Introducción
Los establos lecheros generan una gran cantidad de desechos orgánicos (estiércol y orina) proveniente de vacas en confinamiento para la producción de leche (Dungan, 2010), si el estiércol es tratado adecuadamente en fermentadores anaerobios, puede ser convertido en biogás y generar electricidad por la quema de dicho combustible en generadores eléctricos (Lansing et al., 2010). La fermentación anaerobia de estiércol es un proceso bioquímico, que termina en un gas inflamable, principalmente metano (CH4) (Sanders et al., 2010), además de otros gases (Cuadro 1).
Cuadro 1
Composición de gases por la fermentación del estiércol bovino
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Componente |
Concentración |
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Metano (CH4) |
55-65 %(vol) |
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Dióxido de carbono (CO2) |
25-45 %(vol) |
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Vapor de agua (H2O) |
2-7 %(vol) |
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Ácido sulfhídrico (H2S) |
20-20000 ppm |
|
Nitrógeno (N2) |
< 2 %(vol) |
|
Oxígeno (O2) |
< 2 %(vol) |
|
Hidrógeno (H2) |
< 1 %(vol) |
Nota. Abbasi et al. (2012)
Una molécula de metano es un gas de efecto invernadero (GEI) con una capacidad de absorber calor 25 veces mayor que una molécula de CO2 (IPPC, 2007). Dependencias del gobierno mexicano, han mostrado interés por contribuir a reducir emisiones de GEI generados en establos lecheros mediante la adopción de tecnología para producir electricidad (FIRCO-SAGARPA, 2013). Según el Fideicomiso de Riesgo Compartido de la Secretaria de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (FIRCO-SAGARPA, 2013) para el año 2009, en México existían 142 sistemas de fermentación de estiércol, de los cuales 54 están localizados en establos lecheros y el resto en granjas porcinas. Al igual que la energía obtenida del biogás, la energía solar también se puede convertir en energía eléctrica por medio de paneles solares, la inclusión de paneles solares para generar electricidad en establos no es muy común, sin embargo, en países como China, los establos están utilizando este tipo de tecnología para disminuir el costo de electricidad debido al bombeo de agua para el riego de alfalfa, que es uno de los ingredientes de mayor cantidad en la dieta y que encarece la producción de este cultivo debido al número de riegos, sin embargo la alfalfa es muy usada porque favorece la productividad de leche. Finalmente, los autores concluyen que la inclusión de sistemas con paneles solares reduce el consumo de electricidad hasta en 0.25 kWh/kg de leche, así como las emisiones de CO2 de hasta 1.4 kg por cada kg de leche (Zhang et al, 2017). Estas tecnologías también llamadas limpias, requieren de inversiones de capital con recuperación a largo plazo. Por lo anterior, el objetivo de este estudio fue estimar la energía eléctrica generada combinando tecnología de paneles solares y digestores anaerobios en sistemas intensivos de producción de leche bobina en la región centro de México.
1. Materiales y métodos
Para recabar información que permita estimar la energía eléctrica generada combinando tecnología de paneles solares y digestores anaerobios en sistemas intensivos de producción de leche bovina, se visitaron ocho ranchos lecheros en la región centro de México en los estados de Guanajuato, Querétaro y Aguascalientes. La finalidad fue analizar el tamaño del hato y su composición por estado productivo, así como el volumen y manejo del estiércol generado, adicionalmente, cuantificar el consumo de energía eléctrica para la operación del establo (Cuadro 2).
Cuadro 2
Población promedio, generación de estiércol y producción de metano provenientes de vacas lecheras distribuidas por categoría de producción promedio de ocho establos
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Población por categoría |
Número de animales |
Generación de estiércol, kg d-1 |
Producción máxima de metano en estiércol, kg animal-1 d-1 |
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Vacas lactantes |
914 (±223) |
68 |
0.087 |
|
Vacas secas |
85 (±51) |
38 |
0.067 |
|
Toros |
72 (±28) |
38 |
0.067 |
|
Vaquillas |
40 (±19) |
22 |
0.051 |
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Becerras |
520 (±310) |
8.5 |
0 |
Nota. Estimado con la metodología del IPCC (2006) nivel II
Los ranchos se seleccionaron de acuerdo con los requisitos establecidos por FIRCO para el otorgamiento de subsidios (establos con más de 300 vacas). La producción de metano por cantidad de estiércol para las distintas categorías de vacas, se calculó con la metodología propuesta por el Panel Intetergubernamental de Cambio Climático Nivel II (IPCC, 2006), ecuación 1.
|
FE = (SVj)·(B0(j)×0,67× (MCFS,j×MSS,j)) |
donde FE = factor de emisión diaria de metano CH4 para la población de ganado, kg CH4 animal-1 d-1; SV = sólidos volátiles excretados por día, kg MS vaca-1 d-1; B0 = capacidad máxima de producción de metano de estiércol producido, m3 CH4 kg-1 SV excretados; 0.67 factor de conversión de m3 de CH4 a kg de CH4; MCF = factor de conversión de metano para cada sistema de gestión del estiércol por región climática, %; MS = fracción del estiércol del ganado manejado usando el sistema de gestión de desechos en la región climática, sin dimensiones. Los valores de SV, B0 y MCF para vacas lecheras se tomaron de la guía del IPCC (2006) y de la Sociedad Americana de Ingenieros Agrónomos (ASAE, 2005).
Calculada la máxima producción de metano en un fermentador tipo laguna (Figura 1), se estimó la energía eléctrica obtenida con un generador de referencia de la marca Econogas (www.mopesa.com.mx) (a biogás de 60 kW, factor de potencia 0.8 y desplazamiento cúbico 5.8 L); las emisiones de CO2 se estimaron con la fórmula química de combustión metano (Brown et al., 2003), (Ecuación 2).
|
CH4(g) + 2 O2 → CO2(g) + 2 H2O |
Figura 1
Esquema gráfico de un digestor tipo laguna (AgSTAR 2011)
En la estimación de la energía eléctrica generada por medio de paneles solares, se tomaron datos tecnológicos de ERDM Solar (http://www.erdm-solar.com) con interconexión a la red, se seleccionó el kit de 60 paneles solares de 1980 mm x 1000 mm (118.8 m2) de 370 W/h cada uno. El potencial máximo de producción de electricidad se estimó con base a las horas de insolación promedio al día en la región de estudio (NMSU, 1999). El análisis de rentabilidad incluyó el análisis de costos para los dos tipos de energías alternas y los beneficios asociados con la puesta en marcha de los digestores anaeróbicos y los paneles solares en establos lecheros con conexión a la red de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) con un precio fijo de US$ 0.18 por kWh consumido para riego agrícola en baja tensión (RABT) en la zona centro de México (CFE, 2018). En el estudio económico del proyecto se tomó en cuenta la demanda de energía al bimestre (para la sala de ordeña, iluminación, bombeo de agua), e inversiones en activos fijos. Además, y como dato importante, se registró y cuantificó la diferencia en el consumo de electricidad de la red de la CFE con el uso de biogás y paneles solares.
2. Resultados y discusión
Los apoyos para la adquisición de fermentadores y generadores se otorgan a aquellos productores que cuenten con más de 300 vacas (productores de leche), cuyo manejo del estiércol facilite la producción de biogás y que la instalación del fermentador no afecte la bioseguridad del establo. Para apoyar la adquisición de un motogenerador, la unidad productora debe tener una demanda mínima mensual superior a 10000 kWh. Los establos de referencia en este estudio tienen un promedio de 914 vacas en producción (Cuadro 2) con un consumo promedio bimestral de 189,106 kWh (que cubre la extracción de agua de pozo, la ordeña mecánica y la iluminación). La inversión de parte del productor para construir el fermentador tipo laguna y la compra de un generador de electricidad es superior a US$ 150,107.4, además del apoyo de la dependencia del gobierno US$ 106,540.8 (Cuadro 3). Hay apoyos de SAGARPA (Secretaria de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación) a través de FIRCO (Fideicomiso de Riesgo Compartido) de hasta US$ 76,923.1 para la adquisición de fermentadores (el único compromiso del beneficiario es lograr un manejo sustentable de los desechos orgánicos). Además de ofrecen apoyos máximos por US$ 19,230.7 para comprar generadores eléctricos (mototransformador) con capacidad de generar 60 kWh y de hasta el 50% en la adquisición de paneles solares, pero que no rebasen US$ 307,692.3 (ASERCA, 2008). En el costo del kit de paneles solares se incluye la instalación y el mantenimiento por los primeros tres años.
Cuadro 3
Estimación de la inversión inicial y subsidios federales para la adquisición de infraestructura en la generación de energía eléctrica
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Artículo |
Inversión, US$ |
Apoyo económico máximo de Firco, US$ |
|
Biofermentador tipo laguna e instalación |
175,874.4 |
76,923.1 |
|
Generador eléctrico, 60 kWh e instalación |
59,999.8 |
19,230.7 |
|
Paneles fotovoltaicos, 10.34 kW |
20,774 |
10,387 |
|
Total |
256,648.2 |
106,540.8 |
Es claro que para que este tipo de tecnologías funcionen, se requiere de la cooperación de programas de gobierno y otras organizaciones con la finalidad de obtener beneficios ambientales y económicos (Wang et al., 2011). La rentabilidad por la adquisición de energías alternas también denominados Mecanismos de Desarrollo Limpio (MDL) se muestra en la Figura 2, en ella se observa que la inversión inicial es recuperable en un plazo aproximado de 10 años. La amortización bimestral calculada oscila entre US$ 2,642 y US $ 10,316. La reducción de emisiones de GEI en los establos se puede vender en otras regiones o países que emiten cantidades superiores de GEI a las establecidas por el protocolo de Kioto, a través de los certificados de reducción de emisiones (CERs) o bonos de carbono que promueve el Banco Mundial (ECOFYS, 2014), los cuales, en California, EUA, se cotizan en US$ 10 t-1 CO2 equivalente. Y, de acuerdo con nuestros cálculos, con el uso de energías alternas las emisiones de GEI se reducirán entre 81 y 91.2 t-1 CO2 equivalente/bimestre, lo cual permite incrementar los ingresos al establo entre US$ 414 y US$ 912, aunado al ahorro de consumo de electricidad por la generación de la misma y canalización a la red de la CFE; el tiempo de amortización estimado es de 7.5 años.
Figura 2
Tiempo de recuperación de la inversión anual por la adquisición del fermentador-motor-generador y los paneles solares para generar electricidad en establos lecheros
Nota. 300-500 vacas (), 600-750 vacas (), 800-1000 vacas (
), y 1150-1600 vacas (
). A) tiempo de recuperación de la inversión con la electricidad generada únicamente y, B) tiempo de recuperación de la inversión con la electricidad generada y la venta de certificados de reducción de emisiones, US $10 t-1 CO2eq.
En el Cuadro 4, se ejemplifica el cálculo de los valores de generación de electricidad con biodigestor y paneles solares en un establo cercano a la ciudad de Querétaro, donde la insolación u horas solares al día necesarias para generar electricidad en la región va desde 4.4 kWh m2 d-1 para el mes de diciembre a 6.9 kWh m2 d-1 para el mes de mayo. Al combinar las dos formas de generación de energía eléctrica, se obtienen 579,477.46 kWh anuales, dato relativamente distante a lo estimado en otros estudios (Casas-Prieto et al., 2009 y Rivas-Lucero et al., 2012), pues ellos calcularon un máximo de 883,572 y 874,530 kWh al año, respectivamente, para un establo con 1000 vacas. Estas diferencias posiblemente se deben al número de vacas y a que ellos estimaron la producción de metano con la guía del IPCC (2006) nivel I, la cual sólo toma en consideración el número de vacas y un factor de emisión por tipo de clima en la región, sin describir el tipo de almacenamiento del estiércol. Es necesario mencionar que los valores mostrados en el Cuadro 4 son únicamente una estimación y que muy probablemente en la practica la generación eléctrica será menor.
Cuadro 4
Ejemplificación del cálculo de generación de energía con un biodigestor y un kit de 60 paneles solares; en el establo se cuenta con 914 vacas en producción
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Mes |
Consumo eléctrico del pozo para riego, kW |
Consumo eléctrico en la sala de ordeño, kW |
Demanda total de energía, kW |
Insolación global media, kWh/m2 d-1 |
Generación de electricidad en los paneles solares, kW |
Generación de electricidad en el biodigestor, kW |
Suma de generación eléctrica, paneles – biodigestor, kW |
Consumo aparente de electricidad de la red, kW |
|
Enero |
31,126 |
17,544 |
48,670 |
5.0 |
18,414 |
29,528.14 |
47,942.14 |
729 |
|
Febrero |
33,453 |
17,471 |
50,924 |
5.7 |
18,960 |
26,670.58 |
45,631.58 |
5,293 |
|
Marzo |
136,131 |
17,542 |
153,673 |
6.4 |
22,810 |
29,528.14 |
52,338.14 |
100,575 |
|
Abril |
136,087 |
17,356 |
153,443 |
6.8 |
24,235 |
28,575.62 |
52,810.62 |
100,632 |
|
Mayo |
136,126 |
16,544 |
152,670 |
6.9 |
25,411 |
29,528.14 |
54,939.14 |
97,731 |
|
Junio |
136,022 |
3,252 |
139,274 |
6.4 |
22,810 |
21,135.1 |
43,945.1 |
95,329 |
|
Julio |
136,144 |
3,642 |
139,786 |
6.4 |
22,810 |
21,839.61 |
44,649.61 |
94,376 |
|
Agosto |
135,389 |
3,855 |
139,244 |
6.4 |
22,810 |
21,839.61 |
44,649.61 |
94,595 |
|
Sept. |
134,401 |
171,679 |
306,080 |
6.3 |
22,453 |
28,575.62 |
51,028.62 |
255,051 |
|
Oct. |
136,126 |
173,829 |
309,955 |
5.4 |
19,887 |
29,528.14 |
49,415.14 |
260,540 |
|
Nov. |
4,289 |
175,182 |
179,471 |
5.0 |
17,820 |
28,575.62 |
46,395.62 |
133,075 |
|
Dic. |
5,837 |
175,673 |
181,510 |
4.4 |
16,204 |
29,528.14 |
45,732.14 |
153,778 |
El total de CO2 equivalente estimado en el establo sin el uso de tecnologías para la generación de electricidad fue de 3,733 kg d-1 CO2 equivalente (de los cuales el 62%, 17.7% y 20.3% corresponden al consumo de electricidad, emisiones de CH4 y N2O, respectivamente). Con el uso de energías alternas el total de emisiones estimadas de CO2 equivalente fue 1,448.2 kg d-1, de los cuales 93.6% y 6.34% corresponden al uso de electricidad y a la quema de CH4 en el mototransformador.
Otros estudios señalan que la utilización de cladodios de nopal podría incrementar hasta 70% la generación de biogás en los fermentadores cuando se mezcla en proporción 3:1 de nopal y estiércol de bovino (Méndez-Gallegos et al., 2010). La digestión anaerobia prolongada del estiércol en lagunas anaerobias disminuye la generación de olores hasta en 91%, debido a que disminuye la DQO (demanda química de oxígeno) (Van Horn et al., 1994), sobre todo en lugares de clima caliente. La aplicación del efluente del fermentador al suelo en campos de cultivo, incrementa el contenido de materia orgánica, ayudando a la formación de agregados en el suelo y mejorando la infiltración del agua; dicho efluente no contiene microorganismos patógenos (Massé et al., 2010). La generación y quema de metano conlleva a otro tipo de problemas ambientales, como las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) debido a que el biogás contiene amonio (NH3) que al ser quemado produce NOx (Burch and Southward, 2001). Para esto McCarty (2000) propone el uso de materiales catalizadores para la combustión de CH4, y entre los mejores se encuentran metales nobles como el platino y el óxido de paladio, pero es muy posible que, de utilizarlos, se incremente la inversión inicial. El uso de distintas fuentes de energía puede ser una opción para mitigar gases de efecto invernadero por el aprovechamiento de materia orgánica en descomposición y de la luz solar para generar electricidad en establos lecheros estabulados, que, amortizada la inversión, disminuyen los gastos de operación tanto en el consumo de electricidad como por un aprovechamiento integral del estiércol (fertilizante de mejor calidad, aplicado en áreas destinadas a la producción de forrajes).
3. Conclusiones
La estimación muestra que aprovechando racionalmente los desperdicios generados en granjas lecheras y la energía solar, es posible lograr la sustentabilidad energética del establo.
La inversión inicial es amortizada en un lapso de 10 años o de 7.5 años con la venta de certificados de reducción de emisiones contaminantes y las emisiones de gases de efecto invernadero en CO2 equivalente se verían disminuidas hasta en un 61%.
Se requieren más estudios donde se desarrolle una metodología para estimar las emisiones de NOx que se generan por la quema de biogás.
Referencias
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