Biogás para cocción a partir de la digestión anaerobia de pastos en zonas rurales de clima tropical

Abstract

Energy for cooking is the most essential energy service for peasants in countries with tropical climates such as Colombia where a large number of families can only access to firewood as energy source. An alternative energy source is the production of biogas, with an estimated consumption of 0.68 m3·d-1 per dwelling unit. The lowest cost and most universal biomass that exists is grass, natural or cultivated, while Anaerobic Digestion (AD) can be a very attractive technology to generate renewable energy due to the versatility and potential uses of the generated biogas, to the continuous optimization of the process and to the possibilities of its application at a domestic level with low-cost reactors. The use of grass or forage as substrate for AD is especially interesting in areas with high agricultural productivity, where the main challenges consist of producing grass in a sustainable way at the lowest cost and having the appropriate technology to produce biogas from grass at an acceptable investment and operation cost. The objective of this research was to study an alternative proposal for the production of cooking energy for rural areas with a tropical climate, from the biogas resulting from AD from pastures. In a first evaluation stage, assays of specific methane yield (mLCH4·g-1SV), methane yield per hectare (m3CH4·ha-1) and agronomic yield (tMS·ha-1·ha-1·y-1), were conducted with three types of grass widely distributed in the equatorial zone of the American continent (King Grass, Elephant Grass and Star Grass), cultivated in the Andean zone of Valle del Cauca This screening showed that, among the grasses with the highest yield under these conditions, Pennisetum purpureum species are the most suitable in Valle del Cauca (Colombia) due to its dry tropical climate conditions. Furthermore, King Grass was the one with the highest methane yield per hectare and most feasible for harvesting and chopping due to its morphology. The next stage at pilot scale evaluation, allowed to conclude that AD of pastures in domestic digesters type Discontinuous Dry Bio-digestion System (SDBS) of a single phase, without heating or temperature control, is viable with and without recirculation of leachate at a mean digestion temperature of 24°C, using King Grass as substrate, being the option without recirculation of leachate the most sustainable. Complementary tests of Bio Methane Potential (BMP) allowed to detect a s ignificant increas e in AD yield with harves ting ages lower than 60 days and to conclude that the “m achine chopped” method of size reduction (1-10 cm) was the most efficient pretreatment. Two options for the production of cooking energy were designed and evaluated economically and environmentally from the biogas resulting from the AD of grasses: one of them with organic cultivation (BOFG) and the other with complementary mineral fertilization (BMFG). Although the investment cost of the biogas cooking alternative was high for the target population, its annual operating costs was lower than those of current sources: firewood and LPG, which indicates that it is an economically viable alternative provided there is external support for initial investment. The evaluation of the environmental benefits / impac

L'energia per cuinar és el servei energètic més essencial per als camperols de països amb climes tropicals com Colòmbia, on un gran nombre de famílies no pot accedir a una altra font que no sigui la llenya. Una font energètica alternativa és la producció de biogàs amb unes necessitats estimades de 0,68 m3.d-1 per unitat d'habitatge. La biomassa de menor cost i més universal que existeix és la pastura, natural o cultivada, mentre la digestió anaeròbia (DA) pot resultar una tecnologia molt atractiva per generar energia renovable, ja que el biogàs generat té un gran ventall de possibles usos, la possible optimització continua del procés i la possibilitat d’aplicació a nivell domèstic amb reactors de baix cost. L'ús de la pastura i farratge com a substrat per a la DA és especialment interessant en zones amb altes productivitats agrícoles, on els reptes principals consisteixen en generar la pastura de manera sostenible, al menor cost possible i disposar de la tecnologia apropiada per produir biogàs a un cost d'inversió i operació assumibles. L'objectiu d'aquesta tesi és el d‘estudiar una proposta alternativa de producció d'energia per cuinar en zones rurals amb clima tropical, a partir del biogàs resultant de la DA de pastures. En primer lloc es van avaluar, en termes de rendiment agronòmic (tMS·ha-1·a-1), rendiment específic de metà (ml CH4·g-1SV) i rendiment de metà per hectàrea (m3 CH4·ha-1·a-1), tres tipus de pastura àmpliament implantades a la zona equatorial de el continent americà (King Grass, Elefant i Estrella), conreats a la zona andina de la Vall de l'Cauca. Aquest cribratge va mostrar que les espècies de Pennisetum purpureum són les més aptes a la Vall de l'Cauca (Colòmbia) per les seves condicions de clima tropical sec, mentre que el King Grass va ser el de major rendiment de metà per hectàrea. Tanmateix, aquest últim, fruit de la seva morfologia, va mostrar una gran facilitat per a la seva collita i pretractament de reducció de mida. L'etapa següent d'avaluació a escala pilot va permetre concloure que la DA de pastures en digestors domèstics tipus Sistema Discontinu de Bio-digestió Seca (SDBS) d'una fase, sense escalfament ni control de temperatura, és viable, amb i sense recirculació de lixiviats, a una temperatura mitjana de digestió de 24°C, utilitzant King Grass com a substrat, sent l'opció sense recirculació de lixiviats la més sostenible. Assaigs complementaris de Potencial de Bio Metà (PBM) van permetre detectar un augment significatiu en el rendiment de la DA amb edats de collita inferiors a 60 dies i concloure que el mètode "trossejat a màquina" de reducció de mida (1-10 cm) va ser el pretractament més eficient. Es van dissenyar i avaluar econòmica I ambientalment dues opcions de producció d'energia de cuina a partir del biogàs resultant de la digestió anaeròbia de pastures: la primera amb cultiu orgànic (BOFG) i la segona amb fertilització mineral (BMFG). Tot i que el cost d'inversió de l'alternativa de cocció amb biogàs va ser elevat per a la població objectiu, els seus costos operatius anuals van resultar menors que els de les fonts d’energia actuals: llenya i GLP, el que indica que és una alternativa econòmicament viable sempre que es compti amb subvencions per a la seva implementació. L'Anàlisi de Cicle de Vida (ACV) de la proposta tecnològica va mostrar una bona sostenibilitat ambiental en comparació amb la llenya i el GLP. Entre el tipus de fertilització, el BOFG presentar menors impactes que el BMFG en la majoria de les categories. Com a conclusió general es pot dir que s'ha demostrat la viabilitat de produir biogàs a partir la DA de pastures cultivats in situ utilitzant SDBS de tipus domèstic, optimitzant el procés de cultiu i el de digestió. Per tant, aquesta proposta tecnològica es pot considerar com una alternativa per subministrar l'energia de cocció en zones rurals amb climes tropicals

La energía para cocinar es el servicio energético más esencial para los campesinos de países con climas tropicales como Colombia donde un gran número de familias no puede acceder a otra fuente energética que no sea la leña. Una alternativa es la producción de biogás, con unas necesidades estimadas de 0,68 m3.d-1 por unidad de vivienda. La biomasa de menor coste y más universal que existe es el pasto, natural o cultivado, mientras la digestión anaerobia (DA) puede resultar una tecnología muy atractiva para generar energía renovable debido a la versatilidad de usos potenciales del biogás generado, a la optimización continua del proceso y a las posibilidades de su aplicación a nivel doméstico con reactores de bajo coste. La DA de pasto y forraje es especialmente interesante en zonas con altas productividades agrícolas, donde los retos principales consisten en producir el pasto de manera sostenible, al menor coste posible y disponer de la tecnología apropiada para generar biogás a un coste de inversión y operación asumibles. El objetivo de esta investigación fue estudiar una propuesta alternativa de producción de energía de cocción para zonas rurales con clima tropical, a partir del biogás resultante de la DA de pastos. En una primera etapa se evaluaron, en términos de rendimiento agronómico (tMS·ha-1·a-1), rendimiento específico de metano (mLCH4·g-1SV) y rendimiento de metano por hectárea (m3CH4.ha-1.a-1), tres tipos de pasto ampliamente implantados en la zona ecuatorial del continente americano (King Grass, pasto Elefante y pasto Estrella), cultivados en la zona andina del Valle del Cauca. Este cribado mostró que las especies de Pennisetum purpureum son las más aptas en el Valle del Cauca (Colombia) por sus condiciones de clima tropical seco y el King Grass fue el de mayor rendimiento de metano por hectárea. Asimismo, por su morfología, este último mostró una gran facilidad para su cosecha y pretratamiento de reducción de tamaño. La etapa siguiente de evaluación a escala piloto permitió concluir que la DA de pastos en digestores domésticos tipo Sistema Discontinuo de Biodigestión Seca (SDBS) de una fase, sin calentamiento ni control de temperatura, es viable con y sin recirculación de lixiviados a temperatura media de digestión de 24°C, usando King Grass como sustrato, siendo la opción sin recirculación de lixiviados la más sostenible. Ensayos complementarios de Potencial de Bio Metano (PBM) permitieron detectar un aumento significativo en el rendimiento de la DA con edades de cosecha inferiores a 60 días y concluir que el método de pretratamiento “troceado a máquina” o de reducción de tamaño (1-10 cm) fue el tratamiento más eficiente. Se diseñaron y evaluaron económica y ambientalmente dos opciones de producción de energía de cocina a partir del biogás resultante de la digestión anaerobia de pastos: una de ellas con cultivo orgánico (BOFG) y otra con fertilización mineral complementaria (BMFG). Aunque el coste de inversión de la alternativa de cocción con biogás fue elevado para la población objetivo, sus costes operativos anuales resultaron menores que los de las fuentes actuales: leña y GLP, lo que indica que es una alternativa económicamente viable siempre que se cuente con subvenciones para su implementación. El Análisis de Ciclo de Vida (ACV) de la propuesta tecnológica mostró una buena sostenibilidad ambiental en las emisiones de sustancias contaminantes, en comparación con la leña y el GLP, siendo el BOFG la opción con menores impactos. Como conclusión general se puede decir que se ha demostrado la viabilidad de producir biogás a partir la DA de pastos cultivados in situ usando SDBS de tipo doméstico, optimizando el proceso de cultivo y el de digestión. Por lo tanto, esta propuesta tecnológica se puede considerar como una alternativa para suministrar la energía de cocción en zonas rurales con climas tropicales