Balance de masa y energía de una planta de biogás: ejemplo de cálculo del sustrato a los kilovatios hora

El balance de masa y energía de una planta de biogás se realiza en seis pasos: masa fresca → materia seca (MS) → sólidos volátiles (SV) → producción de metano (rendimiento por kg de SV) → energía química del combustible (poder calorífico) → energía eléctrica y térmica tras tener en cuenta el rendimiento de la cogeneración (CHP) y el consumo propio. A continuación se presenta un ejemplo completo con supuestos explícitos; todas las cifras son ilustrativas y deben sustituirse por datos propios procedentes de análisis y mediciones.

Paso 1: dosis diaria

Los rendimientos son valores prácticos supuestos a escala técnica, inferiores a los potenciales obtenidos en los ensayos BMP (véase el artículo sobre la diferencia entre BMP y escala técnica).

Paso 2: producción de metano

• ensilado de maíz: 6270 kg × 0,34 = 2132 m³ CH₄/d,
• purín: 1920 × 0,20 = 384 m³,
• hierba: 1350 × 0,30 = 405 m³.

Total ≈ 2921 m³ CH₄/d. Con un contenido de CH₄ del biogás del 53 %, se producen aprox. 5512 m³/d (230 m³/h). Rendimiento medio: 2921 / 9540 ≈ 0,31 m³ CH₄/kg SV, un valor verosímil (queda por debajo de los máximos teóricos de estos sustratos).

Paso 3: energía química

Supongamos un poder calorífico del metano de 9,97 kWh/m³ (condiciones normales). Energía del combustible: 2921 × 9,97 ≈ 29.120 kWh/d, es decir, ≈ 1213 kW de potencia térmica del combustible (en promedio).

Paso 4: cogeneración (CHP)

Con un rendimiento eléctrico del 38 % y térmico del 45 % (valores típicos de motores de gas de esta clase; los reales dependen del modelo y de la carga):

• energía eléctrica bruta: 29.120 × 0,38 ≈ 11.066 kWh/d (≈ 461 kW),
• calor: 29.120 × 0,45 ≈ 13.104 kWh/d (≈ 546 kW).

Paso 5: consumo propio

Supongamos un consumo propio de energía eléctrica del 8 % de la producción, es decir, ≈ 885 kWh/d; la energía neta a la red es ≈ 10.181 kWh/d. El calor propio para calentar el digestor depende de la época del año; supongamos en promedio el 25 % del calor de la CHP (≈ 3276 kWh/d). El calor disponible para los consumidores es ≈ 9828 kWh/d, pero solo una parte se aprovecha realmente (estacionalidad).

Paso 6: balance de masa del digestato

La reducción de SV en el proceso suele ser de varias decenas por ciento de los SV introducidos, según la mezcla y el TRH; en este ejemplo supongamos el 60 %. De las 9,54 t de SV quedan entonces aprox. 3,8 t de SV en el digestato, al que se suman la parte inorgánica de la materia seca y el agua. La masa de digestato es igual a la masa dosificada menos la masa del biogás. Con una densidad del biogás del orden de 1,2 kg/m³ y una producción de 5512 m³/d, la masa de gas es de aprox. 6,6 t/d, de modo que el digestato son aprox. 48 t/d (55 − 6,6 ≈ 48,4). El resultado debe tenerse en cuenta en el plan de almacenamiento y reparto del digestato.

Comprobación de la corrección

Análisis de sensibilidad

Un cambio del rendimiento del maíz de 0,34 a 0,30 m³ CH₄/kg SV reduce la producción de metano en aprox. 250 m³/d (−8,6 %) y la energía eléctrica en aprox. 950 kWh/d. Un cambio del contenido de materia seca del ensilado del 33 % al 30 % reduce los SV en aprox. un 9 %, por lo que influye casi tanto. Por eso, la exactitud de los análisis de MS y SV y el pesaje de los sustratos son fundamentales.

Conclusiones

El balance es una herramienta de planificación y control. Repetido cada mes con datos reales, muestra dónde pierde energía la instalación: en una degradación incompleta del sustrato, en la antorcha, en un bajo rendimiento de la CHP, en un consumo propio excesivo o en calor no aprovechado.

Observaciones sobre los supuestos

Los rendimientos de la CHP dependen del modelo, de la carga, del estado de mantenimiento y de la temperatura ambiente; el funcionamiento a carga parcial reduce el rendimiento eléctrico. Los rendimientos a escala técnica suelen ser inferiores a los resultados BMP, porque parte del material pasa por el digestor demasiado rápido y la agitación es imperfecta. El contenido de materia seca del ensilado varía con el lote y con la fecha de cosecha. El calor propio para calentar el digestor es máximo en invierno, y en verano a veces hay pocos consumidores de calor; por eso conviene calcular el balance anual de calor mes a mes.

Cómo convertir el ejemplo en una herramienta

Construya una hoja de cálculo en la que introduzca las masas de sustratos, los valores de MS y SV y los rendimientos, y en la que el resto de las celdas se calculen con fórmulas. Añada columnas que comparen lo planificado con la realidad (medición de gas, contador de energía). Las diferencias de varios por ciento son normales; las mayores merece la pena investigarlas.