ISSN-L: 0798-1015 • eISSN: 2739-0071 (En línea)
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Vol. 43 (05) 2022 • Art. 5
Recibido/Received: 07/04/2022 • Aprobado/Approved: 10/05/2022 • Publicado/Published: 15/05/2022
DOI: 10.48082/espacios-a22v43n05p05
Estudio de un sistema de energía renovable para la
producción de biogás a partir del estiércol de ganado en la
hacienda Nueva Esperanza (Cotopaxi, Ecuador)
Study of a renewable energy system for the production of biogas from cattle manure in the
Nueva Esperanza farm (Cotopaxi, Ecuador)
AYALA, Silvia A.
1
JIJÓN, Pedro F.
2
CHACHA, Pamela M.3
Resumen
Diseñar un biodigestor práctico, reproducible, económico y sostenible que se convierta en una herramienta versátil que
beneficie a las fracciones con limitaciones económicas en el sector agropecuario. Este trabajo ayuda a potenciar la
productividad y a optimizar el uso de estiércol que de otra forma sería un desecho, por ende, un costo y un inconveniente
ambiental. Producir biogás es un avance biotecnológico, que contribuye al manejo de los residuos sólidos orgánicos de
la locación.
Palabras clave: biodigestor, sostenible, productividad, ambiental
Abstract
Design a practical, reproducible, economical and sustainable biodigester that becomes a versatile tool that benefits
fractions with economic limitations in the agricultural sector. This work helps boost productivity and optimize the use of
manure that would otherwise be a desire, therefore a cost and an environmental inconvenience. Producing biogas is a
biotechnological advance, which contributes to the management of organic solid waste from the location.
Key words: biodigester, sustainable, productivity, environmental
1. Introducción
Los procesos productivos en mayor o menor medida demandan de energía, los pequeños ganaderos no se
escapan a esta realidad y el balance entre costo y energía sumado a su limitada producción podría comprometer
los márgenes de rentabilidad de sus granjas.
La producción ganadera incluye en su factura la energía asociada a la logística y transporte de insumos, materia
prima, energía eléctrica para sistemas de refrigeración y auxiliares de la producción de carne y leche, así como
los combustibles destinados a los equipos de labranza del campo. Los pequeños ganaderos de Cotopaxi (Ecuador)
1
Magíster universitario en sistemas integrados de gestión de la prevención de riesgos laborales, la calidad, el medio ambiente y la responsabilidad social
corporativa. Ingeniera en Mecatrónica. Docente en el Instituto Superior Tecnológico Cotopaxi. Email: saayalat@istx.edu.ec
2
Magíster en Gestión de la Producción. Ingeniero Industrial. Docente en el Instituto Superior Tecnológico Cotopaxi. Email: pfjijonc@istx.edu.ec
3Ingeniera en Mecatrónica. Docente en el Instituto Superior Tecnológico Cotopaxi. Email: pmchacham@istx.edu.ec
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que no tienen acceso al sistema de red eléctrica y destinan buena parte de sus ingresos a costear combustibles
como mecanismos sustitutivos de generación limitan la competitividad de sus campos al incluir estos costes
adicionales.
El presente proyecto tiene una connotación eminentemente práctica enfocado en resolver el suministro de
energía para pequeños productores ganaderos, el punto de partida es el dimensionamiento de la demanda
eléctrica, y se evalúa la capacidad de aprovisionamiento de estiércol.
Finalmente, el biodigestor es versátil en su concepto de diseño para que se adapte a las necesidades de los
usuarios y a las diferentes tasas de demanda con muy pocas modificaciones en su estructura, se pensó en un
equipo que fácilmente podría replicarse.
Los biodigestores, por su parte, son sistemas diseñados para optimizar la producción de biogás a partir de
desechos agrícolas, estiércol o efluentes industriales (Rivas, Faith, & Guillén, 2017).
Las energías renovables representan una alternativa a esta problemática, puesto que, atender esta deficiencia
energética será en última instancia un dinamizador del desarrollo de los pequeños ganaderos quienes podrán
generar empleo y mejorar la situación económica de un sector y provincia con alto grado de migración y pobreza.
Apostar por una ganadería sostenible tiene efectos positivos a la economía de las comunidades, además implica
generar menos emisiones de gases de efecto invernadero asociadas al uso de combustibles fósiles y evita
prácticas perjudiciales como la sobrefertización de los suelos por exceso de abono y la contaminación de las
fuentes de agua dulce.
Teniendo en cuenta que las poblaciones rurales comúnmente se encuentran aisladas de los sistemas
convencionales de abastecimiento energético, las energías renovables surgen como una buena alternativa para
acompañar la demanda de estas familias y mejorar su calidad de vida (Nacetón & Tito, 2001).
2. Metodología
Se estructuran lineamientos que facilitan la investigación, el diseño y la ejecución del proyecto.
Figura 1
Metodología
Fuente: Elaboración propia (2022)
Demanda
Levantamiento de
información sobre
requerimientos
de energía
Dimensionamiento de CO2
asociado a cada KWH
generado por
combustibles fósiles
Suministro Análisis de
muestras
Cuantificación del estiércol
y determinación de biogas
Dimensionamiento Dimensionamient
o biodigestor Tratamiento de biomasa
Cosntrucción y puesta
en marcha Ensamblaje
Pruebas operativas, puesta en
marcha , medición de gas y
energía producida
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3. Desarrollo
3.1. Demanda energética
La producción de energía en pequeña escala, utilizando fuentes renovables, le permite al pequeño productor
agropecuario desarrollarse sin tener que trasladarse a centros urbanos (Zanci, 2007). Actualmente, en las zonas
rurales de los países en desarrollo, las necesidades de energía se satisfacen sobre todo con los combustibles de
biomasa y con trabajo humano y animal. Este inocuo panorama limita seriamente la posibilidad de muchos
pobladores de las zonas rurales de mejorar su productividad agrícola y su calidad de vida. Un estudio realizado
en el estado de Santa Catarina (Brasil) reveló que la energía a partir de biomasa se muestra como la mejor
alternativa inmediata (Huerga & Venturnelli, 2010). No obstante, el trabajo expresa la necesidad de formar una
matriz energética para ese tipo de poblaciones, ya que la cuestión energética debería ser una parte integrante
de las construcciones rurales y del sistema de producción rural (Von Hertwing, 2000).
3.2 Suministro
El biogás tiene distintas utilidades lo más interesante, en función de la cantidad por ejemplo en explotaciones de
40 cabezas es calentar agua para uso doméstico o para la propia explotación. En explotaciones con más cabezas,
por ejemplo 200, comienza a ser interesante ir a la producción de energía. Por eso la unión de varios productores
pequeños sería una solución (Hernandez , 2016).
Las grajas producen un elevado volumen de residuos húmedos en forma de estiércol de animales. La forma
común de tratar estos residuos es esparciéndolos en los campos de cultivo, con el doble interés de disponer de
ellos y obtener beneficio de su valor nutritivo. Sin embargo, cuando existen cantidades elevadas de estiércol esta
práctica puede provocar una sobre fertilización de los suelos y la contaminación de las cuencas hidrográfica (Arce,
2011).
Se realiza un cálculo del estiércol diario de la Hacienda Nueva Esperanza con 10 cabezas de ganado con un
promedio de generación de estiércol de 18.650 Kg1 para ese total de cabezas de ganado.
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3.2.1 Cálculo de la densidad del estiércol
Se coloca 9 kg de estiércol fresco en un recipiente cilíndrico con agua, de modo que al sumergir el estiércol se
obtendrá una altura h. La altura obtenida es de 0.24 m que alcanza los 9 kg de estiércol fresco al desplazar el
agua, en un balde cilíndrico de diámetro de 0.22m.
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La densidad del estiércol corresponde a 986.49 Kg/m3 P densidad del agua 1000 Kg/m3.
3.2.2 Volumen disponible de estiércol
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3.2.3 Volumen de biogás
Tabla 1
Relaciones de biogás de estiércol de ganado vacuno
N°
Peso (Kg)
Descripción
Relación
1
1
Estiércol fresco (EF)
0.20 Kg
2
1
Sólidos totales (ST)
0.8 Kg
3
1
Sólidos totales (ST)
0.3 m3
4
1
Sólidos totales (ST)
0.25 m3
5
1
Sólidos totales (ST)
0.20 m3
6
1
Sólidos totales (ST)
0.16 m3
7
1
Sólidos totales (ST)
0.10 m3
Fuente: Información tomada de Toala (2015)
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3.2.4 Volumen del sustrato
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La relación estiércol agua se hace en relación 1:1
Tabla 2
Relación estiércol - agua
N°
Origen
Relación
1
Bovino fresco
1:1
2
Bovino seco
1:2
3
Porcino
1:2
4
Aves
1:1
5
Equino
1:2
6
Desechos humanos
1:1
7
Desechos vegetales
1:0.5-2
Fuente: Información tomada de Toala (2015)
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3.2.5 Volumen de carga
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Adicionalmente se incluye el volumen de carga para lo cual se debe tomar en cuenta las siguientes
consideraciones:
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Factor de seguridad
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Volumen de la parte gaseosa
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3.3. Dimensionamiento
Una vez determinada la producción se analiza un contenedor del sector comercial que cumpla con las
especificaciones de volumen y calidad.
Figura 1
Tanque apilable cónico
Fuente:
Información tomada de Plastigama (2020)
3.3.1 Selección de accesorios
El dimensionamiento define el número y el tamaño de los accesorios en este caso particular.
a) 2 uniones de tanque 1/2 pulg.
b) 2 tapas de para tuvo de PVC de 4 pulg.
c) 40 cm de tubo de PVC de 4 pulg.
d) Virutas de hierro.
e) Unión de 1/2 pulg. de tubo a manguera.
f) Manguera de gas.
g) 2 abrazaderas.
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3.3.2 Construcción y puesta en marcha
Figura 2
Construcción del biodigestor
Fuente: Elaboración propia (2020)
4. Resultados
4.1. Energía producida
Primero se calcula la energía que produce 186.5kg (18.65kg x 10vacas x 1día) de estiércol fresco, cantidad que
corresponde al estiércol utilizable para el dimensionamiento del biodigestor. Se usa 1 m3 de biogás que es 6.5
Kw h energía.
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Se calcula la energía total, para esto se usa 1 m3 de biogás es 6.5 Kw h energía.
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4.2. Determinación de la eficiencia
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5. Conclusiones
El dimensionamiento del biodigestor y los valores que se ajustan al aprovisionamiento de estiércol tomando
como modelo una granja con 10 cabezas de ganado para la generación de biogás se resume en la siguiente tabla:
Tabla 3
Valores utilizados para el dimensionamiento del biodigestor
Vef
(m3/d)
Vs
(m3/d)
Vc
(l/d)
Vtd
(m3)
Energía
producida
(Kw h)
Energía
total
(Kw h)
0.1865
0.373
373
0.4849
24.245
25
Fuente: Elaboración propia (2020)
Los materiales de construcción se encuentran en el mercado, el diseño es versátil y adaptable para pequeños
productores ganaderos, se requiere una capacitación básica para su operación y mantenimiento, la inversión es
de 800 USD. Esta iniciativa en una opción viable y asequible que puede mejorar la productividad y la calidad de
vida de los trabajadores del sector agropecuario.
Anualmente se producirá 1361 m3 de biogás, si la concentración de CO2 es del 40% significa que este sistema
retirará del ambiente un equivalente a 544 m3 CO2 /año, es una contribución mínima, sin embargo, este proyecto
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Pag. 72
tiene el potencial de ser replicable en los pequeños productores lo que sumaría otras contribuciones y, el
conjunto de todas ellas se convertiría en una reducción significativa de las emisiones de gases de efecto
invernadero.
Referencias bibliográficas
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animales aplicable en las zonas agrarias del litoral. (Tesis de grado). Universidad Politécnica Salesiana.
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ganado en el rancho Verónica. (Tesis de grado). Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Ecuador.
Von Hertwing, B. (2000). Energía solar fotovoltaica para la agricultura y desarrollo rural sostenible. Roma: FAO.
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