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1/2 Trabajo Fin de Máster Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia. Autor Alejandro José Rodríguez Rodríguez Director/es Francisco Moreno Gómez Ingeniería / Escuela de Ingeniería y Arquitectura 2013 MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia. Resumen: La creciente población supone una creciente demanda de energía, de suelo y de alimento. Se propone en este documento una forma de paliar esa demanda energética con la ayuda de la creciente demanda alimenticia, en concreto la cárnica y toda aquella con origen animal, sea cual sea la especie animal. Para ello se aprovecha las secreciones y deyecciones animales para la obtención de una fuente energética, pudiéndose considerar tal, como una fuente renovable. Con ello no solo se adapta la industria animal al crecimiento actual, sino que se proporciona energía, la cual cada vez es más demandada y además se elimina la posible emisión a la atmósfera de gases de efecto invernadero tales como el CH4. Con la tendencia a tornar la ganadería de extensiva a intensiva, se facilita la posibilidad de recoger y almacenar todas las deposiciones animales, ayudando a su uso en la dirección aquí planteada. El presente documento trata de describir las bases para un modelo matemático para la predicción del volumen de CH4 producido a partir de una cantidad de estiércol concreta. Para ello es necesario identificar unos factores que influyan en su generación y combinarlos de manera correcta, con el objetivo de lograr datos precisos. Una vez diseñado el método de cálculo se procederá a su aplicación para la cabaña ganadera de España. Es importante tener en cuenta que los datos proporcionados pueden variar de la realidad, debido a la posibilidad de existir cabezas de ganado no censadas. Se obtendrá pues, una estimación de la potencial producción de biogás en España. MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es ÍNDICE 1. Introducción 2. Métodos existentes 2.1. Método 1 2.2. Método 2 2.3. Método 3 2.4. Método 4 2.5. Método 5 2.6. Método 6 2.7. Método 7 3. Elaboración del método propio 3.1. Valoración de los parámetros de influencia 3.2. Evaluación de la producción de estiércol 3.2.1. Tipología animal y ratio de producción de estiércol 3.2.2. Clasificación del tipo de explotación ganadera 3.3. Producción de metano a partir del estiércol 3.3.1. Tecnologías de gestión del estiércol 3.3.2. Cuantificación de los sólidos volátiles 3.3.3. Ratio de producción de metano 3.4. Ecuación propia 4. Validación del método expuesto 5. Conclusiones 6. Bibliografía MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 1 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia 1. Introducción La situación actual de la economía de los países desarrollados ha dado origen a diferentes desajustes en cuanto al desarrollo sostenible de la sociedad. Uno de los principales problemas a los que se ven enfrentadas las administraciones de los distintos países, tanto de la UE como del resto de mundo, es el incremento en la generación de residuos. Las consecuencias de la intensiva explotación de recursos naturales para la generación de productos cuyo fin posterior, en un muy elevado porcentaje, es su disposición en vertedero, se ven reflejadas en los impactos sobre el terreno, tanto en ocupación como contaminación, y la emisión de gases de efecto invernadero responsables del calentamiento global. Aunque los objetivos primordiales respecto a los residuos deban ser evitar su generación, la realidad es que la eliminación en vertederos es una práctica común, y no siempre en las condiciones adecuadas. Con el fin de avanzar hacia una sostenibilidad en el uso de los recursos naturales, controlar y reducir las cantidades de residuos vertidos es una de las prioridades de las administraciones en materia de gestión de residuos. La principal preocupación es la liberación de contaminantes al territorio y gases de efecto invernadero a la atmósfera. En efecto, el cambio climático es uno de los mayores retos ambientales cuyas implicaciones obligan a tomar acciones para hacerle frente. Por lo tanto, es de gran importancia limitar los impactos que los vertederos y cualquier vertido generan al medio ambiente. Además de la reducción en origen, todas las posibles soluciones a este problema pasan por optar por una mejor gestión de los residuos. Existen muchas alternativas de tratamiento, acogidas por los diferentes municipios, sujetas a las políticas e iniciativas que los rigen. La legislación europea1 en materia de residuos establece requisitos, en relación a los criterios y procedimientos en contra del depósito de materiales que pueden ser reciclados y valorizados, como por ejemplo reducir los residuos municipales biodegradables destinados a vertedero al 75% de la cantidad total en peso de los residuos municipales biodegradables generados en 1995. Sin embargo, el éxito o fracaso de adoptar una de estas alternativas depende primordialmente de la naturaleza de la composición del residuo y, básicamente, del sistema de recogida y separado del mismo. Ahora bien, dentro de este esquema es fundamental considerar que los residuos ganaderos pueden constituir recursos aprovechables, reduciendo con ello la extracción y el consumo de materias primas como son, productos para la elaboración de fertilizantes y combustibles fósiles para la generación de energía. De este modo, la optimización del ciclo total de materiales conlleva también ventajas económicas y sociales compatibles con un modelo de desarrollo sostenible. De éste modo toda explotación ganadera tendría asociada una revalorización de su producción, al considerar los residuos como una nueva materia prima. La actual política de residuos de la UE gira en torno al principio de “jerarquía de residuos” (Figura 1), definida también en la Ley 22/2011 de residuos, que parte de la base de que la generación de residuos debe minimizarse y los generados deben reutilizarse, reciclarse o valorizarse, siendo el vertido la última opción y la más nociva para el medio ambiente. 1 Directiva 99/31/CE del Consejo, de 26 de abril 1999, relativa al vertido de residuos. La Unión Europea establece requisitos técnicos estrictos para los residuos y los vertidos con el objeto de prevenir o reducir los efectos ambientales negativos del vertido de residuos. MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 2 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia Figura 1. Jerarquía de gestión de residuos En general, la adecuada gestión de residuos, pasa por tomar acciones en la prevención de su generación y peligrosidad, además de fomentar la reutilización, el reciclaje y valorización una vez producidos, para minimizar los efectos que estos representan para el medio ambiente y la salud humana. Siguiendo la jerarquía de gestión de residuos mencionada anteriormente (Figura 1), la valorización de los mismos, según la Ley 22/2011 de residuos, se define como: “cualquier operación cuyo resultado principal sea que el residuo sirva a una finalidad útil al sustituir a otros materiales, que de otro modo se habrían utilizado para cumplir una función particular, o que el residuo sea preparado para cumplir esa función en la instalación o en la economía en general”. Asimismo, el Plan Nacional Integrado de Residuos 2007–2015, menciona la valorización de los residuos mediante, entre otros, la producción de biogás mediante la digestión anaeróbica. La creciente preocupación por las consecuencias de los gases de efecto invernadero en el cambio climático, ha permitido el surgimiento de diferentes tecnologías de transformación de la materia orgánica residual (MOR). Sin embargo, ante el cambio de la coyuntura energética y económica, dichas tecnologías toman fuerza principalmente aquellas destinadas a la obtención de biocombustibles. Siendo que la cadena de tratamiento, desde la recogida de los residuos hasta su posterior valorización material (compost) o energética en forma de combustible sólido, líquido o biogás, debe ser viable económicamente para la comercialización de los sub-productos obtenidos, se debe tener en cuenta diferentes factores tecnológicos, de logística de recogida, transporte y distribución y, además, factores sociales. MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 3 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia Figura 2. Distribución MOR (materia orgánica residual) por tipo de residuos en Aragón 2007 (t/año). Gira, Plan de Gestión Integral de Residuos de Aragón 2009-2015 De este modo proporcionando un uso a los residuos animales, convertimos un residuo en una fuente energética y una materia prima. Por un lado, proporcionamos un valor añadido a los residuos y por consiguiente a las propias explotaciones ganaderas y, por otro lado, evitamos la emisión a la atmósfera de gases de efecto invernadero tales como metano (CH4), gas con un potencial de efecto invernadero aproximadamente 22 veces superior al del dióxido de carbono (Co2). Además con estos tratamientos obtenemos un afluente de materia orgánica residual no tóxica, con una alta carga de fosforo [7]. El fósforo es un elemento usado, en concentraciones adecuadas, como componente principal de los fertilizantes [9], con lo cual el afluente residual, se convierte por sí mismo en un fertilizante debido a su alto contenido de este elemento llegando en ocasiones superar los 5 kg/m3 [10]. Se debe considerar un uso sostenible del estiércol, teniendo en cuenta la capacidad de depurar, dicho material, del suelo sobre el que se aplique [16], ya que no un exceso de nutrientes resulta beneficioso para el suelo. Se debe tener en cuenta que la producción ganadera, en especial la porcina, es señalada como una de las principales causantes de los principales problemas medioambientales, tanto a nivel global (efecto invernadero) como a nivel local (eutrofización, acidificación). El efecto invernadero producido por gases como el metano (CH4) o el amoniaco (NH3), y la eutrofización y la acidificación por acumulación de fosforo (P), materia orgánica, microorganismos, cobre (Cu), zinc (Zn), etc. [11]. El estiércol animal emite de entre un 3 a un 6% de las emisiones totales de CH4 [12]. MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 4 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia El proceso que aquí se plantea consiste en una recolección del material, que se pueda recolectar (en función de la ganadería intensiva o extensiva) y un tratamiento del mismo (digestión anaeróbica). Posteriormente se obtiene un biogás (con un contenido relativo de metano), el cuál es almacenado para su posterior uso o distribución (Figura 3). Según el IPCC en sus Directrices de 2006 para los inventarios nacionales de gases de efecto invernadero, en el Volumen 4, Agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra, en el capítulo 10 Emisiones resultantes de la gestión del ganado y del estiércol, los pasos a seguir son los siguientes: · Paso 1: recabar datos de la población a partir de la Caracterización de la Población de ganado · Paso 2: emplear valores por defecto o desarrollar factores de emisión específicos del país para cada subcategoría de ganado en función de los kilos de metano por animal y año · Paso 3: multiplicar los factores de emisión de las subcategorías de ganado por las poblaciones de las éstas para estimar la emisión de cada subcategoría, y sumar lo de todas las subcategorías para estimar la emisión total por especie de ganado primaria · Paso 4: sumar las emisiones de todas las especies de ganado definidas para determinar las emisiones nacionales. Figura 3. F.A. Batzias el al, (2005) Evaluating livestock manures for biogas production: a GIS based method 2. Métodos existentes Actualmente existen diferentes métodos para la cuantificación de la potencial producción de biogás a partir de residuos animales. Estimando la emisión de metano (CH4) a partir de una cantidad específica de estiércol, considerando como tal la bosta y la orina conjuntamente, es necesario tener en cuenta el hecho evidente de la posibilidad de obtener una mayor fracción de sólidos volátiles a partir de purines, frente a los obtenidos de la bosta, debido a la alta humedad del primero. Esta estimación se hace bajo condiciones especiales, normalmente anaeróbicas. Algunos métodos presentan formulaciones básicas que no tienen en cuenta todos los factores causantes de la emisión de biogás y por el contrario otros métodos tienen en cuenta excesivos factores que complican el cálculo. Es tarea imprescindible aplicar un método de cálculo preciso pero que sea de aplicación más o menos sencilla y directa, para ello es necesario tener en cuenta los principales factores influyentes en la emisión del biogás. Con el fin de evaluar cuales serían dichos factores, se ha procedido al estudio de diferentes métodos existentes, publicados por diversos autores. MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 5 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia 2.1. Método 1 Gómez et al [1] realizaron un estudio básico del potencial de generación eléctrica a partir de residuos animales en España. Para ello cuantificar la producción de metano teniendo en cuenta factores de emisión (Ecuación 1) tales como la cantidad de residuo que es posible recolectar, la producción de residuo por cabeza y especie (Anexo-Figura 1). Ecuación 1 Donde: PRG: ratio de producción de metano (Nm3 CH4) N: número de animales de una misma especie R: producción de residuos del animal (kg/cabeza·año) h: fracción de residuo que se pueda recolectar S: fracción de sólidos secos en el residuo (kg dry solid/kg residue) M: ratio de generación de CH4 del residuo (Nm3 CH4/kg dry solid) Sin embargo Gómez et al. no tuvieron en cuenta factores propios del lugar, dando así por hecho una misma producción de biogás independientemente del lugar en cuestión. Sin tener en cuenta estos aspectos, se obtendrán resultados poco precisos. 2.2. Método 2 El IPCC (Intergobernmental Panel on Climate Change) [2] ha realizado dos métodos de cálculo dependiendo de la profundidad en el cálculo. Un primer método simplificado denominado Tier 1 (Nivel 1) para estimar las emisiones que sólo requiere los datos de la población de ganado por especie/categoría animal y del clima de la región o la temperatura, en combinación con los factores de emisión por defecto del IPCC. Dado que algunas emisiones de sistemas de gestión del estiércol dependen en gran parte de la temperatura, es una buena práctica estimar la temperatura anual promedio relacionada con los lugares donde se gestiona el estiércol. Este primer método tiene su aplicación por regiones (Anexo-Figura 2-3-4) aplicando el factor EF (Ecuación 2), aplicando así un factor generalizado para el ganado, sin tener en cuenta edades, sexos, etc, por lo que la división tipológica se omite. Ecuación 2 Donde: CH4 Estiercol: cantidad de metano contenida en el estiércol (Gg CH4·año-1) EF(T): factor de emisión de CH4 de cada tipo animal (kg CH4·cabeza-1·año-1) N(T): número de cabezas de ganado por cada categoría y tipo de animal MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 6 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia 2.3. Método 3 El segundo método denominado Tier 2 (Nivel 2) [2], más complejo, está destinado a estimar las emisiones de CH4 producidas por la gestión del estiércol donde una especie/categoría de ganado en particular represente una parte significativa de las emisiones de un país. Este método requiere información detallada sobre las características de los animales y las prácticas de gestión del estiércol, la que se emplea para desarrollar factores de emisión específicos para las condiciones del país. Para ello se calcula el término EF de la Ecuación 2, tal y como se indica en la Ecuación 3, que tiene en cuenta cada tipo animal, dividiendo por categoría, edad y sexo, además tiene en cuenta las temperaturas de la zona en cuestión, el sistema de manejo del estiércol, etc., pero para el cálculo de la capacidad de producción máxima de metano por cada categoría animal, aplica unas tablas y unos métodos de cálculo que resultan largos y complicados, posibilitando un error en el cálculo. Ecuación 3 Donde: EF: factor anual de emisión de metano para la población de ganado categoría T (kg/animal·año) VS: sólidos volátiles (kg/cabeza·día) Bo: capacidad de producción máxima de metano por cada categoría y tipo de ganado T (m3 CH4/kg VS de las excretas) S: sistema de manejo del estiércol K: región climática MCF: factor de conversión de metano (%) T: tipo de ganado MS: fracción de generación de estiércol por cada categoría y tipo de ganado T, para cada sistema de manejo de estiércol S en la región climática k. Los sólidos volátiles (VS) constituyen el material orgánico del estiércol animal y consisten en fracciones tanto biodegradables como no-biodegradables. El valor a aplicar en la Ecuación 3 es el del total de VS (tanto las fracciones biodegradables como las no-biodegradables) tal como las excreta cada especie animal, dado que los valores de Bo se basan en el total de VS que entra en los sistemas. La mejor manera de obtener las tasas diarias de excreción de VS es usando datos de fuentes de publicación nacional. Si no se dispone de las tasas diarias de excreción de VS, se puede estimar las específicas del país a partir de los niveles de ingesta alimentaria aplicando la Ecuación 4. El contenido de VS del estiércol equivale a la fracción de la dieta consumida que no se digiere y que, por ende, se excreta como materia fecal y, que, combinada con las excreciones urinarias, constituye el estiércol. Los países deben estimar la ingesta de energía bruta (GE) y su fracción de digestibilidad, DE, en el proceso de estimar las emisiones entéricas de metano. Una vez estimados estos valores, la tasa de excreción de VS se estima como sigue: Ecuación 4 Donde: VS: excreción de sólidos volátiles por día en base a materia orgánica seca (kg/día) GE: ingesta de energía bruta (MJ/día) MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 13 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia · Ganado aviar: se trata de una ganadería industrial (intensiva) en casi su totalidad, situándose por encima del 90% los animales en régimen intensivo [21]. · Ganado bovino: el ganado bobino se encuentra dividido en función de su producción, tanto lechera como de carne, considerándose el ganado productor de leche intensivo y el ganado destinado a carne en un 56% extensivo [20], por lo que el factor a aplicar sería 1 y 0,44 para ganado bobino de leche y de carne respectivamente. · Ganado caprino: supongo un ganado práctimente extensivo, con un 94% del total del ganado caprino explotado de manera extensiva [20]. Se le aplicará un factor de 0,06. · Ganado Cunícola: se estima un 90% del ganado en régimen intensivo · Ganado equino: se estima un 63% de las explotaciones equinas en régimen extensivo, que suponen un 54% del total de animales [23]. · Ganado ovino: ganadería mayoritariamente extensiva con un total del 86% [20], por lo que el factor a aplicar es 0,14. · Ganado porcino: se trata de una ganadería intensiva [19], a excepción del porcino ibérico que representa un 8,7% [18] de la cabaña porcina total. Tabla 2. Factor de recolección del estiércol (RE) Ganado Subcategoría RE Aviar Aves de corral 0,9 Bov ino Vacas de leche 1 Otras vacas 0,44 Toros mayores de 24 meses 0,44 Terneros entre 12 y 24 meses 0,44 Terneros de menos de 12 meses 0,44 Caprino Cabra 0,06 Cunícola Conejo 0,9 Equino Caballo 0,46 Ovino Oveja 0,14 Porcino Verracos 0,9 Otros cerdos 0,9 Crías 0,9 3.3. Producción de metano a partir del estiércol Una vez evaluada la cantidad de estiércol que se puede almacenar, así como la procedencia del mismo, se puede estimar la cantidad de biogás que se puede obtener. Dicha cantidad de biogás estará cuantificada por el volumen de CH4 contenido. Para su cuantificación se evaluarán los factores expuestos en el Apartado 3.1. 3.3.1. Tecnologías de gestión del estiércol La digestión anaeróbica es un proceso microbiológico que, en condiciones anaerobias (ausencia de oxigeno) permite transformar la materia orgánica en metano. Se compone de múltiples etapas en la que intervienen una población heterogénea de microrganismos. Pese a que existen cuatro rutas para la metabolización del MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 14 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia carbono, el proceso completo se puede resumir en dos fases principales, una primera hidrolítica fermentativa y una segunda metanogénica. En la primera fase, los polímeros orgánicos son metabolizados mediante hidrólisis y fermentación microbiana en una mezcla de ácidos grasos volátiles (acético, propiónico, butírico, valérico, láctico…), carbónico e hidrógeno. En la segunda fase, encadenada con la primera, se transforman los productos finales de la misma en metano y dióxido de carbono, mediante las bacterias metanogénicas que son anaeróbicas estrictas. La digestión anaeróbica en un proceso prometedor a nivel económico y medioambiental para recuperar residuos produciendo energía renovable. Además de la producción de productos valiosos como el metano y el residuo digerido, que puede ser utilizado como fertilizante, sino que también destruye los agentes patógenos que se presentan en los residuos de pluma [5]. La digestión anaeróbica de diversas materias primas orgánicas, principalmente residuos ganaderos y lodos de aguas residuales municipales producen un gas rico en metano llamado biogás. El biogás generalmente contiene entre 40% y 70% de metano, el resto del gas consiste en dióxido de carbono y entre 100 a más de 3000 ppm de sulfuro de hidrógeno (H2S) [6]. 3.3.2. Cuantificación de los sólidos volátiles El estiércol animal posee unas características que dependen del tipo de animal, edad, sexo, alimentación… en función de éstas características, el estiércol producirá una cantidad determinada de sólidos volátiles. Los sólidos volátiles representan la fracción del estiércol que se volatilizará, es decir, es la fracción del estiércol que no queda como residuo final. Para su cuantificación se han tenido en cuenta por un lado, los datos de sólidos volátiles proporcionados por el IPCC [2] en kg de sólidos volátiles por animal y año y por otro lado, los valores de kg de estiércol por animal y año (Tabla 1). Realizando una relación entre ambos valores, se obtienen los kg de sólidos volátiles por kg de estiércol producido (Tabla 3). Tabla 3. Sólidos volátiles existentes en el estiércol (SV) Datos obtenidos del IPCC [2] Ganado Subcategoría SV (kg SV/kg estiércol) Aviar Aves de corral 0,23 Bov ino Vacas de leche 0,081 Otras vacas 0,068 Toros mayores de 24 meses 0,062 Terneros entre 12 y 24 meses 0,086* Terneros de menos de 12 meses 0,9* Caprino Cabra 0,11 Cunícola Conejo 0,67 Equino Caballo 0,085 Ovino Oveja 0,37 Porcino Verracos 0,09 Otros cerdos 0,08 Crías 0,11 *Datos estimados en función del peso aproximado del animal y las emisiones de VS dadas por el IPCC (Anexo-Figuras 6 a 11) MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 15 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia 3.3.3. Ratio de producción de metano Se estima una producción máxima de CH4 por cada kg de sólidos volátiles existentes en el estiércol animal. Dicha producción máxima variará en función del tipo de animal, por lo que se emplea la misma división tipológica de la Tabla 1. Los valores a aplicar para dicho factor (Tabla 4) se establecen a partir de los datos proporcionados por el IPCC. Tabla 4. Ratio de producción de CH4 del estiércol (PM) Datos obtenidos del IPCC [2] Ganado Subcategoría PM (m3/kg de SV ) Aviar Aves de corral 0,39 Bov ino Vacas de leche 0,24 Otras vacas 0,18 Toros mayores de 24 meses 0,1 Terneros entre 12 y 24 meses 0,1 Terneros de menos de 12 meses 0,1 Caprino Cabra 0,18 Cunícola Conejo 0,32 Equino Caballo 0,3 Ovino Oveja 0,19 Porcino Verracos 0,45 Otros cerdos 0,45 Crías 0,45 3.3.4. Factor temperatura La temperatura del entorno influye directamente en la producción de CH4 durante el almacenamiento y transporte hasta el biodigestor ya que en éste las condiciones térmicas son controladas. Se estima una reducción de la producción de CH4 por día de almacén y °C de temperatura. El porcentaje en la emisión de CH4 por efecto de la temperatura ambiente se presenta en la Tabla 5 [24], estimándose un valor independiente del tipo animal. En la Tabla 6 se presentan los factores en función del tiempo de espera del estiércol dividido en función del tipo animal ya que de éste depende el mismo. Se considerará un mismo tiempo de espera por tipo animal, independientemente de la provincia, igualando así los tipos animales a nivel nacional. No se debe confundir tiempo de espera del estiércol, con los periodos de limpieza de las camas. La limpieza de las camas se realiza con cierta frecuencia, pero los residuos retirados son almacenados, hasta alcanzar un volumen determinado, para posteriormente destinarlos a una aplicación. Durante el tiempo de espera, el estiércol sufre una oxidación, con lo cual su potencial de producción de CH4 disminuye al combinarse, las moléculas de carbono existentes en el estiércol, con el oxígeno de la atmósfera. El cálculo del tiempo de espera se ha obtenido tras la consulta de diversas fuentes y aplicando la Ecuación 9. Se estima un tiempo de espera de 3 semanas para porcinos [22]. Para el caso del ganado aviar se determina un periodo de 50 días [23]. Para ganado bovino, se diseñan los estercoleros para un tiempo de retención de entre 2,5 y 4,5 meses, tomaremos una cifra media de 3 meses [25]. Para el ganado Cunícola puede almacenarse el estiércol durante 2 meses o más, se estimará un tiempo de almacenado de MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 16 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia 2 meses [26]. Para el caso de ganado ovino y caprino se determinará 2 meses de espera y para el ganado equino 1 mes. Tabla 5. Reducción de la producción de CH4 del estiércol por efecto de la temperatura (FT) [24] Temperatura media ( °C) FT (%) T<12 97 12<T<15 93 16<T<20 90 24<T<26 79 29<T<30 45 ܶܧ ൌ ͳͲͲ െቀ݊൉ͳͲͲ ͵͸ͷ ൗቁ Ecuación 9 Donde: TE, corresponde al factor en función del tiempo de espera (%) EFT, corresponde al factor de emisión dados por el IPCC (kg CH4/cabeza·día) n, corresponde al número de días que el estiércol está en espera de ser procesado Para cada especie animal, en función del tiempo de espera, el factor TE representará un porcentaje del total de la emisión de CH4 anual de esa especie animal (Tabla6). Tabla 6. Reducción de la producción de CH4 del estiércol debido al tiempo de espera (TE) Ganado TE (%) Aviar 86,6 Bovino 75,4 Caprino 83,56 Cunícola 83,56 Equino 91,79 Ovino 83,56 Porcino 94,3 3.4. Ecuación propia Tras el análisis de los artículos anteriormente expuesto se estima necesario tener en cuenta los siguientes parámetros contemplados en la Ecuación 10, para la obtención del volumen (m3) de CH4 producido partiendo del número y clasificación animal. å Sumatorio de todas las especies animales (e) (avícola, bobino, caprino, cunícola, equino, ovino y porcino) å Sumatorio de todas las tipologías de cada especie (t) (lechones, cerdas, verracos…) (N) Número de animales (PE) Factor de producción de estiércol (específico de cada especie animal y subcategoría) (kg/día) (SV) Cantidad de sólidos volátiles excretados (kg SV/kg estiercol) (PM) Factor de producción de metano del estiércol (específico para cada purín de cada tipo animal y cada procedimiento de extracción) (m3 CH4/kg estiércol) (RE) Factor de recolección del estiércol (intensivo-extensivo) (adimensional) (FT) Factor de temperatura media anual del lugar (%) MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 17 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia (TE) Tiempo de espera del estiércol (%) ܲ஼ுరൌσ σ ሺܰ ൉ ܲܧ ൉ ͵͸ͷሻ൉ ܸܵ ൉ ܲܯ ൉ ܴܧ ൉ ி் ଵ଴଴ ൉்ா ଵ଴଴ ௧௘ Ecuación 10 PCH4: producción total de metano de toda la cabaña ganadera (m3 · año-1) 4. Validación del método expuesto Para la validación del método aquí presentado se evaluará el potencial de producción de CH4 de España, empleando tres metodologías expuestas en este documento. Para aplicar los métodos y obtener resultados fiables y actuales se emplean los censos ganaderos más recientes posibles, realizando la división tipológica de la Tabla 1. Para el cálculo se emplea la herramienta de cálculo Excel realizando el cálculo por provincias. Los resultados obtenidos para el censo se exponen en Anexo Tabla 2, por provincias y el total para toda España en la Figura 6. Para obtener dichas datos se han empleado las siguientes fuentes: · Encuesta aviar, datos INE 2009 · Encuesta bovina, datos del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, censo 2012 · Encuesta caprina, datos del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, censo 2011 · Encuesta cunícola, datos INE 2009 · Encuesta equina, datos INE 2009 · Encuesta ovina, datos del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, censo 2011 · Encuesta porcina, datos del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, censo 2012 Figura 6. Censo ganadero de España Con el censo fijado se realiza la estimación de la producción de CH4, empleando tres métodos. La primera metodología a emplear será la presentada por Gómez et al. [1], debido a la sencillez de su cálculo. La Figura 7 muestra en (Nm3/año), los resultados a nivel nacional obtenidos mediante la primera metodología. Figura 7. Potencial producción de CH4 por Gómez et al. [1] Para una comprobación más exacta se empleará también el método Tier 2 del IPCC [2] cuyos valores a nivel nacional se muestran en la Figura 8. El método Tier 2 (IPCC) presenta una gran complejidad a la hora del cálculo del factor VS (sólidos volátiles, Ecuación 4), por lo que su aplicación se simplificará aplicando los valores por defectos presentados por el IPCC en las Figuras 6 a 11 del Anexo, puesto que resulta imposible realizar el balance energético de cada animal de la totalidad del ganado de España. A la hora del cálculo del factor MCF, es necesario emplear los valores complementarios a los expuestos en las Figuras 6 a la 10 del 157.013.135 5.434.903 2.694.318 753.664 317.874 17.002.721 25.161.080 Aviar GANADO Cunícola Equino España TOTAL Bovino Caprino Ovino Porcino 171.009.228 440.348.428 20.236.268 285.331 3.480.720 59.320.283 480.192.296 Aviar PorcinoBovino Equino Ovino PRODUCCIÓN (Nm3/año) MÉTODO 1 [Gómez et al.] Caprino Cunícola 1.174.872.555 TOTAL MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 18 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia Anexo, donde se especifican porcentajes de CH4 emitido a la atmósfera, ya que el objetivo de este trabajo es evaluar el CH4 que se pueda obtener, no el emitido a la atmósfera. El factor MS se considerará 1 al gestionarse la totalidad del estiércol de la misma manera. Figura 8. Potencial producción de CH4 por el IPCC, Tier 2 [2] Por último se presentan los datos arrojados por el método aquí expuesto. Figura 9. Potencial producción de CH4 por el método propio La variación existente entre los tres métodos se expone en la Figura 10. Existe una variación entre los métodos debido al uso de los factores. Por un lado el Método 1 [1] no tiene en cuenta la acción de la temperatura en la generación de CH4, ni el tiempo que el estiércol se encuentra almacenado hasta su uso, además de evaluar el potencial de producción de CH4 a partir de lo sólidos secos, y no de los sólidos volátiles. Por otro lado el IPCC pese a ser el método más completo, no tiene en cuenta la cantidad de estiércol recolectable, existe una porción del estiércol, que como ya se mencionó antes, no puede ser recolectada y tampoco tiene en cuenta la acción de la atmósfera sobre el estiércol almacenado previo a su introducción al digestor. Figura 10. Validación del método. Existe una gran variación de la producción aviar, caprino, cunícola, equino y ovino del Método del IPCC, con respecto al método aquí enunciado debido al factor MCF (porcentaje de CH4 emitido por sistema de gestión del estiércol), el cual, el IPCC aplica un valor por defecto muy reducido el cual pese a estar determinado en función de la temperatura, no varía en el intervalo a aplicar para el caso concreto de España. 8.579.379 789.179.324 796.555 127.159 1.112.062 19.985.618 821.246.500 PRODUCCIÓN (Nm3/año) MÉTODO 2 [IPCC] Aviar Caprino Cunícola 1.641.026.599 TOTAL Bovino Equino Ovino Porcino 374.649.566 413.083.622 2.100.105 8.810.762 28.530.486 50.503.725 711.315.458 PRODUCCIÓN (Nm3/año) MÉTODO PROPIO PorcinoOvinoEquinoCunícolaCaprinoBovinoAviar TOTAL 1.588.993.724 0 500.000.000 1.000.000.000 1.500.000.000 2.000.000.000 España TOTAL Método 1 Método 2 Método 3 MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 19 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia 5. Conclusiones El método presentado refleja una diferencia del 3% aproximadamente con respecto al método del IPCC [2], reflejando así un simplificación sin presentar una gran variación en los resultados obtenidos, por lo que se presenta el método aquí expuesto como un método preciso y simplificado. La exactitud de los datos depende principalmente de la clasificación animal. La precisa clasificación animal permite la aplicación de factores de emisión más ajustados a los propios animales, ya que los factores dependen de: · Tamaño · Edad · Sexo · Actividad que desarrolla · Confinamiento · Dieta Para la realización de dicha clasificación sería necesario acotar el estudio y evaluar las explotaciones ganaderas, que por su tamaño, puedan entrar a formar parte del cálculo, descartando aquellas con una ganadería extensiva. Es imprescindible tener en cuenta condiciones típicas del emplazamiento de las explotaciones ganaderas. Para ello se aplican factores dependientes de las temperaturas medias del lugar. En regiones con grandes variaciones entre las temperaturas máximas y mínimas, sería aconsejable un estudio mensual. Para éste trabajo se ha considerado un estudio anual. Además resulta importante el cálculo por explotación, con lo que se puede tener en cuenta, de manera exacta: · Tipo de ganado · Disposición del mismo · Tipo de alimentación · Actividad que realiza el ganado De esta manera se puede realizar un balance de energía, teniendo por un lado la energía consumida por el animal, en función del tipo de alimentación, y por otro lado se puede tener en cuenta la energía que el animal consume en su vida diaria. Con esto se podría aplicar con exactitud la Ecuación 4 presentada por el IPCC. Sería necesario estudiar la rotación de los residuos. A parte del tiempo que normalmente se tarda en recoger los residuos ganaderos, es necesario tener en cuenta el tiempo de residencia de dichos residuos en los biodigestores. Así tendríamos unos periodos fijados de recogida de estiércol y vaciado de los biodigestores, realizando ciclos determinados para una optimización del proceso. Donde es importante la minimización del tiempo de espera. A la hora de considerar el tiempo de espera del estiércol hasta su procesado, es necesario considerar, como se almacena. No solo se debe tener en cuenta la temperatura media del lugar, sino la exposición al sol del estiércol, ya que haría aumentar considerablemente su temperatura. MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 20 Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia Los métodos de cálculo, normalmente se basan en el método Tier 2 del IPCC, presentándose tal método como el más exhaustivo y preciso. Pero al requerir excesivos datos de entrada, resulta complicado de aplicar, sobre todo si se trata de estimar el potencial de producción de CH4 de todo un país, con las variaciones que ello pueda representar. Pese a tener en cuenta la temperatura media del lugar, no evalúa el tiempo que el estiércol está expuesto a la atmósfera. Además presenta cálculo, como el de los sólidos volátiles (VS), que resulta en la práctica muy complicado de evaluar, por lo que a pesar de ser preciso, resulta imposible de aplicar con precisión. Para la obtención de datos más precisos resulta una herramienta importante la posibilidad de contar con un laboratorio que pueda evaluar datos tales como, la conversión a CH4 de los sólidos volátiles, la emisión de sólidos volátiles por kg de estiércol, las excreciones animales, la variación de la concentración de CH4 en función de las temperaturas, etc. MASTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA Trabajo Fin de Máster Cuantificación del potencial de producción de biogás. Valoración de los parámetros de influencia 6. Bibliografía [1] Antonio Gómez, Javier Zubizarreta, Marcos Rodriguez, César Dopazo, Norberto Fueyo; Fluid Mechanics Group, University of Zaragoza, AMF-CPS, Spain; Potential and cost of electricity generation from human and animal waste in Spain (2009). [2] Directrices del IPCC de 2006 para los inventarios nacionales de gases de efecto invernadero, Volumen 4, Agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra. [3] Hamed M. 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