Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 33, No. 3, July-September, 2024, ISSN: 2071-0054
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Biogas Plant Non-Typical. Fermentation with Solid Substrates

 

iDCarlos M. Martínez HernándezIUniversidad Central “Marta Abreu” de las Villas Santa Clara, Villa Clara*✉:carlosmh@uclv.edu.cu

iDHans OchsnerIIUniversidad de Hohenheim. State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy. Germany.


IUniversidad Central “Marta Abreu” de las Villas Santa Clara, Villa Clara

IIUniversidad de Hohenheim. State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy. Germany.

 

*Author for correspondence: Carlos M. Martínez Hernández, e-mail: carlosmh@uclv.edu.cu

ABSTRACT

The work refers to the use of a plant of non-typical biogas in Germany. The first one leaves it refers to the exploitation of biogas plants that it doesn’t use liquid substrates (pig or caw manure) in co-fermentation with agricultural materials in Germany to produce biogas. In this case, the principles and methods are described that are used in this country to exploit these facilities and their tendency toward the future. The second part of the part is about these same topics in the environment of Cuba. The third leave they discuss: if these systems are viable and would be possible to introduce in Cuba or in countries of the call “Third World”? This way, is the objective of the present work to disclose this type of technology of biogas production, which is carried out in this country and its feasibility of being introduced in the countries of the call “third world”.

Keywords: 
Liquid Substrates, Germany, Cuba, Third World

Received: 24/11/2023; Accepted: 14/6/2024

Carlos M. Martínez-Hernández, Dr.C., Prof. Titular, Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas. Carretera a Camajuaní km 5.5. CP: 54830. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. Tel: 53-42-281692. Fax: 53-42-281608.

Hans Oechsner, Dr.C., Prof. Titular, University of Hohenheim. State Institute of Agriculture Engineering and Bioenergy. Germany. e-mail: hans.oechsner@uni-hohenheim.de

The authors of this work declare no conflict of interests.

AUTHOR CONTRIBUTIONS: Conceptualization: C. Martínez. Data curation: C. Martínez. Formal Analysis: C. Martínez; H. Oechsner. Investigation: C. Martínez; H. Oechsner. Methodology: C. Martínez. Supervision: C. Martínez; H. Oechsner. Writing - original draft: C. Martínez. Writing - review & editing: C. Martínez; H. Oechsner.

CONTENT

INTRODUCTION

 

Presently work, is carried out an approach to a type of biogas plant that uses the fermentation of solid substrates for the biogas production. This plant type is not typical in Germany and for this reason it seems important to carry out an approach to the same one. Of here the importance of knowing: What, How and Because? are these plants used in the German context.

On this base, the work intends as objective to give to know the technological characteristics of this installation type. This way the knowledge is potentializes in this address and the possibility could be analyzed to be extrapolated to countries with a smaller development (Third World).

DEVELOPMENT OF THE TOPIC

 

German case

 

In Germany big dedicated companies exist to the construction and exploitation of biogas plants inside which it is the Biogas Leinfelden-Echterdingen (Northdata, 2013NORTHDATA: BioGas Leinfelden-Echterdingen, [en línea], Northdata, 2013, Disponible en: por www.northdata.com/Biogas+Leinfelden-Echterdingen+GmbH+%26+Co.+KG,+Leinfelden-Echterdingen/Amtsgericht+Stuttgart+HRA+721484.). In this case this company was the in charge one of to build and to put in exploitation the plant that will be detailed later on. Which is in operation from 2013? This company possesses a website (www.northdata.com/Biogas+Leinfelden-Echterdingen+GmbH+%26+Co.+KG,+Leinfelden-Echterdingen/Amtsgericht+Stuttgart+HRA+721484) where some productive data are offered, but emphasizing that these they are for their selective clients. It is a dossier (file) that details the record of the company, the nets, the financial development, the working indicators, the earnings and the losses etc. Also possess a series of charts excel where they report their productive indicators annually from 2013 until the present time.

In Germany, the Universities support the research and development of this type of facilities, at the same time that these companies support to the Universities with materials and financing to execute their investigation projects. This way, it closes and share the research-production and all win.

The University of Hohenheim maintains narrow working relationships and investigation with companies of this type of regional, national or international character. In the scientific events, forum, fairs or promotion activities, these companies present their new productions and at the same time they help with the financing (sponsor) of the different events. The projects that are generated in the Universities have as objective the industry that is to say the production and generally these they are those that finance it. On the other hand, the users of the projects, in turn are the owners and this way it closes and overturned money. Since the capital that they contribute, they recover it and they obtain profit once the plants put on in exploitation. Previous to all this it stands out that the German Universities, have characterized the agricultural substrates regarding their potential for the generation of biogas. It had exists norms in this respect as the VDI-RICHTLINIEN-4630 (2006)VDI-RICHTLINIEN-4630: Fermentation of organic material characterization of substrate, sampling collection of material data, fermentation tests, Inst. VDI-RICHTLINIEN, Dusseldorf, 2006., which normalizes all the procedures to make to be able to determine the potential of any biomass that is wanted to investigate. Companies like the KTBL (2018)KTBL: “KTBL‐Feldarbeitsrechner”, 2018., also exist that possesses a place web (https://www.ktbl.de), where you can determine the production of biogas that one can obtain in dependence ahead of time of: substrate type, percent of fresh matter, percent of organic matter, quantity of substrate to load, type of plant of biogas to use; cost of the substrate, annual production of biogas and yield of methane prospective etc. next will spend to describe the plant analysis object. This plant is formed by 5 digesters of concrete in form of silo tightly closed bunker with walls roofs and doors. Which allow the receipt and distribution of the material to ferment by means of special teams of transport (front loaders with diverse additions), which allow it: to evacuate the digested substrate or to introduce the fresh substrate. The plant operates for only three workers (the manager, the front loader's operator and an operator of the organic load). The load and the casting of the digesters is carried out with front loader that introduces inside these digesters the material to ferment (round pack of hays and material coming from the silage of the corn) in these containers for its fermentation. This technology is "Batch", this means that once ended the biodigestion cycle (35 days), the fermenter empties and it loads for a new cycle again. Inside these containers of concrete are located in their roof a skillful one, which each certain interval of time waters to all these substrates the liquid remainders of other previous digestions (grouts), as well as special inoculums to accelerate the process of fermentation with duration of 35 days. These digestion cameras have some approached dimensions of: 20 m x 4 m x 4 m (long wide, height). The same ones have a difference from the entrance until the end of 1,5o. This allows that the effluents (grouts) generated during the biodigestion of the substrate in each biodigestion camera (biodigester) they are picked up and correspondents to a common cistern where they are stored and they constantly recycle and that this form is guaranteed the quality and quantity of inoculum that it will activate the star of the new cycle of fermentation. The five cameras of fermentation can work simultaneously or in parallel. The normal thing is that they work in parallel, this way it becomes easier the work of loading (with substrate) and to discharge those (digested substrate) for the workers of the installation, due to the great workload of each camera of fermentation. In the second level of the cameras (it leaves superior of these cameras) it is installed the whole necessary equipment that: it allows the one dewed of the effluents on each camera, besides the system that captures the biogas, it sends him to the deposit for their storage and of here it is shipped to the internal combustion motors to generate electricity. At the same time that it generates electricity, they also generate vapor to heat the water that will be an employee in the heating. Finally, the roof of the installation, it is had in their entirety of photovoltaic panels. This way, they are used two renewable sources of energy simultaneously for the consumption of the installation and for the sale of the surpluses to a noted near community "Echterdingen" during the whole year, with which one has a contract to such goods. The objective of this plant is to produce biogas and to sell electricity and heat to the community of "Echterdingen" and the same time to obtain an organic biofertizers for the farmers that producing all the substrate to the plant need.

The authors of this work approach

 

this system presents as advantages: not to have to use excretes liquid swinish or bovine and this way it is not necessary to have an installation from this type to the biogas plant, that which mainly in the proximities of the cities, they are not very welcomed by the population.

On the other hand, once digested the substrates, these they are taken out to the exterior where they are loaded in means of transport and they move toward the fields where they will be spread in form of organic biofertizers for the machine specialized in this activity. Closing the circle among the substrates cool air that are digested and those fermented that they are used in the bio fertilizing of the soil of the producers associated to the biogas plant. The fresh solid substrates’ that are used are produced by a group of farmers (13) that in turn are the owners of this installation (shareholder). This way, they produce the material to ferment and they receive as ended product: electricity, heat and bio fertilizers. The difference between this plant and the typical biogas plants Germans is remarkable. The typical plants here are similar to those that are appreciated in the scale model of the experimental station of the University of Hohenheim (Fig.1). In this case, the biogas plants here use the co-fermentation of bovine or swinish manure with agricultural substrates, which are generally prepared for this end in silos type bunker, the most utilized agricultural substrates with these ends is corn, but other substrates and mixtures of these are also used. In the case of corn, the whole plant is harvested, cut it in small pieces, is placed in the silo bunker and later on once transformed into silaje, it feeds to the biogas plant like substrates. In the scale model they can be appreciated to reduced scale particulars of a German typical plant. Next it is exemplified with figures, which exposed with regard to this biogas plant of accustomed to residuals (Figures 1-10).

FIGURE 1.  Small scale of a biogas plant associated to bovine facilities: I file of the author.
FIGURE 2.  Detail of the fresh substrates dedicated to the fermentation (packed). It observes that in some cases they are covered with nylon. Source: author file.
FIGURE 3.  Bunker silo for fermentation of the corn (silage) for their later bio fermentation. Observe the roof of the installation covered with photovoltaic panels. Source: author file.
FIGURE 4.  Particulars of substrates without digesting (a) and digested (b) evacuated of the digester 1. The door digester 1 are observed open for extraction of digested material and their later one filled. Source: author file.
FIGURE 5.  External seen of the entrance to the 5 digesters. Source: author file.
FIGURE 6.  External of the plant, where the tank is appreciated to store the surplus of the generated hot water. Source: author file.
FIGURE 7.  Detail of the internal combustion motors which transform the biogas into electricity. Source: author file.
FIGURE 8.  Detail of the tank to store the biogas produced. Source: author file.
FIGURE 9.  Detail of the program to control the operation of the biogas plant. Observe the showers for spread the inoculum and the pipes to capture the biogas. Source: author file.
FIGURE 10.  Detail of the pursuit of the process in each digester by means of the room control. Source: author file.

Cuban case

 

In agreement Cuba with Suárez et al. (2021)SUÁREZ, J.; GUARDADO, J.; CEPERO, L.: “El estado del biogás en Cuba”, CUBAENERGÍA, 7, Boletín informativo renovable.cu. Centro de Gestión de la Información y Desarrollo de la Energía (CUBAENERGÍA), CITMA, La Habana, Cuba, 2021, ISSN: 2219-6919. a potential of production of upward biogas exists to 136 533 211 annual m3, with an energy value of 75 289 tep/years and a potential of generation of electricity of 245 760 MWh/years. The biodigesters that are used in Cuba doesn't generally overcome the 90 m3 of capacity. The main diffused technologies are those of fixed dome or Chinese model and the tubular plastics. Another technology that it has begun to introduce is the biodigesters of covered lagoon, appropriate for big masses of animal and for the electricity generation. Although they require a bigger initial investment, they have smaller investment cost for cubic meter of digestion capacity. These biodigesters that overcome the thousands of cubic meters, requires synthetic geo-membranes, electricity generators and other teams and cared auxiliary components. In an evaluation carried out by the Ministry of the Agriculture (MINAG) in the year 2020 that it embraced swinish 138 center, 4 198 swinish agreements, 1 999 dairies and 290 poultry farms, is a potential of electric generation of 807 552 MWh/years appreciated, equivalent to 241 782 t/years of fuel that avoids to emit 3,6 MM t of CO? eq/years. This potential allows producing 2 500 bio-fertilizer t/year, necessary to improve much degraded soil. 2 290 biodigesters was identified, they work 1 589. Of this figure 1 558 belong at the cooperative sector and peasant and 31 to the state sector; of the 6 625 cattle units (swinish 138 center, swinish 4 198 agreements, 1 999 dairies and 290 poultry farms), 34, 6% only possesses biodigesters and alone in 24% of them they are in operation. The main use of the biogas in Cuba is in kitchens from adapted GLP to biogas. There are experiences in kitchens, rice pots, refrigerators, illumination lamps and water heaters designed to use biogas, as well as small imported electricity generators, mainly through projects like Biomass-Cuba, but the use of the biogas doesn't overcome 10-20%.

Big biodigesters

 

In the municipality Martí, in the county of Matanzas, is two biodigesters of covered lagoon in operation. The adult has a capacity of 4 000 m3 and it is located in a swinish center of Military Agriculture-forest company (AGROFAR). This team, supported by Biomass-Cuba, gives treatment to the residual of 11 000 pigs and it has a generator of 120 kW; the other biodigester in operation, with 1 700 m3, is in a swinish center of Experimental Center of Development of the Cattle raising (GEGAN) and it has associate a generator of 80 kW; both give the electricity generated to the National Electric System (SEN). it is in construction another biodigester with this technology, with similar design and support of the projects Biomass and Bioenergie, led by the Experimental Station "Indian Hatuey" (EEIH), to 85% of execution of the work. The plants of biogas production in Cuba are using the mono-fermentation of excrete pig or caw. They are plants of small and medium format, which are always associated to swinish or bovine facilities with the objective of producing energy to small scale (cooking and electricity). on the other hand, the use of the effluents of the biodigesters like organic payment has been reported by several investigators among them Hernández et al. (2008)HERNÁNDEZ, M.F.; PRIETO, H.C.R.; SONIA, C.; GONZÁLEZ, J.; SANCHEZ, J.V.: Los biodigestores como aportadores de energía y mejoradores del suelo, [en línea], 2008, Disponible en: Recovered from https://docplayer.es/45125012-Los-biodigestores-como-aportadores-de-energia-ymejoradores-del-suelo.html.; Utria et al. (2008)UTRIA, E.; CABRERA, J.; ESCOBAR, I.; MORALES, D.; FERNÁNDEZ, A.; TOLEDO, E.: “Utilización agraria de los biosólidos y su influencia en la planta de tomate”, Revista Chapingo. México. Horticultura, 14: 38-39, 2008.; Negrin y Jiménez (2012)NEGRIN, B.A.; JIMÉNEZ, P.Y.: “Evaluación del efecto agronómico del biosólido procedente de una planta de tratamiento por digestión anaerobia de residuales pecuarios en el cultivo del frijol (Phaseolus vulgaris L)”, Cultivos tropicales, 33(2): 13-19, 2012, ISSN: 0258-5936.; López et al. (2017)LÓPEZ, D.E.; CALERO, H.A.; GÓMEZ LEÓN, L.Y.; GIL, U.C.Z.; HENDERSON, D.C.; JIMENEZ, J.C.: “Agronomic effect of the biosolid in tomato cultivation (Solanum lycopersicum): biological control of Rhizoctonia solani.”, Cultivos Tropicales, 38(1): 13-23, 2017, ISSN: 0258-5936.; Martínez y Francesena (2018)MARTÍNEZ, H.C.; FRANCESENA LÓPEZ, Y. (2018) ‘Tratamiento y utilización de efluentes instalaciones de biogás como abonos orgánicos, revisión y análisis’, Centro Agrícola, 45(2): 83-92. ISSN: 0253-5785.; Odales et al. (2020)ODALES, B.L.; LÓPEZ, D.E.; LÓPEZ, G.L.; JIMÉNEZ, H.J.; BARRERA, C.E.L.: “Biofertilizer potential of digestates from small-scale biogas plants in the Cuban context”, Revista de Ciencias Agrícolas, 37(2): 14-26, 2020, ISSN: 0120-0135.; Martínez et al. 2021MARTÍNEZ, H.C.; SÁNCHEZ, J.J.A.; REINOSO, P.M.; RODRÍGUEZ-URRUTIA, U.A.; MARTÍNEZ, F.N.R. (2021) ‘Uso de efluentes de lagunas de oxidación del complejo “Carlos Baliño” como fertilizantes orgánicos’, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(1). ISSN: 2071-0054.; Martínez et al. (2021)MARTÍNEZ, H.C.; GARCÍA, L.Y.; OECHSNER, H. (2021) ‘Biogas Plants in Germany: Revision and Analysis’, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4): 88-100. ISSN: 1010-2760., highlighting its kindness and the possibility of using them as imports substitutes and soil boosters.

In this work, it has been able to appreciate that in the Cuban case, some few plants of great format exist, but anything similar to what is presented here. The installation type that discusses in this work is of great format and completely different in its construction technologies and operation with regard to the current Cuban plants. However, it would be interesting to be able to value this plant type in a small format in Cuba. For that a foreign investor is needed. Since the advantage of this plant type could be the non-association to any swinish or caw facility. Clear this, when depending totally on solid substrates; one would have to guarantee the whole infrastructure to produce them and to prepare them for the process of biodigestion of solid substrates. Of achieving the above-mentioned, it would be the knowledge of if it is possible or not, this technology type in the Cuban case. Finally, the great one questions to it will be: That the foreign investor obtains if he decides to carry out a project of this type in Cuba? To our approach: To promote this technology in countries of the “third world” and to demonstrate their economic feasibility to small scale. Because it to great scale in the case of the European Union this sufficiently demonstrated one.

DISCUSSION

 

Unfounded to doubts, the knowledge of what is wanted and one could make in the technologies of fermentation of solid residuals, it is a road to future of the study of this topic in Cuba. In the case of Germany that already this demonstrated today in day. In the Cuban case it is an option to value that it not could get it one day very distant, with the help of the foreign-owned investment. However, being realistic, a lot of road to travel him misses Cuba to be able to use with efficiency the diverse renewable sources of energy, but the first thing that should be clear, it is that without research and development it is not possible to end up paying the domestic energy problems. In this address, the use of the agricultural biomasses is one of the many alternatives that can be used, but the same as in other spheres of the domestic development, political and economic will is needed to take steps that take to the country to achieve it. To study and to analyze all the alternatives inside this type of technologies (biogas production), it can take us to know which would be feasible of introducing in the Cuban case. In these moments where the country crosses for a crisis with the exceptional fuels (knowing that approximately 60% of the electricity generation in Cuba is to leave of fossil fuels in (industries water heater energetics), it would be very hit upon to meditate in the form of leaving that painful situation once and for all and for all, with the support of the renewable sources of energy. That which is feasible, possible and necessary to achieve energy independence through our own internal resources.

CONCLUSIONS

 

The technology for the biogas production with solid substrates is broadly well-known and in constant development in Germany and Europe. The whole technological package meets norm with national and international norms of obligatory execution. In these moments, Germany is trying to export this technology to the developing countries. Some African countries are already interested in the topic. Cuba could be in the sphere of influence of these technologies with regard to Center and South America. It would not be anything disheveled to try to prove a station of this type of small format with the purpose of to win knowledge and to value their possible technician-economic viability. In all new projects, it will always be necessary to run risks. An important aspect will be to define the foreign partners and its interests in the holding in projects of this type in Cuba.

GRATEFULNESS

 

To the University of Hohenheim, specifically to the State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy.

REFERENCES

 

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KTBL: “KTBL‐Feldarbeitsrechner”, 2018.

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 33, No. 3, July-September, 2024, ISSN: 2071-0054
 
PUNTOS DE VISTA

Planta de biogás no típica. Fermentación con sustratos sólidos

 

iDCarlos M. Martínez HernándezIUniversidad Central “Marta Abreu” de las Villas Santa Clara, Villa Clara*✉:carlosmh@uclv.edu.cu

iDHans OchsnerIIUniversidad de Hohenheim. State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy. Germany.


IUniversidad Central “Marta Abreu” de las Villas Santa Clara, Villa Clara

IIUniversidad de Hohenheim. State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy. Germany.

 

*Autor para correspondencia: Carlos M. Martínez Hernández, e-mail: carlosmh@uclv.edu.cu

RESUMEN

El trabajo se refiere a la utilización de una planta de biogás no tipicas en Alemania. La primera parte se refiere a la explotación de plantas de biogás que no utilizan sustratos líquidos (excretas porcinas o vacunas) en co-fermentación con materiales agrícolas en Alemania para producir biogás. En este caso, se describen los principios y métodos que se utilizan en este país para explotar estas instalaciones y su tendencia hacia el futuro. La segunda parte trata de estos mismo tópicos en el ambito de Cuba. La tercera parte se discuten: si estos sistemas son viables y serian posibles introducir en Cuba o en paises del llamado Tercer Mundo?. De esta forma, el objetivo del presente trabajo es divulgar este tipo de tecnología de producción de biogás, la cual se realiza en este país y su factibilidad de ser introducida en los paises del llamado tercer mundo.

Palabras clave: 
sustratos líquidos, Alemania, Cuba, Tercer Mundo

INTRODUCCIÓN

 

En el presente trabajo, se realiza un acercamiento a un tipo de planta de biogás que utiliza la fermentación de sustratos sólidos para la producción de biogás. Este tipo de planta no es típica en Alemania y por esta razón parece importante realizar un acercamiento a la misma. De aquí la importancia de conocer: Qué, Cómo y Porque?, son utilizadas estas plantas en el contexto alemán.

Sobre esta base, el trabajo se propone como objetivo dar a conocer las características tecnológicas de este tipo de instalación. De esta forma se potencia el conocimiento en esta dirección y pudiera analizarse la posibilidad extrapolarse a países con un menor desarrollo (tercer mundo).

DESARROLLO DEL TEMA

 

Caso alemán

 

En alemania existen grandes compañias dedicadas a la construccion y explotacion de plantas de biogás dentro de las cuales se encuentra la BioGas Leinfelden-Echterdingen (Northdata, 2013NORTHDATA: BioGas Leinfelden-Echterdingen, [en línea], Northdata, 2013, Disponible en: por www.northdata.com/Biogas+Leinfelden-Echterdingen+GmbH+%26+Co.+KG,+Leinfelden-Echterdingen/Amtsgericht+Stuttgart+HRA+721484.). En este caso esta empresa fue la encargada de construir y poner en explotacion la planta que se detallará más adelante. La cual se encuentra en funcionamiento desde 2013. Esta empresa posee un website (www.northdata.com/Biogas+Leinfelden-Echterdingen+GmbH+%26+Co.+KG,+Leinfelden-Echterdingen/Amtsgericht+Stuttgart+HRA+721484) donde se brindan algunos datos productivos, pero enfatizando que estos son para sus clientes selectivos. Es un dossier (expediente) que detalla el historial de la empresa, las redes, el desarrollo financiero, los indicadores de trabajo, las ganancias y las pérdidas etc. Tambien posee una series de tablas excel donde reportan anualmente sus indicadores productivos desde 2013 hasta la actualidad.

En Alemania, las universidades apoyan la investigación y desarrollo de este tipo de instalaciones, al mismo tiempo que estas empresas apoyan a las mismas con materiales y financiamiento para ejecutar sus proyectos de investigación. De esta forma, se cierra el circulo de la investión-producción y todos ganan.

La Universidad de Hohenheim mantiene estrechas relaciones de trabajo e investigación con empresas de este tipo de caracter regional, nacional o internacional. En los eventos científicos, forum, ferias o actividades de promoción, estas empresas presentan sus nuevas producciones y al mismo tiempo ayudan con el financiamiento (sponsor) de los diferentes eventos. Los proyectos que se generan en las Universidades tiene como objetivo la industria o sea la producción y generalmente estas son las que lo financian. Por otra parte, los usuarios de los proyectos, a su vez son los dueños y de esta forma se cierra el circulo del dinero invertido. Ya que el capital que ellos aportan, lo recuperan y obtienen ganacias una vez que las plantas se ponen en explotación. Previo a todo esto se destaca que las Universidades alemanas, tienen caracterizados los sustratos agricolas respecto a su potencial para la generacion de biogas. Existe normas al respecto como la VDI-RICHTLINIEN-4630 (2006)VDI-RICHTLINIEN-4630: Fermentation of organic material characterization of substrate, sampling collection of material data, fermentation tests, Inst. VDI-RICHTLINIEN, Dusseldorf, 2006., la cual normaliza todos los procedimientos a efectuar para poder determinar el potencial de cualquier biomasa que se desee investigar. Además, existen empresas como la KTBL (2018)KTBL: “KTBL‐Feldarbeitsrechner”, 2018., que posee un sitio web (https://www.ktbl.de ), donde se puede determinar de antemano la producción de biogas que se puede obtener en dependencia de: tipo de sustrato, porcentaje de materia fresca, porcentaje de materia orgánica, cantidad de sustrato a cargar, tipo de planta de biogas a utilizar; costo de los sustratos, producción anual de biogas y rendimiento de metano esperado etc. A continuación se pasará a describir la planta objeto de analisis. Esta planta está formada por 5 digestores de concreto en forma de silo bunker hermeticamente cerrado con paredes techos y puertas. Las cuales permiten la entrada y salida del material a fermentar mediante equipos de transporte especiales (cargadores frontales con diversas aditamentos), los cuales le permiten: evacuar los sustratos digeridos o introducir los sustratos frescos. La planta la operan tres obreros (el manager, un operador del cargador frontal y un operador del esparcidor de abono orgánico). La carga y el vaciado de los digestores se realiza con cargador frontal que introduce en el interior de estos digestores el material a fermentar (pacas redondas de henaje y material procedente del ensilaje del maiz) en estos contenedores para su fermentacion. Esta tecnologia es „Batch o semicontinua“, esto significa que una vez terminado el ciclo de biodigestion (35 dias), el fermentador se vacia y se vuelve a cargar para un nuevo ciclo. En el interior de estos contenedores de concretos se encuentran localizados en su techo una duchas, las cuales cada cierto intervalo de tiempo riegan a todos estos sustratos los remanentes líquidos de otras digestiones anteriores (lechadas), así como inóculos especiales para acelerar el proceso de fermentación mesofílico con una duración de 35 días. Estas cámaras de digestión tienen unas dimensiones aproximada de: 20 m x 4 m x 4 m (largo ancho, altura). Las mismas tienen un desnivel desde la entrada hasta el final de 1,5o. Esto permite que los efluentes (lechadas) generados durante la biodigestion de los sustratos en cada cámara de biodigestión (biodigestor) sean recogidos y enviados a una cisternas comun donde se almacenan y recirculan constantemente y así de esta forma se garantiza la calidad y cantidad de inóculo que activará el funcionamientro del nuevo ciclo de fermentación. Las cinco cámaras de fermentación pueden trabajar simultáneamente o en paralelo. Lo normal, es que funcionen en paralelo, de esta forma se hace más facil el trabajo de cargar (con sustratos fresco) y descargar los (sustratos digeridos) por los obreros de la instalación, debido al gran volumen de trabajo de cada cámara de fermentación. En el segundo nivel de las cámaras (parte superior de estas cámaras) se encuentra instalado todo el equipamiento necesario que: permite el rociado del efluente sobre cada cámara, ademas del sistema que capta el biogás, lo envia al depósito para su almacenamiento y de aquí se envia a los motores de combustión interna para generar electricidad. Al mismo tiempo que generan electricidad, tambien generan vapor para calentar el agua, que será empleada en la calefacción. Finalmente, el techo de la instalación, se encuentra revestido en su totalidad de paneles fotovoltaicos. De esta forma, se emplean simultaneamente dos fuentes renovables de energía para el consumo de la instalación y para la venta de los excedentes a una comunidad cercana nombrada “Echterdingen“ durante todo el año, con la cual se tiene un contrato a tales efectos. El objetivo de esta planta es producir biogas y vender electricidad y calor a la comunidad de “Echterdingen“ y como subproducto obtener abono organico para los productores asosiados a la planta.

Criterio de los autores de este trabajo

 

este sistema presenta como ventajas: no tener que utilizar excretas líquidas porcinas o vacunas y de este modo no es necesario tener una instalación de este tipo próximo a la planta de biogás, lo cual sobre todo en las cercanias de las ciudades, no son bien acogidas por la población.

Por otra parte, una vez digeridos los sustratos, estos se sacan al exterior donde se cargan en medios de transporte y de aquí se trasladan hacia los campos donde seran exparcidos en forma de abono orgánico por los esquipos especializados en esta actividad. Cerrando el circulo entre los sustratos fresco que son digeridos y los fermentados que son utilizados en la biofertilización del suelo de los productores asociados a la planta de biogás. Los sustratos sólidos frescos que se utilizan son producidos por un grupo de campesinos (13) que a su vez son los dueños de esta instalación (accionista). De esta forma, ellos producen el material para fermentar y reciben como producto terminado: electricidad, calor y biofertilizantes. La diferencia entre esta planta y las plantas típicas alemanas es notable. Las plantas típicas aquí son semejante a las que se aprecian en la maqueta de la estación experimental de la Universidad de Hohenheim (Figura1). En este caso, las plantas de biogás aqui utilizan la co-fermentación de excretas vacunas o porcinas con sustratos agrícolas, los cuales son generalmente preparados para este fin en silos tipo bunker, el sustrato agrícola más utilizado con estos fines es maíz, oero otros sustratos y mezclas de estos tambien son utilizados. En el caso delö maiz, se cosecha toda la planta, se trocea, se coloca en el silo bunker y posteriormente una vez convertido en silaje, se alimenta a la planta de biogás como sustrato. En la maqueta se pueden apreciar a escala reducida detalles de una planta tipica alemana. A continuación se ejemplifica con figuras, lo expuesto con respecto a esta planta de biogas de residuos solidos (Figuras.1-10).

FIGURA 1.  Maqueta de un biodigestor asociado a instalaciones vacunas: Archivo del autor.
FIGURA 2.  Detalles de los sustratos frescos destinados a la fermentación (empacados). Observe que en algunos casos estan cubierto con nylon. Fuente: Archivo del autor.
FIGURA 3.  Silo tipo bunker para fermentación del maiz (ensilaje) para su posterior biofermentación. Observe el techo de la instalación cubierta de paneles fotovoltaicos, Fuente: Archivo del autor.
FIGURA 4.  Detalles de sustratos sin digerir (a) y digeridos (b) evacuados del digestor 1. Se observa el digestor 1 abierto para extracción de material digerido y su posterior llenado. Fuente: Archivo del autor.
FIGURA 5.  Vista exterior de la entrada a los 5 digestores. Fuente: Archivo del autor.
FIGURA 6.  Exteriores de la planta, donde se aprecia el tanque para almacenar el excedente del agua caliente generada. Fuente: Archivo del autor.
FIGURA 7.  Detalles de los motores de combustión interna que convierten el biogás en electricidad. Fuente: Archivo del autor.
FIGURA 8.  Detalles del tanque para almacenar el biogás producido. Fuente: Archivo del autor.
FIGURA 9.  Detalles del programa para controlar la operación de la instalación.Se observan las duchas para exparcir el inóculo y las tuberias para captar el biogás. Fuente: Archivo del autor.
FIGURA 10.  Detalles del seguimiento del proceso en cada digestor mediante la sala de control. Fuente: Archivo del autor.

Caso cubano

 

En Cuba de acuerdo con Suárez et al. (2021)SUÁREZ, J.; GUARDADO, J.; CEPERO, L.: “El estado del biogás en Cuba”, CUBAENERGÍA, 7, Boletín informativo renovable.cu. Centro de Gestión de la Información y Desarrollo de la Energía (CUBAENERGÍA), CITMA, La Habana, Cuba, 2021, ISSN: 2219-6919. existe un potencial de producción de biogás ascendente a 136 533 211 m3 anuales, con un valor energético de 75 289 tep/año y un potencial de generación de electricidad de 245 760 MWh/año. Los biodigestores que se usan en Cuba generalmente no superan los 90 m3 de capacidad. Las principales tecnologías difundidas son los de cúpula fija o modelo chino y los tubulares plásticos. Otra tecnología que se ha comenzado a introducir son los biodigestores de laguna cubierta, apropiada para grandes masas de animales estabulados y para la generación de electricidad. Aunque requieren una mayor inversión inicial, tienen menor costo de inversión por metro cúbico de capacidad de digestión. Estos biodigestores, que superan los miles de metros cúbicos, requieren geomembranas sintéticas, generadores de electricidad y otros equipos y componentes auxiliares importados. En una evaluación realizada por el MINAG en el año 2020, que abarcó 138 centro porcinos, 4 198 convenios porcinos, 1 999 vaquerías y 290 granjas avícolas, se aprecia un potencial de generación eléctrica de 807 552 MW.h/año, equivalente a 241 782 t/año de combustible, que evita emitir 3,6 MM t de CO₂ eq/año. Dicho potencial permite producir 2 500 t/año de bioabonos, necesarios para mejorar suelos muy degradados. Se identificaron 2 290 biodigestores, funcionan 1 589. De esta cifra 1 558 pertenecen al sector cooperativo y campesino y 31 al sector estatal; de las 6 625 unidades ganaderas (138 centro porcinos, 4 198 convenio porcinos, 1 999 vaquerías y 290 granjas avícolas), sólo el 34,6 % posee biodigestores y solo en el 24 % de ellas están en funcionamiento. El principal uso del biogás en Cuba es en cocinas de GLP adaptadas a biogás. Hay experiencias en cocinas, ollas arroceras, refrigeradores, lámparas de alumbrado y calentadores de agua diseñados para utilizar biogás, así como pequeños generadores de electricidad importados, principalmente a través de proyectos como Biomas-Cuba, pero el aprovechamiento del biogás no supera el 10-20 %.

Grandes biodigestores

 

En el municipio Martí, en la provincia de Matanzas, hay dos biodigestores de laguna cubierta en operación. El mayor tiene una capacidad de 4 000 m3 y se ubica en un centro porcino de AGROFAR. Este equipo, apoyado por Biomas-Cuba, da tratamiento a los residuales de 11 000 cerdos y cuenta con un generador de 120 kW; el otro biodigestor en operación, con 1 700 m3, está en un centro porcino de GEGAN y tiene asociado un generador de 80 kW; ambos entregan la electricidad generada al Sistema Eléctrico Nacional (SEN). Se encuentra en construcción otro biodigestor con dicha tecnología, con similar diseño y apoyo de los proyectos Biomas y Bioenergía, liderados por la Estación Experimental „Indio Hatuey“ (EEIH), a un 85% de ejecución de la obra. Las plantas de producción de biogás en Cuba son utilizando la monofermentación de excretas porcinas o vacunas. Son plantas de pequeño y mediano formato, las cuales siempre estan asociadas a planteles porcinos o vacunos con el objetivo de producir energía a pequeña escala (coccion y electricidad). Por otra parte, el aprovechamiento de los efluentes de los biodigestores como abono organico ha sido reportado por varios investigadores entre ellos Hernández et al. (2008)HERNÁNDEZ, M.F.; PRIETO, H.C.R.; SONIA, C.; GONZÁLEZ, J.; SANCHEZ, J.V.: Los biodigestores como aportadores de energía y mejoradores del suelo, [en línea], 2008, Disponible en: Recovered from https://docplayer.es/45125012-Los-biodigestores-como-aportadores-de-energia-ymejoradores-del-suelo.html.; Utria et al. (2008)UTRIA, E.; CABRERA, J.; ESCOBAR, I.; MORALES, D.; FERNÁNDEZ, A.; TOLEDO, E.: “Utilización agraria de los biosólidos y su influencia en la planta de tomate”, Revista Chapingo. México. Horticultura, 14: 38-39, 2008.; Negrin y Jiménez (2012)NEGRIN, B.A.; JIMÉNEZ, P.Y.: “Evaluación del efecto agronómico del biosólido procedente de una planta de tratamiento por digestión anaerobia de residuales pecuarios en el cultivo del frijol (Phaseolus vulgaris L)”, Cultivos tropicales, 33(2): 13-19, 2012, ISSN: 0258-5936.; López et al. (2017)LÓPEZ, D.E.; CALERO, H.A.; GÓMEZ LEÓN, L.Y.; GIL, U.C.Z.; HENDERSON, D.C.; JIMENEZ, J.C.: “Agronomic effect of the biosolid in tomato cultivation (Solanum lycopersicum): biological control of Rhizoctonia solani.”, Cultivos Tropicales, 38(1): 13-23, 2017, ISSN: 0258-5936.; Martínez y Francesena (2018)MARTÍNEZ, H.C.; FRANCESENA LÓPEZ, Y. (2018) ‘Tratamiento y utilización de efluentes instalaciones de biogás como abonos orgánicos, revisión y análisis’, Centro Agrícola, 45(2): 83-92. ISSN: 0253-5785.; Odales et al. (2020)ODALES, B.L.; LÓPEZ, D.E.; LÓPEZ, G.L.; JIMÉNEZ, H.J.; BARRERA, C.E.L.: “Biofertilizer potential of digestates from small-scale biogas plants in the Cuban context”, Revista de Ciencias Agrícolas, 37(2): 14-26, 2020, ISSN: 0120-0135.; Martínez et al. 2021MARTÍNEZ, H.C.; SÁNCHEZ, J.J.A.; REINOSO, P.M.; RODRÍGUEZ-URRUTIA, U.A.; MARTÍNEZ, F.N.R. (2021) ‘Uso de efluentes de lagunas de oxidación del complejo “Carlos Baliño” como fertilizantes orgánicos’, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(1). ISSN: 2071-0054.; Martínez et al. (2021)MARTÍNEZ, H.C.; GARCÍA, L.Y.; OECHSNER, H. (2021) ‘Biogas Plants in Germany: Revision and Analysis’, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4): 88-100. ISSN: 1010-2760., destacando sus bondades y la posibilidad de utilizarlos como sustitutos de importanciones y como mejoradores de suelo.

En este trabajo, se ha podido apreciar que en el caso cubano, existen unas pocas plantas de gran formato, pero nada semejante a lo que se presenta aqui. El tipo de instalación que se discute en este trabajo es de gran formato y totalmente diferente en sus tecnologías de construcción y operación con respecto a las plantas cubanas actuales. Sin embargo, sería interesante poder valorar este tipo de planta en un formato mas pequeño en Cuba. Para eso se necesita un inversor extranjero. Ya que la ventaja de este tipo de planta pudiera ser la no asociación a ningún plantel porcino o vacuno. Claro esta, al depender totalmente de sustratos sólidos, se tendría que garantizar toda la infraestructura para producirlos y prepararlos para el proceso de biodigestión de sustratos sólidos. De lograr lo anterior, quedaría el conocimiento de si es posible o no, este tipo de tecnología en el caso cubano. Finalmente la gran incognita será: Que obtiene el inversor extranjero si decide llevar a cabo un proyecto de este tipo en Cuba?. A nuestro criterio: Promocionar esta tecnología en países del tercer mundo y demostrar su factibilidad económica a pequeña escala. Ya que a gran escala en el caso de la Union Europea esta suficientemente demostrado.

DISCUSION

 

Sin lugar a dudas, el conocimiento de lo que se quiere y se podría hacer en las tecnologías de fermentación de residuos sólidos, es una vía a futuro del estudio de este tema en Cuba. En el caso de Alemania eso ya esta demostrado hoy en dia. En el caso cubano es una opción a valorar que pudiera alcanzarce un dia no muy lejano, con la ayuda de la inversión extranjera. Sin embargo, siendo realista, mucho camino por recorrer le falta a Cuba para poder utilizar con eficiencia las diversas fuentes renovables de energía, pero lo primero que debe quedar claro, es que sin investigación y desarrollo no es posible llegar a solventar los problemas energéticos del país. En esta dirección, la utilización de las biomasas agropecuarias es una de las muchas alternativas que pueden ser utilizadas, pero al igual que en otras esferas del desarrollo del pais, se necesita voluntad política y económica para dar pasos que lleven al país a lograrlo. Estudiar y analizar todas las alternativas dentro de este tipo de tecnologías (producción de biogas), puede llevarnos a conocer cuales serían factibles de introducir en el caso Cubano. En estos momentos donde el país atraviesa por una crisis con los combustibles excepcional (conociendo que aproximadamente el 60% de la generación de electricidad en Cuba es partir de combustibles fósiles en plantas termoenergéticas), sería muy atinado reflexionar en la forma de salir de esa penosa situación de una vez y por todas, con el apoyo de las fuentes renovables de energía. Lo cual es factible, posible y necesario para lograr una independencia energética a traves de nuestros propios recursos internos.

CONCLUSIONES

 

La tecnología para la producción de biogás con sustratos sólidos es ampliamente conocida y en constante desarrollo en Alemania y Europa. Todo el paquete tecnológico se encuentra normado con normas nacionales e internacionales de obligatorio cumplimiento. En estos momentos, Alemania está tratando de exportar dicha tecnología a los países en desarrollo. Algunos países africanos ya se interesan en el tema. Cuba pudiera estar en la esfera de influencia de estas tecnologías con respecto a Centro y Sur América. No sería nada descabellado tratar de probar una estación de este tipo de pequeño fomato con el propósito de ganar conocimiento y valorar su posible viabilidad técnico-económica. En todo nuevo proyecto, siempre será necesario correr riesgos. Un aspecto importante, será definir los socios extranjeros y sus intereses en la participación en proyectos de este tipo en Cuba.

AGRADECIMIENTOS

 

A la Universidad de Hohenheim, especificamente al State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy.