Installed Capacity of the Plant:
<150 kWe
150 - 500 kWe
500 - 5 MWe
> 5 MWe
Base
0.115
0.099
0.089
0.084
Energy Crop Bonus
0.06
0.06
0.04
Heat Bonus
0.02
0.02
0.02
0.02
Technology Bonus
0.02
0.02
0.02
Tabla 1: Precio de venta de energía eléctrica producida a través de biogas en €/kWh.
El punto más importante de la nueva ley alemana, es el bono por uso de cultivos agrícolas, el cual ha permitido mejorar en forma importante la rentabilidad de los biodigestores agrícolas. Se estima que para el año 2010 se encuentren en funcionamiento más de 4.500 biodigestores agrícolas, con una potencia eléctrica instalada sobre los 1000 MW.
6 Potencial de biogás en Chile
El cultivo que presenta la mayor producción de metano por hectárea es el maíz, con producciones que fluctúan entre 4.000 a 8.000 m3 de metano por hectárea, dependiendo de la variedad, temperatura ambiental, precipitaciones, etc.
Al maíz lo siguen las praderas anuales con producciones entre 2.500 a 6.000 m3 por hectárea. Las praderas naturales presentan producciones entre 1.500 a 5.000 m3 por hectárea. Dentro de los cultivos industriales la remolacha presenta producciones de alrededor de 5.500 m3 de metano por hectárea.
Los últimos estudios en Alemania se han dirigido a establecer el potencial productivo del ensilaje de planta completa en cereales como trigo, triticale, centeno, etc., llegando a producciones de más de 6.000 m3 de metano por hectárea.
Como se puede observar las fluctuaciones son grandes y por lo mismo es preciso establecer el potencial productivo con estudios específicos para cada zona del país.
Si por ejemplo se calcula con una producción promedio de 6.000 m3 de metano por hectárea para la superficie triguera de la novena región de la Araucanía (240.000 ha), sería posible producir 5.019.840 MWh de energía eléctrica, lo que correspondería a una potencia bruta instalada de 627,5 MW. Esto equivale a un 15% de la potencia bruta instalada termoeléctrica del sistema interconectado central (SIG) al 2007.
SEGURIDAD Y EFICIENCIA ENERGÉTICA: UN APORTE CIENTÍFICO PARA LA GENERACIÓN DE POLÍTICAS PÚBLICAS.