ORIGINAL ARTICLE
 
Proposal for a Biogas Supply Network in the Rural Community "El Almirante"
 

iDMSc. Wernel Rondón-CapoteICoperativa de Crédito y Servicios José Nemesio Figueredo, Río Cauto, Granma, Cuba.*✉:arosaa@udg.co.cu

iDDr.C. Alain Ariel de la Rosa-AndinoIIUniversidad de Granma, Facultad de Ciencias Técnicas, Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.

iDMSc. Yusimit Karina Zamora-HernándezIIIUniversidad Técnica Estatal de Quevedo, Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Dpto. de Ingeniería Mecánica, Quevedo, Ecuador.

iDDr.C. Yoandrys Morales-TamayoIVUniversidad Técnica de Cotopaxi, Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas, Dpto. Ingeniería Electromecánica, Extensión La Maná, Ecuador.

iDDr.C. Idalberto Macías-SocarrasVUniversidad Estatal Península de Santa Elena, La Libertad-Santa Elena, Ecuador.

iDLic. Laida Figueroa-RodríguezVIUniversidad de Granma, Facultad de Humanidades, Dpto. de Lenguas Extranjeras, Manzanillo, Granma, Cuba.

 

ICoperativa de Crédito y Servicios José Nemesio Figueredo, Río Cauto, Granma, Cuba.

IIUniversidad de Granma, Facultad de Ciencias Técnicas, Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.

IIIUniversidad Técnica Estatal de Quevedo, Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Dpto. de Ingeniería Mecánica, Quevedo, Ecuador.

IVUniversidad Técnica de Cotopaxi, Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas, Dpto. Ingeniería Electromecánica, Extensión La Maná, Ecuador.

VUniversidad Estatal Península de Santa Elena, La Libertad-Santa Elena, Ecuador.

VIUniversidad de Granma, Facultad de Humanidades, Dpto. de Lenguas Extranjeras, Manzanillo, Granma, Cuba.

 

*Author for correspondence: Wernel Rondón-Capote, e-mail: e-mail: arosaa@udg.co.cu

 

ABSTRACT

Generally, biogas applications have been limited only to occasional use in the places where it is produced, with very few experiences related to network distribution in homes for domestic use. The present work was developed in Los Hermanos Farm, located in El Almirante Community, Bayamo Municipality, whose main economic line is the raising of pigs. The amount of manure generated has a theoretical biogas potential of generating more than 200 m3d-1; however, the current treatment system, made up of 4 biodigesters of 60 m3 each, produce approximately 100 m3d-1 of biogas, which allows 149 people to be provided for cooking food in the 50 closest homes. Therefore, the objective of this work was to propose a biogas distribution network, based on technical, economic, energy and environmental criteria, that allows an adequate distribution of biogas for use in cooking food in Cuban rural communities. In the present investigation, the branched biogas distribution network presented several advantages compared to a circular distribution network according to the six established priority orders. As the main result of this work, it was shown that biogas distribution networks have important environmental and social benefits; likewise, the favorable results of the financial indicators denote the economic feasibility of these systems, considering the significance of saving electricity in homes.

Keywords: 
Renewable Energy; Environmental Impact; Anaerobic Digester.
 
 
 
INTRODUCTION

Anaerobic digestion technologies for biogas production contribute to reduce environmental pollution, lessen greenhouse gas emissions, decrease the use of fossil fuels and chemical fertilizers, and improve the quality of life of the settlers in rural and suburban areas. In addition, it has had a growing boom in recent years for being an economically feasible solution, enabling nutrients recirculation and reducing pollution (Zhang et al., 2016ZHANG, Q.; HU, J.; LEE, D. J.: "Biogas from anaerobic digestion processes: Research updates", Renewable Energy, 98: 108-119, 2016.).

Biogas is used as fuel for internal combustion engines, gas turbines, fuel cells, water heaters, as well as industrial heaters, among many other processes. It can also be used as fuel for electricity generation, where the overall conversion efficiency is around 10 - 16% (Fantin et al., 2015).

In China, India and other developing countries, family biodigesters for biogas production play an important role in rural energy programs. Their design depends on climatic conditions, available organic waste, local materials and operators´ skills. Animal and human manures combined with food, fruit and vegetable residues, are suitable materials to obtain biogas. Generally, the sizes of family biodigesters are between 8 - 10 m3 and produce between 0,3 - 0,9 m3 of biogas per m3 of biodigesters per day; however, there are other standardized designs with volumes between 15 - 60 m3 (Rajendran et al., 2012RAJENDRAN, K.; ASLANZADEH, S.; TAHERZADEH, M. J.: "Household biogas digesters : a review", Engineering, 5: 2911-2942, 2012.; Kaur et al., 2017KAUR, H.; SOHPAL, V. K.; KUMAR, S.: "Designing of Small Scale Fixed Dome Biogas Digester for Paddy Straw", INTERNATIONAL JOURNAL of RENEWABLE ENERGY RESEARCH, 7(1): 422-431, 2017.)

Unlike the existing international experience with natural or liquefied gasoline, the relative supply of biogas in a distribution network for homes consumption is uncommon. The updated literature only reports the injection of biogas to natural gas networks in Sweden, Luxembourg and Spain (Bekkering et al., 2010BEKKERING, J.; BROEKHUIS, A. A.; GEMERT, W. J. T. V.: "Optimisation of a green gas supply chain - A review", Bioresource Technology, 101: 450-456, 2010.; Díaz-Trujillo y Nápoles-Rivera, 2019DÍAZ-TRUJILLO, L. A.; NÁPOLES-RIVERA, F.: "Optimization of biogas supply chain in Mexico considering economic and environmental aspects", Renewable Energy, 139: 1227-1240, 2019.; Khishtandar, 2019KHISHTANDAR, S.: "Simulation based evolutionary algorithms for fuzzy chance-constrained biogas supply chain design", Applied Energy, 236: 183-195, 2019.). In Cuba, there are limited experiences on biogas distribution, mainly for its use in cooking food and other domestic uses. In these cases, the biogas is obtained from the anaerobic treatment of pig excreta using two digesters (López & Suárez, 2018LÓPEZ, S. A.; SUÁREZ, H. J.: "Experiencia de suministro de biogás en una comunidad rural, en Cuba", Pastos y Forrajes, 41(1): 67-73, 2018.). However, this study does not carry out an in-depth analysis of the energy evaluation of the biogas supply for the distribution network. According to the abovementioned, the current investigation proposes a biogas distribution network, based on technical, economic, energy and environmental criteria, which allows an adequate distribution of biogas for cooking food in Cuban rural communities.

MATERIALS AND METHODS
Determination of the Biogas Production Potential in the Farm ´Los Hermanos
Amount of Residuals Generated in the Farm

To calculate the amount of residuals, the number of housed animals is determined, and the volume of excreta calculated. In addition, according to the data provided by the owner of the farm, the amount of animals corresponds to 50 kg of weight considering a per capita contribution of BOD5 per animal, which allows determining an average contribution of 0,39 kg day-1.

Design Methodology for Fixed Dome Biodigesters

To calculate an anaerobic biodigester design parameters, it is necessary to know the input data, and those that must be calculated (Table 1). The daily amount of material (Am) is in direct function to the biomass amount generated, whether it is domestic, agricultural or animal waste. Besides, it is essential to take into account the maximum amount obtained and the future productive increase plans.

 
TABLE 1.  Input and output data required for an anaerobic digester design
ParametersUnit
Input data
Daily biomass amount generated (Md)kg d-1
Dilution rate (Td)L kg-1
Biogas productivity (Y) m3 kg-1
Hydraulic retention time (HRT)d
Biogas containment coefficient (k)
Output data
Daily material volume (manure and water mixture) (Sd)kg d-1
Biodigester volume (Vbiodig)m3
Biogas production capacity (G)m3 d-1
Biogas containment volume (Vbiogás)m3
Buffer tank volume (Vtc)m3
 

The daily amount of input material (Sd) is the sum of the residual and the dilution of the biomass (residual and water).

 
Sd=1+NMdm3 d-1   (1)
 

Where:

N

is the dilution factor;

Md

is the daily amount of material

While, the volume of the biodigester (Vbiodig) is calculated taking into account the value of Sd that enters to the biodigester and HRT.

 
Vbiodig=SdTRH m3  (2)
 

Likewise, the biogas production capacity (G) is calculated through Equation 3G=MdY m3d-1 .

 
G=MdY m3d-1   (3)
 

Where:

Y

is the specific productivity of the biogas (m3 kg-1).

In addition, the biogas containment volume is obtained from Equation 4Vbiogás=kG m3d-1 .

 
Vbiogás=kG m3d-1   (4)
 

Therefore, substituting G in Equation 4Vbiogás=kG m3d-1 , the result is:

 
Vbiogás=kMdY m3d-1  (5)
 

Biogas Purification System

As a fundamental part of the structure, it has a biogas filtering system, using the absorption purification method. The device has two filter tanks with the following characteristics: 1,30 m high and 0,30 m in diameter and contain iron filings inside. When the biogas has small amounts of air, the iron corrodes and the sulfur partially deposits itself on the iron filings, which can be washed away avoiding the corrosion caused by H2S in the cookers.

Determination of the Amount of Network Beneficiaries

The amount of the network beneficiaries is calculated taking into account the exclusive use of the biogas for cooking. According to Guardado (2007)GUARDADO, C. J. A.: Diseño y construcción de plantas de biogás sencillas, Ed. Editorial Cubasolar, Ciudad de la Habana, Cuba, 2007., for Cuban conditions and food culture, there is a daily consumption between 0,38-0,42 m3 d-1 per person. That is why, the existing production reserves are also taken into account.

Distribution Network Design

The design of the distribution network is based on the analysis of each of the factors evaluated in the field by the technical group, to define the most appropriate way according to technical, economic and social standards, as well as the criteria of the users, highlighting the geographical disposition of the houses and the development plans at the local level.

To define the criteria for selecting the houses, several aspects are taken into account according to a certain order of priority. 1st) the needs of the farm. 2nd) the houses of the owner and his relatives. 3rd) the houses located to the south since the winds circulate in that direction and may be affected by bad odors; 4th) the nearby houses where the workers reside; and 5th) the housing of the most vulnerable people, such as the physically and visually disabled, the elderly, and young children.

The biodigesters will conduct the biogas produced to the places of use through plastic pipes. PVC plastic pipes are suitable for this purpose, as they have the following advantages: corrosion resistant, easy to install, and lower prices. Their disadvantage lies in the necessary protection against the sunbeam and the movement of animals and heavy transport (López & Suárez, 2018LÓPEZ, S. A.; SUÁREZ, H. J.: "Experiencia de suministro de biogás en una comunidad rural, en Cuba", Pastos y Forrajes, 41(1): 67-73, 2018.).

The required diameter of a pipe depends on the distance from the plant to the place of gas consumption, as well as the maximum gas flow required and the allowable pressure loss (Table 2). The maximum gas flow is obtained by adding the consumptions of the equipment operating simultaneously (Guardado, 2007GUARDADO, C. J. A.: Diseño y construcción de plantas de biogás sencillas, Ed. Editorial Cubasolar, Ciudad de la Habana, Cuba, 2007.).

 
TABLA 2.  Pressure loss in mm water flow for every 10 m of pipe
Flow (m3/h)Pipe diameter
17 mm23 mm30 mm43 mm54 mm
Losses of pressure every 10 m
0,51,00,30,1--
1,02,50,70,2--
2,07,01,80,6--
2,59,92,50,8--
3,013,13,31,00,2-
4,020,75,21,60,3-
5,029,67,42,20,4-
6,029,79,82,90,6-
7,0-12,63,70,7-
8,0-15,74,60,90,3
9,0-19,05,61,00,4
10,0 22,66,61,30,5
 

Energy Contribution of the Biogas Produced

The energy contribution of the biogas produced is determined from the saving of electrical energy that will no longer be consumed by network users when cooking food. For this, the analysis was carried out in a period of one year and considering what was reported by Argota (2013)ARGOTA, P. D.: "Estudio de las principales cargas eléctricas del sector residencial en Cuba", Ciencia & Futuro, 3(3): 11-25, 2013., determining that in Cuba approximately 60% of electricity consumption in an average home is used for cooking food. For the study, three evaluations were made, considering the consumption of 60%, 50%, and 40% of the total consumed.

Gas Analyzer Features

To verify the biogas composition, a gas analyzer model Gas Board-3200L was used. This device is powered by rechargeable Lithium (Li) batteries, and is used to measure the concentration of CH4, CO2, H2S and O2 in biogas. The gas determination process consists in the detection of CH4 and CO2 concentrations by non-scattered infrared beams (NDIR) and the use of a fuel cell (ECD) to determine H2S and O2 gases.

Economic Analysis

The most used methods to verify the economic profitability of the project are the Net Present Value, (NPV) and the Internal Rate of Return, (IRR). The NPV method, also known as Net Present Value (NPV), is one of the most widely used economic criteria in the evaluation of an investment project. It consists in determining the equivalence in time zero of the future cash flows generated by a project, and comparing this equivalence with the initial disbursement, then it is recommended that the project be accepted (Barta et al., 2010BARTA, Z.; RECZEY, K. ZACCHI, G.: "Techno-economic evaluation of stillage treatment with anaerobic digestion in a softwood-to-ethanol process", Biotechnology for Fuels, 3: 21, 2010.).

The investor finances taking into account two factors, first, the project’s profits must be such that they compensate for the inflationary effects, and secondly, it must be a premium or overrate to risk his money in a certain investment. So before investing, the investor always has to take into account a minimum rate of return on the proposed investment called the Minimum Acceptable Rate of Return (TMAR) (Eq. 6TMAR=i+f+if).

 
TMAR=i+f+if  (6)
 

Where:

i

is inflation

f

is the risk premium

The evaluation acceptance criteria are if NPV ≥ 0, then the project is acceptable; meanwhile, if the NPV <0 the project is rejected. Any project with negative NPV becomes underfunded as time passes, and therefore, it is no sustainable.

Likewise, the IRR is the rate that equals the sum of the flows discounted to the initial investment, that is, the NPV is equal to 0. As a criterion it is considered that if the IRR> TMAR, then the investment is accepted.

RESULTS AND DISCUSSION
Characterization of Biogas Quality in the Biodigesters

The quality of the biogas produced (Table 3) in each of the biodigesters is adequate, since it is within the values established for this type of biomass technology.

 
TABLE 3.  Composition of biogas in the biodigesters
ComponentsDigesters Average
1234
CH4 (%)64,04±3,263,80±2,462,0±2,563,85±1,963,2±1,2
CO2 (%)31,05±2,132,00±1,531,80±2,230,00±1,331,3±1,1
O2 (%)2,60±0,51,80±0,32,00±0,22,30±0,72,00,3
H2S (ppm)640,0±21636,00±24600,00±41650,00±36631,5
 

It is important to point out that the methane concentration values are excellent for use in domestic cookers, which coincide with what Guardado (2007)GUARDADO, C. J. A.: Diseño y construcción de plantas de biogás sencillas, Ed. Editorial Cubasolar, Ciudad de la Habana, Cuba, 2007. proposes. However, the H2S values are slightly high, which implies that maintenance of the purification system is necessary to avoid the hydrogen sulfide formation and the accelerated corrosion of the metallic elements of the cookers.

Table 4 shows the results of the daily biogas measurements in each of the biodigesters for 5 days. It is observed that the average daily gas production value is 101,48 m3 d-1. Considering it is very unlikely that all users are connected and using the maximum capacity of the biogas produced, it is estimated that approximately 100 m3 d-1 is the theoretical biogas flow to determine the number of users that the distribution network will support.

 
TABLE 4.  Biogas flow in the digesters
BiodigestersFlow (m3/d)
12345Average
124,6025,0325,6524,8526,0025,22±0,6
225,0026,8524,2025,0323,6524,94±1,2
325,8825,8527,0224,7526,0825,91±0,8
424,3025,6626,0125,2025,8025,39±0,7
Total99,78103,39102,8899,83101,53101,48±1,7
 

Figure 1 shows the biogas quality measurements made. These measurements were performed on 5 different days in 2 weeks of evaluation.

 
FIGURE 1.  Concentration of biogas components in the biodigesters.
 

The variation range of H2S is between 80-140 ppm; while the concentrations of CH4, CO2 & O2 are between 52,98 - 57,74%, 27,90 - 30,65% and 2,70 - 5,82%, respectively. The variation in the biogas components concentrations shows a fluctuation in its quality during the days evaluated.

The range of H2S values shows that the maximum value observed is 140 ppm. These values are far below those obtained by Zapata (1998)ZAPATA, A. Utilización de biogás para la generación de electricidad [en línea] Disponible en: http://www.cipav.org.co/cipav/resrch/energy/alvaro1.htm [Consulta: 23 de octubre de 2015]. where he reported hydrogen sulfide contents between 0,125% and 0,176% (1,250 ppm - 1,760 ppm) in the biogas produced in biodigesters fed with pig manure. An anaerobic biodigester can produce biogas with different proportions in the content of CH4 & CO2, where the percentage of methane will be between 40% and 70%, depending on the organic material with which the biodigester is fed (Duque et al., 2008DUQUE, C.; GALEANO, C.; MANTILLA, J.: Plug flow biodigester evaluation [en línea] Disponible en:http://www.cipav.org.co/lrrd/lrrd18/4/duqu18049.htm[Consulta: 14 de marzo de 2016].).

In the stored biogas, a reduction in the concentration of H2S and a slight increase in the percentages of methane are observed. These results show that, in the filtration stage, H2S removal efficiencies of 50,4% and an improvement in methane concentrations are obtained because of the slight reduction in CO2. The literature is contradictory concerning the allowable amount of H2S in biogas to operate engines without damage. According to Hanoi Energy Institute specialists’ criteria, it should not exceed 50 ppm (Schirmer et al., 2014SCHIRMER, W. N.; JUCÁ, J. F. T.; SCHULER, A. R. P.; HOLANDA, S.; JESUS, L. L.: "Methane production in anaerobic digestion of organic waste from recife (brazil) landfill: evaluation in refuse of diferent ages", Brazilian Journal of Chemical Engineering, 31(2): 373-384, 2014.).

The CO2 levels remain without significant variation. This result seems to be related to the biogas accumulation in the storage containers, which causes the increase in CH4 levels, in addition to the effect of the filters used. (Quesada et al. 2007QUESADA, R.; SALAS, N.; ARGUEDAS, M.; BOTERO, R.: "Generación de energía eléctrica a partir de biogás", Tierra Tropical, 3(2): 227-235, 2007.) reported similar results, where an electrical energy generation system from biogas is evaluated.

Gas Distribution Network

The technical group proposes the branched network design considering the following advantages:

  • i) Better technical operation and maintenance according to the established priorities.

  • ii) Due to the layout of the houses, it is the most economically attractive variant.

  • iii) The highest-pressure values are obtained at the critical points, which are the furthest points from the network, reaching values of 120 mm c.a., sufficient for the work of the cookers.

Energy and Environmental Impact of the Distribution Network in the Community

Before the current proposal for the use of biogas through a distribution network, the most widely used energy sources for cooking on the farm and households were electricity and firewood. For this reason, a study of energy consumption is carried out to determine electricity consumption taking into account the groupings of homes by priorities. For this, the information provided by the municipal electricity company is used. It includes a history of electricity consumption in each home in the selected period, from January to December 2019.

López & Suárez (2018)LÓPEZ, S. A.; SUÁREZ, H. J.: "Experiencia de suministro de biogás en una comunidad rural, en Cuba", Pastos y Forrajes, 41(1): 67-73, 2018. report that the biogas network installation allows reducing between 30 and 60% the electric power consumption in all of the houses. Taking this result into account, the reduction of the electric consumption in the 50 houses selected is calculated (Figure 2).

 
FIGURE 2.  Behavior of electricity consumption in homes considering reductions between 30% - 60% in consumption.
 

When analyzing electricity consumption by groups of dwellings, according to the defined priority levels considering reductions in electricity costs between 30% - 60%, it can be stated that the use of the biogas network in the community El Almirante, will allow obtaining the following energy consumption benefits. i) the electricity consumption of the 50 households has an average value of 6,977 kW/month, and considering the reduction abovementioned on account of cooking, consumption will decrease between 2 093 kW / month and 4 186 kW/month. ii) Once the distribution network has been installed, the current average electricity consumption per household of 139 kW/month will decrease to a range between 41 kW/month and 83 kW/month; iii) the network will reduce energy consumption in each house between 55 kW / month and 97 kW/month.

However, in the visits made it was evidenced the use of firewood in several households to cook in order to save electricity. Therefore, the biogas supply could positively influence the life quality of these inhabitants. On the other hand, the daily cooking of food with firewood for 15 workers on the farm generates smoke and significantly affects working conditions. Likewise, the expenses for the search, preparation and transportation of firewood are high, so there will be financial resources saving and a significant impact on workers' wages.

There are also other important environmental impacts: i) Stopping the felling of 24 ha/year by the daily consumption of 100 m3 of biogas for cooking food. ii) Reducing the emission of 59,8 t of CO2 eq/year, that is, 1 255 t of methane. iii) Producing approximately 4 t/year of anaerobic digested, used as organic fertilizers for the improvement and fertilization of soils. iv) Developing the hygienic-sanitary conditions of the cookers in both the farm and the 50 homes. v) Enhancing the 15-employees´ working conditions by replacing firewood with biogas. vi) Ameliorating the quality of life of 149 inhabitants.

Economic Analysis

The project financial feasibility analysis is made under the three most used indicators for this type of study: NPV, IRR and the investment recovery index (IR).

These indicators are considered taking into account the average range of savings in electricity consumption resulting from the application of this technology, already systematized in different investigations (Abbasi et al., 2012ABBASI, T.; TAUSEEF, S.; ABBASI, S.: Biogas energy, Ed. New York: Springer Verlag, 2012.; Garfí et al., 2016GARFÍ, M.; MARTÍ-HERRERO, J.; GARWOOD, A.; FERRER, I.: "Household anaerobic digesters for biogas production in Latin America: A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 60: 599-614, 2016.; Masebinu et al., 2018MASEBINU, S. O.; AKINLABI, E. T.; MUZENDA, E.; ABOYADE, A. O.; MBOHWA, C.: "Experimental and feasibility assessment of biogas production by anaerobic digestion of fruit and vegetable waste from Joburg Market", Waste Management: 2018.).

Table 5 shows the economic analysis of the biodigesters investment and the biogas distribution network. In general, for the two cases analyzed (reduction of electricity consumption between 30% and 60%) the implementation of the project is feasible. The financial indicators NPV and IRR show favorable results; moreover, as energy savings increase, the expected results improve.

 
TABLE 5.  Economic analysis of the investment
IndicadorYear 1Year 2Year 3Year 4Year 5
Biodigester cost 1 150 000----
Biodigester cost 250 000----
Biodigester cost 3 50 000----
Biodigester cost 4 50 000----
Network installation cost20 000----
Total investment cost220 000----
Useful life (years)20----
Taxes (%)00---
Interest rate (%)00---
Electricity cost (CUP/kW h)5,255,255,255,255,25
Energy no longer consumed (30%) (kW h/month)2 0932 0932 0932 0932 093
Energy no longer consumed (60%) (kW h/month)4 1864 1864 1864 1864 186
Savings for OBE (30%) (kW h/year)25 11625 11625 11625 11625 116
Savings for OBE (60%) (kW h/year)50 23250 23250 23250 23250 232
Average savings in homes (30%) (kW h/month)4141414141
Average savings in homes (60%) (kW h/month)8383838383
Savings from wood replacement (CUP/year)15 00015 00015 00015 00015 000
Total savings (30%) (CUP/year)146 859146 859146 859146 859146 859
Total savings (60%) (CUP/year)278 718278 718278 718278 718278 718
Depreciation (Year)11 00011 00011 00011 00011 000
Savings-Depreciation (Cash Flow) (30%) (CUP/year)135 859135 859135 859135 859135 859
Savings-Depreciation (Cash Flow) (60%) (CUP/year)267 718267 718267 718267 718267 718
Accumulated cash flow (60%) (CUP/year)-84 14151 718187 577323 436459 295
Accumulated cash flow (60%) (CUP/year)47 718315 436583 154850 8721 118590
NPV (30%)295 012,5
IRR (30%)326%
NPV (60%)393 276,9
IRR (60%)1 225%
 

The total cost of the investment, which includes the cost of the four biodigesters, the biogas filtration system and the distribution network is 220,000 CUP; while the total expected savings per year of operation of the biogas distribution network is between 146,859 CUP and 278,718 CUP, for saving values of 30% and 60%, respectively. For both values, the investment recovery is between the first and second year of the system operation. In addition, both NPV values are greater than zero, indicating that the investment is justified from an economic point of view.

According to López & Suárez (2018)LÓPEZ, S. A.; SUÁREZ, H. J.: "Experiencia de suministro de biogás en una comunidad rural, en Cuba", Pastos y Forrajes, 41(1): 67-73, 2018., the total investment cost of two biodigesters and a biogas distribution network, which supplies 110 inhabitants for cooking tasks, with a value of 121 213 CUP is recovered by the end of the second year of operation. The authors conclude that the NPV is superior to zero for all the variants evaluated, evidencing the validation of the investment from the economic point of view, allowing the rapid recovery of the investment. This work achieves similar results.

CONCLUSIONS

  • The amount of substratum to be fermented requires a volume of approximately 360 m3 of digestion, which would allow the generation of more than 200 m3 of biogas daily.

  • The current total volume of the treatment system requires an increase of 100 m3; however, the 100 m3d-1 of biogas generated by the four biodigesters built allows providing gas to 149 people who live in the 50 homes closest to the farm.

  • The efficiency of the filtration system is adequate; however, the iron filings contained in the tanks require periodic reactivation, approximately every 3 months, in order not to reduce the purifying capacity of the filters.

  • For this study, the branched biogas distribution network presents several advantages compared to a circular distribution network according to the six established priority orders.

  • Biogas distribution networks have important environmental and social benefits; likewise, the favorable results of the financial indicators show the economic feasibility of these systems considering how significant electrical energy saving is to these houses.

 
 
 

 

REFERENCES
ABBASI, T.; TAUSEEF, S.; ABBASI, S.: Biogas energy, Ed. New York: Springer Verlag, 2012.
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NOTES

The mention of trademarks of specific equipment, instruments or materials is for identification purposes, there being no promotional commitment in relation to them, neither by the authors nor by the publisher.

 
 

Received: 20/01/2021

Accepted: 18/06/2021

 
 

Wernel Rondón-Capote, MSc. Coperativa de Crédito y Servicios José Nemesio Figueredo, Río Cauto, Granma, Cuba, e-mail: arosaa@udg.co.cu

Alain Ariel de la Rosa-Andino, Prof. Titular. Universidad de Granma, Facultad de Ciencias Técnicas, Dpto. de Ingeniería Mecánica, Carretera a Manzanillo, km 17 ½, Peralejo-Apartado 21-Bayamo, M. N. Código Postal 85149, Provincia Granma, Cuba. e-mail: arosaa@udg.co.cu

Yusimit Karina Zamora-Hernandez, Prof. Instructor, Universidad de Granma, Facultad de Ciencias Técnicas, Dpto. de Ingeniería Mecánica, Carretera a Manzanillo, Provincia Granma, Cuba, e-mail: arosaa@udg.co.cu

Yoandrys Morales-Tamayo, Prof. Universidad Técnica de Cotopaxi, Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas, Dpto. Ingeniería Electromecánica, Extensión La Maná, Ecuador, e-mail: arosaa@udg.co.cu

Idalberto Macías-Socarrás, Prof., Universidad Estatal Península de Santa Elena, Avenida Principal La Libertad-Santa Elena, La Libertad, e-mail: arosaa@udg.co.cu

Laida Figueroa-Rodríguez, Prof. Asistente, Universidad de Granma, Facultad de Humanidades, Manzanillo, Granma. Cuba, e-mail: arosaa@udg.co.cu

The authors of this work declare no conflict of interests.

 

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License


 
 
ARTÍCULO ORIGINAL
 
Propuesta de una red de suministro de biogás en la comunidad rural “El Almirante”
 

iDMSc. Wernel Rondón-CapoteICoperativa de Crédito y Servicios José Nemesio Figueredo, Río Cauto, Granma, Cuba.*✉:arosaa@udg.co.cu

iDDr.C. Alain Ariel de la Rosa-AndinoIIUniversidad de Granma, Facultad de Ciencias Técnicas, Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.

iDMSc. Yusimit Karina Zamora-HernándezIIIUniversidad Técnica Estatal de Quevedo, Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Dpto. de Ingeniería Mecánica, Quevedo, Ecuador.

iDDr.C. Yoandrys Morales-TamayoIVUniversidad Técnica de Cotopaxi, Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas, Dpto. Ingeniería Electromecánica, Extensión La Maná, Ecuador.

iDDr.C. Idalberto Macías-SocarrasVUniversidad Estatal Península de Santa Elena, La Libertad-Santa Elena, Ecuador.

iDLic. Laida Figueroa-RodríguezVIUniversidad de Granma, Facultad de Humanidades, Dpto. de Lenguas Extranjeras, Manzanillo, Granma, Cuba.

 

ICoperativa de Crédito y Servicios José Nemesio Figueredo, Río Cauto, Granma, Cuba.

IIUniversidad de Granma, Facultad de Ciencias Técnicas, Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.

IIIUniversidad Técnica Estatal de Quevedo, Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Dpto. de Ingeniería Mecánica, Quevedo, Ecuador.

IVUniversidad Técnica de Cotopaxi, Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas, Dpto. Ingeniería Electromecánica, Extensión La Maná, Ecuador.

VUniversidad Estatal Península de Santa Elena, La Libertad-Santa Elena, Ecuador.

VIUniversidad de Granma, Facultad de Humanidades, Dpto. de Lenguas Extranjeras, Manzanillo, Granma, Cuba.

 

*Author for correspondence: Wernel Rondón-Capote, e-mail: e-mail: arosaa@udg.co.cu

 

RESUMEN

Generalmente, las aplicaciones del biogás se han limitado solamente al uso puntual en los lugares donde se produce, siendo muy escasa las experiencias relacionadas a la distribución en red en las viviendas para uso doméstico. El presente trabajo se desarrolló en la finca Los Hermanos, ubicada en la comunidad El Almirante, municipio Bayamo, cuyo principal renglón económico es la crianza de cerdos. La cantidad de purines generados tiene un potencial teórico de biogás de generar diariamente más de 200 m3d-1; no obstante, el actual sistema de tratamiento, compuesto por 4 biodigestores de 60 m3 cada uno, producen aproximadamente 100 m3d-1 de biogás, lo que permite proveer a 149 personas para las labores de cocción de alimentos en las 50 viviendas más cercanas. Por tanto, el objetivo de este trabajo fue proponer una red de distribución de biogás, a partir de criterios técnicos, económicos, energéticos y ambientales, que permita una adecuada distribución del biogás para su utilización en la cocción de alimentos en las comunidades rurales cubanas. En la presente investigación, la red de distribución de biogás ramificada presentó varias ventajas comparadas con una red de distribución circular de acuerdo a los seis órdenes de prioridades establecidos. Como principal resultado de este trabajo, se demostró que las redes de distribución de biogás tienen importantes beneficios ambientales y sociales; asimismo, los favorables resultados de los indicadores financieros indican la factibilidad de económica de esos sistemas considerando lo significativo que representa el ahorro de energía eléctrica en las viviendas.

Palabras clave: 
energía renovable; impacto ambiental; digestión anaerobia.
 
 
 
INTRODUCCIÓN

Las tecnologías de la digestión anaerobia para la producción de biogás contribuyen a disminuir la contaminación del medio ambiente, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, y disminuir el uso de los combustibles fósiles y fertilizantes químicos, así como mejora la calidad de vida de los pobladores en zonas rurales y suburbanas. Además, ha tenido un creciente auge en los últimos años por ser una solución económicamente factible, y la posibilidad de recircular los nutrientes y reducir la contaminación (Zhang et al., 2016ZHANG, Q.; HU, J.; LEE, D. J.: "Biogas from anaerobic digestion processes: Research updates", Renewable Energy, 98: 108-119, 2016.).

El biogás puede ser utilizado como combustible para los motores de combustión interna, las turbinas de gas, las celdas de combustible, los calentadores de agua, calentadores industriales, entre otros muchos procesos. También, el biogás puede ser utilizado como combustible para la generación de electricidad, donde la eficiencia de conversión global está alrededor de 10 - 16 % (Fantin et al., 2015).

En países como China, India y otros más en vías de desarrollo, los biodigestores familiares para la producción de biogás juegan un importante rol en los programas energéticos rurales. El diseño de los biodigestores depende de las condiciones climáticas, los residuos orgánicos disponibles, los materiales locales y las habilidades de los operadores. Los excrementos de animales, y humanos, en combinación con residuos de alimentos, de frutas y verduras, pueden ser usados como materiales adecuados para obtener biogás. Normalmente, los tamaños de los biodigestores familiares están entre 8 - 10 m3 y producen entre 0,3 - 0,9 m3 de biogás por m3 de biodigestor por día; no obstante, existen otros diseños estandarizados con volúmenes entre 15 - 60 m3 (Rajendran et al., 2012RAJENDRAN, K.; ASLANZADEH, S.; TAHERZADEH, M. J.: "Household biogas digesters : a review", Engineering, 5: 2911-2942, 2012.; Kaur et al., 2017KAUR, H.; SOHPAL, V. K.; KUMAR, S.: "Designing of Small Scale Fixed Dome Biogas Digester for Paddy Straw", INTERNATIONAL JOURNAL of RENEWABLE ENERGY RESEARCH, 7(1): 422-431, 2017.).

A diferencia de la experiencia internacional existente con el gas natural o licuado del petróleo, es muy escasa la relativa repartición del biogás en una red de distribución para ser consumido en viviendas. La literatura actualizada solo reporta la inyección de biogás a redes de gas natural en Suecia, Luxemburgo y España (Bekkering et al., 2010BEKKERING, J.; BROEKHUIS, A. A.; GEMERT, W. J. T. V.: "Optimisation of a green gas supply chain - A review", Bioresource Technology, 101: 450-456, 2010.; Díaz-Trujillo y Nápoles-Rivera, 2019DÍAZ-TRUJILLO, L. A.; NÁPOLES-RIVERA, F.: "Optimization of biogas supply chain in Mexico considering economic and environmental aspects", Renewable Energy, 139: 1227-1240, 2019.; Khishtandar, 2019KHISHTANDAR, S.: "Simulation based evolutionary algorithms for fuzzy chance-constrained biogas supply chain design", Applied Energy, 236: 183-195, 2019.). En Cuba hay limitadas experiencias de distribución de biogás, fundamentalmente para su utilización en la cocción de alimentos y otros usos domésticos. En estos casos el biogás se obtuvo a partir del tratamiento anaerobio de excretas de cerdo mediante dos digestores (López & Suárez, 2018LÓPEZ, S. A.; SUÁREZ, H. J.: "Experiencia de suministro de biogás en una comunidad rural, en Cuba", Pastos y Forrajes, 41(1): 67-73, 2018.). No obstante, en este estudio no se realizó un profundo análisis de la evaluación energético del suministro de biogás para la red de distribución. Por lo anteriormente expuesto se realizó la presente investigación la cual tuvo como objetivo proponer una red de distribución de biogás, a partir de criterios técnicos, económicos, energéticos y ambientales, que permita una adecuada distribución del biogás para su utilización en la cocción de alimentos en las comunidades rurales cubanas.

MATERIALES Y MÉTODOS
Determinación del potencial de producción de biogás en la “Finca Los Hermanos”
Cantidad de residuales generados en la finca

Para calcular la cantidad de residuales se determinó el número de animales estabulados, y cálculo del volumen de excretas. Además, con los datos brindados por el propietario de la finca, se obtuvo la cantidad de animales equivalentes a 50 kg de peso y, considerando un aporte per cápita de DBO5 por animal, se determinó un aporte promedio de 0,39 kg día-1.

Metodología de diseño de los biodigestores de cúpula fija

Para el cálculo de los parámetros de diseño de un biodigestor anaerobio es necesario conocer los datos de entrada, y los que deben ser calculados (Tabla 1). La cantidad diaria de material (Md) 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 en el futuro.

 
TABLA 1.  Datos de entrada y salida requeridos para el diseño de un biodigestor anaerobio
ParámetrosUnidad
Datos de entrada
Cantidad de biomasa diaria generada (Md)kg d-1
Tasa de dilución (Td)L kg-1
Productividad de biogás (Y) m3 kg-1
Tiempo de retención hidráulica (TRH)d
Coeficiente de contención del biogás (k)
Datos de salida
Volumen diario de material (mezcla estiércol y agua) (Sd)kg d-1
Volumen del biodigestor, (Vbiodig)m3
Capacidad de producción de biogás (G)m3 d-1
Volumen de contención del biogás (Vbiogás)m3
Volumen del tanque de compensación (Vtc)m3
 

La cantidad diaria de materia de entrada (Sd), no es más que la suma del residual y la dilución de la biomasa (residual y agua).

 
Sd=1+NMdm3 d-1  (1)
 

donde:

N

es el factor de dilución

Md

es la cantidad diaria de material

Mientras, el volumen del biodigestor (Vbiodig) se calculó teniendo en cuenta el valor de Sd que entra al biodigestor y el TRH.

 
Vbiodig=SdTRH m3  (2)
 

Asimismo, la capacidad de producción de biogás (G) se calculó a través de la ecuación 3G=MdY m3d-1 .

 
G=MdY m3d-1   (3)
 

donde:

Y

es la productividad específica del biogás (m3 kg-1).

También, el volumen de contención del biogás se obtuvo a partir de la ecuación 4Vbiogás=kG m3d-1 .

 
Vbiogás=kG m3d-1   (4)
 

Por tanto, sustituyendo G en la ecuación 4Vbiogás=kG m3d-1 , se tuvo que:

 
Vbiogás=kMdY m3d-1  (5)
 

Sistema de purificación de biogás

Como parte fundamental del sistema está instalado un sistema de filtrado para el biogás, utilizando el método de purificación por absorción. El dispositivo cuenta con dos tanques filtros con las características siguientes: 1,30 m de alto y 0,30 m de diámetro y en su interior contienen limallas de hierro. Cuando el biogás contiene pequeñas cantidades de aire, el hierro se corroe y el azufre se deposita parcialmente sobre las limallas, las cuáles pueden lavarse y se puede evitar la corrosión provocada por el H2S en las cocinas.

Determinación de la cantidad de beneficiarios de la red

La cantidad de beneficiarios de la red se calculó teniendo en cuenta que el biogás producido será usado en su totalidad para la cocción de los alimentos. Según Guardado (2007)GUARDADO, C. J. A.: Diseño y construcción de plantas de biogás sencillas, Ed. Editorial Cubasolar, Ciudad de la Habana, Cuba, 2007., para las condiciones de Cuba, debido a la cultura alimentaria, se consumen diariamente entre 0,38-0,42 m3 d-1 por comensal. Para ello se tuvieron en cuenta además las reservas de producción existentes.

Diseño de la red de distribución

Para el diseño de la red de distribución se partió del análisis de cada uno de los factores evaluados en el terreno por el grupo técnico, para definir la ruta más apropiada de acuerdo a los criterios técnicos, económicos y sociales, así como los criterios de los usuarios, destacándose la disposición geográfica de las viviendas, planes de desarrollo a nivel local.

Para definir el criterio de selección de las viviendas se tuvieron en cuenta varios aspectos según un determinado orden de prioridad: 1ra prioridad) las necesidades de la finca; 2da prioridad) las viviendas del propietario y sus familiares; 3ra prioridad) las viviendas ubicadas al sur ya que en esa dirección circulan los vientos y pueden estar afectadas por los malos olores; 4ta prioridad) las viviendas cercanas donde residen los trabajadores; y 5ta prioridad) las viviendas de las personas más vulnerables, como discapacitados físicos y visuales, ancianos, y niños pequeños.

El biogás producido será conducido desde los biodigestores hasta los lugares de uso a través de mangueras plásticas. Las mangueras plásticas de PVC resultan adecuadas para esta finalidad, ya que presenta las ventajas siguientes: resistente a la corrosión, facilidad de instalación y menores precios. Su desventaja radica en la necesaria protección contra los rayos solares y el movimiento de animales y el transporte pesado (López & Suárez, 2018LÓPEZ, S. A.; SUÁREZ, H. J.: "Experiencia de suministro de biogás en una comunidad rural, en Cuba", Pastos y Forrajes, 41(1): 67-73, 2018.).

El diámetro una tubería requerida depende de la distancia desde la planta hasta el lugar de consumo del gas, así como del flujo máximo de gas requerido y de la pérdida de presión admisible (Tabla 2). El flujo máximo del gas se obtiene sumando los consumos de los equipos que funcionen simultáneamente (Guardado, 2007GUARDADO, C. J. A.: Diseño y construcción de plantas de biogás sencillas, Ed. Editorial Cubasolar, Ciudad de la Habana, Cuba, 2007.).

 
TABLA 2.  Pérdidas de presión en mm de columna de agua por cada 10m de tubería
Caudal (m3/h)Diámetro de la tubería
17 mm23 mm30 mm43 mm54 mm
Pérdidas de presión cada 10 m
0,51,00,30,1--
1,02,50,70,2--
2,07,01,80,6--
2,59,92,50,8--
3,013,13,31,00,2-
4,020,75,21,60,3-
5,029,67,42,20,4-
6,029,79,82,90,6-
7,0-12,63,70,7-
8,0-15,74,60,90,3
9,0-19,05,61,00,4
10,0 22,66,61,30,5
 

Aporte energético del biogás producido

El aporte energético del biogás producido se determinó a partir del ahorro de energía eléctrica que se dejará de consumir por los usuarios de la red en la cocción de los alimentos. Para esto, se realizó el análisis en el período de un año y considerando lo reportado por Argota (2013)ARGOTA, P. D.: "Estudio de las principales cargas eléctricas del sector residencial en Cuba", Ciencia & Futuro, 3(3): 11-25, 2013., donde concluye que en Cuba aproximadamente el 60 % del consumo de electricidad en una vivienda promedio se realiza para la cocción de alimentos. Para el estudio se realizaron tres valoraciones, considerando el consumo del 60 %, 50%, y 40% del total consumido.

Características del analizador de gases

Para verificar la composición del biogás se utilizó un analizador de gases modelo Gas Board-3200L. Este dispositivo se alimenta mediante baterías recargables de Litio (Li), y se utiliza para la medición de la concentración de CH4, CO2, H2S y O2 en el biogás. El proceso de determinación de los gases consiste en la detección de las concentraciones de CH4 y CO2 por haces infrarrojos no dispersos (NDIR) y el uso de una pila de combustible (ECD) para la determinación de los gases H2S y O2.

Análisis económico

Los métodos más utilizados para comprobar la rentabilidad económica del proyecto son el Valor Actual Neto, (VAN) y la Tasa Interna de Retorno, (TIR). El método del VAN, también conocido como Valor Presente Neto (VPN), es uno de los criterios económicos más ampliamente utilizados en la evaluación de un proyecto de inversión. Consiste en determinar la equivalencia en el tiempo cero de los flujos de efectivos futuros que genera un proyecto, y comparar esta equivalencia con el desembolso inicial, entonces es recomendable que el proyecto sea aceptado (Barta et al., 2010BARTA, Z.; RECZEY, K. ZACCHI, G.: "Techno-economic evaluation of stillage treatment with anaerobic digestion in a softwood-to-ethanol process", Biotechnology for Fuels, 3: 21, 2010.).

El inversionista, invierte teniendo en cuenta dos factores, primero, debe ser tal su ganancia, que compense los efectos inflacionarios, y en segundo término, debe ser un premio o sobre tasa para arriesgar su dinero en determinada inversión. Entonces antes de invertir, siempre hay que tener en cuenta una tasa mínima de ganancia sobre la inversión propuesta llamada Tasa Mínima Aceptable de Rendimiento (TMAR) (Ec. 6TMAR=i+f+if).

 
TMAR=i+f+if  (6)
 

donde:

i

es la inflación,

f

es el premio del riesgo

Los criterios de aceptación de evaluación son: sí el VAN ≥ 0, entonces es aceptable el proyecto; mientras, si el VAN < 0 se rechaza el proyecto. Cualquier proyecto con VAN negativo se va desfinanciando según transcurre el tiempo y por lo tanto de ninguna manera será sustentable.

Asimismo, El TIR es la tasa que iguala la suma de los flujos descontados a la inversión inicial, o sea, el VAN es igual a 0. Como criterio se considera que si el TIR > TMAR, entonces se acepta la inversión.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Caracterización de la calidad del biogás en los biodigestores

La calidad del biogás producido (Tabla 3) en cada uno de los biodigestores es adecuada, ya que se encuentra dentro de los valores establecidos para este tipo de tecnología de biomasa.

 
TABLA 3.  Composición del biogás en los biodigestores
ComponentesDigestores Promedio
1234
CH4 (%)64,04±3,263,80±2,462,0±2,563,85±1,963,2±1,2
CO2 (%)31,05±2,132,00±1,531,80±2,230,00±1,331,3±1,1
O2 (%)2,60±0,51,80±0,32,00±0,22,30±0,72,00,3
H2S (ppm)640,0±21636,00±24600,00±41650,00±36631,5
 

Es importante significar que los valores de la concentración de metano, son excelentes para el uso en cocinas domésticas coincidiendo con lo planteado por Guardado (2007)GUARDADO, C. J. A.: Diseño y construcción de plantas de biogás sencillas, Ed. Editorial Cubasolar, Ciudad de la Habana, Cuba, 2007.. No obstante, los valores de H2S fueron ligeramente elevados, lo que implica que es necesario realizar un mantenimiento al sistema de purificación para evitar la formación de ácido sulfhídrico y la acelerada corrosión de los elementos metálicos de las cocinas.

La Tabla 4 muestra los resultados de las mediciones diarias de biogás en cada uno de los biodigestores durante 5 días. Se pudo observar que el valor promedio de producción diaria de gas fue de 101,48 m3 d-1. Considerando que es muy poco probable que todos los usuarios estén conectados y usando la máxima capacidad del biogás producido. Por tanto, se consideró que aproximadamente 100 m3 día-1 es el caudal teórico de biogás para determinar el número de usuarios que soportará la red de distribución.

 
TABLA 4.  Caudal de Biogás en los digestores
BiodigestoresCaudal (m3/d)
12345Promedio
124,6025,0325,6524,8526,0025,22±0,6
225,0026,8524,2025,0323,6524,94±1,2
325,8825,8527,0224,7526,0825,91±0,8
424,3025,6626,0125,2025,8025,39±0,7
Total99,78103,39102,8899,83101,53101,48±1,7
 

En la Figura 1 se muestran las mediciones realizadas de la calidad del biogás. Estas mediciones fueron realizadas en 5 días diferentes en 2 semanas de evaluación.

 
FIGURA 1.  Concentración de los componentes del biogás en los biodigestores.
 

El rango de variación del H2S estuvo entre 80 - 140 ppm; mientras las concentraciones de CH4, CO2 y O2 estuvieron entre 52,98 - 57,74 %, 27,90 - 30,65 % y 2,70 - 5,82 %, respectivamente. La variación de las concentraciones de los componentes del biogás muestra una fluctuación en la calidad del mismo durante los días evaluados.

El rango de valores del H2S muestra que el valor máximo observado fue de 140 ppm. Estos valores se encuentran muy por debajo de los obtenidos por Zapata (1998)ZAPATA, A. Utilización de biogás para la generación de electricidad [en línea] Disponible en: http://www.cipav.org.co/cipav/resrch/energy/alvaro1.htm [Consulta: 23 de octubre de 2015]. donde reportó contenidos de ácido sulfhídrico entre 0,125 % y 0,176 % (1 250 ppm - 1 760 ppm) en el biogás producido en biodigestores alimentados con estiércol de cerdo. Un biodigestor anaerobio puede producir biogás con diferentes proporciones en el contenido de CH4 y CO2, donde el porcentaje de metano estará entre 40 % y 70 %, dependiendo del material orgánico con el que se alimenta el biodigestor (Duque et al., 2008DUQUE, C.; GALEANO, C.; MANTILLA, J.: Plug flow biodigester evaluation [en línea] Disponible en:http://www.cipav.org.co/lrrd/lrrd18/4/duqu18049.htm[Consulta: 14 de marzo de 2016].).

Una reducción de la concentración de H2S y un leve incremento en los porcentajes de metano en el biogás se observó en el biogás almacenado. Estos resultados muestran que, en la etapa de filtración, se obtienen eficiencias de eliminación de H2S del 50,4 % y una mejora en las concentraciones de metano debido a la leve reducción del CO2. La literatura es contradictoria en cuanto a la cantidad permisible de H2S en el biogás para operar motores sin que sufran daños. Según el criterio de los especialistas del Instituto de Energía de Hanoi, no debe sobrepasar las 50 ppm (Schirmer et al., 2014SCHIRMER, W. N.; JUCÁ, J. F. T.; SCHULER, A. R. P.; HOLANDA, S.; JESUS, L. L.: "Methane production in anaerobic digestion of organic waste from recife (brazil) landfill: evaluation in refuse of diferent ages", Brazilian Journal of Chemical Engineering, 31(2): 373-384, 2014.).

Los niveles de CO2 permanecieron sin una variación significativa. Este resultado parece que está relacionado con la acumulación del biogás en los depósitos de almacenamiento, lo que motiva el incremento de los niveles del CH4, además del efecto de los filtros utilizados. Resultados similares a este estudio fueron reportados por (Quesada et al. 2007QUESADA, R.; SALAS, N.; ARGUEDAS, M.; BOTERO, R.: "Generación de energía eléctrica a partir de biogás", Tierra Tropical, 3(2): 227-235, 2007.), donde evaluaron un sistema de generación de energía eléctrica a partir de biogás.

Red de distribución de gas

El grupo técnico propuso el diseño de la red ramificada considerando las siguientes ventajas: i) mejor operación técnica y mantenimiento de acuerdo a las prioridades establecidas; ii) debido a la disposición de las viviendas, la red ramificada es la variante económicamente más atractiva; y iii) se obtuvieron los mayores valores de presión en los puntos críticos, los cuales son los puntos más alejados de la red, alcanzando valores de 120 mm c.a., suficientes para el trabajo de las cocinas.

Impacto energético y ambiental de la red de distribución en la comunidad

Antes de la presente propuesta del uso de biogás mediante una red de distribución, las fuentes energéticas más utilizadas para cocinar en la finca y en las viviendas eran la electricidad y la leña. Por esta razón se efectúo un estudio del consumo energético en las viviendas para determinar el gasto eléctrico tomando en cuenta las agrupaciones de viviendas por prioridades. Para esto, se utilizó la información brindada por la empresa eléctrica municipal. Información que comprendió un historial del consumo de electricidad en cada vivienda en el periodo de tiempo seleccionado, desde enero hasta diciembre de 2019.

López & Suárez (2018)LÓPEZ, S. A.; SUÁREZ, H. J.: "Experiencia de suministro de biogás en una comunidad rural, en Cuba", Pastos y Forrajes, 41(1): 67-73, 2018. se reportaron que la instalación de la red de biogás permitió reducir el consumo de energía eléctrica en todas las viviendas entre un 30 y 60 %. Teniendo en cuenta ese resultado, se realizó el cálculo de la reducción del consumo eléctrico en las 50 viviendas que fueron seleccionadas para ser beneficiadas (Figura 2).

 
FIGURA 2.  Comportamiento del consumo eléctrico en las viviendas y considerando reducciones entre 30 % - 60 % del consumo.
 

Al analizar el consumo eléctrico por agrupaciones de viviendas según los niveles de prioridad definidos, considerando reducciones del gasto eléctrico entre el 30 % - 60 % se puede afirmar que el uso de la red de biogás en la comunidad del Almirante, permitirá obtener los siguientes beneficios energéticos: i) el consumo eléctrico de las 50 viviendas tienen un valor promedio de 6 977 kW/mes, y considerando una reducción del consumo eléctrico en las viviendas entre el 30 % - 60 % por la cocción de alimentos, permitirá disminuir el consumo entre 2 093 kW/mes y 4 186 kW/mes; ii) instalada la red de distribución, el actual consumo eléctrico promedio por vivienda de 139 kW/mes disminuirá hasta un rango entre 41 kW/mes y 83 kW/mes; iii) la red permitirá reducir entre 55 kW/mes y 97 kW/mes el consumo energético en cada vivienda.

No obstante, en las visitas realizadas se evidenció que en varias viviendas la cocción de alimentos se realiza mediante leña, con el objetivo de ahorrar electricidad. Por tanto, se considera que el suministro de biogás pudiera impactar positivamente en la calidad de vida de esos habitantes. Por otro lado, la cocción diaria de alimentos para 15 trabajadores en la finca se realiza mediante el uso de leña, cuya combustión genera humo y afecta notablemente las condiciones de trabajo. Asimismo, los gastos para la búsqueda, preparación y transportación de la leña son elevados, lo que permitirá un ahorro de recursos financieros y un impacto significativo en los salarios de los trabajadores.

También existen otros impactos ambientales importantes: i) el consumo diario de 100 m3 de biogás para la cocción de alimentos permite dejar de talar 24 ha/año; ii) se puede evitar la emisión de 59,8 t de CO2 eq/año, o sea,1 255 t de metano; iii) se pueden producir aproximadamente 4 t/año de digeridos anaerobios, los cuáles se pueden utilizar como fertilizantes orgánicos para la mejora y fertilización de los suelos; iv) mejoran las condiciones higiénico-sanitarias de la cocina de la finca y de las 50 viviendas; v) se humaniza el trabajo de 15 personas (hombres y mujeres) que laboran en la finca por la sustitución de la leña por biogás; y vi) se mejora la calidad de vida de 149 habitantes.

Análisis económico

Para el análisis de la factibilidad financiera del proyecto se consideraron los tres indicadores más utilizados para este tipo de estudios: VAN, TIR y el índice de recuperación de la inversión (IR).

Se consideraron estos indicadores teniendo en cuenta el rango promedio de ahorro del consumo eléctrico, resultado de la aplicación de esta tecnología la cual ha sido sistematizado en diferentes investigaciones (Abbasi et al., 2012ABBASI, T.; TAUSEEF, S.; ABBASI, S.: Biogas energy, Ed. New York: Springer Verlag, 2012.; Garfí et al., 2016GARFÍ, M.; MARTÍ-HERRERO, J.; GARWOOD, A.; FERRER, I.: "Household anaerobic digesters for biogas production in Latin America: A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 60: 599-614, 2016.; Masebinu et al., 2018MASEBINU, S. O.; AKINLABI, E. T.; MUZENDA, E.; ABOYADE, A. O.; MBOHWA, C.: "Experimental and feasibility assessment of biogas production by anaerobic digestion of fruit and vegetable waste from Joburg Market", Waste Management: 2018.).

La Tabla 5 muestra el análisis económico de la inversión de los biodigestores y la red de distribución de biogás. De forma general, para los dos casos analizados (reducción del consumo eléctrico entre un 30 % y 60 %) es factible la implementación del proyecto. Los indicadores financieros VAN y TIR mostraron resultados favorables; además, de manera general, a medida que se incrementa el ahorro de energía se mejoran los resultados esperados.

 
TABLA 5.  Análisis económico de la inversión
IndicadorAño 1Año 2Año 3Año 4Año 5
Costo del biodigestor 150 000----
Costo del biodigestor 2 50 000----
Costo del biodigestor 3 50 000----
Costo del biodigestor 4 50 000----
Costo de instalación de la red 20 000----
Costo total de inversión 220 000----
Vida útil (años)20----
Impuestos (%)00---
Tasa de interés (%)00---
Costo de energía eléctrica (CUP/kW h)5,255,255,255,255,25
Energía dejada de consumir (30 %) (kW h/mes)2 0932 0932 0932 0932 093
Energía dejada de consumir (60 %) (kW h/mes)4 1864 1864 1864 1864 186
Ahorro para la OBE (30 %) (kW h/año)25 11625 11625 11625 11625 116
Ahorro para la OBE (60 %) (kW h/año)50 23250 23250 23250 23250 232
Ahorro promedio en las viviendas (30 %) (kW h/mes)4141414141
Ahorro promedio en las viviendas (60 %) (kW h/mes)8383838383
Ahorro por sustitución de leña (CUP/año)15 00015 00015 00015 00015 000
Ahorro total (30 %) (CUP/año)146 859146 859146 859146 859146 859
Ahorro total (60 %) (CUP/año)278 718278 718278 718278 718278 718
Depreciación (Año)11 00011 00011 00011 00011 000
Ahorro-Depreciación (Flujo de caja) (30 %) (CUP/año)135 859135 859135 859135 859135 859
Ahorro-Depreciación (Flujo de caja) (60 %) (CUP/año)267 718267 718267 718267 718267 718
Flujo de caja acumulado (30 %) (CUP/año)-84 14151 718187 577323 436459 295
Flujo de caja acumulado (60 %) (CUP/año)47 718315 436583 154850 8721 118590
VAN (30 %)295 012,5
TIR (30 %)326%
VAN (60 %)393 276,9
TIR (60 %)1 225%
 

El costo total de la inversión, el cual incluye el costo de los cuatro biodigestores, el sistema de filtración de biogás y la red de distribución es de 220 000 CUP; mientras que el ahorro total esperado por año de explotación de la red de distribución de biogás ronda entre 146 859 CUP y 278 718 CUP, para valores de ahorro de 30 % y 60 %, respectivamente. Para ambos valores, la inversión se recupera entre el primer y segundo año de explotación del sistema; además ambos valores de VAN fueron mayores que cero, indicando que la inversión se justifica desde el punto de vista económico

Según López & Suárez (2018)LÓPEZ, S. A.; SUÁREZ, H. J.: "Experiencia de suministro de biogás en una comunidad rural, en Cuba", Pastos y Forrajes, 41(1): 67-73, 2018., el costo de total de inversión de dos biodigestores y una red de distribución de biogás, que abastece para labores de cocción a 110 habitantes, con un valor de 121 213 CUP fue recuperado al final del segundo año de explotación. Los autores concluyeron que el VAN fue mayor que cero para todas las variantes evaluadas, por lo que la justificación de la inversión fue evidenciada desde el punto de vista económico, permitiendo la rápida recuperación de la inversión. Resultados similares fueron alcanzados en este trabajo.

CONCLUSIONES

  • La cantidad de sustrato a fermentar requiere un volumen de aproximadamente 360 m3 de digestión, lo cual permitiría generar diariamente más de 200 m3 de biogás por día.

  • El actual volumen total del sistema de tratamiento requiere un incremento de 100 m3; no obstante, los 100 m3d-1 de biogás que generan los cuatro biodigestores construidos permiten proveer de gas a 149 personas que habitan en las 50 viviendas más cercanas a la finca.

  • La eficiencia del sistema de filtración es adecuada; sin embargo, las virutas de hierro contenidas en los depósitos requieren una periódica reactivación, aproximadamente cada 3 meses, con la finalidad de que no disminuya la capacidad depuradora de los filtros.

  • Para este estudio, la red de distribución de biogás ramificada presenta varias ventajas comparadas con una red de distribución circular de acuerdo a los seis órdenes de prioridades establecidos.

  • Las redes de distribución de biogás tienen importantes beneficios ambientales y sociales; asimismo, los favorables resultados de los indicadores financieros indican la factibilidad de económica de esos sistemas considerando lo significativo que representa el ahorro de energía eléctrica en las viviendas.

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