Introducción
Uno de los principales retos de saneamiento rural es desarrollar e implementar sistemas innovadores, fáciles de usary de bajo costo. Los sistemas de recolección y tratamiento a base de alcantarillado centralizados existentes en los países desarrollados son demasiado costosos, demasiado complejos; y utilizan demasiada energía para poner en práctica en los países pobres y menos desarrollados [1] [2 ].
Incluso en los países desarrollados, la conexión de los asentamientos humanos dispersos, casas aisladas, pérgolas, granjas y algunas otras instalaciones, a los sistemas de alcantarillado es a menudo demasiado costosa. En definitiva, la gestión descentralizada de aguas residuales es inevitable para el tratamiento de las mismas y protección integral del medio ambiente en todo el mundo. Las tecnologías de saneamiento descentralizados tienen el potencial para convertir la orina y las heces con valor fertilizante en productos finales seguros para fines agrícolas [3] [2].
El nitrógeno y el fósforo tienen el mayor valor en este contexto, mientras que la materia orgánica ofrece potencial posible de recuperación de energía. La cantidad de heces y la orina excretada diariamente por las personas varía considerablemente en función del consumo de agua, el clima, la dieta y la ocupación. Mientras que la masa húmeda de las heces excretadas tiene rangos diarios entre 70 y 520 g por persona por día (g.p-1.d-1), una cantidad de 350-400 g.p-1.d-1 se considera generalmente como un promedio razonable [4] [5].
El biogás, producto de la descomposición de materia orgánica, es un gas combustible, el cual puede ser usado para cocción de alimentos, calefacción y las múltiples aplicaciones que tiene los combustibles convencionales. Los sistemas de biodigestión junto a la producción de energía eléctrica a base de biogás son tecnologías aún prematuras en Perú, existiendo 106 biodigestores (en 15 departamentos) con predominio en modelos artesanales chinos en todo el Perú [6].
El biogás obtenido en los digestores contiene de 60 a 80% de metano y su poder calorífico es de aproximadamente 6 kWh/Nm³ (800 BTU/pie3 ), lo que permite emplearlo con propósitos de generación de energía; en iluminación y medio de calemntamiento para cocción de alimentos; como combustible para una caldera; para calentar un espacio o en equipos de refrigeración. El poder calorífico aprovechable depende del rendimiento de los quemadores o de los equipos que funcionan a base del biogás [7]. La facilidad de uso de biogás y su equivalente se pueden ver en el Cuadro 1.
Aplicación | 1 m3 biogás equival&e |
---|---|
Iluminación | Igual a 60 -100 Watts por 6 horas |
Cocina | Puede cocinar las 3 comidas para una familia de 5 - 6 personas |
Sustitución de combustible | 0.7 kg de petróleo |
Potencia del eje | Puede ejecutar un motor de 1 HP por 2 horas |
Generación de electricidad | Puede generar 1.25 kWh de electricidad |
El Perú cuenta con la primera planta de generación eléctrica a partir de biogás en la Amazonía que brindará energía limpia a la zona. La planta de generación eléctrica, ubicada en Tocache, San Martínfue construida por el Grupo Palmas, empresa agroindustrial sostenible dedicada al cultivo de la palma aceitera y cacao en el oriente peruano. Esta planta genera 1,900 kW que es destinada al Complejo Industrial de Palmawasi. El biogás se obtiene del tratamiento de aguas residuales provenientes del proceso de producción de aceites. Las aguas residuales tienen un alto componente de materia orgánica, que se limpia en una planta de tratamiento con microorganismos; durante el proceso de limpieza se genera gas metano que se aprovecha para la generación de electricidad[9].
Por otra parte la idea de que los desechos humanos puedan ser usados como energía calórica o para alumbrar el hogar, se hizo una realidad en Vilcún (Chile). El Municipio de Vilcún, encabezado por su directora, Marcela Vega, presentó en sociedad el primer Biodigestor capaz de convertir el excremento humano y la orina en biogás para el uso de cocinas y calefactores en la vivienda. Este artefacto es único en Chile y en Latinoamérica [10].
Se puede observar claramente que el uso de energías limpias no está ajeno a nuestra realidad, si utilizamos la excreta humana de las aguas negras, que pocas veces son tratadas por las Empresas Prestadoras de Servicios (EPS), las cuales son principalmente vertidas al mar, los ríos o los lagos, dando origen a una seria contaminación de las aguas por saturación de materia orgánica y por los patógenos contenidos (bacterias, virus, huevos de parásitos, etc.) [11].
Según el Instituto Nacional de Estadística e Informática [12] en base a los resultados de la Encuesta Nacional de Hogares continua 2012 (ENAHO), el 26.3 % de la población Liberteña está en situación de pobreza total y de ésta, el 6.0% vive en condición de pobreza extrema. Si bien es cierto, en la Libertad, durante el último quinquenio, se ha mejorado notarialmente las condiciones de vida de la población, reflejado en la disminución de 10.5 puntos porcentuales la incidencia de la pobreza total al año 2012, aún existen brechas marcadas por ámbito de residencia urbano y rural.
El acceso a servicios básicos de la vivienda de calidad es un componente importante del desarrollo humano, que posibilita un aumento del bienestar y la menor exposición a enfermedades provenientes de un bajo nivel de servicios básicos de saneamiento [13].
En este contexto, la presente investigación tiene por objetivo calcular el potencial energético de las excretas humanas, focalizando su estudio en la zona rural del Departamento de la Libertad (Perú), aportando ideas al desarrollo y utilización de energías limpias en los pueblos más pobres.
Resultados y discusión
Población Rural - La Libertad - Perú
El Departamento de La Libertad cuenta con 7 de los 20 distritos más pobres del Perú: Curgos (distrito más pobre), Condormarca, Bambamarca, Ucuncha, Huaso, Taurija, Sitabamba. Según en INEI [14], la población de La Libertad en el año 2015 estimada a partir del VI censo poblacional del 2007 fue de 1´859,640 personas, de las cuales el 24,6% corresponden a zona rural.
La tasa de crecimiento poblacional &re los años 2010 y 2015, para la región la libertad es de 1.25 % [14], con este porcentaje se determinó la población Rural de La Libertad en los años 2017 al 2022, como se muestra en el Cuadro 2.
El uso de excrem&os humanos para la generación de biogás
Los excrementos humanos tienen un potencial similar en la generación de biogás en comparación con el estiércol de ganado según lo indica el Cuadro 3. Esto debido quizás a que las heces humanas y el estiércol del ganado se derivan de la degradación anaerobia en el tracto gastrointestinal, por lo que es posible contener bacterias anaeróbicas fecales. Los componentes de la excreta humana pueden verse en el Cuadro 4.
Fu&e | Excreta (kg/día) | % Agua | %Materia seca | Biogás (Nm3/kg materia seca) |
---|---|---|---|---|
Vaca | 20-30 (28) | 80 | 20 | 0,023 - 0,040 |
vaca lechera | 20-30 (28) | 80 | 20 | 0,023 - 0,040 |
Búfalo | 30 - 40 (35) | 83 | 20 | 0,023 - 0,040 |
Gallina | 0,15 - 0,20 (0,18) | 72 | 28 | 0,065 -0,116 |
Cerdo | 3.00 - 4.00 (3.40) | 67 | 9 | 0,04 - 0,059 |
Humano | 0,10 - 0,40 (0,15) | 77 | 23 | 0,02 - 0,028 |
Compon&e | Unidad (por masa húmeda) | Cantidad |
---|---|---|
Masa seca en la excreción | g/Kg | 216 |
Total de nitrógeno | g/Kg | 11 |
Total de fosforo | g/Kg | 4 |
Potasio | g/Kg | 8 |
Contenido de humedad | % | 78 |
Contenido de materia seca | % | 22 |
pH | - | 7 - 9 |
Basándonos en los datos del cuadro 3 hay una posibilidad de potencial de biogás por kg de heces humanas llegando a ser igual o más alto que el estiércol y los niveles de metano en el biogás puede llegar al 70%. Otro hecho que hace que las excretas humanas sean una materia prima beneficioso es su pH que es de aproximadamente 7.3 [16], un intervalo de pH óptimo para la producción de biogás. El proceso de generación de biogás a partir de los excrementos humanos es básicamente similar con el sistema de estiércol de ganado vacuno.
Potencial de utilización de excretas humanas para la generación de biogás en la zona rural del Departam&o de La Libertad:
Buswell creó una ecuación para estimar los productos de la descomposición anaerobia de material orgánico de la composición química (C450H2050O950N12S1) para la estimación de 10000 personas que producen heces alrededor de 250 gramos/persona / día [17], por lo tanto las heces totales producidos son de 2500 Kg/día. Hay que tener en cu&a que 100 - 400 g de excretas humanas, contienen de 30 - 60 g de materia seca [16].
Según estudios realizado por los “Laboratorios Normon S.A.” del crucero Oasis of the Seas de la empresa naviera Royal Caribbean International, una persona sana genera &re 50 y 100 gramos de sólidos diarios siguiendo una dieta vegetariana, entre 250 y 400 gramos siguiendo una dieta cárnica y entre 100 y 200 gramos siguiendo una dieta mixta [18].
Para este proyecto se ha considerado que la mayoría de las personas siguen una dieta mixta y que al realizar todas las comidas del día (desayuno, almuerzo y cena), y tomando como promedio, los trabajos realizados por Buswell, consideraremos que cada persona al día generará 225 gramos de excreta. La población rural proyectada para el año 2017 es de 468,979 (según lo calculado en el cuadro 2). Hay que tener en cuenta el porcentaje de masa seca, ya que cualquier líquido que contenga el residuo no producirá biogás. En el caso de excretas humanas cerca del 76% del residuo es agua, y solo es aprovechable el 24% de toda la biomasa. También se debe controlar la masa volátil, que es el porcentaje de materia orgánica que contiene la biomasa y la que realmente generará el biogás. Las heces humanas contienen un 80-95% de materia orgánica [18].
En la zona rural del Departamento de La Libertad se producirá, 105,520.28 Kg de excreta por día, lo que representa alrededor de 25,324.87 kg de materia seca. La materia orgánica es el 95% de la materia seca, equivalente a 24,058.62 kg.
El total del carbono presente en la excreta repres&a el 24% de la materia orgánica, del cual, puede ser degradado aproximadamente el 60 % [16].
Para la estimación del biogás generado a partir de excretas humanas se utilizó la ecuación de Buswell [18]. En el Cuadro 5, se muestra la cantidad de metano obtenida a través de las excretas humanas.
Si 1 mol de gas en condiciones normales es de 22.4 litros (16 g de CH4 es 22.4 litros), a continuación, 2,448.21 kg CH4 contiene 153,012.84 moles CH4 y se puede convertir en 153,012.84 x 22.4 = 342,7487.62 litros CH4.
Así que el metano estimado producido a partir de 105,520.28 kg/día de excretas humanas es 3,427.4876 Nm3 CH4, respectivamente.
El potencial de la generación de electricidad se obtuvo a partir del potencial de biogás obtenido por cogeneración y de la siguiente ecuación.
Î Biogás = E Biogás ×h … (1)
Dónde:
- Î Biogás : Cantidad de electricidad generada (KWh⁄año)
- E Biogás : Energía en bruto de la converción del biogas (kWh/año).
- h: Eficiencia global de la converción del biogás a electricidad (%).
- | Porc&ajes (%) | Cantidad (kg) | |
---|---|---|---|
Heces humanas (HH) | 100% | 105520.28 | |
Materia Seca (MS) | 24% H.H * | 25324.87 | |
Materia Orgánica (MO) | 95% M.S** | 24058.62 | |
Carbono (C) | 24% M.O** | 5774.07 | |
Carbono Biodegradada (CB) | 60% C** | 3464.44 | |
Carbono transformado a metano (CH4-C) | 53% C.B** | 1836.15 | |
Metano (CH4) | 16 CH4/12 C** | 2448.21 | |
Fuente: * Estudio de viabilidad de la instalación de una planta de metanización en un buque crucero [18]. ** Aplicación del modelo de Buswell [19]. |
El valor de la eficiencia global de la conversión de biogás a electricidad, varia de 35 - 42% en el caso de plantas de energía con el sistema de turbina grandes y para pequeños generadores se toma el valor de 25% [20]. En este estudio el valor de , se asume como el 30%.
Para calcular la energía en bruto de la conversión del biogás, se obtiene a partir de la siguiente ecuación:
E Biogás = Contenido energético metano×m ̇ metano …(2)
Dónde:
- Contenido energéticometano: Poder calorico de metano (KWh⁄m3).
- m ̇metano: Cantidad de metano producido en un día (m3/día).
La cantidad delContenido energéticometano se asume como 6 KWh⁄m3[20]
La potencia del biogás generado a partir de los excrementos humanos es claramente ventajosa teniendo en cuenta la población rural del departamento de La Libertad y el crecimiento de población. En el Cuadro 6 se muestra la proyección del potencial energético producido por excretas humanas.
La obtención de biogás utilizando los excrementos humanos puede proporcionar varios beneficios para zonas rurales, tanto en el término de medio ambiente por ser una fuente de energía alternativa, además de reducir considerablemente las emisiones de CO2a la atmósfera y el beneficio económico si se aprovecha el biogáspara la generaciónde electricidad. Considerando que el costo promedio de electricidad es el Perú en el 2017 es de US $ 0.113 por kWh, esta producción generaría un ingreso a los proyectos que se pudieran realizar, mejorando la sostenibilidad de los mismos.
Año | Población rural | Metano (Nm3/año) | Potencial energético (kWh/ año) | Eº eléctrica (kWh/año) | US $/ año |
---|---|---|---|---|---|
2017 | 468979 | 1´251,033 | 7´506,198 | 2´251,859 | 254,685 |
2018 | 474841 | 1´266,670 | 7´600,022 | 2´280,006 | 257,869 |
2019 | 480777 | 1´282,505 | 7´695,030 | 2´308,509 | 261,092 |
2020 | 486787 | 1´298,537 | 7´791,222 | 2´337,367 | 264,356 |
2021 | 492872 | 1´314,769 | 7´888,615 | 2´366,585 | 267,661 |
2022 | 499032 | 1´331,201 | 7´987,208 | 2´396,162 | 271,006 |
En los procesos de descomposición natural, la biomasa libera metano (CH4), el metano es un gas con consecuencias severas para el efecto invernadero, teniendo un potencial de calentamiento global de hasta 23 veces mayor que el del CO2[21]. Por ello, es medio ambientalmente razonable su aprovechamiento energético.
En cuanto a la combustión, 1 m3 de biogás representa un equivalente de 5.96 kW. Por cada kW de energía producido por biogás en lugar de diésel, por ejemplo, se reduce 0.34 kg de CO2 emitidos a la atmósfera [22]. De esta forma para la producción diaria de biogás en las zonas rurales de la región La Libertad para el año 2017, que es de 3,427.49 Nm3 representa una producción anual de 1251032.98 Nm3 de biogás. Para esta producción se logra obtener 7,506,197.90 kW de energía usada para combustión en vez de diésel, lo cual reducirá 2,552,107.29 kg de CO2 emitidos a la atmósfera.
Tomando la relación de generación de electricidad por m3 de biogás del cuadro 6, 1 m3 de biogás produce 1.80 kWh de electricidad. Si se toma en cuenta que una vivienda típica consume un promedio de 2.5 kWh/día, lo que representa cerca de 1MWh/año [23]. Si se visualizan esos números en un ambi&e rural, donde uno de los principales problemas es el costo asociado a la entrega de electricidad a los hogares y las características técnicas en cuanto a calidad del suministro proporcionado, esta solución implicaría socialmente hablando un beneficio local significativo, porque con la generación de electricidad a través de excretas humanas se puede cubrir el 72 % del consumo diario de electricidad por vivienda.
Conclusión
La obtención de biogás utilizando excretas humanas se constituye en una alternativa energética que permitirá la utilización de un recurso no explotado y a su vez en un ahorro económico para la población. Teniendo en cuenta la población rural del Departamemnto de La Libertad para el año 2017 se puede generar 1´251,033 Nm3 de biogás anual con un potencial energético de 7´506,19 8 kWh si se aprovecha el total de excretas humanas, que puede transformarse en producción anual de 2´251,859 kWh de electricidad valorizado en US $ 254,685. La disponibilidad de este recurso energético traerá consigo una mejora en el desarrollo de las poblaciones rurales en general.
Por otro lado, el empleo del biogás disminuirá el nivel de contaminación si se usa como combustible en vez de diesel, ya que 1´251,033 Nm3 de biogás puede reducir 2,552,107.29 kg de CO2 emitidos a la atmósfera.
Se recomienda extender la investigación y realizar un estudio de factibilidad con el fin de determinar la viabilidad del proyecto en la zona rural en la que se aplique tomando en cuenta las características específicas de la zona en evaluación.