Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 32, No. 3, July-September, 2023, ISSN: 2071-0054
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ORIGINAL ARTICLE

Feasibility of the Adequate Anaerobic Biodigestion Technology for a Dairy Agroecosystem

 

iDYanoy Morejón-Mesa*✉:ymorejon83@gmail.comymm@unah.edu.cu

iDDarielis Vizcay-Villafranca

iDRamón Pelegrín-Rodríguez

iDMalgreter Noguera


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

 

*Author for correspondence: Yanoy Morejón-Mesa, e-mail: ymorejon83@gmail.com o ymm@unah.edu.cu

ABSTRACT

The present investigation is oriented towards the determination of the economic, environmental and energetic feasibility of the anaerobic biodigestion technology suitable for a dairy agroecosystem, established in "El Guayabal" University Farm, belonging to the Agrarian University of Havana. For this, animal species existing in the scenario is determined, since it will contribute the organic waste to the biodigester. The number of animals is also determined, considering the movement of the herd, which would make it possible to determine the biomass generated daily with the purpose of establishing the sizing of the appropriate biodigester technology and knowing the behavior of the economic and energy parameters. Among the main results obtained, it was evidenced that the installation of a tubular polyethylene biodigester is more feasible than the installation of a fixed dome biodigester, meaning an economic saving of 19,796 pesos for the concept of technology selection. The necessary volume of this technology must be 20 m3, making it possible to produce 190 kg/day of biofertilizers, which represent an economic contribution of 2,375 pesos (95 USD) constituting an added value, in addition to the energy and economic benefits to be obtained. Moreover, with the introduction of the selected anaerobic biodigestion technology, it is possible to generate electrical energy to drive a fodder mill, a refrigeration system, a mechanical milking system, lighting, electric fencing and a water pumping system, all which require the acquisition of a 35 kW biogas generator.

Keywords: 
Renewable Energy, Dairy Production, Anaerobic Digestion, Energy Feasibility, Environmental Impact

Received: 03/2/2023; Accepted: 24/6/2023

Yanoy Morejón-Mesa, Dr.C. Profesor Titular, Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. e-mail: ymorejon83@gmail.com, ymm@unah.edu.cu

Darielis Vizcay-Villafranca , Ing., Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. e-mail: darielisv@unah.edu.cu

Ramón Pelegrín-Rodríguez, Ingeniero recién graduado, Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. e-mail: pelegrinramon458@gmail.com

Malgreter Noguera-Betancourt, Ingeniera Agrónoma graduada de la Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Agronomía, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. e-mail: malgreternoguerabetancourt@gmail.com

The authors of this work declare no conflict of interests.

AUTHOR CONTRIBUTIONS: Conceptualization: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca. Data curation: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca. Formal Analysis: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca, M. Noguera Betancourt. Investigation: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca, R. Pelegrin Rodríguez, M. Noguera Betancourt. Methodology: J Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca. Supervision: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca. Validation: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca, R. Pelegrin Rodríguez. Writing - original draft: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca, R. Pelegrin Rodríguez. Writing - review & editing: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca, R. Pelegrin Rodríguez.

This article is under license Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)

CONTENT

INTRODUCTION

 ⌅

The current world faces two basic problems for the existence and future progress of humanity: stopping the growing environmental pollution and the search for and obtaining new sources of energy (Guardado-Chacón, 2006GUARDADO-CHACÓN, J.A.: Manual del Biogás, Ed. Editorial CUBASOLAR, La Habana, Cuba, 2006.). The only way to have a secure energy future is to find an environmentally sustainable way to produce and use energy. If society's concerns about energy and the natural environment are not addressed, the steady and secure energy supply on which economies depend will be jeopardized (Priddle, 1999PRIDDLE, R.: “Energía y desarrollo sostenible”, IAEA Bulletin, 41(1): 2-6, 1999.). It is necessary to take advantage of renewable energy sources based on the best use of local resources that, through the best use of appropriate technologies, contribute to saving conventional fuel and serve to return to the soil the nutrients it needs and protect the environment from pollution (Santos-Abreu et al., 2011SANTOS-ABREU, T.; MEDINA-MORALES, N.; MACHADO-MURO, Y.; MARTÍN-SANTOS, T.: La Educación Agropecuaria en la Escuela Cubana Actual, Ed. Editorial “Félix Valera", Estudio de la Educación Ambiental. Villa Clara, Cuba ed., Villa Clara, Cuba, 2011.).

A clear example of renewable energy sources is biomass, a term that refers to all organic matter generated from photosynthesis or produced by the trophic chain. And as raw material for recycling processes, it originates from recently expelled feces and urine (animal excrement), which are made up of the surplus of food already digested, but not used by the body, apart from waste such as bedding, food residues or added material (Grundey & Juanos, 1982GRUNDEY, K.; JUANOS, C.B.: Tratamiento de los residuos agrícolas y ganaderos, Ediciones GEA ed., Barcelona, España, 278-280 p., 1982, ISBN: 84-7287-025-1.).

Anaerobic digestion is a good alternative to treat waste with high content of biodegradable organic matter (Flotats-Ripoll et al., 2001FLOTATS-RIPOLL, X.; CAMPOS-POZUELO, E.; PALATSI-CIVIT, J.; BONMATÍBLASI, A.: “Digestión anaerobia de purines de cerdo y codigestión con residuos de la industria alimentaria”, Porci, (65): 51-65, 2001, ISSN: 1130-8451.; Sosa, 2017SOSA, R.: “Indicadores ambientales de la producción porcina y ganadera”, En: VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical, Instituto de Investigaciones Porcinas, La Habana, Cuba, 2017.). Therefore, this treatment is indicated for agro-industrial wastewater, with a high load of biodegradable organic matter like discharges from the production of sugar, alcohol, meat, paper, preserves and distilleries (Rahayu et al., 2015RAHAYU, A.S.; KARSIWULAN, D.; YUWONO, H.; TRISNAWATI, I.; MULYASARI, S.; RAHARDJO, S.; HOKERMIN, S.; PARAMITA, V.: “Handbook POME-to-biogas project development in Indonesia”, Winrock International, United States of America, : 8-19, 2015.; Suárez-Hernández et al., 2018SUÁREZ-HERNÁNDEZ, J.; SOSA-CÁCERES, R.; MARTÍNEZ-LABRADA, Y.; CURBELO-ALONSO, A.; FIGUEREDO-RODRÍGUEZ, T.; CEPERO-CASAS, L.: “Evaluación del potencial de producción del biogás en Cuba”, Pastos y Forrajes, 41(2): 85-92, 2018, ISSN: 0864-0394, e-ISSN: 2078-8452.). Besides, agricultural residues, such as slurry, manure (Bansal et al., 2017BANSAL, V.; TUMWESIGE, V.; SMITH, J.U.: “Water for small‐scale biogas digesters in Sub‐Saharan Africa”, GCB Bioenergy, 9(2): 339-357, 2017, ISSN: 1757-1693, e-ISSN: 1757-1707, Publisher: Wiley Online Library.) and urban waste that includes both the organic fraction of solid waste (Biogas Association, 2016BIOGAS ASSOCIATION: Municipal guide to biogas Ottawa, Canada: Biogas Association, [en línea], Inst. Biogas Association, Ottawa, Canada, Ottawa, Canada, 4 de junio de 2016, Disponible en: https://biogasassociation.ca/resources/municipalguide_tobiogas. [04/06/2016].) and sludge from plants for treatment of urban wastewater (Frankiewicz, 2015FRANKIEWICZ, T.: “People’s Republic of China Urban Municipal Waste and Wastewater Program”, [en línea], En: línea], En: Technology, Process and Evaluation Best Practices for Utilizing Organic and «Kitchen» Waste from the Municipal Solid Waste Stream» Workshop. Global Methane Initiative, Ningbo, China, Ningbo, China, p. 16, 2015, Disponible en: http://communitybysesign.co.uk/.2015.).

Precisely, the biodigester is an anthropogenic remarkable technology to highlight in the biotechnological process of anaerobic digestion of biomass to obtain biogas. It is a hermetic reactor with a side inlet for organic matter, a top outlet through which the biogas flows and an outlet for obtaining effluents with biofertilizing properties, both products that contribute to solve producers’ needs and to promote organic agriculture, as an economically feasible and ecologically sustainable alternative (Zheng et al., 2012ZHENG, Y.; WEI, J.; LI, J.; FENG, S.; LI, Z.; JIANG, G.; LUCAS, M.; WU, G.; NING, T.: “Anaerobic fermentation technology increases biomass energy use efficiency in crop residue utilization and biogas production”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(7): 4588-4596, 2012, ISSN: 1364-0321.)

To these aspects, the high prices of fuels and the high local tariffs for electrical energy should be added, as factors to consider for the introduction of biodigesters or biogas plants at a national and regional levels to produce energy from agricultural production wastes (Parra-Ortiz et al., 2019PARRA-ORTIZ, D.L.; BOTERO-LONDOÑO, M.; BOTERO-LONDOÑO, J.M.: “Biomasa residual pecuaria: revisión sobre la digestión anaerobia como método de producción de energía y otros subproductos”, Revista UIS Ingenierías, 18(1): 149-160, 2019, ISSN: 2145-8456.).

Considering the previous criteria, at "El Guayabal" University Farm located in San José de las Lajas, Mayabeque Province, Cuba, a feasibility study was carried out on the anaerobic biodigestion technology suitable for introducing into a dairy agroecosystem, with the aim of producing biogas and biofertilizers.

MATERIALS AND METHODS

 ⌅

Dairy 021 of "El Guayabal" University Farm, belonging to the Agrarian University of Havana (UNAH), is located at 23°00'12.5" North latitude and 82°09'57.9" West longitude in San José de Las Lajas Municipality, Mayabeque Province, Cuba. It limits to the northwest with Dairy 023, to the northeast with the National Highway, to the southeast with Dairy 025 and to the southwest with Dairy 022. The total area is 36 ha, with typical Red Ferralitic soil according to Hernández-Jiménez et al. (2019)HERNÁNDEZ-JIMÉNEZ, A.; PÉREZ-JIMÉNEZ, J.M.; BOSCH-INFANTE, D.; CASTRO-SPECK, N.: “La clasificación de suelos de Cuba: énfasis en la versión de 2015”, Cultivos Tropicales, 40(1): 93, 2019, ISSN: 0258-5936, Publisher: Ediciones INCA.. It has a flat relief, height above sea level of 120 m and annual insolation of 1825kWh/m2. The meteorological variables recorded during the period 2015-2021 at the Tapaste Meteorological Station (Figure 1), showed that the maximum temperatures reached in the region exceeded 26 ºC between the months of June to September and the coldest fell on average to 20,76ºC in January. Rainfall showed increases from May and indicated the highest mean values ​​in June and August with 255,50 and 245,16 mm, respectively. The relative humidity varied between 72,8% (minimum, in March) and 84,6% (maximum, in December), while the wind speed expressed its maximum peak of 5,46 km/h during the month of February. The behavior of these climatic variables allows the satisfactory development of dairy farming.

FIGURE 1.  Monthly averages of the climatic variables in Dairy 021, period 2015-2021. Source: Tapaste

The consumption of electrical energy in the Dairy 021 during the year 2021 was analyzed and it showed a high monthly average consumption equivalent to 3 102,083 kWh is obtained.

The dairy has 34 milking cows, which reached an average daily milk production during 2021 of 7, 4 L/cow, so this dairy has a daily production potential of 251,6 L/day.

The existing means and equipment in the scenario under study, as well as their operating time, the energy consumption per operation, as well as the percentage of representation of each energy source are reflected in the Table 1.

TABLE 1.  Energy characteristics of the means and electrical equipment existing in dairy 02
Means and electric equipment Power, kW Operation Time, h Energy consumed per day, kWh/día %
Fodder mill 5,5 1,0 5,5 5,34
Water Pump 18,5 3,5 64,75 62,95
Refrigeration system 4,0 4,0 16 15,55
Mechanized milking system 5,0 3,0 15 14,58
Electric fence 0,04 10,0 0,4 0,38
Lighting 0,1 12,0 1,2 1,16
Total 102,85 100

So that in this dairy 102,85 kWh of electrical energy are consumed daily, an element that demonstrates the high consumption of this productive scenario and only water pumping represents 62,9% of the energy consumed .

Methodology for the Sizing and Installation of Anaerobic Biodigesters

 ⌅

To calculate the design parameters of an anaerobic biodigester, it is necessary to know the input data, and those that must be determined (Table 2).

The daily amount of material (Bmd) is directly related to the amount of biomass that is generated, be it domestic, agricultural or animal waste. In addition, the maximum quantity that is obtained and the plans for productive increases must be taken into account.

TABLE 2.  Input and output data required for the design of an anaerobic biodigester
Parameters Unit
Input data
Amount of daily biomass generated (Bmd) kg day-1
Excreta-water ratio (N) kg L -1
Biogas yield (Y) m3 kg-1
Hydraulic retention time (TRH) day
Ouput data
Daily volume of material (mixture of manure and water) (Vdm) kg day -1
Biodigester volumen (Vbiodig) m3
Daily volume of biogas produced (G) m3 day -1
Biogas containment volume (V2 ) m3
Surge tank volume (Vtc) m3

The amount of daily biomass generated (Bmd) is determined through the following expression:

B m d = C a × C e × R p   × R t ,   k g .   d a y − 1  (1)

where: Ca- Number of animals; Ce-Amount of excreta per animal, kg/day; Rp- Ratio between the average live weight of the animal population and the tabulated equivalent live weight; Rt- Fraction between the time of confinement with respect to the length of the day, h/day

B m d = C a × C e × ( P V p P V e ) × ( T e 24 h ) ,   k g . d a y − 1  (2)

where: PVp-Average live weight of the animal population, kg; PVe- Tabulated equivalent live weight; Te-Hours of the day that the animal remains stabled, h/day

The daily volume of material (mixture of manure and water) (Vdm) is not more than the sum of the residual and the dilution of the biomass (residual and water).

Vdm = ( 1 + N ) · B m d ,   m 3 . d a y − 1     (3)

where: N: Excreta-water ratio, kg L -1, it is required to know that the density of water is: 1000 kg/m3.

Meanwhile, the volume of the biodigester (Vbiodig) is calculated taking into account the value of the volume of material (mixture of manure and water) Vdm that enters the biodigester and the retention time TRH.

V b i o d i g = Vdm · T R H , m 3    (4)

Subsequently, the daily volume of biogas (G) produced is calculated:

G = Y × B m d , m 3 .   d a y − 1  (5)

where: Y- Biogas yield, m3. kg-1

The biogas yield (Y) is determined by the expression:

Y = X C e     , m 3 .   k g − 1  (6)

where: X- energy conversion coefficient of the manure produced daily, that is, the daily production of biogas depending on the type of organic waste, m3/day.

For all types of biodigesters, the volume of the compensation tank (Vtc) is equivalent to the volume of gas produced, that is, it ranges between 25…30% of the volume of the biodigester.

In the specific case of the calculations for the sizing of a fixed dome biodigester (characterized by its three parts: conical, cylindrical and spherical cap, represented in Figure 2), they are presented below.

The steps that must be followed for its use are the following:

  • The total volume of the biodigester (Vbiodig) is calculated, based on the volume of the water-manure mixture and the retention time, as shown in expression 4 V b i o d i g = Vdm · T R H , m 3   .

  • The radius of the predefined volume (R) is calculated.

FIGURE 2.  Main parts into which a fixed dome biodigester is divided. Source: Guardado-Chacón (2006)GUARDADO-CHACÓN, J.A.: Manual del Biogás, Ed. Editorial CUBASOLAR, La Habana, Cuba, 2006. .

To calculate the radius of the predefined volume (R), the expression is considered:

R = V b i o d i g ( π × 1.121 ) 3  (7)

where: R-Basic radius, m

Taking the radius of the predefined volume (R), the unit in meters is determined (U = R/4).

where: U- Proportional unit

This proportional unit allows determining the rest of the denominations, substituting U in the following proportions:

R c = 5 × U  (8)
D = 8 × U  (9)
h c = 2 × U  (10)
h p = 3. × U  (11)
h t = 0.15 × D  (12)

where: Rc-Radius of the dome, m; D-Diameter, m; hc=Height of the dome, m; hp= cylinder height, m; ht=Height of the base cone, m

From the determination of the main geometric parameters, the volumes corresponding to the base cone, cylinder and spherical segment of the dome are calculated:

V 1 = C y l i n d e r   v o l u m e = R 2 × h p × π  (13)
V 2 = D o m e   v o l u m e = π × h c 2 3 ( 3 R − h c )  (14)
V 3   = C o n e   v o l u m e = R 2 × π × ( h t 3 )  (15)

RESULTS AND DISCUSSION

 ⌅

Technical-Economic Assessment of the Introduction of a Biodigester in the Conditions of Dairy 021

 ⌅

To determine the appropriate biodigester technology to install in the conditions of Dairy 021, belonging to "El Guayabal" University Farm, the sizing and construction cost of the fixed dome and tubular polyethylene biodigester technologies were taken into account. This analysis will allow determining which of the two technologies would be more feasible based on construction or acquisition costs in the market.

For the correct sizing of the fixed dome biodigester, the determination of the following parameters is required:

  • Amount of daily biomass generated (Bmd);

  • Daily volume of material (mixture of manure and water) (Vdm);

  • Volume of the biodigester (Vbiodig);

  • Volume of the fermentation chamber (Vcf);

  • Volume of the cylinder (V1);

  • Biogas containment volume (V2);

  • Volume of the base cone (V3);

  • Volume of the surge tank (Vtc).

On the other hand, to determine the potential energy contribution to be obtained based on the number of animals available, the determination of the following parameters is required:

  • Biogas productivity (Y);

  • Daily volume of biogas (G).

Before proceeding to the aforementioned determinations, the herd movement in the scenario under study must be known, which is reflected in Table 3.

TABLE 3.  Herd movement in the dairy 021 of “El Guayabal” Farm
Herd movement Initial existence End existence Animals/day Average mass , kg
Cows 34 34 34 475

The results obtained from each of these sizing parameters are represented in Table 4; these values are obtained from the herd movement conceived by the farm management during the period 2021-2022, represented in the previous table.

Considering that, for every 350 kg of cattle, 10 kg of manure are obtained, generating 0.36 m3 biogas/day, with a proportion of 1:1-3 of manure -water (taking a proportion of 1:1) and with a recommended retention time of 40 days, the sizing of the fixed dome biodigester for that species and number of animals will be determined.

TABLE 4.  Sizing of the fixed dome biodigester
Raw material source Animal / day Average mass , kg Bm, kg/day Vdm, m3/day Vbiodig, m3 V1, m3 V2, m3 V3, m3 Vcf, m3 Vtc, m3
Cows 34 475 229,5 0,45 18,4 12,3 3,4 1,6 4,3 4,3
FIGURE 3.  Main dimensions of the proposed fixed-dome biodigester.

Based on the values obtained in the sizing of the fixed dome biodigester, it is proposed that this biodigester have a volume of 20 m3, with the purpose of facilitating the process of installation and acquisition of the necessary materials.

To determine the energy contribution, the amount of biomass generated daily, the biogas yield and the daily volume of biogas are considered (Table 5).

TABLE 5.  Energy contribution of the animal population
Raw material source Animal / day Average mass , kg Bmd, kg/day Y, m3/kg G, m3/ day
Cows 34 475 229,5 0,036 8,26

As represented in Table 5, the biogas yield to be obtained according to the species is 0,036 m3/kg, if the total number of animals is considered, 1,22 m3/kg is obtained and for that number of stabled animals it is possible obtain a daily volume of biogas of 8,26 m3/day.

In order to have an estimate of the cost of the construction and installation process of the fixed dome biodigester system (without considering labor), Table 6 lists the materials required for the construction and installation of the technology.

TABLE 6.  List of materials for the construction and installation of the 20 m3 fixed dome biodigester proposed to be installed and cost
Materials UM Quantity Unit price **, peso/u Cost, peso*
Cement Bags 90 183 16 470
Sand m3 6 160 960
Gravel (38 mm) m3 7 200 1 400
Block 15 cm u 480 10 4 800
Solid bricks u 650 8 5 200
Steel 3/8 kg 162 10 1 620
Steel 1/4 kg 24 12,5 300
Nails kg 3 50 150
Rafter Tie wire kg 5 25 125
Timber for formwork m3 0,3 120 36
Excavation m3 38 25 950
Filling ground m3 18 20 360
Pipes for collecting and conveying biogas Accessories: Unions, elbows, cleaner and PVC glue, stop valves (the amount varies depending on the distance to the cattle sheds) 1 550 1 550
Pipes for manure supply Pipes of 110 mm (4”) (2): 5m/cu 300 600
Total 34 871

*peso: refers to the national currency (MN), the exchange rate is considered 25 MN = 1 USD

** Prices of construction materials established by the Ministry of Domestic Trade (MINCIN) in Cuba

In the case of the variant of the tubular polyethylene biodigester, the materials required for the construction and installation of the technology are listed in Table 7, in order to have an estimate of the cost of the construction and installation process (without considering labor). To have greater accuracy in the economic values, the main dimensions for a biodigester of 20 m3 were determined, these are reflected in Figure 4.

FIGURE 4.  Main dimensions of the trench and the proposed polyethylene tubular biodigester.
TABLE 7.  List of costs for the installation of the tubular polyethylene biodigester
Materials UM Quantity Unit price **, peso/u Cost, peso*
polyethylene module m3 20 6 250 (for every 10 m3) 12 500
Excavation m3 17 25 425
Pipes for collecting and conducting biogas Accessories: Unions, elbows, cleaner and PVC glue, stop valves (the amount varies depending on the distance to the cattle sheds) 1 550 1 550
Pipes for manure supply Pipes of 110 mm (4”) (2): 5m/cu 300 600
Total 15 075

As can be seen in Tables 6 and 7, the cost of these technologies is not high, although there is a difference between the two. In order to achieve a better understanding of the aspects related to the dimensioning of both technologies, as well as the energy contribution to be obtained with the biogas produced by the introduction of these technological variants, in Table 8, these values ​​of both design and energy are summarized.

TABLE 8.  Dimensioning and energy contribution of the biogas to be obtained with the installation of biodigestion technology
Sizing Parameters Fixed Dome Biodigester Polyethylene Tubular Biodigester
Vbiodig, m3 18,4 18,4
Vcf, m3 4,3 4,3
Vtc, m3 4,3 4,3
Vgas, m3 3,4 3,4
roll width ( Polyethylene ) , m - 2,0
roll length ( Polyethylene), m - 14,5
trench top base , m - 0,9
trench low base , m - 0,7
trench height , m - 1,0
Energy parameters
Y, m3/kg 0,036
G, m3/day 8,26
Potential Energy Savings
Electric power , kWh 14,86
Natural gas, m3 4,95
Charcoal , kg 2,47
Wood, kg 22,30
Gasoline, L 6,60
Fuel alcohol , L 9,90
Fuel oil, L 5,78
Biofertilizer production, kg/ day 190,5

In the case of the fixed dome biodigester, if the investment required for construction materials is considered, which amounts to a cost of 34,871 pesos. If this is analyzed based on the energy savings to be obtained, for gasoline with a daily equivalent production of 6,60 L, based on the price of this fuel, which is equivalent to 25 pesos, a daily saving of 165 pesos would be obtained. Therefore, in one year (considering 365 days), this saving would be equivalent to 60 225 pesos, which shows that in just seven months of operation the investment for materials required for construction is recovered and a profit of 25 354 pesos is obtained in the rest of the year.

In the same way if the same analysis is carried out, but considering the saving of electrical energy, from the potential generation to be obtained with the use of biogas, which amounts to 14,86 kWh daily and taking the rate established by the Electric Company in Cuba:

  • From 0 kWh to 100 kWh: 0,33;

  • From 101 kWh to 150 kWh: 1,07;

  • From 151 kWh to 200 kWh: 1,43;

  • From 201 kWh to 250 kWh: 2,46;

  • More of 250 kWh: 3,12 for every kWh.

Then, there would be an average monthly saving of 890 pesos, which means an annual saving equivalent to 10 680 pesos. This evidences that in just 3,4 years of operation the investment for materials required for construction is recovered, so that there would be 16,6 years of gain, taking into account that the useful life of a fixed dome biodigester amounts to 20 years. These elements demonstrate the economic feasibility of the analyzed proposal.

For the tubular polyethylene biodigester, the investment required for construction materials amounts to a cost of 15 075 pesos. If this is analyzed based on the energy savings to be obtained, only for gasoline with an equivalent daily production of 6.60 L, from the price of this fuel that is equivalent to 25 pesos, daily there would be a saving of 165 pesos. Therefore, in one year (considering 365 days) this saving would be equivalent to 60 225 pesos, which shows that in just three months of operation, the investment for materials required for construction is recovered and a profit of 45 150 pesos is obtained in the rest of the year. This element demonstrates the economic feasibility of the proposal.

In the same way if the same analysis is carried out, but considering the saving of electrical energy, from the potential generation to be obtained with the use of biogas, which amounts to 14,86 kWh daily and taking the rate established by the Electric Company in Cuba:

  • From 0 kWh to 100 kWh: 0,33;

  • From 101 kWh to 150 kWh: 1,07;

  • From 151 kWh to 200 kWh: 1,43;

  • From 201 kWh to 250 kWh: 2,46;

  • More of 250 kWh: 3,12 for every kWh.

Then, there would be an average monthly saving of 890 pesos, which means an annual saving equivalent to 10 680 pesos. This evidences that in just 1,5 years of operation the investment for materials required for construction is recovered, so that there would be 3,5 years of profit, taking into account that the useful life of a tubular polyethylene biodigester amounts to 5 years. These elements demonstrate the economic feasibility of the analyzed proposal.

It is valid to point out that the correct dimensioning of this type of technology favors the maximum use of the waste obtained in the productive scenarios.

As evidenced in Table 8, the installation of biodigesters in agricultural production units constitutes an energetically viable option, to which the contribution to conservation and care of the environment should be added.

Therefore, in order to adopt biodigestion technology in the dairy under study, it is advisable from an economic point of view to introduce a tubular polyethylene biodigester.

With the introduction of this technology it would be possible:

  • To generate electrical energy to drive a fodder mill, a refrigeration system, a mechanical milking system, lighting fixtures, an electric fence, and a water pumping system. For that, the acquisition of a biogas generator of 35 kW of power is required. Considering all energy sources, if pumping water is excluded, then a biogas generator of 16,5 kW of power is required. On the other hand, if the acquisition of a biogas generator is considered for each energy source, then:

    • For the fodder mill, a 5,5 kW biogas generator is required;

    • For the refrigeration system, a 4 kW biogas generator is required;

    • For the mechanized milking system, a 5 kW biogas generator is required;

    • For lights and electric fencing, a 0,14 kW biogas generator is required.

According to the Chinese company Shenzhen Teenwin Environment Co, the price of these biogas generators ranges from 550… 1250 USD (13 750…31 250 pesos MN)

  • In addition, it is possible to obtain 190 kg/day of biofertilizers, which represent an economic contribution of 2 375 pesos (95 USD), based on the price of biofertilizers in the international market, which reaches a value of 500 USD/t (12,500 peso/t).

CONCLUSIONS

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  • The proposed theoretical-methodological foundations made it possible to determine the economic, energetic and environmental feasibility of the appropriate anaerobic digestion technology to be introduced in the conditions of Dairy Farm 021 of "El Guayabal" University Farm.

  • With the installation of a 20 m3 tubular polyethylene biodigester, it is possible to produce 190 kg/day of biofertilizers, which represent an economic contribution of 2 375 pesos (95 USD), that constitutes an added value, in addition to the energy benefits and cheap to get.

  • With the introduction of anaerobic biodigestion technology, it is possible to generate electrical energy to drive a fodder mill, a refrigeration system, a mechanical milking system, lighting, electric fencing and water pumping system, which requires the acquisition of a 35 kW biogas generator.

REFERENCES

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 32, No. 3, July-September, 2023, ISSN: 2071-0054
 
ARTÍCULO ORIGINAL

Factibilidad de la tecnología de biodigestión anaerobia adecuada para un agroecosistema lechero

 

iDYanoy Morejón-Mesa*✉:ymorejon83@gmail.comymm@unah.edu.cu

iDDarielis Vizcay-Villafranca

iDRamón Pelegrín-Rodríguez

iDMalgreter Noguera


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

 

*Autor para correspondencia: Yanoy Morejón-Mesa, e-mail: ymorejon83@gmail.com o ymm@unah.edu.cu

RESUMEN

La presente investigación se orienta en la determinación de la factibilidad económica, ambiental y energética de la tecnología de biodigestión anaerobia adecuada para un agroecosistema lechero, establecido en la Granja Universitaria “El Guayabal”, perteneciente a la Universidad Agraria de la Habana. Para ello se determina la especie animal existente en el escenario, dado que aportará los residuos orgánicos hacia el biodigestor, también se determina la cantidad de animales, considerándose el movimiento de rebaño, lo cual posibilitaría determinar la biomasa generada diariamente con el propósito de establecer el dimensionamiento de la tecnología de biodigestor adecuada y conocer el comportamiento de los parámetros económicos y energéticos. Entre los principales resultados obtenidos, se evidenció que la instalación de un biodigestor tubular de polietileno resulta más factible que la instalación de un biodigestor de cúpula fija, significando un ahorro económico de 19 796 peso por concepto de selección de la tecnología; el volumen necesario de esta tecnología debe ser de 20 m3, siendo posible producir 190 kg/día de biofertilizantes, que representan un aporte económico de 2 375 peso (95 USD) constituyendo un valor agregado, además de los beneficios energéticos y económicos a obtener. Además, con la introducción de la tecnología de biodigestión anaerobia seleccionada es posible generar energía eléctrica para el accionamiento de: un molino forrajero, un sistema de refrigeración, un sistema de ordeño mecánico, luminarias, cercado eléctrico y un sistema bombeo de agua, requiriéndose para ello de la adquisición de un generador de biogás de 35 kW de potencia.

Palabras clave: 
energía renovable, producción lechera, digestión anaerobia, factibilidad energética, impacto ambiental

INTRODUCCIÓN

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El mundo actual enfrenta dos problemas básicos para la existencia y el progreso futuro de la humanidad: La detención de la creciente contaminación ambiental y la búsqueda y obtención de nuevas fuentes de energía (Guardado-Chacón, 2006GUARDADO-CHACÓN, J.A.: Manual del Biogás, Ed. Editorial CUBASOLAR, La Habana, Cuba, 2006.). La única forma de contar con un futuro energético seguro es hallar una vía ambientalmente sostenible para producir y utilizar la energía. Si no se da respuesta a las preocupaciones de la sociedad sobre la energía y el medio ambiente natural, peligrará el suministro energético constante y seguro del que dependen las economías (Priddle, 1999PRIDDLE, R.: “Energía y desarrollo sostenible”, IAEA Bulletin, 41(1): 2-6, 1999.). Resulta necesario aprovechar las fuentes renovables de energía basadas en la mejor utilización de los recursos locales que, mediante la mejor utilización de las tecnologías apropiadas contribuyan al ahorro de combustible convencional y sirvan para devolver al suelo los nutrientes que este necesita y preserven el medio ambiente de la contaminación (Santos-Abreu et al., 2011SANTOS-ABREU, T.; MEDINA-MORALES, N.; MACHADO-MURO, Y.; MARTÍN-SANTOS, T.: La Educación Agropecuaria en la Escuela Cubana Actual, Ed. Editorial “Félix Valera", Estudio de la Educación Ambiental. Villa Clara, Cuba ed., Villa Clara, Cuba, 2011.).

Un claro ejemplo de las fuentes de energía renovable es la biomasa, término que se refiere a toda la materia orgánica generada a partir de la fotosíntesis o bien producida por la cadena trófica. Y como materia prima para procesos de reciclaje: tiene como origen las heces y orines recién expulsados (excremento animal), los cuales están constituidos por el sobrante del alimento ya digerido, pero no utilizado por el organismo, aparte se le suman desperdicios como camas, residuos de comida o material añadido (Grundey y Juanos, 1982GRUNDEY, K.; JUANOS, C.B.: Tratamiento de los residuos agrícolas y ganaderos, Ediciones GEA ed., Barcelona, España, 278-280 p., 1982, ISBN: 84-7287-025-1.).

La digestión anaerobia constituye una buena alternativa para tratar residuos con elevada materia orgánica biodegradable (Flotats-Ripoll et al., 2001FLOTATS-RIPOLL, X.; CAMPOS-POZUELO, E.; PALATSI-CIVIT, J.; BONMATÍBLASI, A.: “Digestión anaerobia de purines de cerdo y codigestión con residuos de la industria alimentaria”, Porci, (65): 51-65, 2001, ISSN: 1130-8451.; Sosa, 2017SOSA, R.: “Indicadores ambientales de la producción porcina y ganadera”, En: VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical, Instituto de Investigaciones Porcinas, La Habana, Cuba, 2017.). Por lo tanto, este tratamiento está indicado para aguas residuales agroindustriales, con alta carga de materia orgánica biodegradable: vertidos procedentes de la producción de azúcar, alcohol, cárnicos, papel, conservas y destilerías (Rahayu et al., 2015RAHAYU, A.S.; KARSIWULAN, D.; YUWONO, H.; TRISNAWATI, I.; MULYASARI, S.; RAHARDJO, S.; HOKERMIN, S.; PARAMITA, V.: “Handbook POME-to-biogas project development in Indonesia”, Winrock International, United States of America, : 8-19, 2015.; Suárez-Hernández et al., 2018SUÁREZ-HERNÁNDEZ, J.; SOSA-CÁCERES, R.; MARTÍNEZ-LABRADA, Y.; CURBELO-ALONSO, A.; FIGUEREDO-RODRÍGUEZ, T.; CEPERO-CASAS, L.: “Evaluación del potencial de producción del biogás en Cuba”, Pastos y Forrajes, 41(2): 85-92, 2018, ISSN: 0864-0394, e-ISSN: 2078-8452.); residuos agropecuarios, como purines, estiércol (Bansal et al., 2017BANSAL, V.; TUMWESIGE, V.; SMITH, J.U.: “Water for small‐scale biogas digesters in Sub‐Saharan Africa”, GCB Bioenergy, 9(2): 339-357, 2017, ISSN: 1757-1693, e-ISSN: 1757-1707, Publisher: Wiley Online Library.); y residuos urbanos que comprenden tanto la fracción orgánica de los residuos sólidos Biogas Association (2016)BIOGAS ASSOCIATION: Municipal guide to biogas Ottawa, Canada: Biogas Association, [en línea], Inst. Biogas Association, Ottawa, Canada, Ottawa, Canada, 4 de junio de 2016, Disponible en: https://biogasassociation.ca/resources/municipalguide_tobiogas. [04/06/2016]. como los lodos de depuradora de aguas residuales urbanas (Frankiewicz, 2015FRANKIEWICZ, T.: “People’s Republic of China Urban Municipal Waste and Wastewater Program”, [en línea], En: línea], En: Technology, Process and Evaluation Best Practices for Utilizing Organic and «Kitchen» Waste from the Municipal Solid Waste Stream» Workshop. Global Methane Initiative, Ningbo, China, Ningbo, China, p. 16, 2015, Disponible en: http://communitybysesign.co.uk/.2015.).

Precisamente el biodigestor es antropogénicamente (producido por actividad humana) la tecnología a destacar en el proceso biotecnológico de digestión anaeróbica de biomasas para obtener biogás. Es un reactor hermético con una entrada lateral para la materia orgánica, un escape en la parte superior por donde fluye el biogás, y una salida para la obtención de efluentes con propiedades biofertilizantes, contribuyendo ambos productos a resolver las necesidades de los productores y al fomento de la agricultura orgánica, como una alternativa económicamente factible y ecológicamente sustentable (Zheng et al., 2012ZHENG, Y.; WEI, J.; LI, J.; FENG, S.; LI, Z.; JIANG, G.; LUCAS, M.; WU, G.; NING, T.: “Anaerobic fermentation technology increases biomass energy use efficiency in crop residue utilization and biogas production”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(7): 4588-4596, 2012, ISSN: 1364-0321.).

A estos aspectos habría que agregar los altos precios de los combustibles y las elevadas tarifas locales de la energía eléctrica, siendo factores a considerar para la introducción de biodigestores o plantas de biogás a nivel nacional y regional que produzcan energía a partir del uso de los desechos de la producción agropecuaria (Parra-Ortiz et al., 2019PARRA-ORTIZ, D.L.; BOTERO-LONDOÑO, M.; BOTERO-LONDOÑO, J.M.: “Biomasa residual pecuaria: revisión sobre la digestión anaerobia como método de producción de energía y otros subproductos”, Revista UIS Ingenierías, 18(1): 149-160, 2019, ISSN: 2145-8456.).

Considerándose los criterios anteriormente descritos, en la Granja Universitaria “El Guayabal” localizada en la capital San José de las Lajas, de la provincia Mayabeque, Cuba, se realizó el estudio de la factibilidad de la tecnología de biodigestión anaerobia adecuada a introducir en un agroecosistema lechero, con el objetivo de producir biogás y biofertilizantes.

MATERIALES Y METODOS

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La vaquería 021 de la Granja Universitaria "El Guayabal", perteneciente a la Universidad Agraria de La Habana (UNAH), se encuentra ubicada a los 23°00'12.5" latitud Norte, y 82°09'57.9" longitud Oeste en el municipio San José de Las Lajas, provincia Mayabeque, Cuba. Limita al noroeste con la Vaquería 023, al noreste con la Autopista Nacional, al sureste con la Vaquería 025 y al suroeste con la Vaquería 022. El área total es de 36 ha, con suelo Ferralítico Rojo típico según Hernández-Jiménez et al. (2019)HERNÁNDEZ-JIMÉNEZ, A.; PÉREZ-JIMÉNEZ, J.M.; BOSCH-INFANTE, D.; CASTRO-SPECK, N.: “La clasificación de suelos de Cuba: énfasis en la versión de 2015”, Cultivos Tropicales, 40(1): 93, 2019, ISSN: 0258-5936, Publisher: Ediciones INCA. en toda su extensión. Tiene un relieve llano, altura sobre el nivel del mar de 120 m e insolación anual de 1825kWh/m2. Las variables meteorológicas registradas durante el periodo 2015-2021 en la Estación Meteorológica Tapaste (Figura 1), mostraron que las temperaturas máximas alcanzadas en la región superaron los 26 ºC entre los meses de junio a septiembre y las más frías descendieron como promedio hasta 20,76 ºC en enero. Las precipitaciones manifestaron incrementos a partir de mayo, e indicaron los valores medios más elevados en junio y agosto con 255,50 y 245,16 mm, respectivamente. La humedad relativa varió entre 72,8% (mínimo, en marzo) y 84,6% (máximo, en diciembre), mientras que la velocidad del viento expresó su tope máximo de 5,46 km/h durante el mes de febrero. El comportamiento de estas variables climáticas permite desarrollar satisfactoriamente la ganadería lechera.

FIGURA 1.  Promedios mensuales de las variables climáticas en la Vaquería 021, periodo 2015-2021. Fuente: Estación Meteorológica de Tapaste.

Como resultado del estudio, se analizó el consumo de energía eléctrica en la vaquería 021 durante el año 2021, pudiéndose constatar que se obtiene un alto consumo promedio mensual equivalente a 3 102,083 kWh.

La vaquería dispone de 34 vacas en ordeño, las que alcanzaron una producción promedio de leche diaria durante el 2021, de 7,4 L/vaca, por lo que diariamente esta vaquería posee un potencial productivo de 251,6 L/día.

Los medios y equipos existentes en el escenario objeto de estudio, así como el tiempo de operación de los mismos, lo que posibilita conocer el consumo de energía por operación, así como el porciento de representación de cada fuente energética, estos resultados se reflejan en la Tabla 1.

TABLA 1.  Características energéticas de los medios y equipos eléctricos existentes en la vaquería 021
Medios y equipos eléctricos Potencia, kW Tiempo de operación, h Energía consumida por día, kWh/día %
Molino forrajero 5,5 1,0 5,5 5,34
Bomba de agua 18,5 3,5 64,75 62,95
Sistema de refrigeración 4,0 4,0 16 15,55
Sistema de ordeño mecanizado 5,0 3,0 15 14,58
Cerca eléctrica 0,04 10,0 0,4 0,38
Luminarias 0,1 12,0 1,2 1,16
Total 102,85 100

De modo que en esta vaquería se consumen diariamente 102,85 kWh de energía eléctrica, elemento que demuestra el alto consumo de este escenario productivo, es válido señalar que solo por concepto de bombeo de agua se consume el 62,9% de la energía consumida.

Metodología para el dimensionamiento e instalación de biodigestores anaerobios

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

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

TABLA 2.  Datos de entrada y salida requeridos para el diseño de un biodigestor anaerobio
Parámetros Unidad
Datos de entrada
Cantidad de biomasa diaria generada (Bmd) kg dia-1
Proporción excreta-agua (N) kg L -1
Rendimiento de biogás (Y) m3 kg-1
Tiempo de retención hidráulica (TRH) día
Datos de salida
Volumen diario de material (mezcla estiércol y agua) (Vdm) kg dia-1
Volumen del biodigestor, (Vbiodig) m3
Volumen diario de biogás producido (G) m3 dia-1
Volumen de contención del biogás (V2) m3
Volumen del tanque de compensación (Vtc) m3

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

B m d = C a × C e × R p   × R t ,   k g .   d i a − 1  (1)

donde: Ca- Cantidad de animales; Ce-Cantidad de excreta por animal, kg/dia; Rp- Relación entre el peso vivo promedio de la población animal y el peso vivo equivalente tabulado; Rt- Fracción entre el tiempo de estabulación respecto a la duración del día, h/día

B m d = C a × C e × ( P V p P V e ) × ( T e 24 h ) ,   k g . d i a − 1  (2)

donde: PVp-Peso vivo promedio de la población animal, kg; PVe- Peso vivo equivalente tabulado; Te-Horas del día que el animal permanece estabulado, h/día

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

Vdm = ( 1 + N ) · B m d ,   m 3 . d i a − 1  (3)

donde: N: Proporción excreta-agua, kg L -1, se requiere conocer que la densidad del agua es: 1000 kg/m3.

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

V b i o d i g = Vdm · T R H , m 3  (4)

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

G = Y × B m d , m 3 .   d i a − 1  (5)

donde: Y- Rendimiento de biogás, m3. kg-1

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

Y = X C e     , m 3 .   k g − 1  (6)

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

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

En el caso específico de los cálculos para el dimensionamiento de un biodigestor de cúpula fija (caracterizado por sus tres partes: cónica, cilíndrica y casquete esférico, representado en la Figura 2), se plantean a continuación.

Los pasos que se deben seguir para su empleo son los siguientes:

  • Se calcula el volumen total del biodigestor (Vbiodig), sobre la base del volumen de la mezcla agua-estiércol y el tiempo de retención, tal como se muestra en la expresión 4 V b i o d i g = Vdm · T R H , m 3 .

  • Se calcula el radio del volumen predefinido (R).

FIGURA 2.  Principales partes en las que se divide un biodigestor de cúpula fija. Fuente: Guardado-Chacón (2006)GUARDADO-CHACÓN, J.A.: Manual del Biogás, Ed. Editorial CUBASOLAR, La Habana, Cuba, 2006..

Para calcular el radio del volumen predefinido (R), se plantea la expresión:

R = V b i o d i g ( π × 1.121 ) 3  (7)

donde: R- Radio básico, m

Teniéndose el radio del volumen predefinido (R), se procede a determinar la unidad en metros (U = R/4).

donde: U - Unidad proporcional

Esta unidad proporcional permite determinar el resto de las denominaciones, sustituyendo U en las proporciones siguientes:

R c = 5 × U  (8)
D = 8 × U  (9)
h c = 2 × U  (10)
h p = 3. × U  (11)
h t = 0.15 × D  (12)

donde: Rc-Radio de la cúpula, m; D-Diámetro, m; hc =Altura de la cúpula, m; hp = Altura del cilindro, m; ht = Altura del cono base, m

A partir de la determinación de los principales parámetros geométricos se procede a determinar los volúmenes correspondientes al cono base, cilindro y segmento esférico de la cúpula:

V 1 = V o l u m e n c i l i n d r o = R 2     × h p × π  (13)
V 2 = V o l u m e n c ú p u l a = π × h c 2 3 ( 3 R − h c )  (14)
V 3   = V c o n o = R 2     × π × ( h t 3 )  (15)

RESULTADOS Y DISCUSION

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Valoración técnico-económica de la introducción de un biodigestor en las condiciones de la vaquería 021

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Para la determinación de la tecnología de biodigestor adecuada a instalar en las condiciones de la vaquería 021, perteneciente a la Granja Universitaria “El Guayabal”, se tuvo en consideración el dimensionamiento y costo constructivo de las tecnologías de biodigestor de cúpula fija y tubular de polietileno, para a partir de ese análisis determinar cuál de las dos tecnologías resultaría de mayor factibilidad sobre la base de los costos constructivos o de adquisición en el mercado.

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

  • Cantidad de biomasa diaria generada (Bmd);

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

  • Volumen del biodigestor (Vbiodig);

  • Volumen de la cámara de fermentación (Vcf);

  • Volumen del cilindro (V1);

  • Volumen de contención del biogás (V2);

  • Volumen del cono base (V3);

  • Volumen del tanque de compensación (Vtc).

Por otro lado, para la determinación del aporte energético potencial a obtener en función de la cantidad de animales disponibles se requiere la determinación de los siguientes parámetros:

  • Productividad de biogás (Y);

  • Volumen diario de biogás (G).

Antes de proceder a las determinaciones antes mencionadas, se debe conocer el movimiento de rebaño en el escenario objeto de estudio, el cual se refleja en la Tabla 3.

TABLA 3.  Movimiento de rebaño en la vaquería 021 de la Granja “El Guayabal”
Mov. de Rebaño Existencia Inicial Existencia Final Animales/día Masa Promedio, kg
Vacas 34 34 34 475

Los resultados obtenidos de cada uno de estos parámetros de dimensionamiento, se representan en la Tabla 4, estos valores se obtienen a partir del movimiento de rebaño concebido por la dirección de la granja durante el periodo 2021-2022, representados en la tabla anterior.

Considerándose que, por cada 350 kg de ganado bovino, se obtienen 10 kg de excreta, generándose 0,36 m3 biogás/día, con una proporción de 1:1-3 de excreta-agua (tomándose una proporción de 1:1) y con un tiempo de retención recomendable de 40 días, lo cual permite determinar el dimensionamiento del biodigestor de cúpula fija para esa especie y cantidad de animales.

TABLA 4.  Dimensionamiento del biodigestor de cúpula fija
Fuente de materia prima Animal / día Masa Promedio, kg Bm, kg/día Vdm, m3/día Vbiodig, m3 V1, m3 V2, m3 V3, m3 Vcf, m3 Vtc, m3
Vacas 34 475 229,5 0,45 18,4 12,3 3,4 1,6 4,3 4,3
FIGURA 3.  Principales dimensiones del biodigestor de cúpula fija propuesto.

A partir de los valores obtenidos en el dimensionamiento del biodigestor de cúpula fija se propone que este biodigestor posea un volumen de 20 m3, con el propósito de facilitar el proceso de instalación y adquisición de los materiales necesarios.

Para la determinación del aporte energético, se considera la cantidad de biomasa generada diariamente, el rendimiento de biogás y el volumen diario de biogás (Tabla 5).

TABLA 5.  Aporte energético de la población animal
Fuente de materia prima Animal / día Masa Promedio, kg Bmd, kg/día Y, m3/kg G, m3/día
Vacas 34 475 229,5 0,036 8,26

Como se representa en la Tabla 5, el rendimiento de biogás a obtener según la especie es de 0,036m3/kg (si se considera la cantidad total de animales se obtienen 1,22 m3/kg) y para esa cantidad de animales estabulados es posible obtener un volumen diario de biogás de 8,26 m3/día.

Para tener un estimado del costo del proceso constructivo y de instalación del sistema de biodigestor de cúpula fija (sin considerar la mano de obra), en la Tabla 6, se relacionan los materiales requeridos para la construcción e instalación de la tecnología.

TABLA 6.  Listado de materiales para la construcción e instalación del biodigestor de cúpula fija de 20 m3 propuesto a instalar y costo
Materiales UM Cantidad Precio unitario**, peso/u Costo, peso*
Cemento Bolsas 90 183 16 470
Arena m3 6 160 960
Gravilla (38 mm) m3 7 200 1 400
Bloque 15 cm u 480 10 4 800
Ladrillos macizos u 650 8 5 200
Acero 3/8 kg 162 10 1 620
Acero 1/4 kg 24 12,5 300
Puntillas kg 3 50 150
Alambre de amarrar cabillas kg 5 25 125
Madera para encofrar m3 0,3 120 36
Excavación m3 38 25 950
Relleno m3 18 20 360
Tuberías para captación y conducción de biogás Accesorios: Uniones, codos, limpiador y pegamento PVC, válvulas de cierre (la cantidad varía en función de la distancia hasta las naves ) 1 550 1 550
Tuberías para suministro de excreta Tubos de 110 mm (4”) (2): 5m/cu 300 600
Total 34 871

*peso: se refiere a la moneda nacional (MN), se considera la tasa de cambio 25 MN = 1 USD

** Precios de los materiales de la construcción establecidos por el Ministerio de Comercio Interior (MINCIN) en Cuba

En el caso de la variante del biodigestor tubular de polietileno se relacionan los materiales requeridos para la construcción e instalación de la tecnología, en la Tabla 7, para tener un estimado del costo del proceso constructivo y de instalación (sin considerar la mano de obra), para tener mayor exactitud en los valores económicos, se determinaron las principales dimensiones para un biodigestor de 20 m3, estas se reflejan en la Figura 4.

FIGURA 4.  Principales dimensiones de la zanja y el biodigestor de tubular de polietileno propuesto.
TABLA 7.  Lista de costos de la instalación del biodigestor tubular de polietileno
Materiales UM Cantidad Precio unitario, peso/u Costo, peso
Módulo de polietileno m3 20 6 250 (por cada 10 m3) 12 500
Excavación m3 17 25 425
Tuberías para captación y conducción de biogás Accesorios: Uniones, codos, limpiador y pegamento PVC, válvulas de cierre (la cantidad varía en función de la distancia hasta las naves ) 1 550 1 550
Tuberías para suministro de excreta Tubos de 110 mm (4”) (2): 5m/cu 300 600
Total 15 075

Como se puede apreciar en las Tablas 6 y 7, el costo de estas tecnologías no resulta elevado, aunque se aprecian diferencia entre ambas, para lograr una mejor comprensión de los aspectos relacionados con el dimensionamiento de ambas tecnologías, así como el aporte energético a obtener con el biogás producido por la introducción de estas variantes tecnológicas, en la Tabla 8, se resumen estos valores tanto de diseño, como energéticos.

TABLA 8.  Dimensionamiento y aporte energético del biogás a obtener con la instalación de la tecnología de biodigestión
Parámetros de dimensionamiento Biodigestor Cúpula Fija Biodigestor Tubular de Polietileno
Vbiodig, m3 18,4 18,4
Vcf, m3 4,3 4,3
Vtc, m3 4,3 4,3
Vgas, m3 3,4 3,4
Ancho del rollo (polietileno) , m - 2,0
Largo del rollo (polietileno), m - 14,5
Base superior zanja, m - 0,9
Base inferior zanja, m - 0,7
Altura de la Zanja, m - 1,0
Parámetros de energéticos
Y, m3/kg 0,036
G, m3/día 8,26
Ahorro Energético Potencial
Energía eléctrica, kWh 14,86
Gas Natural, m3 4,95
Carbón vegetal, kg 2,47
Madera, kg 22,30
Gasolina, L 6,60
Alcohol combustible, L 9,90
Aceite combustible, L 5,78
Producción de biofertilizantes kg/día 190,5

En el caso del biodigestor de cúpula fija, si se considera la inversión requerida por concepto de materiales de la construcción, la cual asciende a un costo de 34 871 peso y si se analiza este en función del ahorro energético a obtenerse, por concepto de gasolina con una producción equivalente diaria de 6,60 L, a partir del precio de este combustible que equivale a 25 peso, diariamente se tendría un ahorro de 165 peso, por tanto en un año (considerándose 365 días) este ahorro equivaldría a 60 225 peso, lo que evidencia que en tan solo siete meses de funcionamiento se recupera la inversión por concepto de materiales requeridos para la construcción y se obtiene una ganancia de 25 354 peso en lo que resta de año.

De igual forma si se realiza el mismo análisis, pero considerándose el ahorro de energía eléctrica, a partir de generación potencial a obtener con el empleo del biogás, que asciende a 14,86 kWh diariamente y tomándose la tarifa establecida por la Empresa Eléctrica en Cuba:

  • Desde 0 kWh hasta 100 kWh: 0,33;

  • Desde 101 kWh hasta 150 kWh: 1,07;

  • Desde 151 kWh hasta 200 kWh: 1,43;

  • Desde 201 kWh hasta 250 kWh: 2,46;

  • Más de 250 kWh: 3,12 por cada kWh.

Entonces se tendría un ahorro promedio mensual de 890 peso, lo que significa un ahorro anual equivalente a 10 680 peso, evidenciándose que en tan solo 3,4 años de funcionamiento se recupera la inversión por concepto de materiales requeridos para la construcción, de modo que se tendrían 16,6 años de ganancia, teniéndose en cuenta que la vida útil de un biodigestor de cúpula fija asciende a los 20 años. Estos elementos demuestran la factibilidad económica de la propuesta analizada.

Para el biodigestor tubular de polietileno, la inversión requerida por concepto de materiales de la construcción, esta asciende a un costo de 15 075 peso y si se analiza este en función del ahorro energético a obtenerse, solo por concepto de gasolina con una producción equivalente diaria de 6,60 L, a partir del precio de este combustible que equivale a 25 peso, diariamente se tendría un ahorro de 165 peso, por tanto en un año (considerándose 365 días) este ahorro equivaldría a 60 225 peso, lo que evidencia que en tan solo tres meses de funcionamiento se recupera la inversión por concepto de materiales requeridos para la construcción y se obtiene una ganancia de 45 150 peso en lo que resta de año; este elemento demuestra la factibilidad económica de la propuesta.

De igual forma si se realiza el mismo análisis, pero considerándose el ahorro de energía eléctrica, a partir de generación potencial a obtener con el empleo del biogás, que asciende a 14,86 kWh diariamente y tomándose la tarifa establecida por la Empresa Eléctrica en Cuba:

  • Desde 0 kWh hasta 100 kWh: 0,33;

  • Desde 101 kWh hasta 150 kWh: 1,07;

  • Desde 151 kWh hasta 200 kWh: 1,43;

  • Desde 201 kWh hasta 250 kWh: 2,46;

  • Más de 250 kWh: 3,12 por cada kWh.

Entonces se tendría un ahorro promedio mensual de 890 peso, lo que significa un ahorro anual equivalente a 10 680 peso, evidenciándose que en tan solo 1,5 años de funcionamiento se recupera la inversión por concepto de materiales requeridos para la construcción, de modo que se tendrían 3,5 años de ganancia, teniéndose en cuenta que la vida útil de un biodigestor tubular de polietileno asciende a los 5 años. Estos elementos demuestran la factibilidad económica de la propuesta analizada.

Resulta válido señalar que el correcto dimensionamiento de este tipo de tecnologías, propicia el aprovechamiento máximo de los desechos obtenidos en los escenarios productivos.

Como se evidencia en la Tabla 8, la instalación de biodigestores en unidades de producción agropecuaria constituye una opción energéticamente viable, a lo cual habría que añadir la contribución a la conservación y cuidado del medio ambiente.

De modo que para adoptar la tecnología de biodigestión en la vaquería objeto de estudio es recomendable desde el punto de vista económico la introducción de un biodigestor tubular de polietileno.

Con la introducción de esta tecnología sería posible:

  • Generar energía eléctrica para el accionamiento de: un molino forrajero, un sistema de refrigeración, un sistema de ordeño mecánico, luminarias, cercado eléctrico y un sistema de bombeo de agua, para lo que se requiere de la adquisición de un generador de biogás de 35 kW de potencia, considerándose todas las fuentes energéticas, si se excluye el bombeo de agua, entonces se requería de un generador de biogás de 16,5 kW de potencia; por otro lado, si se considera la adquisición de un generador de biogás por cada fuente energética, entonces:

    • Para el molino forrajero se requiere de un generador de biogás 5,5 kW de potencia;

    • Para el sistema de refrigeración se requiere de un generador de biogás 4 kW de potencia;

    • Para el sistema de ordeño mecanizado se requiere de un generador de biogás de 5 kW de potencia;

    • Para luminarias y cercado eléctrico se requiere de un generador de biogás de 0,14 kW de potencia.

Según la empresa China Shenzhen Teenwin Environment Co, el precio de estos generadores de biogás oscila entre 550… 1250 USD (13 750…31 250 peso MN)

  • Además, es posible obtener 190 kg/día de biofertilizantes, que representan un aporte económico de 2 375 peso (95 USD), a partir del precio de los biofertilizantes en el mercado internacional que alcanza un valor de 500 USD/t (12 500 peso/t).

CONCLUSIONES

 ⌅

  • Los fundamentos teórico-metodológicos planteados posibilitaron determinar la factibilidad económica, energética y ambiental de la tecnología de digestión anaerobia adecuada a introducir en las condiciones de la vaquería 021 de la Granja Universitaria “El Guayabal”.

  • Con la instalación de un biodigestor tubular de polietileno de 20 m3 es posible producir 190 kg/día de biofertilizantes, que representan un aporte económico de 2 375 peso (95 USD), que constituyen un valor agregado, además de los beneficios energéticos y económicos a obtener.

  • Con la introducción de la tecnología de biodigestión anaerobia es posible generar energía eléctrica para el accionamiento de: un molino forrajero, un sistema de refrigeración, un sistema de ordeño mecánico, luminarias, cercado eléctrico y un sistema de bombeo de agua, requiriéndose para ello de la adquisición de un generador de biogás de 35 kW de potencia.