Determination of material properties

 Aunque el ADM1 es un modelo complejo y extenso se ha convertido en una herramienta de simulación ampliamente utilizada en la academia. Esto se debe a que representa el comportamiento de la digestión anaerobia (DA) ante diferentes condiciones operativas, facilitando la toma de decisiones en etapas de planeación, la estimación de la producción de biogás, el control del proceso y el diseño de nuevas plantas. Una de las principales limitaciones del modelo es el gran número de entradas que requiere, por lo que en este trabajo se realizó un análisis de sensibilidad con el que se identificaron las variables en las que se deben enfocar la caracterización del residuo de entrada. De esta manera, las principales variables a tener en cuenta en el sustrato de entrada son la concentración de proteínas, lípidos y carbohidratos. Además, parámetros operacionales como la temperatura, el pH y el caudal de entrada deben ser manejados con cuidado.

 La metodología propuesta para la estimación del potencial eléctrico del biogás en ZNI (MEPEB), está compuesta por tres fases principales. La fase I permite estimar tres niveles diferentes de potencial energético para la biomasa residual pecuaria producida en las ZNI colombianas (el potencial máximo, el potencial teórico recolectable y el potencial técnico). En la fase II se identifican municipios con buenas perspectivas para implementar un SGEB. Por último, en la fase III se determina con cuanto residuo es posible alimentar la demanda eléctrica insatisfecha de una localidad en un periodo de tiempo de 15 años, usando curvas que relacionen la producción de metano y su potencial técnico con la cantidad de residuo recolectado.

 La principal ventaja de la metodología propuesta es que aborda un enfoque integrado entre el recurso y la demanda, ya que no solo se limita a estimar la producción de biogás, sino que también presenta un análisis de la demanda a suplir y una proyección de crecimiento en una ventana de tiempo de 15 años. Esto con el fin de determinar la cantidad de residuo necesario para abastecer la demanda creciente de una ZNI. Además, el contenido energético del biogás producido puede ser calculado con mayor certeza, gracias a que el mismo modelo entrega el contenido de metano y dióxido de carbono.

 La metodología fue construida para que pueda ser aplicada en cualquier caso de estudio. Sin embargo, para su aplicación es necesario poseer una implementación del ADM1 o de un modelo de DA que sea capaz de estimar la producción de biogás y su composición a partir de las características específicas de cada residuo. Esto limita el uso de la metodología en proyectos a pequeñas escala, ya que no todas las personas pueden acceder de manera simple a un modelo complejo como el ADM1.

 Como resultado de la fase I de la MEPEB se obtuvo que el potencial máximo total del residuo (Pr) en las ZNI de Colombia que cuentan con biomasa residual bovina y porcina es de 32349 y 655 [GJ/día], respectivamente. Entre tanto, tomando como factor de recuperación el 12,5% de la biomasa generada, el potencial teórico aprovechable (Pteo) para el residuo Bovino es de 3850 [GJ/día] y para el residuo porcino es de 82 [GJ/día]. Por su parte, el potencial técnico (Ptec) aprovechable en las ZNI con residuo bovino es de 427772, 320829 y 534715 [kWh/día] usando motor de combustión interna (MCI), turbina a gas (TG) y celda de combustible de óxido sólido (SOFC), respectivamente. En el caso del residuo porcino el potencial técnico es de 9109, 6832 y 11386 [kWh/día] usando MCI, TG y SOFC, respectivamente.  Aplicando la fase II de la MEPEB sobre las ZNI se pudo establecer que las localidades con mayor factor

de impacto positivo para la aplicación de un SGEB son San Juan de Caquetania ubicada en el municipio San Vicente del Caguán, Caquetá para la biomasa residual bovina y El porvenir ubicada en Puerto Gaitán, Meta para la biomasa residual porcina. Este resultado se debe a que estas poblaciones cuentan con un potencial teórico recolectable alto y un gran número de usuarios sin cobertura eléctrica.

 Como resultado de la fase III de la metodología se obtuvo que la cantidad de residuo bovino necesario para abastecer la demanda energética promedio inicial de la localidad de San Juan de Caquetania (809 kWh/día) tomando en cuenta una eficiencia de conversión biogás electricidad de 30% (la más baja disponible) es de 9600 kg de estiércol diario, lo cual representa menos del 0,2% de la biomasa residual bovina del municipio de San Vicente del Caguán. En comparación, para abastecer la demanda proyectada a 15 años (1742 kWh/día) la cantidad de residuo necesario es de 22972 kg de estiércol diario, lo cual representa un aumento del 58% con respecto a la condición inicial.

 Por otro lado, la cantidad de residuo porcino necesario para abastecer la demanda energética inicial de

El Porvenir (4035 kWh/día), teniendo en cuenta una eficiencia de conversión del 30% (la más baja

disponible), es de 70155,3 kg de estiércol diario, lo cual representa el 22,2 % de toda la biomasa residual porcina de Puerto Gaitán. Aunque este valor supera el factor de recolección de biomasa asumido para este trabajo de grado (12,5%), en algunos estudios han asumido que es posible recolectar hasta el 85% de la biomasa residual porcina dependiendo del grado de tecnificación de las granjas y el tiempo de estabulación. Por lo que si se aumenta el tiempo en el que los animales están confinados se puede aumentar el porcentaje de recolección. Sin embargo, mantener a los animales encerrados todo el día podría ir en contra de las buenas prácticas ganaderas, donde se debe tener en cuenta el bienestar animal.

 Según las simulaciones y las proyecciones realizadas, la cantidad de recurso disponible en las ZNI seleccionadas sería más que suficiente para abastecer las demandas eléctricas de los dos casos de estudio. Sin embargo, es necesario recolectar una gran cantidad de estiércol diariamente para alimentar el biodigestor y mantener la producción de biogás constante. Esto se convierte en un reto desde un punto de vista logístico y de transporte, sobre todo si se tiene en cuenta que en dichos lugares las carreteras son precarias o inexistentes. En este sentido, los esquemas centralizados tendrán mejores rendimientos en la etapa de recolección, en lugares donde la materia prima este más concentrada y sea más fácil de transportar. Para las ZNI estos proyectos deben ir acompañados de planes de mejoramiento integral que faciliten actividades como la concentración de materia prima en una sola instalación.

 A partir de los resultados se pudo identificar que San Vicente del Caguán es la ZNI con las mejores perspectivas para el desarrollo de un SGEB, ya que cuenta con gran cantidad de cabezas de ganado (612573) y también con una buena población porcícola (28932). La biomasa residual producida por estos animales representa un potencial teórico de 3849,9 [GJ/día] para los bovinos y 11,05 [GJ/día] para los porcinos.

 Los modelos implementados para los módulos de conversión biogás electricidad presentan tasas de consumo de combustible cercanas a los valores reales. Lo que los convierte en herramientas útiles para simular como cambia el consumo de combustible ante variaciones en la carga. Además, estos modelos pueden ser usados para otros tipos de estudio como comportamiento en microredes y análisis transitorios.  Aunque en Colombia el panorama es favorable para la aplicación de los SGEB, se deben definir y fortalecer políticas de apoyo (subvenciones, reducciones de impuestos y bajas tasas de interés) para que estos proyectos sean más atractivos económicamente, ya que se caracterizan por una inversión inicial considerable que desestimula su aplicación. Adicionalmente, es necesario crear programas de capacitación para asegurar la correcta operación de estos sistemas de generación de electricidad.

 Por último, en el curso de esta investigación se vivieron experiencias positivas con la participación en eventos académicos y una publicación en la revista Ingeniería. Sin embargo, abordar un tema tan amplio y multidisciplinar como el tratado en este estudio requiere mucho tiempo de trabajo para poder profundizar en los aspectos de operación de las plantas de biogás. Otras barreras que se identificaron fue la falta de información replicable y la dificultad para realizar mediciones experimentales con el propósito de caracterizar los sustratos. Esto hubiese permitido tener datos propios de la composición de la biomasa residual pecuaria colombiana.