Characterization of "El Guayabal" Farm of the Agrarian University of Havana (UNAH)

"El Guayabal" farm is located in Jamaica Popular's Council, belonging to San José de Las Lajas Municipality. It is also part of the Scientific-Technological Complex of Mayabeque Province. For the development of its activities, it has a global area of ​​846.6 ha where livestock production programs are mainly developed with 67% of the total areas. The pig program is conceived with 240 growing-fattening pigs per stage, twice a year, with an alternative feeding system that uses, among other things, Cuban silage feed as part of the energy fraction that pigs need for their development and balanced dry feed, to cover the protein they require for their development. The volume of excreta and water mixture was calculated according to the Braun (2013)BRAUN, R.: Eliminación mediante impactos ambientales positivos de estiércoles y purínes en las empresas porcinas, Inst. Estación Experimental Agropecuaria Marcos Suárez, INTA, Producción de biogás, Informe de actualización técnica. EEA Marcos Juárez,(28), Estación Experimental Agropecuaria Marcos Suárez, INTA. Marcos Juárez (Córdoba), Argentina, 5-12 p., 2013., methodology, which determined the production of fecal feces by category and weight of the animal in metabolism sheds and used pressurized water for cleaning.

Evaluation of the Pig Facility Based on the Use of Renewable Energy Sources

A study was carried out to determine the potentialities of using FRE in the swine unit and the energy consumption and availability they have was taken into consideration. The main FRE studied were photovoltaic and thermal solar energy and biogas, which will be implemented according to the existing energy availability in the area and the potential for introducing any of these sources. A hybrid system will be proposed to take advantage of the potential of each one.

Diagnosis of Energy Demand

An energy balance was carried out to determine the electricity consumption in the unit. The present equipment was taken into consideration. A Professional Clamp Multimeter (Steren) was used to determine the consumption by equipment. The monthly and annual consumption was determined, as well as the economic amount.

Determination of the Design and Construction Parameters of the Biodigester

Main parameters that were taken into account for the calculation of a biogas plant:

The formula described by Campos (2011) was applied:

where: Tr - Retention time (time required by bacteria to degrade organic matter, me-mass of excreta, kg; ma-mass of water, kg. According to Lozano et al. (2020)LOZANO, A.; SÁNCHEZ, C.; ARDILA, J.: “Diseño de un biodigestor de excremento para generación de biogás vía simulación con el software SIMBA®”, Revista Ingeniería y Región, 24: 75-85, 2020, ISSN: 2216-1325, DOI: https://doi.org/10.25054/22161325.2779. biodigesters are generally used to treat concentrated substrates with high solids content that degrade with retention times greater than 21 days. Forty days was used since it works for pigs according to what was reported by Guardado-Chacón et al. (2017)GUARDADO-CHACÓN, J.; ALONSO-GONZÁLEZ, M.; ARENCIBIA-ARUCA, A.; PÉREZ-HERNÁNDEZ, M.; SANTAMARINA-GUERRA, J.; SANTOS-ESTÉVEZ, J.; VÁZQUEZ-GÁLVEZ, M.: El movimiento de Usuarios del biogás en Cuba, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Madelaine Vázquez Gálvez y Lourdes Tagle Rodríguez ed., La Habana, Cuba, 156 p., 2017, ISBN: 978-959-7113-50-8..

To calculate the total volume of the biodigester, the gas storage volume is needed. According to Botero & Preston (1987)BOTERO, R.; PRESTON, T.: “Low-cost biodigester for production of fuel and fertilizer from manure”, Mimeograph. CIPAV, Cali, Colombia, 1-20, 1987, Disponible en: http://www.produccionanimal.com.ar/Biodigestores/04-biodigestores.pdf. and based on the experience in the operation of biodigesters by Barrena-Gurbillón et al. (2019)BARRENA-GURBILLÓN, M.A.; SALAZAR-SALAZAR, P.; GOSGOT-ÁNGELES, W.; ORDINOLA-RAMÍREZ, C.M.; HUANES-MARIÑOS, M.: “Diseño del biodigestor tipo laguna cubierta para el Establo de la Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza, Chachapoyas, Amazonas”, Revista de Investigación de Agroproducción Sustentable, 3(2): 63-70, 2019, ISSN: 2520-9760, DOI: https://doi.org/10.25127/aps.20192.491. and Ferreira-da Silva et al. (2022)FERREIRA-DA SILVA, O.; VARGAS-RODRÍGUEZ, P.; DORTA-ARMAIGNAC, A.; FERNÁNDEZ-HUNG, K.; HERNÁNDEZ-RAMÍREZ, I.; MÉNDEZ-JOCIK, A.: “Uso de energías renovables en procesos agropecuarios para producir alimentos”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 31(1), 2022, ISSN: 2071-0054, Publisher: Universidad Agraria de La Habana., the volume of biogas that will be produced per day will be equal to 25% of the volume of manure: water mixture contained in the biodigester, which is the working volume (Vt).

The volumetric organic load (COV) is the specific volume of degradable biomass for each type or mixture. It was calculated by the following equation:

where: VM: volatile mass, kg; BV: biodigester volume, m³; t: time, days

It was estimated that the dry matter (DM) content is 6% and that of volatile matter is 95%, so the calculation of the volatile matter of the biomass was calculated as follows:

According to FAO (2011)FAO, M.: Manual de biogás. Manual de biogás. Editado por: Proyecto CHI/00/G32 “Chile: Remoción de Barreras para la Electrificación Rural con Energías Renovables”. Ministerio de Energía, Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo, Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, Global Environment Facility, Ed. MINENERGIA/PNUD/FAO/GEF. Chile: Editado por Proyecto CHI/00/G32 Chile, 115 p., 2011, ISBN: 978-95-306892-0. within biogas, methane represents between 55-70% of the volume of gas produced. In this case, 60% was considered. For the calculation of sludge production, 10% of the biodigester volume was used (Moncayo, 2017MONCAYO, G.: Manual de dimensionamiento y diseño de biodigestores industriales para clima tropical. Biodigestores tropicalizados, Ed. Editorial Aqualimpia engineering, Maike Moncayo Hilmer ed., Alemania, 240 p., 2017, ISBN: 0049-581-3890550.).

According to Moncayo (2017)MONCAYO, G.: Manual de dimensionamiento y diseño de biodigestores industriales para clima tropical. Biodigestores tropicalizados, Ed. Editorial Aqualimpia engineering, Maike Moncayo Hilmer ed., Alemania, 240 p., 2017, ISBN: 0049-581-3890550. the efficiency of biogas when used to generate electricity is 2.2 kWh per m³.

Methodology for Solar Thermal Energy for Water Heating Use

Water heaters were used in the sanitary filters of the pig center for workers´ sanitization. The demand for water was calculated taking into account that 3 workers work in the unit and according to Bérriz (2007)BÉRRIZ, L.: “Calentador solar de tubos al vacío: Una opción eficiente y sostenible para el calentamiento de agua”, Energía y tú, 39: 3-7, 2007, ISSN: 1028-9925. the demand for hot water used by each of them in the bathroom is approximately 8 L, between 8:00 a.m. and 4:00 p.m., every day. According Bérriz & Álvarez (2008)BÉRRIZ, L.; ÁLVAREZ, M.: Manual para el cálculo y diseño de calentadores solares, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Alejandro Montesinos Larrosa Lourdes Tagle Rodríguez ed., La Habana, Cuba, 2008, ISBN: 978-959-7113-36-2. it was considered that during personal hygiene, the usual temperature is 32 to 43°C.

Procedure for Solar Heaters Use

It was used the methodology proposed by Kumar et al. (2019)KUMAR, L.; HASANUZZAMAN, M.; RAHIM, N.: “Global advancement of solar thermal energy technologies for industrial process heat and its future prospects: A review”, Energy Conversion and Management, 195: 885-908, 2019, ISSN: 0196-8904, Publisher: Elsevier, DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.05.081., which follows the following steps:

Methodology for Photovoltaic Solar Energy (FV) use

With the energy consumption to be supplied, the calculation was made to determine the necessary number of panels. The methodology described by Alonso (2011) ALONSO, J.: “Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas”, Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, 2011, Disponible en: www.sfe-solar.com. and Morejón-Mesa et al. (2022)MOREJÓN-MESA, M.Y.; TORRICO, A.J.C.; MORENO, M.V.; ANDRÉS, A.D.H.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios, Ed. Editorial: Instituto Agrario Bolivia, Bolivia, 154 p., 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6. to perform the analysis of energy demand was used. For this, it was necessary to know the total number of animals and the average consumption of drinking water per animal, electricity and water for cleaning and total daily.

Procedure for Determining the Number of Photovoltaic Panels to Install

Economic-Environmental Evaluation of Renewable Energy Sources Use

To carry out the economic evaluation, the following indicators were determined: Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR), Investment Recovery Period (IRP) and the benefit-cost ratio (B/C). To carry out the environmental evaluation, the following indicators were determined: equivalent tons of oil (Teqp), equivalent tons of CO₂ stopped emitting (Teq_CO2), volume of methane produced (V_CH4) and the amount of biofertilizer produced (B_iop).

Determination of Energy Sustainability in the Pig Center

The SAFA methodology according to FAO (2015)FAO: SAFA smallholders APP version. 2015, [en línea], FAO, 2015, Disponible en: http://www.fao.org/fileadmin/user_upload/suistainability/docs/SAFASmallApp_Manual-final.pdf. was used for the evaluation of energy sustainability in the pig center of the Institute of Animal Science. The four dimensions were taken into consideration: 1) Good Governance, 2) Environmental Integrity, 3) Economic Resilience and 4) Social Well-being. For the implementation of the methodology, a series of qualitative criteria were considered, delimited by zoned thresholds that made it possible to weigh the level of sustainability of the production system. A radial graph was made where the situation of the pig center was compared before and after the proposal to include the FRE.

Characterization of the Experimental Area

Table 1 shows the production of excreta and water mixture by animal category that exists in the "El Guayabal" farm. The volumes that are generated justify the use of residual treatments since a problem is solved and it becomes a benefit because energy is generated through biogas and the obtaining of liquid and solid biofertilizers.

Results of the Energy Diagnosis of the Pig Center Studied

After carrying out the energy balance (Table 2), the daily electricity consumption of the installation was obtained. It has two production sheds where the pigs are in the pre-fattening and fattening categories. The water pump can be used both to supply the unit and to irrigate the surrounding areas. The construction of a Vitafert additive according to Elías & Herrera (2011)ELÍAS, A.; HERRERA, F.: Registro de patente No. 81/2011, Oficina Cubana de la Propiedad Industrial, La Habana, Cuba, 2011. production plant, for animal feed is planned.

Design and Energy Potential in the Pig Center

The use of biogas improves the economic indicators of a farm, since it generates income from liquid and solid biofertilizer sale. In addition, it can be converted into a source of energy, for cooking food and for generating electricity (Oliva-Merencio & Pereda-Reyes, 2022OLIVA-MERENCIO, D.; PEREDA-REYES, I.: “Biogás y sostenibilidad en Cuba”, Revista Universidad y Sociedad, 14(2): 597-609, 2022, ISSN: 2218-3620, Publisher: Editorial" Universo Sur".).If the above is taken into account, the design of a hybrid FRE system with the use of biodigesters is proposed, where the treatment of residuals is prioritized for the productive scenario. Subsequently, the rest of the FRE are used where they are valued as suitable for the scenario and with the aims of supplying the total energy demand and covering the intermittency of each one of them. This allows for a sustainability study that takes into account the economic, environmental and social impact (Cisneros-Ramírez et al., 2021; Kantoğlu & Argun, 2023).

For this, the amounts of biogas and sludge obtained for the production of energy and fertilizer were valued as reported by Hermida-García et al. (2020). In a second phase, an estimate is made to determine the potential for generating electricity with other renewable energy sources. In agricultural facilities, the use of biogas should be prioritized taking into account the policies outlined by the Ministerio de Ciencia y Tecnología de Cuba and the negative impact of residuals not properly treated. All this allows the implementation in the pig farm of the hybrid system and fully exploit all natural resources, without harming the environment.

Dimensioning of the Biodigester

For the correct dimensioning, the parameters calculation reflected in Table 3 was required. Based on the determinations shown above, the installation of a fixed dome biodigester is proposed. The total volume was taken into account and it was considered that these digesters should not exceed 97 m³ according to Guardado- Chacón (2007)GUARDADO-CHACÓN, J.; ALONSO-GONZÁLEZ, M.; ARENCIBIA-ARUCA, A.; PÉREZ-HERNÁNDEZ, M.; SANTAMARINA-GUERRA, J.; SANTOS-ESTÉVEZ, J.; VÁZQUEZ-GÁLVEZ, M.: El movimiento de Usuarios del biogás en Cuba, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Madelaine Vázquez Gálvez y Lourdes Tagle Rodríguez ed., La Habana, Cuba, 156 p., 2017, ISBN: 978-959-7113-50-8..

Table 4 and Figure 1 show the proposed sizing of the biodigester to be introduced and the design, respectively. Due to the volumes of gas produced, the use of a generator is proposed to obtain electricity to supply part of the unit's demand.

The use of electrical energy produced by biogas covers the demand for electricity in 64.84% for the pig center. Table 5 reflects the evaluation of the hybrid system to be used according to the FRE that have the greatest potential and with the aim of satisfying the total demand for electricity.

Use of Solar Thermal Energy for Water Heating

From the analysis of Table 5, a system of vacuum tube solar heaters for the sanitary filter is proposed, due to the costs and durability of these technologies for water heating. Despite the existence of a generator, close to the biodigester, given the construction characteristics of the unit and the location of the sanitary filter at the other end of the installation; it is feasible to mount vacuum tube solar heaters so that there are no losses of heat. For this, it is necessary to install a 90 L solar heater model Lp47-1510-30 ACF assembled in Cuba according to Pérez-Acosta et al. (2017) that meets the need for 48 L/day of hot water. This would guarantee to cover 14.20% of the total demand for electrical energy of the pig center.

Use of Photovoltaic Solar Energy

After carrying out the study and assessing the type of FRE that can be used to guarantee all the electricity demand in the pig farm, it was determined to use photovoltaic solar energy, since solar irradiation is above 5 kWh/ m² average for the day. It is decided not to use wind energy because the wind speed is very low (it ranges between 1.3 and 2 m/s) and on the other hand there are obstacles that create turbulence, factors that affect the generation. The use of photovoltaic panels in the "El Guayabal" farm represents 20.96% of the total demand.

Based on these results and taking into consideration that the photovoltaic solar modules, DSM-250 (Policrystalline Solar Panel), assembled in Cuba, of 250 W and 1.63 m², are taken, it was determined the number of modules to be installed and the power of the system. This can be seen in Table 6. To fully cover the demand with photovoltaic solar energy, 8 modules with a photovoltaic power of 2 kW are needed for the farm.

Determination of the Economic-Environmental Impact of the Proposed Design

For the feasibility analysis of the investment in the “El Guayabal” Farm, the cash flow of the project was calculated for a period of five years. An investment amounting to 757,000 pesos was considered with an additional cost of total assets of 37,850 pesos, adding a total of 794,850 pesos.

The income was estimated from the production of organic fertilizer that is achieved with the installed capacities. Production is estimated at 0.1326 daily tons of organic fertilizer that can have a price of 8,500 pesos/t. With these assumptions, the annual income values ​​are estimated at 371,943 pesos, which will form part of the entity's Statement of Financial Performance.

Variable expenses are minimal and cover the salaries of people in charge of handling and caring for the biodigester, as well as other necessary resources, including those related to the marketing of the final product. Regarding the fixed costs, an amount was determined that allows the annual maintenance of the equipment. The depreciation rate used was 5% per year, which is within the range established by Resolution 701/2015 of the Ministerio de Finanzas y Precios (MFP-Cuba, 2015). The tax rate of 35% was used, which is the one arranged for the payment of taxes on profits in the business sector.

Regarding the investment variables, the Net Present Value (VAN) is positive, which makes it presuppose that the investment is viable and can be accepted. This criterion is reinforced by calculating the Internal Rate of Return (TIR), which is higher than the discount rate (12%) used in Cuba. In other words, the VAN would continue to be positive for a rate that can reach up to 16%. It should be clarified that even if the investment was made with financing provided by the Bank, the maximum rate used for investment financing is 10%.

The investment recovery period is four years, a very positive aspect that corroborates the feasibility of making the investment. To these aspects must be added additional tasks of investment, among which are:

Determination of Sustainability with FRE Hybrid System in the Pig Center

As reflected in Figure 2, it is shown that with the evaluation of the sustainability indicators applied to the pig farm under study, it is possible to implement the FRE. To make decisions, it must be considered from the investment process to the exploitation of the same. According to Collazo-Expósito & Granados-Sánchez (2020) and Baena-Morales et al. (2021)BAENA-MORALES, S.; MERMA-MOLINA, G.; GAVILÁN-MARTÍN, D.: “¿ Qué conocen los profesores de Educación Física sobre los Objetivos de Desarrollo Sostenible? Un estudio cualitativo-exploratorio”, Retos, 42: 452-463, 2021, ISSN: 1579-1726, e-ISSN: 1988-2041, Publisher: Federacion Espanola de Asociaciones de Docentes de Educacion Fisica (FEADEF), Disponible en: https://recyt.fecyt.es/index.php/retos/index. in the sustainability model three fundamental elements are integrated: economy, society and environment.

With the results shown in the radial graph (Figure 2) it is evident that the solutions applied in the pig center contribute to the sustainability of the production system, solving environmental problems by improving the negative impact on the environment, as well as producing biogas, electricity and biofertilizers, products that increase the income of production schemes.

Caracterización de la granja “El Guayabal” de la Universidad Agraria de La Habana (UNAH)

La Granja Universitaria “El Guayabal” se encuentra ubicada en el Consejo Popular Jamaica, perteneciente al municipio San José de las Lajas. Forma parte además, del Complejo Científico-Tecnológico de la provincia Mayabeque. Para el desarrollo de sus actividades, cuenta con un área global de 846,6 ha donde se desarrollan fundamentalmente programas de producción ganadera con 67% del total de áreas. El programa porcino se concibe con 240 cerdos en crecimiento- ceba por etapa, dos veces al año, con un sistema de alimentación alternativo que utiliza, entre otros, el alimento ensilado cubano como parte de la fracción energética que necesitan los cerdos para su desarrollo, y los piensos secos balanceados, para cubrir la proteína que requieren para su desarrollo. Se calculó el volumen de mezcla excreta y agua según la metodología de Braun (2013)BRAUN, R.: Eliminación mediante impactos ambientales positivos de estiércoles y purínes en las empresas porcinas, Inst. Estación Experimental Agropecuaria Marcos Suárez, INTA, Producción de biogás, Informe de actualización técnica. EEA Marcos Juárez,(28), Estación Experimental Agropecuaria Marcos Suárez, INTA. Marcos Juárez (Córdoba), Argentina, 5-12 p., 2013., que determinó en naves de metabolismo la producción de heces fecales por categoría y peso del animal y empleó para la limpieza agua a presión.

Evaluación de la instalación porcina basadas en el empleo de las Fuentes Renovables de Energía

Se realizó un estudio para determinar las potencialidades con respecto al uso de las FRE en la unidad porcina y se tomó en consideración los consumos y la disponibilidad energética con que cuentan. Las principales FRE con las que se trabajó fueron la energía solar fotovoltaica y térmica, el biogás, las que se implementarán según la disponibilidad energética existente en el área y las potencialidades de introducción de alguna de estas fuentes. Se propondrá un sistema híbrido para el aprovechamiento de las potencialidades de cada una.

Diagnóstico de la demanda energética

Se realizó un balance energético para determinar el consumo de electricidad en la unidad. Se tomó en consideración el equipamiento presente. Se empleó un Multímetro Profesional de Gancho (Steren) para determinar el consumo por equipo. Se determinó el consumo mensual y anual, así como el importe económico.

Determinación de los parámetros de diseño y construcción del biodigestor

Principales parámetros que se tuvieron en cuenta para el cálculo de una planta de biogás:

Se aplicó la fórmula descrita por Campos-Cuní (2011):

donde: Tr -Tiempo de retención (tiempo que requieren las bacterias para degradar la materia orgánica, me- masa de la excreta, kg; ma- masa del agua, kg. Según Lozano et al. (2020)LOZANO, A.; SÁNCHEZ, C.; ARDILA, J.: “Diseño de un biodigestor de excremento para generación de biogás vía simulación con el software SIMBA®”, Revista Ingeniería y Región, 24: 75-85, 2020, ISSN: 2216-1325, DOI: https://doi.org/10.25054/22161325.2779. los biodigestores, se utilizan generalmente para tratar sustratos concentrados con alto contenido de sólidos que se degradan con tiempos de retención mayores de 21 días. Se utilizó 40 días ya que se trabaja para cerdos según lo plateado por Guardado-Chacón et al. (2017)GUARDADO-CHACÓN, J.; ALONSO-GONZÁLEZ, M.; ARENCIBIA-ARUCA, A.; PÉREZ-HERNÁNDEZ, M.; SANTAMARINA-GUERRA, J.; SANTOS-ESTÉVEZ, J.; VÁZQUEZ-GÁLVEZ, M.: El movimiento de Usuarios del biogás en Cuba, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Madelaine Vázquez Gálvez y Lourdes Tagle Rodríguez ed., La Habana, Cuba, 156 p., 2017, ISBN: 978-959-7113-50-8..

Para calcular el volumen total del biodigestor se necesita el Volumen de almacenamiento de gas. Según Botero y Preston (1987)BOTERO, R.; PRESTON, T.: “Low-cost biodigester for production of fuel and fertilizer from manure”, Mimeograph. CIPAV, Cali, Colombia, 1-20, 1987, Disponible en: http://www.produccionanimal.com.ar/Biodigestores/04-biodigestores.pdf. y en base a la experiencia en la operación de biodigestores por Barrena-Gurbillón et al. (2019)BARRENA-GURBILLÓN, M.A.; SALAZAR-SALAZAR, P.; GOSGOT-ÁNGELES, W.; ORDINOLA-RAMÍREZ, C.M.; HUANES-MARIÑOS, M.: “Diseño del biodigestor tipo laguna cubierta para el Establo de la Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza, Chachapoyas, Amazonas”, Revista de Investigación de Agroproducción Sustentable, 3(2): 63-70, 2019, ISSN: 2520-9760, DOI: https://doi.org/10.25127/aps.20192.491. y Ferreira-da Silva et al. (2022)FERREIRA-DA SILVA, O.; VARGAS-RODRÍGUEZ, P.; DORTA-ARMAIGNAC, A.; FERNÁNDEZ-HUNG, K.; HERNÁNDEZ-RAMÍREZ, I.; MÉNDEZ-JOCIK, A.: “Uso de energías renovables en procesos agropecuarios para producir alimentos”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 31(1), 2022, ISSN: 2071-0054, Publisher: Universidad Agraria de La Habana., el volumen de biogás que se producirá por día será igual al 25% del volumen de mezcla estiércol: agua contenida en el biodigestor, que es el volumen de trabajo (Vt).

La carga orgánica volumétrica (COV) es el volumen de biomasa degradable específico para cada tipo o mezcla. Se calculó por la siguiente ecuación:

donde: MV: masa volátil, kg; V: volumen del biodigestor, m³; t: tiempo, días

Se estimó que el contenido de materia seca (MS) es del 6% y el de materia volátil es de 95% por lo que el cálculo de la materia volátil de la biomasa se calculó como sigue:

Según FAO (2011)FAO, M.: Manual de biogás. Manual de biogás. Editado por: Proyecto CHI/00/G32 “Chile: Remoción de Barreras para la Electrificación Rural con Energías Renovables”. Ministerio de Energía, Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo, Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, Global Environment Facility, Ed. MINENERGIA/PNUD/FAO/GEF. Chile: Editado por Proyecto CHI/00/G32 Chile, 115 p., 2011, ISBN: 978-95-306892-0. dentro del biogás el metano representa entre el 55-70% del volumen del gas producido. En este caso se trabajó con el 60%. Para el cálculo de la producción de lodo, se empleó el 10% del volumen del biodigestor (Moncayo, 2017MONCAYO, G.: Manual de dimensionamiento y diseño de biodigestores industriales para clima tropical. Biodigestores tropicalizados, Ed. Editorial Aqualimpia engineering, Maike Moncayo Hilmer ed., Alemania, 240 p., 2017, ISBN: 0049-581-3890550.).

Según Moncayo (2017)MONCAYO, G.: Manual de dimensionamiento y diseño de biodigestores industriales para clima tropical. Biodigestores tropicalizados, Ed. Editorial Aqualimpia engineering, Maike Moncayo Hilmer ed., Alemania, 240 p., 2017, ISBN: 0049-581-3890550. la eficiencia del biogás cuando se emplea para generar energía eléctrica es de 2,2 kWh por cada m³.

Metodología para el uso de la energía solar térmica para el calentamiento de agua

Se utilizaron calentadores de agua en los filtros sanitarios del centro porcino para la higienización de los obreros. La demanda de agua se calculó tomando en consideración que laboran en la unidad 3 trabajadores y según Bérriz (2007)BÉRRIZ, L.: “Calentador solar de tubos al vacío: Una opción eficiente y sostenible para el calentamiento de agua”, Energía y tú, 39: 3-7, 2007, ISSN: 1028-9925. la demanda de agua caliente utilizada por cada uno de ellos en el baño tiene un aproximado de 8 L, en los horarios 8.00 am y 4.00 pm, todos los días. Según Bérriz y Álvarez (2008)BÉRRIZ, L.; ÁLVAREZ, M.: Manual para el cálculo y diseño de calentadores solares, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Alejandro Montesinos Larrosa Lourdes Tagle Rodríguez ed., La Habana, Cuba, 2008, ISBN: 978-959-7113-36-2. se consideró que durante la higienización personal, la temperatura usual es de 32 a 43°C.

Procedimiento para la utilización de los calentadores solares

Se empleó la metodología propuesta por Kumar et al. (2019)KUMAR, L.; HASANUZZAMAN, M.; RAHIM, N.: “Global advancement of solar thermal energy technologies for industrial process heat and its future prospects: A review”, Energy Conversion and Management, 195: 885-908, 2019, ISSN: 0196-8904, Publisher: Elsevier, DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.05.081., la cual sigue los pasos siguientes:

Metodología para el uso de la energía solar fotovoltaica (FV)

Con el consumo energético a suplir, se realizó el cálculo para determinar la cantidad de paneles que se requieren. Se empleó la metodología descrita por Alonso (2011)ALONSO, J.: “Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas”, Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, 2011, Disponible en: www.sfe-solar.com. y Morejón-Mesa et al. (2022)MOREJÓN-MESA, M.Y.; TORRICO, A.J.C.; MORENO, M.V.; ANDRÉS, A.D.H.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios, Ed. Editorial: Instituto Agrario Bolivia, Bolivia, 154 p., 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6. para realizar el análisis de la demanda de energía. Para ello fue necesario el conocimiento del total de animales y los consumos promedio de: agua de bebida por animal, electricidad y agua para limpieza y diaria total.

Procedimiento para la determinación de la cantidad de paneles fotovoltaicos a instalar

Evaluación económico-ambiental del empleo de Fuentes Renovables de Energía

Para la realización de la evaluación económica, se determinaron los siguientes indicadores: Valor actual neto (VAN), Tasa interna de retorno (TIR), Período de recuperación de la inversión (PRI) y la relación beneficio- costo (B/C). Para la realización de la evaluación ambiental, se determinaron los siguientes indicadores: Toneladas equivalentes de petróleo (Teqp), Toneladas equivalentes de CO₂ dejadas de emitir (Teq_CO2), Volumen de metano producido (V_CH4) y la cantidad de biofertilizante producido (B_iop).

Determinación la sostenibilidad energética en el centro porcino

Se empleó la metodología SAFA según FAO (2015)FAO: SAFA smallholders APP version. 2015, [en línea], FAO, 2015, Disponible en: http://www.fao.org/fileadmin/user_upload/suistainability/docs/SAFASmallApp_Manual-final.pdf. para la evaluación de la sostenibilidad energética en el centro porcino del Instituto de Ciencia Animal. Se tomaron en consideración las cuatro dimensiones: 1) Buena Gobernanza, 2) Integridad Ambiental, 3) Resiliencia Económica y 4) Bienestar Social. Para la implementación de la metodología se consideraron una serie de criterios cualitativos, delimitados por umbrales zonificados que posibilitaron ponderar el nivel de sostenibilidad del sistema de producción. Se confeccionó un gráfico radial donde se comparó la situación del centro porcino antes y después de la propuesta de inclusión de las FRE.

Caracterización del área experimental

La Tabla 1 muestra la producción de mezcla excreta y agua por categoría animal que existe en la granja “El Guayabal”. Los volúmenes que se generan justifican el empleo de tratamientos de residuales ya que se le da solución a una problemática y se convierte en un beneficio porque se genera energía mediante el biogás y la obtención de biofertilizantes líquidos y sólidos.

Resultados del diagnóstico energético del centro porcino objeto de estudio

Después de realizar el balance energético (Tabla 2), se obtuvo el consumo eléctrico diario de la instalación. La misma cuenta con dos naves de producción donde están presentes cerdos en las categorías preceba y ceba. La bomba de agua se puede emplear tanto para abastecer la unidad como para el riego de las áreas aledañas de la misma. Se proyecta la construcción de una planta de producción de aditivo Vitafert según Elías y Herrera (2011)ELÍAS, A.; HERRERA, F.: Registro de patente No. 81/2011, Oficina Cubana de la Propiedad Industrial, La Habana, Cuba, 2011., para la alimentación animal.

Diseño y potencial energético en el centro porcino

El uso del biogás mejora los indicadores económicos de una granja, ya que genera ingresos por el concepto de venta de biofertilizante líquido y sólido. Además, se puede convertir en una fuente de energía, para la cocción de alimentos y para la generación de la electricidad (Oliva-Merencio y Pereda-Reyes, 2022OLIVA-MERENCIO, D.; PEREDA-REYES, I.: “Biogás y sostenibilidad en Cuba”, Revista Universidad y Sociedad, 14(2): 597-609, 2022, ISSN: 2218-3620, Publisher: Editorial" Universo Sur".). Si se toma en cuenta lo anterior, se propone el diseño de un sistema híbrido de FRE con la utilización de los biodigestores, donde se prioriza el tratamiento de residuales para el escenario productivo. Posteriormente, se emplean el resto de las FRE donde se valoran la o las idóneas para el escenario y con el objetivo de suplir la demanda energética en su totalidad y cubrir la intermitencia de cada una de ellas. Lo anterior permite realizar un estudio de sostenibilidad que toma en consideración el impacto económico, ambiental y social (Cisneros-Ramírez et al., 2021; Kantoğlu y Argun, 2023).

Para ello, se valoraron las cantidades de biogás y lodo que se obtienen para la producción de energía y fertilizante según lo reportado por Hermida-García et al. (2020). En una segunda fase, se hace una estimación para determinar el potencial de generación de energía eléctrica con otras fuentes renovables de energía. En las instalaciones agropecuarias se debe priorizar la utilización del biogás teniendo en cuenta las políticas trazadas por el Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente de Cuba y por el impacto negativo que tiene el residual si no se trata correctamente. Todo esto permite la implementación en el centro porcino del sistema híbrido y explotar al máximo todos los recursos naturales, sin dañar el medio ambiente.

Dimensionamiento del biodigestor

Para el correcto dimensionamiento se requiere del cálculo de los parámetros reflejados en la Tabla 3. A partir de las determinaciones antes mostradas, se propone la instalación de un biodigestor de cúpula fija. Se tuvo en cuenta el volumen total y se consideró que estos digestores no deben sobrepasar los 97 m³ según Guardado- Chacón (2007)GUARDADO-CHACÓN, J.; ALONSO-GONZÁLEZ, M.; ARENCIBIA-ARUCA, A.; PÉREZ-HERNÁNDEZ, M.; SANTAMARINA-GUERRA, J.; SANTOS-ESTÉVEZ, J.; VÁZQUEZ-GÁLVEZ, M.: El movimiento de Usuarios del biogás en Cuba, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Madelaine Vázquez Gálvez y Lourdes Tagle Rodríguez ed., La Habana, Cuba, 156 p., 2017, ISBN: 978-959-7113-50-8..

En la Tabla 4 y la Figura 1 se muestran la propuesta de dimensionamiento del biodigestor a introducir y el diseño, respectivamente. Por los volúmenes de gas producido se plantea el uso de un generador para la obtención de electricidad para suplir una parte de la demanda de la unidad.

La utilización de la energía eléctrica producida por el biogás cubre la demanda de electricidad en 64.84% para el centro porcino. En la Tabla 5 se refleja la valoración del sistema híbrido a emplear según las FRE que mayores potencialidades poseen y con el objetivo de satisfacer la demanda de electricidad en su totalidad.

Uso de la energía solar térmica para el calentamiento de agua

A partir del análisis de la Tabla 5, se propone un sistema de calentadores solares de tubos al vacío para el filtro sanitario, debido a los costos y la durabilidad de estas tecnologías para el calentamiento de agua. A pesar de la existencia de un generador, cercano al biodigestor, dadas las características constructivas de la unidad y la ubicación del filtro sanitario en el otro extremo de la instalación, es factible el montaje de calentadores solares de tubos al vacío para que no existan pérdidas de calor. Para ello, es necesario la instalación de un calentador solar de 90 L modelo Lp47-1510-30 ACF ensamblados en Cuba según Pérez-Acosta et al. (2017) que suplen la necesidad de 48 L/día de agua caliente. Con ello se garantizaría cubrir 14.20% de la demanda total de energía eléctrica del centro porcino.

Uso de la energía solar fotovoltaica

Después de realizar el estudio y valorar el tipo de FRE que se puede emplear para garantizar toda la demanda de electricidad en el centro porcino, se determinó usar la energía solar fotovoltaica, debido a que la irradiación solar, está por encima de 5 kWh/m² promedio en el día. Se decide no utilizar la energía eólica porque la velocidad del viento es muy baja (oscila entre 1,3 y 2 m/s) y por otro lado existen obstáculos que crean turbulencia, factores que afectan la generación. La utilización de los paneles fotovoltaicos en el la granja “El Guayabal” representa el 20,96% de la demanda total.

A partir de estos resultados y tomando en consideración que se toman los módulos solares fotovoltaico, DSM-250 (Panel Solar Policristalino), ensamblados en Cuba, de 250 W y 1,63 m², se determinó el número de módulos a instalar y la potencia del sistema. Esto se aprecia en la Tabla 6. Se necesitan para cubrir la demanda en su totalidad con energía solar fotovoltaica, para la Granja 8 módulos con una potencia fotovoltaica de 2 kW.

Determinación del impacto económico-ambiental del diseño propuesto

Para el análisis de factibilidad de la inversión en la Granja “El Guayabal”, se calculó el flujo de fondos del proyecto para el período de cinco años. Se consideró una inversión ascendente a 757 000 pesos con un costo adicional de activos totales de 37 850 pesos sumando en total 794 850 pesos.

Los ingresos se estimaron a partir de la producción de abono orgánico que se logra con las capacidades instaladas. La producción se estima en 0,1326 toneladas diarias de abono orgánico que puede tener un precio de 8 500 pesos/t. Con estos supuestos los valores de ingresos anuales se estiman en 371 943 pesos que formarán parte del Estado de Rendimiento Financiero de la entidad.

Los gastos variables son mínimos y cubren los salarios de las personas encargadas de la manipulación y atención del biodigestor, así como otros recursos necesarios entre los que se incluyen los relacionados con la comercialización del producto final. En cuanto a los costos fijos, se determinó una cantidad que permita los mantenimientos anuales del equipamiento. La tasa de depreciación utilizada fue del 5% anual que se encuentra en el rango establecido por la Resolución 701/2015 del Ministerio de Finanzas y Precios (MFP-Cuba, 2015). Se utilizó la tasa impositiva del 35% que es la dispuesta para el pago de impuestos sobre utilidades en el sector empresarial.

En cuanto a las variables de la inversión, el Valor Actual Neto (VAN) es positivo por lo que hace presuponer que la inversión es viable y se puede aceptar. Este criterio se refuerza al calcular la Tasa Interna de Retorno (TIR) que tiene un valor superior a la tasa de descuento (12%) utilizada en Cuba. Es decir, el VAN continuaría positivo para una tasa que puede llegar hasta el 16%. Se debe aclarar que aún y si la inversión se realizara con financiamiento prestado por el Banco, este la tasa máxima que utiliza para el financiamiento de inversiones es del 10%.

El período de recuperación de la inversión es de cuatro años, aspecto este muy positivo y que corrobora la factibilidad de realizar la inversión. A estos aspectos se debe sumar labores añadidos de la inversión, entre los que se encuentran:

Determinación de la sostenibilidad del sistema híbrido de FRE en el centro porcino

Según se refleja en la Figura 2, se demuestra que con la evaluación de los indicadores de sostenibilidad aplicado al centro porcino objeto de estudio, es posible implemen tar las FRE. Para tomar decisiones, se debe considerar desde el proceso de inversión hasta la explotación de las mismas. Según Collazo-Expósito y Granados-Sánchez, (2020) y Baena-Morales et al. (2021)BAENA-MORALES, S.; MERMA-MOLINA, G.; GAVILÁN-MARTÍN, D.: “¿ Qué conocen los profesores de Educación Física sobre los Objetivos de Desarrollo Sostenible? Un estudio cualitativo-exploratorio”, Retos, 42: 452-463, 2021, ISSN: 1579-1726, e-ISSN: 1988-2041, Publisher: Federacion Espanola de Asociaciones de Docentes de Educacion Fisica (FEADEF), Disponible en: https://recyt.fecyt.es/index.php/retos/index. en el modelo de sostenibilidad se integran tres elementos fundamentales que son: economía, sociedad y medio ambiente.

Con los resultados que se muestran en el grafico radial (Figura 2) se evidencia que las soluciones aplicadas en el centro porcino, contribuye a la sostenibilidad del sistema de producción, resolviéndose problemas ambientales al mejorar el impacto negativo al medio, así como producir biogás, electricidad y biofertilizantes, productos que incrementan los ingresos de los esquemas de producción.