Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 34, January-December 2025, ISSN: 2071-0054

Cu-ID: https://cu-id.com/2177/v34e19

Original Article

Proposal for the Establishment of Appropriate Anaerobic Biodigestion Technology at the Robeba Farm

^iDDarielis Vizcay-Villafranca^*✉:darielisv@unah.edu.cu darielisvizcayvillafranca@gmail.com

^iDYanoy Morejón-Mesa

^iDGeisy Hernández-Cuello

^iDYordan Oscar Amoros-Capdesuñer

Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: ymorejon83@gmail.com, o ymm@unah.edu.cu, geisyh@unah.edu.cu, yordanoscar@unah.edu.cu

^{^*}Author for correspondence: Darielis Vizcay-Villafranca, e-mail: darielisv@unah.edu.cu o darielisvizcayvillafranca@gmail.com

Abstract

The present research was developed on the “Robeba” farm; its objective was to establish the appropriate anaerobic biodigestion technology to be introduced into the farm, transforming waste into biogas and biofertilizer. To do this, the animal species existing in the scenario (cows and pigs) are determined, since these species will contribute the organic waste to the biodigester; Considering the herd movement, the number of animals is determined, 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 most notable results, it was observed that the implementation of a tubular polyethylene biodigester is more viable compared to the installation of a fixed dome biodigester, representing an economic saving of 19,796 pesos due to technology selection; The necessary volume of this technology must be 20 m3, making it possible to produce 201.3 kg/day of biofertilizers, which represent a daily economic contribution of 2,516 pesos/day (100.65 USD/day), constituting added value, in addition to the energy and economic benefits to be obtained. On the other hand, with the installation of the selected anaerobic biodigestion technology, electrical energy can be produced for the home and the lights, which requires obtaining a 1 kW biogas generator.

Keywords:

Installation, Anaerobic Digestion, biomass, economic savings

Received: 03/1/2025; Accepted: 20/6/2025

The authors of this work declare no conflict of interests.

Author contributions: Conceptualization: D. Vizcay Villafranca. Y. Morejón Mesa. G. Hernández Cuello. Data curation: D. Vizcay Villafranca. Y. Morejón Mesa. Formal Analysis: D. Vizcay Villafranca. G. Hernández Cuello; Y. Morejón Mesa. Investigation: D. Vizcay Villafranca. Y. Morejón Mesa. Y. Amoros Capdesuñer. Methodology: D. Vizcay Villafranca. Y. Morejón Mesa. Supervision: D. Vizcay Villafranca. Y. Morejón Mesa. G. Hernández Cuello. Validation: D. Vizcay Villafranca. Y. Morejón Mesa. Y. Amoros Capdesuñer. Writing - original draft: D. Vizcay Villafranca. Y. Morejón Mesa. Y. Amoros Capdesuñer. Writing - review & editing: D. Vizcay Villafranca. Y. Morejón Mesa; G. Hernández Cuello.

The mention of trademarks of specific equipment. instruments or materials is for identification purposes. there being no promotional commitment in relation to them. neither by the authors nor by the publisher.

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

CONTENT

Introduction

⌅

The constant growth of the world's population, along with economic and social development, are the main drivers of the increasing global energy demand. This is currently supported by fossil fuels, which impedes long-term sustainability (Bilandzija et al., 2018BILANDZIJA, N.; VOCA, N.; JELCIC, B.; JURISIC, V.; MATIN, A.; GRUBOR, M.; KRICKA, T.: “Evaluation of Croatian agricultural solid biomass energy potential”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 93: 225-230, 2018, ISSN: 1364-0321.; González et al., 2020GONZÁLEZ, L.Z.; TORRES, G.A.P.; GONZÁLEZ, A.V.: “Educación en energías renovables desde el enfoque CTS”, Libro de Actas, 843, 2020.; León et al., 2021LEÓN, M.J.A.; MOREJÓN, M.Y.; MELCHOR, O.G.C.; ROSABAL, P.L.M.; QUINTANA, A.R.; HERNÁNDEZ, C.G.: “Dimensionamiento de un parque solar fotovoltaico para el Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA)”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4), 2021, ISSN: 2071-0054.). These fuels (e.g., coal, natural gas, and oil) remain the dominant energy source in the global economy. However, if their consumption continues at the current rate, resources will be depleted within several decades due to their limited supply (Asakereh et al., 2017ASAKEREH, A.; SOLEYMANI, M.; SHEIKHDAVOODI, M.J.: “A GIS-based Fuzzy-AHP method for the evaluation of solar farms locations: Case study in Khuzestan province, Iran”, Solar Energy, 155: 342-353, 2017, ISSN: 0038-092X.; Al-Shetwi, 2022AL-SHETWI, A.Q.: “Sustainable development of renewable energy integrated power sector: Trends, environmental impacts, and recent challenges”, Science of The Total Environment, 822: 153-645, 2022, ISSN: 0048-9697.). Furthermore, there are many negative consequences of fossil fuel use, such as the emission of greenhouse gases and other pollutants. To prevent the rapid increase in greenhouse gases, the key is energy efficiency and/or switching to renewable energy sources (Huang et al., 2017HUANG, A.W.K.; CHEN, W.; ANANDARAJAH, G.: “The role of technology diffusion in a decarbonizing world to limit global warming to well below 2 C: An assessment with application of Global TIMES model”, Applied energy, 208: 291-301, 2017, ISSN: 0306-2619.). Global energy consumption has significantly increased pressure on fossil fuels, resulting in an increase in the effects of global warming and climate change. Consequently, the global ambient temperature is expected to increase by approximately 2°C by 2050 due to polluting emissions from non-renewable energy resources (Bastida et al., 2019BASTIDA, L.; COHEN, J.J.; KOLLMANN, A.; MOYA, A.; REICHL, J.: “Exploring the role of ICT on household behavioural energy efficiency to mitigate global warming”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 103: 455-462, 2019, ISSN: 1364-0321.; Al-Shetwi, 2022AL-SHETWI, A.Q.: “Sustainable development of renewable energy integrated power sector: Trends, environmental impacts, and recent challenges”, Science of The Total Environment, 822: 153-645, 2022, ISSN: 0048-9697.).

Currently, renewable energy is a sustainable and technically viable option for energy production and contributes a significant portion of electricity production in several countries (Muñoz et al., 2018MUÑOZ, A.Y.; RUBIO, G.A.; MENTADO, D.C.I.: “Los incentivos económico-financieros por el empleo de las fuentes renovables de energía. Marco jurídico en Cuba y Ecuador”, Revista Universidad y Sociedad, 10(2): 53-60, 2018, ISSN: 2218-3620.; González et al., 2020GONZÁLEZ, L.Z.; TORRES, G.A.P.; GONZÁLEZ, A.V.: “Educación en energías renovables desde el enfoque CTS”, Libro de Actas, 843, 2020.; León et al., 2021LEÓN, M.J.A.; MOREJÓN, M.Y.; MELCHOR, O.G.C.; ROSABAL, P.L.M.; QUINTANA, A.R.; HERNÁNDEZ, C.G.: “Dimensionamiento de un parque solar fotovoltaico para el Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA)”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4), 2021, ISSN: 2071-0054.). Renewable energy is a promising alternative to alleviate the environmental, economic, and energy complications associated with the ever-increasing energy demand to meet the development and growth needs of the human population. However, despite all efforts to efficiently implement and harness renewable energy sources, greater public trust, policies, legislation, economic incentives, and education are needed to promote the growth, development, and implementation of these technologies (Zuñiga y Valenzuela, 2020ZUÑIGA, L.Y.; VALENZUELA, G.A.: “Educación en energías renovables desde el enfoque CTS”, Pensamiento y Acción, 28: 47-59, 2020.).

The Sustainable Development Agenda's 2030 objective is to guarantee access to affordable, reliable, sustainable, and modern energy for all. This objective emphasizes the need to substantially increase the percentage of renewable energy, improve energy efficiency, and promote investments in clean infrastructure and technologies, among other aspects aspects (Casimiro et al., 2021CASIMIRO, R.L.; RAMÍREZ, H.G.; MARTÍN, M.G.: “Uso de las energías renovables en las fincas familiares, sus potencialidades y desafíos en la transición de la matriz energética local”, Eco Solar, (78): 19-27, 2021, ISSN: 1028-6004.).

In Cuba, electricity production depends largely on fossil fuels, making it a national priority to enhance environmental sustainability through a shift in the energy mix and the use of renewable energy sources. Therefore, it is a viable alternative for transforming the Cuban economy and reducing the pollution generated by electricity production from fossil fuels (Lorenzo, 2017LORENZO, A.J.A.: “Cálculo de instalación. Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas”, Era solar: Energías renovables, (197): 6-15, 2017, ISSN: 0212-4157.).

Currently, there is no proposal for the comprehensive use of renewable energy sources to replace conventional sources used on small farms dedicated to agricultural production. This is the case of the Robeba farm, which is why a feasibility study was conducted to implement a suitable anaerobic biodigestion technology on the farm.

Materials and Methods

⌅

The Robeba farm, belonging to the Orlando Cuellar CCS, is located at 22°59′58.86″ North latitude and 82°08′11.75″ West longitude in the municipality of San José de Las Lajas, Mayabeque province. The total area is 47 ha, with typical Red Ferralitic soil throughout (Hernández et al., 2015HERNÁNDEZ, J.A.; PÉREZ, P.; BOSCH, I.D.; CASTRO, S.N.: Clasificación de los suelos de Cuba. Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, San José de las Lajas, Cuba, 91 p, Ed. Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, ed., San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, 91 p., 2015, ISBN: 959-7023-77-6.). It has a flat terrain and an altitude of 80 m above sea level.

Meteorological variables recorded at the Tapaste Meteorological Station, San José de las Lajas, during the period January-September 2023, showed that the maximum temperatures reached in the region exceeded 32°C between June and September, and the coldest temperatures dropped on average to 21.1°C in January. Precipitation increased starting in June, with the highest average values in May and August, with 72 and 77 mm, respectively. Relative humidity ranged from 47% (minimum in March) to 84% (maximum in September), while wind speed reached a maximum of 3.6 km/h (2.2 mph) during August. The behavior of these climatic variables allows for the satisfactory development of agricultural production.

The farm has 10 milking cows, which remain housed 25% of the day. These achieved an average daily milk production of 6.9 L/cow in 2023, giving this farm a daily production potential of 69 L/day.

They also have 100 fattening pigs housed around the clock. These pigs remain housed for only three months and are then sold under an agreement with the state, at a price of 180 pesos/lb. Herd movement in the study scenario is reflected in Table 1.

Table 1. Herd movement on the Robeba farm

Herd Movement	Initial Stock	Final Stock	Animals/day	Average Mass, kg
Cows	10	10	10	400
Pigs	100	100	100	45

As a result of the study, electrical energy consumption at the Robeba farm during 2022 was analyzed, revealing an average monthly consumption equivalent to 3,767 kW.

The existing equipment and resources in the scenario under study, as well as their operating time, make it possible to determine the energy consumption per operation, as well as the percentage representation of each energy source. These results are reflected in Table 2.

Table 2. Energy characteristics of the existing electrical equipment and resources at the Robeba farm

Electrical media and equipment	Power, kW	Quantity	Operating time, h	Energy consumed per day, kWh/day	Percentage, %
Water pump	18.5	1	3.5	64.75	51.57
Lighting	0.4	10	12.0	48.00	38.22
Household consumption	0.53	1	24.0	12.83	10.21
Total				125.58

This farm consumes 125.58 kWh of electricity daily, demonstrating the consumption of this production scenario. It is worth noting that water pumping alone accounts for 51.57% of the daily energy consumed.

To establish specific methodologies for sizing the different anaerobic biodigestion systems, the principles proposed by Morejón et al. (2022)MOREJÓN, M.; TORRICO, A.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Ed. CienciAgro., Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1- 4299-2022. Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro., 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6. are considered.

Methodology for the sizing and installation of anaerobic biodigesters

⌅

To calculate the design parameters of an anaerobic biodigester, according to Guardado (2007) and Morejón et al. (2022)MOREJÓN, M.; TORRICO, A.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Ed. CienciAgro., Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1- 4299-2022. Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro., 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6., it is necessary to know the input data and the data that must be determined (Table 3).

The daily amount of material (DBM) is directly related to the amount of biomass generated, whether domestic, agricultural, or animal waste. In addition, the maximum yield and production increase plans must be taken into account.

Table 3. Input and output data required for the design of an anaerobic biodigester

Parameters Input data	Unit
Daily biomass generated (Bmd)	kg dia^-1
Excrete-water ratio (N)	kg L ^-1
Biogas yield (Y)	m³ kg^-1
Hydraulic retention time (HRT)	día
Output data
Daily volume of material (manure and water mixture) (Vdm)	kg dia^-1
Biodigester volume (Vbiodig)	m³
Daily volume of biogas produced (G)	m³ dia^-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 \times C e \times R p \times R t, k g . d i a^{- 1}

(1)

where: Ca- Number of animals; Ce- Amount of excrement per animal, kg/day; Rp- Ratio of the average live weight of the animal population to the tabulated equivalent live weight; Rt- Fraction of housing time relative to day length, h/day

B m_{d} = C a \times C e \times (\frac{P V p}{P V e}) \times (\frac{T e}{24 h}), k g . d i a^{- 1}

(2)

where: PVp = Average live weight of the animal population, kg; PVe = Tabulated equivalent live weight; Te = Hours per day the animal remains housed, h/day

The daily volume of material (a mixture of manure and water) (Vdm) is simply the sum of the residual and the dilution of the biomass (residual and water).

Vdm = (1 + N) \cdot B m d, m^{3} . d i a^{- 1}

(3)

where: N: Excrement-to-water ratio, kg L^-1. It is important to know that the density of water is 1000 kg/m³.

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

V_{b i o d i g} = Vdm \cdot T R H, m^{3}

(4)

The daily volume of biogas (G) produced is then calculated:

G = Y \times B_{m d}, m^{3} . d i a^{- 1}

(5)

where: Y - Biogas yield, m³ kg^-1

Biogas yield (Y) is determined by the expression:

Y = \frac{X}{C_{e}}, m^{3} . k g^{- 1}

(6)

where: X - energy conversion coefficient of the excreta produced daily, or the daily biogas production based 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, or ranges from 25 to 30% of the biodigester volume.

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 1), the following are presented.

The steps to follow for its use are as follows:

The total volume of the biodigester (V_biodig) is calculated based on the volume of the water-manure mixture and the retention time, as shown in expression 4 $V_{b i o d i g} = Vdm \cdot T R H, m^{3}$ .
The radius of the predefined volume (R) is calculated

Figure 1. Main components of a fixed-dome biodigester. Source: Guardado (2007).

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

R = \sqrt[3]{\frac{V_{b i o d i g}}{(π \times 1.121)}}

(7)

where: R - Basic radius, m

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

where: U - Proportional unit

This proportional unit allows the determination of the remaining denominations by replacing U in the following proportions:

R c = 5 \times U

(8)

D = 8 \times U

(9)

h c = 2 \times U

(10)

h p = 3. \times U

(11)

h t = 0.15 \times D

(12)

where: Rc = Dome radius, m; D = Diameter, m; hc = Dome height, m; hp = Cylinder height, m; ht = Base cone height, m

After determining the main geometric parameters, the volumes corresponding to the base cone, cylinder, and spherical segment of the dome are determined:

V_{1} = V o l u m e n c i l i n d r o = R^{2} \times h p \times π

(13)

V_{2} = V o l u m e n c ú p u l a = \frac{π \times h_{c}^{2}}{3} (3 R - h_{c})

(14)

V_{3} = V c o n o = R^{2} \times π \times (\frac{h t}{3})

(15)

Results and Discussion

⌅

Technical-Economic Assessment of the Introduction of a Biodigester under the Conditions of the Robeba Farm

⌅

To determine the appropriate biodigester technology to install under the conditions of the Robeba farm, part of the Orlando Cuellar CCS, the sizing and construction costs of the fixed-dome and tubular polyethylene biodigester technologies were taken into consideration. This analysis was used to determine which of the two technologies would be more feasible based on construction costs or market acquisition costs.

For the correct sizing of the fixed-dome biodigester, the following parameters must be determined:

Daily biomass generated (Bmd);
Daily volume of material (manure and water mixture) (Vdm);
Biodigester volume (Vbiodig);
Fermentation chamber volume (Vcf);
Cylinder volume (V1);
Biogas containment volume (V2);
Base cone volume (V3);
Volume of the surge tank (Vtc).

On the other hand, to determine the potential energy input to be obtained based on the number of animals available, the following parameters must be determined:

Biogas productivity (Y);
Daily biogas volume (G).

Before proceeding with the aforementioned determinations, the herd movement in the scenario under study must be known, as listed in Table 1.

The results obtained from each of these sizing parameters are represented in Table 4 and Figure 2. These values are obtained from the herd movement designed by Nivio Pérez, owner of the Robeba farm, during the 2022-2023 period, as represented in the previous table.

Taking into account the foundations established by Morejón et al. (2022)MOREJÓN, M.; TORRICO, A.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Ed. CienciAgro., Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1- 4299-2022. Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro., 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6., that for every 350 kg of cattle, 10 kg of excreta are obtained, generating 0.36 m³ of biogas/day, with a 1:1-3 excreta-water ratio (using a 1:1 ratio) and with a recommended retention time of 40 days.

For pigs, it can be assumed that for every 50 kg, 2.25 kg of excreta are obtained, generating 0.10 m³ of biogas/day, with a 1:1-3 excreta-water ratio (using a 1:1 ratio) and with a recommended retention time of 40 days. This allows determining the sizing of the tubular polyethylene biodigester for these species and numbers of animals.

Table 4. Sizing of the fixed dome biodigester

Source of raw material	Animal / day	Average Mass, kg	Bm, kg/day	Vdm, m3/day	V_biodig, m³	V₁, m³	V₂, m³	V₃, m³	V_cf, m³	V_tc, m³
Cows	10	400	28.5	0.462	18.5	12.41	3.44	1.65	4.5	5.5
Pigs	100	45	202.5	0.462	18.5	12.41	3.44	1.65	4.5	5.5

Based on the values obtained from the sizing of the fixed-dome biodigester, it is proposed that this biodigester have a volume of 20 m³, to facilitate the installation process and the acquisition of the necessary materials. To determine the energy input, the amount of biomass generated daily, the biogas yield, and the daily biogas volume are considered (Table 5).

Table 5. Energy contribution of the animal population

Source of raw material	Animal / day	Average Mass,kg	Bmd, kg/día	Y, m³/kg	G, m³/día
Cows	10	400	28,5	0,080	18,5
Pigs	100	45	202,5	0,080	18,5

To estimate the cost of the construction and installation of the fixed-dome biodigester system (excluding 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 proposed 20 m³ fixed-dome biodigester to be installed and cost

Materials	UM	Quantity	Price**, weight/u	Cost, peso*
Cement	Bags	90	183	16 470
Sand	m³	6	160	960
Gravel (38 mm)	m³	7	200	1 400
15 cm Block	u	480	10	4 800
Solid Brick	u	650	8	5 200
3/8 Steel	kg	162	10	1 620
1/4 Steel	kg	24	12,5	300
Nails	kg	3	50	150
Wire for tying rebar	kg	5	25	125
Wood for formwork	m³	0,3	120	36
Excavation	m³	38	25	950
Backfill	m³	18	20	360
Pipes for biogas collection and transportation	Accessories: Unions, elbows, PVC cleaner and glue, shut-off valves (quantity varies depending on distance from warehouses)		1 550	1 550
Pipes for manure supply	110 mm (4”) pipes (2): 5 m/cubic meter		300	600
Total				34 871

*Peso: refers to the national currency (MN); the exchange rate is 25 MN = 1 USD.

** Construction material prices are established by the Ministry of Domestic Trade (MINCIN) in Cuba.

In the case of the polyethylene tubular biodigester variant, the materials required for the construction and installation of the technology are listed in Table 7, 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 20 m³ biodigester were determined, these are reflected in Figure 3.

Figure 3. Main dimensions of the trench and the proposed polyethylene tubular biodigester.

Table 7. List of costs for installing the polyethylene tubular biodigester

Materials	UM	Quantity	Precio unitario, peso/u	Costo, peso
Polyethylene module m³ 20 6,250 (per 10 m³) 12,500	Polyethylene module m³ 20 6,250 (per 10 m³) 12,500	Polyethylene module m³ 20 6,250 (per 10 m³) 12,500	Polyethylene module m³ 20 6,250 (per 10 m³) 12,500	Polyethylene module m³ 20 6,250 (per 10 m³) 12,500
Excavation m³ 17 25,425	Excavation m³ 17 25,425	Excavation m³ 17 25,425	Excavation m³ 17 25,425	Excavation m³ 17 25,425
Pipes for biogas collection and transportation. Accessories: Unions, elbows, PVC cleaner and glue, shut-off valves (quantity varies depending on distance from buildings).	Pipes for biogas collection and transportation. Accessories: Unions, elbows, PVC cleaner and glue, shut-off valves (quantity varies depending on distance from buildings).		Pipes for biogas collection and transportation. Accessories: Unions, elbows, PVC cleaner and glue, shut-off valves (quantity varies depending on distance from buildings).	Pipes for biogas collection and transportation. Accessories: Unions, elbows, PVC cleaner and glue, shut-off valves (quantity varies depending on distance from buildings).
Total				15 075

As can be seen in Tables 6 and 7, the cost of these technologies is not high, although there are differences between them. To better understand the aspects related to the sizing of both technologies, as well as the energy contribution to be obtained from the biogas produced by the introduction of these technological variants, Table 8 summarizes these design and energy values.

Table 8. Sizing and energy contribution of the biogas to be obtained with the installation of biodigestion technology

Sizing parameters	Fixed Dome Biodigester	Tubular Polyethylene Biodigester
biodig, m³	18.5	18.5
Vcf, m³	4.5	-
Vtc, m³	5.5	5.5
Vgas, m³	5.5	5.5
Roll width (polyethylene), m	-	2.0
Roll length (polyethylene), m	-	14.5
Upper base of trench, m	-	0.9
Trench bottom base, m	-	0.7
Trench Height. m	-	1.0
Energy Parameters
Y. m³/kg 0.080	0.080
G. m³/day 18.5	18.5
Potential Energy Savings
Electricity. kWh 33.3	33.3
Natural Gas. m³ 11.1	11.1
Charcoal. kg 5.55	5.55
Wood. kg 49.95	49.95
Gasoline. L 14.8	14.8
Fuel Alcohol. L 22.2	22.2
Fuel Oil. L 12.95	12.95
Biofertilizer Production kg/day 201.3	201.3

In the case of the fixed dome biodigester, considering the investment required for construction materials. which amounts to a cost of 34.871 pesos and if this is analyzed in terms of the energy savings to be obtained. for gasoline with a daily equivalent production of 14.8 L. from the price of this fuel which is equivalent to 25 pesos. daily savings of 370 pesos would be obtained. therefore in one year (considering 365 days) this saving would be equivalent to 135.050 pesos. which shows that in just three months of operation the investment in materials required for construction is recovered and a profit of 100.179 pesos is obtained in the remainder of the year. Similarly. if the same analysis is performed. but considering the electricity savings based on the potential generation to be obtained with the use of biogas. which amounts to 14.86 kWh per day. and using 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;
Over 250 kWh: 3.12 per kWh.

This would result in an average monthly savings of 890 pesos. which translates to an annual savings equivalent to 10.680 pesos. This demonstrates that the investment in the materials required for construction is recovered in just 3.4 years of operation. resulting in a profit of 16.6 years. considering that the useful life of a fixed-dome biodigester is 20 years. These elements demonstrate the economic feasibility of the proposal analyzed. For the tubular polyethylene biodigester. the investment required for construction materials amounts to a cost of 15.075 pesos. If this is analyzed in terms of the energy savings to be obtained. only 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. This shows that in just three months of operation. the investment in materials required for construction is recovered and a profit of 45.150 pesos is obtained for the remainder of the year. This element demonstrates the economic feasibility of the proposal. Similarly. if the same analysis is performed. but considering the electricity savings based on the potential generation to be obtained with the use of biogas. which amounts to 33.3 kWh per day. and using 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;
Over 250 kWh: 3.12 per kWh.

This would result in an average monthly savings of 2.721 pesos. which represents an annual savings equivalent to 32.652 pesos. This shows that the investment in construction materials is recovered in just 1.1 years of operation. resulting in a profit of 3.9 years. considering that the useful life of a tubular polyethylene biodigester is 5 years. These elements demonstrate the economic feasibility of the analyzed proposal. It is worth noting that the proper sizing of this type of technology promotes maximum utilization of the waste obtained in production scenarios.

As evidenced in Table 8. the installation of biodigesters in agricultural production units constitutes an energetically viable option. to which must be added the contribution to environmental conservation and care. Therefore. to adopt biodigestion technology on the farm under study. the introduction of a tubular polyethylene biodigester is economically advisable. With the introduction of this technology. it would be possible to:

Generate electricity to power the water pump. lighting. and the home. which requires a 20 kW biogas generator. considering all energy sources. If water pumping is excluded. a 1 kW biogas generator would be required. According to the Chinese company Shenzhen Teenwin Environment Co. the price of these biogas generators ranges from $550 to $1.250 (13.750 to $31.250 Mexican pesos).
In addition. it is possible to obtain 201.3 kg/day of biofertilizers. representing an economic contribution of $2.516 pesos (100.65 USD). based on the international market price of biofertilizers. which reaches $500/t (12.500 pesos/t).

Conclusions

⌅

To meet the farm's energy demand. the installation of a polyethylene tubular biodigester is suggested. given its low installation costs.
With the installation of a 20 m³ polyethylene tubular biodigester. it is possible to produce 201.3 kg/day of biofertilizers. representing a daily economic contribution of 2.516 peso (USD 100.65). which constitutes added value. in addition to the energy and economic benefits obtained.
With the introduction of anaerobic biodigestion technology. it is possible to generate electricity to supply and operate lighting and household consumption. which requires the acquisition of a 1 kW biogas generator.

Recommendations

⌅

Continue implementing the theoretical and methodological foundations used in the research in other production scenarios.

References

⌅

AL-SHETWI, A.Q.: “Sustainable development of renewable energy integrated power sector: Trends, environmental impacts, and recent challenges”, Science of The Total Environment, 822: 153-645, 2022, ISSN: 0048-9697.

ASAKEREH, A.; SOLEYMANI, M.; SHEIKHDAVOODI, M.J.: “A GIS-based Fuzzy-AHP method for the evaluation of solar farms locations: Case study in Khuzestan province, Iran”, Solar Energy, 155: 342-353, 2017, ISSN: 0038-092X.

BASTIDA, L.; COHEN, J.J.; KOLLMANN, A.; MOYA, A.; REICHL, J.: “Exploring the role of ICT on household behavioural energy efficiency to mitigate global warming”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 103: 455-462, 2019, ISSN: 1364-0321.

BILANDZIJA, N.; VOCA, N.; JELCIC, B.; JURISIC, V.; MATIN, A.; GRUBOR, M.; KRICKA, T.: “Evaluation of Croatian agricultural solid biomass energy potential”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 93: 225-230, 2018, ISSN: 1364-0321.

CASIMIRO, R.L.; RAMÍREZ, H.G.; MARTÍN, M.G.: “Uso de las energías renovables en las fincas familiares, sus potencialidades y desafíos en la transición de la matriz energética local”, Eco Solar, (78): 19-27, 2021, ISSN: 1028-6004.

GONZÁLEZ, L.Z.; TORRES, G.A.P.; GONZÁLEZ, A.V.: “Educación en energías renovables desde el enfoque CTS”, Libro de Actas, 843, 2020.

HERNÁNDEZ, J.A.; PÉREZ, P.; BOSCH, I.D.; CASTRO, S.N.: Clasificación de los suelos de Cuba. Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, San José de las Lajas, Cuba, 91 p, Ed. Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, ed., San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, 91 p., 2015, ISBN: 959-7023-77-6.

HUANG, A.W.K.; CHEN, W.; ANANDARAJAH, G.: “The role of technology diffusion in a decarbonizing world to limit global warming to well below 2 C: An assessment with application of Global TIMES model”, Applied energy, 208: 291-301, 2017, ISSN: 0306-2619.

LEÓN, M.J.A.; MOREJÓN, M.Y.; MELCHOR, O.G.C.; ROSABAL, P.L.M.; QUINTANA, A.R.; HERNÁNDEZ, C.G.: “Dimensionamiento de un parque solar fotovoltaico para el Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA)”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4), 2021, ISSN: 2071-0054.

LORENZO, A.J.A.: “Cálculo de instalación. Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas”, Era solar: Energías renovables, (197): 6-15, 2017, ISSN: 0212-4157.

MOREJÓN, M.; TORRICO, A.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Ed. CienciAgro., Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1- 4299-2022. Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro., 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6.

MOREJÓN, M.Y.; HERNÁNDEZ, C.G.; VIZCAY, V.D.; AMOROS, C.Y.O.: “Determination of Appropriate Anaerobia the Technology of Biodigestion for a System of Poultry Production”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 33(4): cu-id, 2024, ISSN: 2071-0054.

MUÑOZ, A.Y.; RUBIO, G.A.; MENTADO, D.C.I.: “Los incentivos económico-financieros por el empleo de las fuentes renovables de energía. Marco jurídico en Cuba y Ecuador”, Revista Universidad y Sociedad, 10(2): 53-60, 2018, ISSN: 2218-3620.

ZUÑIGA, L.Y.; VALENZUELA, G.A.: “Educación en energías renovables desde el enfoque CTS”, Pensamiento y Acción, 28: 47-59, 2020.

Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 34, January-December 2025, ISSN: 2071-0054

Artículo original

Propuesta para el establecimiento de la tecnología de biodigestión anaerobia adecuada en la Finca Robeba

^iDDarielis Vizcay-Villafranca^*✉:darielisv@unah.edu.cu darielisvizcayvillafranca@gmail.com

^iDYanoy Morejón-Mesa

^iDGeisy Hernández-Cuello

^iDYordan Oscar Amoros-Capdesuñer

Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: ymorejon83@gmail.com, o ymm@unah.edu.cu, geisyh@unah.edu.cu, yordanoscar@unah.edu.cu

^{^*}Autora para correspondencia: Darielis Vizcay-Villafranca, e-mail: darielisv@unah.edu.cu o darielisvizcayvillafranca@gmail.com

Resumen

La presente investigación se desarrolló en la finca “Robeba”, el objetivo de la misma consistió en establecer la tecnología de biodigestión anaerobia adecuada a introducir en la finca, transformando los desechos en biogás y biofertilizante. Para ello se determinan las especies animales existentes en el escenario (vacas y cerdos), pues estas especies aportarán los residuos orgánicos hacia el biodigestor; considerándose el movimiento de rebaño, se determina la cantidad de animales, 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 resultados mas destacados, se observó que la implementación de un biodigestor tubular de polietileno es más viable en comparación con la instalación de un biodigestor de cúpula fija, representando 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 201,3 kg/día de biofertilizantes, que representan un aporte económico diario de 2 516 peso/día (100,65 USD/día) constituyendo un valor agregado, además de los beneficios energéticos y económicos a obtener. Por otra parte, con la instalación de la tecnología de biodigestión anaerobia seleccionada se puede producir energía eléctrica para la vivienda y las luminarias., lo cual requiere de la obtención de un generador de biogás de 1 kW de potencia.

Palabras clave:

instalación, digestión, biomasa, ahorro económico

Introducción

⌅

El constante crecimiento de la población mundial y el desarrollo económico y social son los principales motores de la creciente demanda mundial de energía que actualmente está respaldada por combustibles fósiles, lo que impide la sostenibilidad a largo plazo (Bilandzija et al., 2018BILANDZIJA, N.; VOCA, N.; JELCIC, B.; JURISIC, V.; MATIN, A.; GRUBOR, M.; KRICKA, T.: “Evaluation of Croatian agricultural solid biomass energy potential”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 93: 225-230, 2018, ISSN: 1364-0321.; González et al., 2020GONZÁLEZ, L.Z.; TORRES, G.A.P.; GONZÁLEZ, A.V.: “Educación en energías renovables desde el enfoque CTS”, Libro de Actas, 843, 2020.; León et al., 2021LEÓN, M.J.A.; MOREJÓN, M.Y.; MELCHOR, O.G.C.; ROSABAL, P.L.M.; QUINTANA, A.R.; HERNÁNDEZ, C.G.: “Dimensionamiento de un parque solar fotovoltaico para el Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA)”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4), 2021, ISSN: 2071-0054.). Estos combustibles (por ejemplo, carbón, gas natural y petróleo) siguen siendo la fuente de energía dominante en la economía mundial. Sin embargo, si su consumo continúa al ritmo actual, los recursos se agotarán dentro de varias décadas debido a su suministro limitado (Asakereh et al., 2017ASAKEREH, A.; SOLEYMANI, M.; SHEIKHDAVOODI, M.J.: “A GIS-based Fuzzy-AHP method for the evaluation of solar farms locations: Case study in Khuzestan province, Iran”, Solar Energy, 155: 342-353, 2017, ISSN: 0038-092X.; Al-Shetwi, 2022AL-SHETWI, A.Q.: “Sustainable development of renewable energy integrated power sector: Trends, environmental impacts, and recent challenges”, Science of The Total Environment, 822: 153-645, 2022, ISSN: 0048-9697.). Además, hay muchas consecuencias negativas del uso de combustibles fósiles, como la emisión de gases de efecto invernadero y otros contaminantes. Para evitar el rápido aumento de gases de efecto invernadero, la clave está en la eficiencia energética y/o cambiar a fuentes de energías renovables (Huang et al., 2017HUANG, A.W.K.; CHEN, W.; ANANDARAJAH, G.: “The role of technology diffusion in a decarbonizing world to limit global warming to well below 2 C: An assessment with application of Global TIMES model”, Applied energy, 208: 291-301, 2017, ISSN: 0306-2619.).

El consumo de energía global ha aumentado seriamente la presión sobre los combustibles fósiles, lo que ha provocado un aumento de los efectos del calentamiento global y los problemas del cambio climático. En consecuencia, se espera que la temperatura ambiente global aumente aproximadamente 2°C para 2050 debido a las emisiones contaminantes provocadas por los recursos energéticos no renovables (Bastida et al., 2019BASTIDA, L.; COHEN, J.J.; KOLLMANN, A.; MOYA, A.; REICHL, J.: “Exploring the role of ICT on household behavioural energy efficiency to mitigate global warming”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 103: 455-462, 2019, ISSN: 1364-0321.; Al-Shetwi, 2022AL-SHETWI, A.Q.: “Sustainable development of renewable energy integrated power sector: Trends, environmental impacts, and recent challenges”, Science of The Total Environment, 822: 153-645, 2022, ISSN: 0048-9697.).

En la actualidad las energías renovables son una opción sostenible y técnicamente viable de producir energía y aportan una parte significativa de la producción eléctrica en varios países (Muñoz et al., 2018MUÑOZ, A.Y.; RUBIO, G.A.; MENTADO, D.C.I.: “Los incentivos económico-financieros por el empleo de las fuentes renovables de energía. Marco jurídico en Cuba y Ecuador”, Revista Universidad y Sociedad, 10(2): 53-60, 2018, ISSN: 2218-3620.; González et al., 2020GONZÁLEZ, L.Z.; TORRES, G.A.P.; GONZÁLEZ, A.V.: “Educación en energías renovables desde el enfoque CTS”, Libro de Actas, 843, 2020.; León et al., 2021LEÓN, M.J.A.; MOREJÓN, M.Y.; MELCHOR, O.G.C.; ROSABAL, P.L.M.; QUINTANA, A.R.; HERNÁNDEZ, C.G.: “Dimensionamiento de un parque solar fotovoltaico para el Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA)”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4), 2021, ISSN: 2071-0054.). Las energías renovables son una alternativa prometedora para aliviar las complicaciones ambientales, económicas y energéticas asociadas a la cada vez mayor demanda de energía para satisfacer las necesidades de desarrollo y crecimiento de la población humana. Sin embargo, a pesar de todos los esfuerzos para implementar y aprovechar eficientemente fuentes de energía renovable, se requiere de una mayor confianza pública, de políticas, legislación, incentivos económicos y educación para promover el crecimiento, el desarrollo y la implementación de estas tecnologías (Zuñiga y Valenzuela, 2020ZUÑIGA, L.Y.; VALENZUELA, G.A.: “Educación en energías renovables desde el enfoque CTS”, Pensamiento y Acción, 28: 47-59, 2020.)

Como objetivo de la Agenda de Desarrollo Sostenible hasta 2030 se encuentra el garantizar el acceso a una energía asequible, segura, sostenible y moderna para todos, en el que se valora la necesidad de aumentar sustancialmente el porcentaje de la energía renovable, mejorar la eficiencia energética y promover inversiones en infraestructuras y tecnologías no contaminantes, entre otros aspectos (Casimiro et al., 2021CASIMIRO, R.L.; RAMÍREZ, H.G.; MARTÍN, M.G.: “Uso de las energías renovables en las fincas familiares, sus potencialidades y desafíos en la transición de la matriz energética local”, Eco Solar, (78): 19-27, 2021, ISSN: 1028-6004.).

En Cuba la producción de energía eléctrica depende, en gran medida, de los combustibles fósiles, por lo que es de prioridad nacional elevar la sostenibilidad medioambiental, a través del cambio de la matriz energética y el uso de fuentes renovables de energía. Por tanto, es una alternativa viable para transformar la economía cubana y disminuir la carga contaminante que genera la producción de electricidad a partir de fuentes de energía fósil (Lorenzo, 2017LORENZO, A.J.A.: “Cálculo de instalación. Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas”, Era solar: Energías renovables, (197): 6-15, 2017, ISSN: 0212-4157.).

En la actualidad no existe una propuesta de utilización de fuentes de energías renovables de manera integral para sustituir las fuentes convencionales que se emplean en pequeñas fincas dedicadas a la producción agropecuaria. Tal es el caso de la finca Robeba, por tal motivo se realizó el estudio de la factibilidad de la tecnología de biodigestión anaerobia adecuada a introducir en dicha finca.

Materiales y Métodos

⌅

La finca Robeba perteneciente a la CCS Orlando Cuellar, se encuentra ubicada a los 22°59′58.86″ latitud Norte, y 82°08′11.75″ longitud Oeste en el municipio San José de Las Lajas, provincia Mayabeque. El área total es de 47 ha, con suelo Ferralítico Rojo típico en toda su extensión (Hernández et al., 2015HERNÁNDEZ, J.A.; PÉREZ, P.; BOSCH, I.D.; CASTRO, S.N.: Clasificación de los suelos de Cuba. Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, San José de las Lajas, Cuba, 91 p, Ed. Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, ed., San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, 91 p., 2015, ISBN: 959-7023-77-6.). Tiene un relieve llano, altura sobre el nivel del mar de 80 m.

Las variables meteorológicas registradas en la Estación Meteorológica Tapaste, San José de las Lajas, durante el periodo enero-septiembre/2023, mostraron que las temperaturas máximas alcanzadas en la región superaron los 32 ºC entre los meses de junio a septiembre y las más frías descendieron como promedio hasta 21,1 ºC en enero. Las precipitaciones manifestaron incrementos a partir de junio, e indicaron los valores medios más elevados en mayo y agosto con 72 y 77 mm, respectivamente. La humedad relativa varió entre 47% (mínimo, en marzo) y 84% (máximo, en septiembre), mientras que la velocidad del viento alcanzó un valor máximo de 3,6 km/h durante el mes de agosto. El comportamiento de estas variables climáticas permite desarrollar satisfactoriamente a producción agropecuaria.

La finca dispone de 10 vacas en ordeño las cuales permanecen estabuladas el 25% del día, estas alcanzaron una producción promedio de leche diaria durante el 2023, de 6,9 L/vaca, por lo que diariamente esta finca posee un potencial productivo de 69 L/día.

También disponen de 100 cerdos para ceba estabulados todo el día. Estos permanecen solo tres meses para luego su comercialización en convenio con el estado teniendo un precio de 180 peso/lb.

El movimiento de rebaño en el escenario objeto de estudio, se refleja en la Tabla 1.

Tabla 1. Movimiento de rebaño en la finca Robeba

Mov. De Rebaño	Existencia Inicial	Existencia Final	Animales/día	Masa Promedio, kg
Vacas	10	10	10	400
Cerdos	100	100	100	45

Como resultado del estudio, se analizó el consumo de energía eléctrica en la finca Robeba durante el año 2022, pudiéndose constatar que se obtiene un consumo promedio mensual equivalente a 3767 kW.

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 2.

Tabla 2. Características energéticas de los medios y equipos eléctricos existentes en la finca Robeba

Medios y equipos eléctricos	Potencia, kW	Cantidad	Tiempo de operación, h	Energía consumida por día, kWh/día	Porcentaje, %
Bomba de agua	18,5	1	3,5	64,75	51,57
Luminarias	0,4	10	12,0	48,00	38,22
Consumo del hogar	0,53	1	24,0	12,83	10,21
Total				125,58

En esta finca se consumen diariamente 125,58 kWh de energía eléctrica, elemento que demuestra el consumo de este escenario productivo, es válido señalar que solo por concepto de bombeo de agua se consume el 51,57% de la energía consumida diaria.

Para el establecimiento de las metodologías específicas para el dimensionamiento de los diferentes sistemas de biodigestión anaerobia, se consideran los fundamentos planteados por Morejón et al. (2022)MOREJÓN, M.; TORRICO, A.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Ed. CienciAgro., Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1- 4299-2022. Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro., 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6..

Metodología para el dimensionamiento e instalación de biodigestores anaerobios

⌅

Para el cálculo de los parámetros de diseño de un biodigestor anaerobio, según Guardado (2007) y Morejón et al. (2022)MOREJÓN, M.; TORRICO, A.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Ed. CienciAgro., Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1- 4299-2022. Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro., 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6., es necesario conocer los datos de entrada, y los que deben ser determinados (Tabla 3).

La cantidad diaria de material (Bm_d) 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 3. Datos de entrada y salida requeridos para el diseño de un biodigestor anaerobio

Parámetros Datos de entrada	Unidad
Cantidad de biomasa diaria generada (Bm_d)	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, (V_biodig)	m³
Volumen diario de biogás producido (G)	m³ dia^-1
Volumen de contención del biogás ( $V_{2}$ )	m³
Volumen del tanque de compensación (Vtc)	m³

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

B m_{d} = C a \times C e \times R p \times 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 \times C e \times (\frac{P V p}{P V e}) \times (\frac{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) (V_dm), no es más que la suma del residual y la dilución de la biomasa (residual y agua).

Vdm = (1 + N) \cdot 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 (V_biodig) se calcula teniéndose en cuenta el valor del volumen de material (mezcla estiércol y agua) V_dm que entra al biodigestor y el tiempo de retención TRH.

V_{b i o d i g} = Vdm \cdot T R H, m^{3}

(4)

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

G = Y \times 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 = \frac{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 1), se plantean a continuación.

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

Se calcula el volumen total del biodigestor ( $V_{b i o d i g}$ ), sobre la base del volumen de la mezcla agua-estiércol y el tiempo de retención, tal como se muestra en la expresión 4 $V_{b i o d i g} = Vdm \cdot T R H, m^{3}$ .
Se calcula el radio del volumen predefinido (R).

Figura 1. Principales partes en las que se divide un biodigestor de cúpula fija. Fuente: Guardado (2007).

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

R = \sqrt[3]{\frac{V_{b i o d i g}}{(π \times 1.121)}}

(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 \times U

(8)

D = 8 \times U

(9)

h c = 2 \times U

(10)

h p = 3. \times U

(11)

h t = 0.15 \times D

(12)

donde: $R c -$ Radio de la cúpula, m; $D -$ Diámetro, m; $h c =$ Altura de la cúpula, m; $h p =$ Altura del cilindro, m; $h t =$ 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} \times h p \times π

(13)

V_{2} = V o l u m e n c ú p u l a = \frac{π \times h_{c}^{2}}{3} (3 R - h_{c})

(14)

V_{3} = V c o n o = R^{2} \times π \times (\frac{h t}{3})

(15)

Resultados y Discusión

⌅

Valoración técnico-económica de la introducción de un biodigestor en las condiciones de la finca Robeba

⌅

Para la determinación de la tecnología de biodigestor adecuada a instalar en las condiciones de la finca Robeba, perteneciente a la CCS Orlando Cuellar, 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, tal como se relaciona en la Tabla 1.

Los resultados obtenidos de cada uno de estos parámetros de dimensionamiento, se representan en la Tabla 4, y Figura 2, estos valores se obtienen a partir del movimiento de rebaño concebido por Nidio Pérez dueño de la finca Robeba durante el periodo 2022-2023, representados en la tabla anterior.

Tomándose en consideración los fundamentos establecidos por Morejón et al. (2022)MOREJÓN, M.; TORRICO, A.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Ed. CienciAgro., Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1- 4299-2022. Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro., 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6., 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.

Para el ganado porcino es posible considerar que por cada 50 kg se obtienen 2,25 kg de excreta, generándose 0,10 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 tubular de polietileno para estas especies y cantidades 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	V_biodig, m³	V₁, m³	V₂, m³	V₃, m³	V_cf, m³	V_tc, m³
Vacas	10	400	28,5	0,462	18,5	12,41	3,44	1,65	4,5	5,5
Cerdos	100	45	202,5	0,462	18,5	12,41	3,44	1,65	4,5	5,5

Figura 2. 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	10	400	28,5	0,080	18,5
Cerdos	100	45	202,5	0,080	18,5

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 ¼	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 3.

Figura 3. 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
V_biodig, m³	18,5	18,5
V_cf, m³	4,5	-
V_tc, m³	5,5	5,5
V_gas, m³	5,5	5,5
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	0,080
G, m³/día	18,5
Ahorro Energético Potencial
Energía eléctrica, kWh	33,3
Gas Natural, m³	11,1
Carbón vegetal, kg	5,55
Madera, kg	49,95
Gasolina, L	14,8
Alcohol combustible, L	22,2
Aceite combustible, L	12,95
Producción de biofertilizantes kg/día	201.3

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 14,8 L, a partir del precio de este combustible que equivale a 25 peso, diariamente se tendría un ahorro de 370 peso, por tanto en un año (considerándose 365 días) este ahorro equivaldría a 135 050 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 100 179 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 33,3 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 2721 peso, lo que significa un ahorro anual equivalente a 32652 peso, evidenciándose que en tan solo 1,1 año y de funcionamiento se recupera la inversión por concepto de materiales requeridos para la construcción, de modo que se tendrían 3,9 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 finca 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: bomba de agua, luminarias y la vivienda para lo que se requiere un generador de biogás de 20 kW de potencia, considerándose todas las fuentes energéticas, si se excluye el bombeo de agua, entonces se requería de un generador de biogás de 1 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 201,3 kg/día de biofertilizantes, que representan un aporte económico de 2516 peso (100,65 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

⌅

Para satisfacer la demanda energética de la finca, se sugiere la instalación de un biodigestor tubular de polietileno, dado que sus costos de instalación son bajos.
Con la instalación de un biodigestor tubular de polietileno de 20 m3 es posible producir 201,3 kg/día de biofertilizantes, que representan un aporte económico diario de 2516 peso (100,65 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 suministro y accionamiento de: luminarias y consumo de la vivienda, para lo que se requiere de la adquisición de un generador de biogás de 1 kW de potencia.

Recomendaciones

⌅

Continuar implementando los fundamentos teórico-metodológicos empleados en la investigación en otros escenarios productivo