ARTÍCULO ORIGINAL

Dimensionamiento y potencial energético de biodigestores instalados en sistemas productivos del Departamento de Cundinamarca, Colombia

0000-0002-1125-3105Yanoy Morejón Mesa^{I  *}  , 0000-0002-1982-3993Vilma Moreno Melo^II  , 0000-0003-1354-5897Andrés Mogollón Reina^II 

^IUniversidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

^IIUniversidad de Cundinamarca, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Sede Fusagasugá, Cundinamarca, Sumapaz, Colombia.

RESUMEN

La presente investigación se orienta en la determinación del dimensionamiento y potencial energético de un sistema de biodigestores instalados en seis sistemas de producción ganadera, los cuales se localizan en las provincias Sumapaz y Ubaté, Departamento de Cundinamarca, Colombia. Para ello se determina la especie animal existente en el escenario, dado que aportará los residuos orgánicos hacia el biodigestor, también se determina la cantidad de animales, considerándose el movimiento de rebaño, lo cual posibilitaría determinar la biomasa generada diariamente con el propósito de establecer el dimensionamiento de la tecnología de biodigestor adecuada y conocer el comportamiento de los parámetros energéticos. Entre los principales resultados obtenidos, se evidenció que en ninguno de los sistemas de producción se consideró la biomasa generada diariamente para el establecimiento de los biodigestores tubulares de polietileno sobre la base de su dimensionamiento, que los biodigestores instalados en los sistemas de producción: La Meseta y El Tibar, están sobredimensionados en 4,8 y 1,6 veces, respectivamente; aspecto que evidencia la necesidad de incrementar la biomasa diaria generada, lo cual es lograble con el aumento de animales en los rebaños; en cambio los biodigestores instalados en los sistemas de producción: Santa Bárbara, El Mirador, La Saucita y La Esperanza, evidencian un sub-dimensionamiento, con valores de inferioridad de: 2,9; 1,97; 1,49; 2,04 veces; estos resultados indican que, en estos escenarios, la cantidad de animales empleados para la producción de biomasa es superior a la requerida respecto al biodigestor instalado o que los biodigestores instalados no pueden aprovechar la biomasa generada diariamente.

Palabras-clave: energía renovable; producción ganadera; digestión anaerobia; factibilidad energética; impacto ambiental

INTRODUCCIÓN

En la actualidad resulta necesario aprovechar las fuentes renovables de energía basadas en la mejor utilización de los recursos locales que, mediante la mejor utilización de las tecnologías apropiadas contribuyan al ahorro de combustible convencional y sirvan para devolver al suelo los nutrientes que este necesita y preserven el medio ambiente de la contaminación (^{Santos et al., 2012}).

La digestión anaerobia constituye una buena alternativa para tratar residuos con elevada materia orgánica biodegradable (^{Flotats et al., 2001}; ^{Sosa, 2017}). Por lo tanto, según plantea y cita ^{Suárez et al. (2018)} este tratamiento está indicado para aguas residuales agroindustriales, con alta carga de materia orgánica biodegradable: vertidos procedentes de la producción de azúcar, alcohol, cárnicos, papel, conservas y destilerías según ^{Rahayu et al. (2015)}; residuos agropecuarios, como purines, estiércol de acuerdo con ^{Bansal et al. (2017)}; y residuos urbanos que comprenden tanto la fracción orgánica de los residuos sólidos según la ^{Biogas Association Ottawa (2015)} como los lodos de depuradora de aguas residuales urbanas (^{Frankiewicz, 2015}).

Precisamente el biodigestor es antropogénicamente (producido por actividad humana) la tecnología a destacar en el proceso biotecnológico de digestión anaeróbica de biomasas para obtener biogás. Es un reactor hermético con una entrada lateral para la materia orgánica, un escape en la parte superior por donde fluye el biogás, y una salida para la obtención de efluentes con propiedades biofertilizantes, contribuyendo ambos productos a resolver las necesidades de los productores y al fomento de la agricultura orgánica, como una alternativa económicamente factible y ecológicamente sustentable (^{Zheng et al., 2012}).

A estos aspectos habría que agregar los altos precios de los combustibles y las elevadas tarifas locales de la energía eléctrica, siendo factores a considerar para la introducción de biodigestores o plantas de biogás a nivel nacional y regional que produzcan energía a partir del uso de los desechos de la producción agropecuaria (^{Parra et al., 2019}).

Considerándose los criterios anteriormente descritos, en diferentes sistemas de producción localizados en el departamento de Cundinamarca, Colombia, se instalaron un conjunto de biodigestores con el objetivo de producir biogás y biofertilizantes, por lo cual el objetivo de la presente investigación se orientó en determinar el dimensionamiento y las potencialidades energéticas del uso de esta tecnología para cada sistema productivo estudiado.

MATERIALES Y MÉTODOS

Caracterización de las áreas experimentales

La investigación se realizó en seis sistemas de producción ganaderos, cuatro de ellos perteneciente a productores privados y dos a la Universidad de Cundinamarca, de estos sistemas, cinco se localizan en la provincia Sumapaz y uno en la provincia Ubaté, en todos los escenarios se instalaron biodigestores con diferentes capacidades, con el objetivo de producir biogás y biofertilizantes.

La dieta del este ganado porcino estuvo compuesta por: Alimento concentrado en harina elaborado con materias primas como: Maíz americano, Torta de soya, Aceite de palma, Mogolla de trigo, Melaza, Carbonato de calcio y Núcleos (aminoácidos comerciales con vitaminas) y en el caso del ganado bovino su dieta se compuso básicamente de pastos y forrajes.

Los pastos más comunes y utilizados en Colombia según ^{Cardona (2012)} en el trópico bajo son el angleton, pangola y los pastos bracharias dependiendo la fertilidad de los suelos y su acidez, mientras que para el trópico alto los más comunes son el kikuyo, raigrás, azul orchoro y el brasilero. Los pastos en trópico bajo son ricos en energía, por lo tanto, el suplemento que se le debe dar al animal debe ser rico en proteína, mientras que, en el trópico alto, los forrajes contienen más proteína para lo cual se necesita optar por productos con alto contenido energético.

Los pastos nativos en términos generales son de bajo valor nutritivo y no proporcionan la cantidad de nutrientes adecuados para mantener una producción sostenida en las explotaciones bovinas. En esta situación el ganadero para continuar produciendo de manera continua (leche)tendría que complementar las deficiencias de los forrajes con el uso de alimentos que proporcionen la proteína al ganado, como la pasta de soya, harinolina, harina de pescado o de alfalfa, los cuales son productos que tienen precios elevados en el mercado, pero que son indispensables para obtener buena producción de carne y/o leche, por lo que es necesario buscar otras fuentes alternativas que le permita mantener la producción a un costo razonable (^{Bonilla et al., 2014}).

La calidad y cantidad de los forrajes durante la época de verano en el trópico bajo y alto se reduce drásticamente provocando una disminución de la producción de leche, los ganaderos han decidido implementar estrategias utilizando suplementos, en el caso del trópico bajo se está optando por utilizar cultivos forrajeros como el ensilaje para reducir costos de producción de cultivos forrajeros y aumentar la producción de leche en época seca en un 15%, repercutiendo en una mayor rentabilidad y competitividad de los sistemas doble propósito, según ^{Castro et al. (2016)}. Mientras que en el trópico alto se está utilizando la avena forrajera dorada porque es ideal para los predios ubicados entre 2 200 y 3 000 metros sobre el nivel del mar, ofreciéndoles a los bovinos la energía que necesitan para soportar la temporada seca (^{Villegas y Llanos, 2014}).

Otra forma manejada por los ganaderos para incrementar la productividad del hato ganadero está en utilizar el sistema de pastoreo por rotación de potreros, el cual se basa en alternar de forma adecuada el periodo de uso con el tiempo de descanso del potrero, permitiendo que el forraje de cada potrero tenga un periodo de recuperación y la resiembra natural aumentando la producción del forraje para facilitar el control de las malezas (^{Ruiz, 2013}).

Respecto al comportamientos de las variables climáticas, en el caso de la provincia Sumapaz, el comportamiento de la temperatura y humedad varía en función de la época del año, obteniéndose los siguientes valores según la variabilidad del clima: en climas: cálido: 24 °C a 28 °C (9,21%), en clima templado: 18 °C a 23 °C (54%) frío: 12 °C a 18 °C (32,2%) y en el caso de la provincia Ubaté, la temporada templada dura 3,7 meses (diciembre - abril), y la temperatura máxima promedio diaria es más de 19 °C. El mes más cálido del año en Ubaté es mayo, con una temperatura máxima promedio de 18 °C y mínima de 10 °C. La temporada fresca dura 2,4 meses, (junio- septiembre), y la temperatura máxima promedio diaria es menos de 18 °C. El mes más frío del año en Ubaté es enero, con una temperatura mínima promedio de 7 °C y máxima de 19 °C, la humedad relativa oscila entre el 75…90% durante todo el año.

TABLA 1 Sistemas agropecuarios seleccionados para la investigación 

Productor	Vereda	Sistema de Producción	Municipio	Provincia	Fin productivo
Alirio Herrera	Bermejal	La Meseta	Fusagasugá	Sumapaz	Bovinos leche
Álvaro Rodríguez	Jordán Bajo	Santa Bárbara	Fusagasugá	Sumapaz	Porcicultura
Avelino Godoy	Guayabal	El Mirador	Fusagasugá	Sumapaz	Porcicultura/cultivos
Naiceline Castro	Tierra Negra	La Saucita	Fusagasugá	Sumapaz	Porcicultura
Universidad de Cundinamarca	Guavio Bajo	La Esperanza	Fusagasugá	Sumapaz	Porcicultura/ Bovinos leche
Universidad de Cundinamarca	Palogordo	El Tibar	Ubaté	Ubaté	Porcicultura

Metodología para el dimensionamiento e instalación de biodigestores tubulares de polietileno.

Para el cálculo de los parámetros de diseño de un biodigestor tubular de polietileno, es necesario conocer los datos de entrada, y los que deben ser determinados (Tabla 2).

La cantidad diaria de material (Bm_d) está en función directa con la cantidad de biomasa que se genera, ya sean residuos domésticos, agrícolas o de origen animal. Además, se debe tomar en cuenta la cantidad máxima que se obtiene y los planes de incrementos productivos.

TABLA 2 Datos de entrada y salida requeridos para el diseño de un biodigestor anaerobio 

Parámetros	Unidad
Datos de entrada
Cantidad de biomasa diaria generada (Bmd)	kg dia^-1
Proporción excreta-agua (N)	L kg^-1
Rendimiento de biogás (Y)	m^3 kg^-1
Tiempo de retención hidráulica (TRH)	día
Datos de salida
Volumen diario de material (mezcla estiércol y agua) (Vdm)	kg dia^-1
Volumen del biodigestor, (Vbiodig)	m^3
Volumen diario de biogás producido (G)	m^3 dia^-1
Volumen de contención del biogás ( V 2 )	m^3
Volumen del tanque de compensación (Vtc)	m^3

La cantidad de biomasa diaria generada (Bm_d), se determina a través de la siguiente expresión:

$B{m}_d=Ca\times Ce\times Rp \times Rt, kg. {dia}^{-1}$

donde:

Ca- cantidad de animales; Ce-cantidad de excreta por animal, kg/día; Rp- relación entre el peso vivo promedio de la población animal y el peso vivo equivalente tabulado; Rt- fracción entre el tiempo de estabulación respecto a la duración del día, h/día

$B{m}_d=Ca\times Ce\times \left(\frac{PVp}{PVe}\right)\times \left(\frac{Te}{24h}\right), kg{.dia}^{-1}$

donde:

PVp-peso vivo promedio de la población animal, kg; PVe- peso vivo equivalente tabulado; Te-horas del día que el animal permanece estabulado, h/día

El volumen diario de material (mezcla estiércol y agua) (V_dm), no es más que la suma del residual y la dilución de la biomasa (residual y agua).

$\mathrm{V}\mathrm{d}\mathrm{m}=\left(1+N\right)\bullet Bmd, m^3.{dia}^{-1}$

donde:

N: proporción excreta-agua, L/ kg, se requiere conocer que la densidad del agua es: 1000 kg/m³.

Mientras, el volumen del biodigestor (V_biodig) se calcula teniéndose en cuenta el valor del volumen de material (mezcla estiércol y agua) V_dm que entra al biodigestor y el tiempo de retención TRH.

$V_{biodig}=\mathrm{V}\mathrm{d}\mathrm{m}\bullet TRH,m^3$

Posteriormente se procede al cálculo del volumen diario de biogás (G) producido:

$G=Y\times B_{md},m^3. {dia}^{-1}$ (5)

donde:

Y- rendimiento de biogás, m³. kg^-1

El rendimiento de biogás (Y), se determina mediante la expresión:

$Y=\frac{X}{C_{e }},m^3. {kg}^{-1}$ (6)

donde:

X- coeficiente de conversión energética de la excreta producida diariamente o sea la producción diaria de biogás en función del tipo de residuo orgánico, m³/dia.

Para todos los tipos de biodigestores, el volumen del tanque de compensación (Vtc) es equivalente al volumen de gas producido o sea oscila entre el 25…30% del volumen del biodigestor.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Dimensionamiento del biodigestor.

Para el correcto dimensionamiento del biodigestor se requiere la determinación de los siguientes parámetros:

• Cantidad de biomasa diaria generada (Bm_d);

• Volumen diario de material (mezcla estiércol y agua) (Vdm);

• Volumen del biodigestor (V_biodig);

• Volumen del tanque de compensación (Vtc).

Los resultados obtenidos de cada uno de estos parámetros se representan en la Tabla 2, estos valores se obtienen a partir del movimiento de rebaño concebido por el propietario de la finca durante el mes de abril de 2022.

Aporte energético potencial

Para la determinación del aporte energético potencial a obtener en función de la cantidad de animales disponibles se requiere la determinación de los siguientes parámetros:

• Productividad de biogás (Y);

• Volumen diario de biogás (G).

Para determinar el aporte energético de la población animal en cada sistema de producción, es necesario considerar que por cada 50 kg de cerdo se obtienen 2,25 kg de excreta, generándose 0,10 m³ de biogás/día, y por cada 350 kg de ganado bovino (específicamente vacas lecheras) se obtienen 10 kg de excreta, generándose 0,36 m³ de biogás/día, para la mezcla se establece una proporción de 1:1 de excreta-agua (para ambas especies) y con un tiempo de retención recomendable de 40 días (Tabla 3).

TABLA 3 Aporte energético de la población animal en cada sistema de producción 

Sistema de producción	Fuente de materia prima	Animal / día	Masa Promedio, kg	Bmd, kg/día	Y, m^3/kg	G, m^3/día
La Meseta	Bovinos	20	400	25,71	0,036	0,92
Santa Bárbara	Porcinos	992	99	4 360,84	0,044	191,87
El Mirador	Porcinos	73	75	246,37	0,044	10,84
La Saucita	Porcinos	50	83	186,75	0,044	8,21
La Esperanza	Porcinos/Bovinos	15/50	92/415	358,52	0,080	28,68
El Tibar	Porcinos	21	85	80,32	0,044	3,53

Sin embargo, en los sistemas de producción, fueron instalados biodigestores tubulares de polietileno, sin considerar la cantidad de animales existente y la cantidad de materia generada diariamente; este elemento limita considerablemente el aprovechamiento del potencial energético a obtener en cada uno de los escenarios (Figura 1).

FIGURA 1 Biodigestores instalados en la Fincas seleccionadas: a) Santa Bárbara, b) El Mirador, c) La Saucita, d) La Esperanza, e) El Tibar, f) La Meseta. 

TABLA 4 Potencial energético en función del biodigestor instalado en cada sistema de producción 

Dimensionamiento de biodigestores instalados	Predios (Sistemas de producción seleccionados )
	La Meseta	Santa Bárbara	El Mirador	La Saucita	La Esperanza	El Tibar
Vbiodig, m^3	10	120	10	10	14	10
Vtc, m^3	3,3	39,2	3,3	3,3	4,6	3,3
Vgas, m^3	3,3	39,2	3,3	3,3	4,6	3,3
Parámetros de energéticos
Y, m^3/kg	0,036	0,044	0,044	0,044	0,080	0,044
G, m^3/día	0,92	71,2	10,84	8,21	28,68	3,53
Ahorro Energético Potencial
Energía eléctrica, kWh	1,6	128,6	19,5	14,7	51,6	6,3
Gas Natural, m^3	0,5	42,7	6,5	4,9	17,2	2,1
Carbón vegetal, kg	0,3	21,4	3,2	2,5	8,6	1,0
Madera, kg	2,5	192,2	29,2	22,2	77,4	9,5
Gasolina, L	0,7	56,9	8,6	6,6	22,9	2,8
Alcohol combustible, L	1,1	85,4	12,9	9,8	34,4	4,2
Fuel oil, L	0,6	49,8	7,5	5,7	20	2,5

Como se evidencia en la Tabla 4, la instalación de biodigestores en unidades de producción agropecuaria constituye una opción energéticamente viable, a lo cual habría que añadir la contribución a la conservación y cuidado del medio ambiente.

Resulta válido señalar que el correcto dimensionamiento de este tipo de tecnologías, propicia el aprovechamiento máximo de los desechos obtenidos en los escenarios productivos, este criterio se sustenta en las diferencias representadas en la tabla antes mencionada, evidenciándose que en las fincas: La Meseta, El Tibar y Santa Bárbara, no se aprovecha al máximo el volumen del biodigestor instalado, en el caso de las dos primeras fincas la cantidad de animales no cubre la potencialidad del biodigestor instalado y en el caso de la tercera el digestor instalado solo aprovecha aproximadamente el 35% del potencial energético a obtener. En la Unidad Agroambiental La Esperanza, se aprecia que el biodigestor instalado tampoco es capaz de asimilar la cantidad de biomasa generada diariamente, por lo que se podría valorar disminuir la cantidad de excreta bovina suministrada o instalar un biodigestor de mayor capacidad.

En función de los resultados obtenidos y mostrados en la Tabla 4, se realizó el diseño del biodigestor adecuado para cada sistema de producción, estos resultados se pueden apreciar en la Tabla 5.

TABLA 5 Potencial energético y dimensionamiento en función del biodigestor diseñado para cada sistema de producción 

Dimensionamiento de biodigestores instalados	Predios (Sistemas de producción seleccionados )
	La Meseta	Santa Bárbara	El Mirador	La Saucita	La Esperanza	El Tibar
Vbiodig, m^3	2,05	348,8	19,7	14,9	28,6	6,4
Vtc, m^3	0,6	115,1	5,9	4,4	8,6	1,9
Vgas, m^3	0,6	115,1	5,9	4,4	8,6	1,9
Parámetros de energéticos
Y, m^3/kg	0,036	0,044	0,044	0,044	0,080	0,044
G, m^3/día	0,92	191,8	10,84	8,21	28,68	3,53
Ahorro Energético Potencial
Energía eléctrica, kWh	1,6	345,2	19,5	14,7	51,6	6,3
Gas Natural, m^3	0,5	115	6,5	4,9	17,2	2,1
Carbón vegetal, kg	0,3	57,5	3,2	2,5	8,6	1,0
Madera, kg	2,5	517,8	29,2	22,2	77,4	9,5
Gasolina, L	0,7	153,4	8,6	6,6	22,9	2,8
Alcohol combustible, L	1,1	230,2	12,9	9,8	34,4	4,2
Aceite combustible, L	0,6	134,3	7,5	5,7	20	2,5

Como se observa en la Tabla 5, los biodigestores instalados en los sistemas de producción: La Meseta y El Tibar, están sobredimensionados en 4,8 y 1,6 veces, respectivamente; este elemento evidencia la necesidad de incrementar la biomasa diaria generada, lo cual es lograble con el aumento de animales en los rebaños, ya sean porcinos o bovinos. En cambio, en el caso de los biodigestores instalados en los sistemas de producción: Santa Bárbara, El Mirador, La Saucita y La Esperanza, se aprecia un sub-dimensionamiento, evidenciándose que los biodigestores instalados en estos sistemas de producción poseen dimensiones inferiores a las que potencialmente podrían instalarse, encontrándose valores de inferioridad de: 2,9; 1,97; 1,49; 2,04 veces; estos resultados indican que en estos escenarios, la cantidad de animales empleados para la producción de biomasa es superior a la requerida respecto al biodigestor instalado o que los biodigestores instalados no pueden aprovechar la biomasa generada diariamente de debido a su capacidad. En el caso específico de la finca Santa Bárbara, se evidencia que el volumen del biodigestor instalado está muy por debajo del que se debería instalar, a partir de la cantidad de animales existente y la cantidad de materia generada diariamente; este elemento limita considerablemente el potencial energético, solamente en ese caso específico el volumen diario de biogás se incrementa considerablemente y por ende se incrementaría el ahorro energético potencial.

CONCLUSIONES

• Se evidencia que en ninguno de los sistemas de producción se consideró la biomasa generada diariamente para el establecimiento de los biodigestores tubulares de polietileno sobre la base de su dimensionamiento.

• Los biodigestores instalados en los sistemas de producción: La Meseta y El Tibar, están sobredimensionados en 4,8 y 1,6 veces, respectivamente; aspecto que evidencia la necesidad de incrementar la biomasa diaria generada, lo cual es lograble con el aumento de animales en los rebaños.

• Los biodigestores instalados en los sistemas de producción: Santa Bárbara, El Mirador, La Saucita y La Esperanza, evidencian un sub-dimensionamiento, con valores de inferioridad de: 2,9; 1,97; 1,49; 2,04 veces, respectivamente; estos resultados indican que, en estos escenarios, la cantidad de animales empleados para la producción de biomasa es superior a la requerida respecto al biodigestor instalado o que los biodigestores instalados no pueden aprovechar la biomasa generada diariamente.

• El dimensionamiento adecuado de la tecnología de digestión anaerobia está estrechamente relacionado con la biomasa generada diariamente y por ende con la cantidad de animales existentes en el sistema de producción.

• La implementación de estas tecnologías alternativas contribuye al ahorro energético y a la conservación y preservación del medioambiente, lo cual se refleja en los valores de ahorro energético potencial obtenidos.

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Recibido: 26 de Abril de 2022; Aprobado: 14 de Septiembre de 2022

^*Author for correspondence: Yanoy Morejón Mesa, e-mail: [e-mail] o [e-mail]