Cómo calcular la capacidad del digestor para la potencia prevista de la instalación: balance paso a paso

La capacidad del digestor para la potencia prevista de la instalación se calcula mediante una cadena de balances: desde la potencia eléctrica (o el flujo de biometano) pasando por la eficiencia de los equipos y el poder calorífico del metano, hasta la demanda diaria de metano, de ahí a la masa de sustrato y, finalmente, al volumen que proporciona el tiempo de retención hidráulica (TRH) seleccionado. El resultado se verifica con la carga orgánica (OLR). Se trata de un cálculo preliminar, pero permite evaluar rápidamente si la carga prevista y el digestor son compatibles.

Paso 1: potencia → energía en el combustible

En una instalación con cogeneración, el punto de partida es la potencia eléctrica del grupo electrógeno. Esta se divide por la eficiencia eléctrica del CHP (las definiciones y valores típicos se describen en la entrada sobre eficiencia del motor CHP). El resultado es la potencia del combustible, es decir, el flujo de energía que debe entrar al motor con el biogás.

En una instalación de biometano, el punto de partida es el flujo de metano en el producto (flujo de biometano multiplicado por el contenido de CH₄), al que se suman las pérdidas de metano en la purificación (véase deslizamiento de metano) y el metano quemado en la caldera para calor propio.

Paso 2: energía → flujo de metano

El poder calorífico inferior del metano es de aproximadamente 9,97 kWh/Nm³ (Nm³ en condiciones normales: 0 °C, 101,325 kPa). El flujo de metano en Nm³/h es la potencia del combustible en kW dividida por este valor; multiplicado por 24 h da el flujo diario. Resulta más práctico calcular directamente el metano, ya que así se expresan los rendimientos de los sustratos (por ejemplo, en ensayos BMP, véase potencial teórico de metano).

Paso 3: metano → masa de sustrato

La masa de la carga se determina por el rendimiento de metano por tonelada de masa fresca (FM). Los valores de las tres primeras filas proceden de la tabla de rendimientos del FNR Leitfaden Biogas (2013); la última fila es un supuesto ilustrativo. Para una instalación concreta, deben utilizarse los resultados de sus propios análisis:

El rendimiento de los residuos varía tanto que es preferible sustituirlo por el resultado del BMP (véase Cómo interpretar un informe de ensayo BMP).

Paso 4: masa → volumen de trabajo

El volumen de trabajo [m³] es la masa diaria de carga [t/d] multiplicada por el TRH [d], dividida por la densidad [t/m³] (para mezclas acuosas, aproximadamente 1). El TRH depende del sustrato y la temperatura; en instalaciones agrícolas con alto contenido de biomasa vegetal, suele ser de varias decenas de días (véase HRT y SRT). El resultado se verifica con la OLR, es decir, la masa de materia seca orgánica por m³ y día (véase OLR en la práctica). En plantas de biogás agrícolas, este valor suele estar en el intervalo de aproximadamente 2–4 kg SV/(m³·d) (dependiendo de la instalación); valores más altos requieren una mezcla muy eficiente y un control estricto del proceso.

El volumen total se determina sumando al volumen de trabajo el espacio para el gas y la reserva para espuma y fluctuaciones de nivel; en los ejemplos, el volumen de trabajo representa el 85% del total.

Ejemplo 1: 500 kW eléctricos, ensilado con purín

Supuestos: eficiencia eléctrica del CHP del 40%, funcionamiento continuo (en el balance anual debe considerarse el tiempo real de operación), TRH de 60 días.

1. Potencia del combustible: 500 / 0,40 = 1250 kW.
2. Flujo de metano: 1250 / 9,97 ≈ 125,4 Nm³/h, es decir, aproximadamente 3009 Nm³/d.
3. Mezcla: 30 t/d de purín aportan 30 × 14 = 420 Nm³ CH₄/d. El resto, 2589 Nm³/d, lo cubre el ensilado: 24,4 t/d aportan aproximadamente 2586 Nm³/d. En total, aproximadamente 3006 Nm³/d, es decir, prácticamente el objetivo.
4. Masa de carga: 24,4 + 30 = 54,4 t/d.
5. Volumen de trabajo: 54,4 × 60 / 1,0 ≈ 3264 m³; volumen total 3264 / 0,85 ≈ 3840 m³.
6. Verificación de OLR: SV = 24,4 × 0,33 × 0,95 + 30 × 0,10 × 0,8 ≈ 7,6 + 2,4 = 10,0 t/d; OLR = 10,0 / 3264 ≈ 3,1 kg SV/(m³·d), es decir, dentro del intervalo habitual en instalaciones agrícolas.

Conclusión: con esta mezcla, el TRH y la OLR dan resultados similares; con mayor proporción de purín, el TRH sería el factor limitante, mientras que con solo ensilado lo sería la OLR.

Ejemplo 2: 250 Nm³/h de biometano, sustratos mixtos

Supuestos: biometano con 97% de CH₄, pérdidas de metano en la purificación del 1% del metano del biogás bruto, y un 6% de este metano quemado para calor propio, TRH de 70 días.

1. Metano en el producto: 250 × 0,97 = 242,5 Nm³/h.
2. Metano en el biogás bruto: 242,5 / (1 − 0,01 − 0,06) ≈ 260,8 Nm³/h, es decir, aproximadamente 6258 Nm³/d (ambas pérdidas son fracciones del mismo flujo).
3. Mezcla: 40 t/d de estiércol (40 × 44 = 1760 Nm³ CH₄) y 60 t/d de purín (840) aportan 2600 Nm³/d. Los 3658 Nm³/d restantes los cubre el ensilado con 34,5 t/d.
4. Masa de carga: 134,5 t/d. Volumen de trabajo: 134,5 × 70 ≈ 9415 m³; volumen total aproximadamente 11 100 m³ (por ejemplo, dos digestores de unos 5500 m³ cada uno).
5. OLR: SV = 34,5 × 0,33 × 0,95 + 40 × 0,25 × 0,8 + 60 × 0,10 × 0,8 ≈ 10,8 + 8,0 + 4,8 = 23,6 t/d; OLR ≈ 2,5 kg SV/(m³·d).

El calor propio y las pérdidas en la purificación aumentan la producción necesaria, y por tanto el volumen del digestor, en aproximadamente un 7% (1/0,93).

Ejemplo 3: residuos alimentarios, el volumen lo determina la OLR

Supuestos: 250 kW eléctricos, eficiencia del 40%, residuos con 20% de MS y un rendimiento de 120 Nm³ CH₄/t FM, OLR admisible de 2,5 kg SV/(m³·d) adoptada de forma conservadora debido al riesgo de acidificación y amoníaco (véase Chen et al. 2008).

1. Potencia del combustible: 625 kW; metano: 625 / 9,97 ≈ 62,7 Nm³/h ≈ 1505 Nm³/d.
2. Masa de residuos: 1505 / 120 ≈ 12,54 t/d; SV = 12,54 × 0,20 × 0,90 ≈ 2,26 t/d.
3. Volumen según OLR: 2260 kg/d / 2,5 kg/(m³·d) ≈ 900 m³ de volumen de trabajo.
4. Verificación del TRH: sin dilución, 900 / 12,54 ≈ 72 días. Sin embargo, si el sustrato debe diluirse hasta un contenido bombeable de aproximadamente el 12% de MS (materia seca 12,54 × 0,20 = 2,51 t/d, carga 2,51 / 0,12 ≈ 20,9 t/d), el TRH se reduce a unos 43 días. Esto puede ser suficiente, pero requiere verificar la cinética y el riesgo de inhibición.

Con sustratos de alto rendimiento y bajo contenido de agua, el volumen lo determina la OLR, mientras que el TRH debe verificarse tras añadir el agua tecnológica.

Para finalizar

Adopte los rendimientos a partir de sus propios análisis de sustratos, incluya el agua tecnológica y el recirculado, verifique simultáneamente el TRH, la OLR y el amoníaco, y reserve margen para partidas de sustrato de peor calidad. El balance completo de masa y energía de una planta de biogás se muestra en el ejemplo de cálculos, y la selección de sustratos se describe en la entrada sobre planificación de la mezcla.