Biogás en Chile y el mundo: Tecnología que transforma un costo en beneficio

En los próximos diez años el sector agrícola de Chile debiera liderar de un crecimiento sin precedentes en la generación de biogás a partir de materiales que hoy día solo son una molestia. Numerosos factores apuntan a esta tendencia. Primero, la energía escasea y su valor es alto; segundo, abunda la materia prima; tercero, la tecnología está disponible en el país; cuarto, resuelve problemas ambientales; quinto, los proyectos pueden ser muy grandes pero también a pequeña escala.

Un reciente estudio de la ONU indica que para el año 2025 se habrán construido más de 100.000 plantas de biogás en todo el mundo. En Chile, según un estudio de ODEPA en 2010, 31 empresas utilizan el biogás en su proceso productivo, de las cuales cinco lo usan para generación eléctrica.

Viviana Ávalos A., profesional de la División Energías Renovables del Ministerio de Energía, ubica el potencial del sector silvoagropecuario chileno en 11 mil gigavatios hora (GWh) al año, lo que se traduciría en 700 megavatios eléctricos  (MWe). Según un cálculo simple realizado por Redagrícola, la cifra  representaría alrededor de un 4% de la capacidad eléctrica instalada actualmente en el país (17.000 MW); lo suficiente para multiplicar casi 5 veces los sistemas que abastecen a Aysén y Magallanes.

LA LEY EXIGE AUMENTAR LA PARTICIPACIÓN DE LAS ENERGÍAS NO CONVENCIONALES

Más allá de las cifras, una variable que sin duda favorecerá el impulso del biogás es la obligación impuesta por la legislación en cuanto a incorporar energías renovables no convencionales (ERNC).

La ley 20.257, de 2008, obligó a las empresas generadoras en el Sistema Interconectado Central (SIC) y en el Sistema Interconectado del Norte Grande (SING) a acreditar que un 10% de sus contratos afectos provengan de ERNC. Esta obligación se está aplicando gradualmente, de manera que entre 2010 y 2014 es de 5%. A partir de 2015 se contemplaba aumentar un 0,5% anual, hasta llegar al 10% en 2024. Pero en enero de 2013 el gobierno anunció su intención de aumentar la meta a 15% para 2024.

Hoy día la capacidad instalada de ERNC es de alrededor de 780 MW, siendo en mayor proporción proveniente de biomasa (figura 1).

Figura 1. Capacidad instalada de energías renovables no convencionales.


De acuerdo a los antecedentes entregados por Viviana Ávalos, la capacidad instalada de los proyectos de biomasa que hoy están inyectando a los sistemas interconectados es de 395 MW –destacando los proyectos a partir de residuos forestales– y la de biogás es de 16,9 MW –donde resaltan tres proyectos: KDM Loma los Colorados, con 2 MW; Planta Biogás HBS Los Ángeles, con 2,2 MW; y Loma los Colorados II, con 12,7 MW.

UN 40% DEL BIOGÁS ES INCINERADO SIN PROVECHO

El mayor número de proyectos de biogás en Chile, según los datos del estudio “Modelos de negocio que rentabilicen aplicaciones de biogás en chile y su fomento” (Gamma, 2011), citado por la profesional del Ministerio de Energía, corresponden a purines y estiércoles, así como rellenos sanitarios y vertederos, con 10 casos cada uno. Los siguen los de agroindustrias (8) y plantas de tratamiento de aguas servidas o PTAS (7).

El 60% se encuentra operando o con un proyecto piloto en funcionamiento; un 11% está en construcción o construido, pero todavía sin operar; igual porcentaje para los que están en fase de ingeniería básica o ingeniería de detalle; un 17% se halla en estudio.

¿Qué producen o van a generar las plantas? El 40% corresponde a combustión en antorcha, o sea apuntan a quemar el gas para evitar su pernicioso efecto invernadero, sin aprovecharlo energéticamente. En los proyectos con objetivo productivo, predomina la cogeneración (34%), seguida por energía térmica (11%) y energía eléctrica (6%); un 9% se orienta a otros usos diversos.

En cuanto al tamaño, el rango es amplio: desde 5 mil a 55 millones de m3/año.

En una actualización de 2012 (Sustentank, 2012), Viviana Ávalos subrayó la incidencia del sector agropecuario: de un total de 19  proyectos, 13 correspondían a purines y estiércol y 3 a agroindustrias.

Hasta la fecha los proyectos han sido revisados caso a caso por la Superintendencia de Electricidad y Combustibles, SEC, a través de la figura de “Proyecto Especial”. Falta un buen marco regulatorio del biogás, lo cual se refleja en la inexistencia actual de una normativa específica de toda su cadena de producción, almacenamiento y uso. Por ejemplo, todavía se trabaja en una norma técnica de seguridad específica para las instalaciones de biogás.

Las plantas de generación eléctrica de biomasa y biogás que tienen sobre 3 MW de capacidad instalada deben ingresar al sistema de evaluación de impacto ambiental.

De acuerdo a lo señalado por quienes han realizado proyectos recientes, junto con el aspecto de financiamiento, el ámbito normativo e institucional, es donde mayores escollos han debido enfrentar.

EL MAYOR POTENCIAL ESTÁ EN LOS RASTROJOS

Observando lo que ocurre en países como Suecia, podemos tener una idea del rol que el biogás llegará a jugar en Chile en los próximos años. Anna Schnürer, profesora del Departamento de Microbiología de la Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas, explica que en 2010 los biocombustibles representaban el 32% del uso final de la energía en Suecia, con 128,7 teravatios-hora (TWh) de un total de 402 TWh, superando el aporte del petróleo y la hidroelectricidad (figura 2).

Figura 2. Uso final de la energía en Suecia, de acuerdo a su fuente.

La producción anual de las 232 plantas de biogás existentes en 2011 alcanzó a 1.473 gigavatios-hora (GWh), o sea 1,47 TWh. Aunque la cifra solo corresponde a  poco más del 1% del total aportado por los biocombustibles, en realidad ha significado un gran desarrollo como etapa inicial, gracias al apoyo del gobierno en financiamiento de la inversión  entre 1998 y 2008. En el plano ambiental, se logró una reducción equivalente a 170.000 toneladas de dióxido de carbono, indicó Schnürer.

El 86% del material usado para producción de biogás actualmente proviene de lodos de aguas servidas. Sin embargo, una proyección a partir de las condiciones económicas y técnicas actuales, señala que el mayor potencial se encuentra en el sector agropecuario, sin considerar cultivos para bioenergía. El uso de rastrojos representa el 70% de ese potencial.

Figura 3. Proyección del potencial de producción de biogás, según fuente del sustrato.

El uso de biogás para combustible ha aumentado notablemente, y hoy su principal desarrollo se encuentra en Suecia. Antes de usarlo como combustible, el biogás debe recibir un tratamiento para alcanzar un nivel de metano superior a 95% y ser presurizado a 200 bar. A menudo es licuado para su empleo en vehículos, siendo destacado su aprovechamiento en el transporte público.

ELECTRICIDAD, ENERGÍA TÉRMICA Y FERTILIZANTES

A nivel de predios agrícolas su uso principal es para producción de electricidad y calor. En ambos casos puede ser utilizado directamente cuando su nivel de metano es de 50% o más. Por lo general se aprovecha a través de un generador o de una turbina. La electricidad puede ser inyectada al sistema interconectado (de acuerdo a una regulación reciente). En la mayoría de los casos la energía es autoconsumida, pero si hay excedentes se pueden vender al sistema.

El 94% de los digestatos (lodos residuales) de plantas de codigestión y el 100% de los provenientes de plantas de predios agropecuarios son aprovechados como fertilizante. De plantas de tratamiento de aguas servidas y residuos sólidos urbanos solo el 24% del digestato se usa como fertilizante. Estos materiales deben tener contenidos específicos de nutrientes, y estar libres de patógenos, semillas y metales pesados. Para ser certificadas, las plantas de biogás han de documentar todos los sustratos ingresados, así como la sanitización. Dichas certificaciones fueron un requisito puesto por las organizaciones comercializadoras así como por los agricultores para incorporar estos materiales en su gestión.

El futuro del biogás en el campo se ve como redes de predios conectados a una instalación acopiadora común y cercana, pues la logística de transporte de los desechos, del gas y del digestato es determinante en la viabilidad del sistema.

LA BIODIGESTIÓN NO SON ES CIENCIA NUCLEAR

Una experiencia destacable en la generación de biogás es la del grupo de empresas de la familia Briones Saval, tanto por su nivel de aporte al sistema eléctrico, como por combinar el rubro ganadero con la producción hortícola.

El proyecto HBS Energía nació de la empresa Chile Beef, según relata Gonzalo Briones, director ejecutivo del grupo Briones Saval. La engorda de los 2.000 novillos en Los Ángeles, que son la base para la producción de carne premium, genera 14.000 kilos de estiércol todos los días del año.

“Cuando uno tiene una engorda grande necesita una solución definitiva a la gestión de los purines. En Chile, en el último tiempo, hemos tenido experiencias lamentables y yo creo que con una buena guía se podrían haber evitado”.

De acuerdo a Briones, para lograr la rentabilidad que justifique la inversión, calcularon la necesidad de contar con un sustrato que sirviera de “booster” (potenciador) a la generación de energía sobre la base de excretas animales. Tomaron la opción de adicionar ensilaje de maíz, dado que se producía en el mismo predio para alimentación del ganado. Sin embargo, enfatiza sobre la necesidad de tener presente la eventualidad de cambios en las proyecciones, ya que el precio del ensilaje de maíz a mediados de 2011 había más que duplicado el de 2006.

En esa época, agrega Briones, no existían plantas de la envergadura proyectada, por lo cual buscaron antecedentes en diversos países. Fue en Alemania donde se encontraron con Felipe Kaiser, quien cursaba un doctorado. Él les mostró la realidad germana, donde había 4.500 biodigestores funcionando, con un promedio de cerca de 500 kW por planta.

“El camino fue largo y difícil” reconoce Briones. A diferencia de Alemania, falta un “libro” o “manual” donde se indique las exigencias por cumplir: “todo está entregado al criterio de los funcionarios, el que es muy variable”. Opina que se está creando una institucionalidad muy complicada: “los biodigestores no son ciencia nuclear”, dice.

“En Alemania –añade– empalman e inyectan la energía eléctrica. Yo pregunté si tenía que hacer un estudio de conexión de redes para inyectar y creo que todavía me están mirando con cara de ‘te volviste loco’. En Chile para un mega no se gasta menos de 120 millones de pesos solo en el empalme, sin generador. Los alemanes dicen que con un transformador y el sincronizador basta. Aquí tiene que estar duplicado, debe haber un recolectador, y además certificado. Pasar todas las barreras significa al menos un año. Incorporarse a la matriz de energía es enredadísimo”.

No obstante Briones considera favorablemente la legislación chilena en la que se permite la posibilidad de ingreso de pequeños y medianos generadores.

El “Reglamento para Medios de Generación no Convencionales y Pequeños Medios de Generación” se aplica a medios de generación cuyos excedentes de potencia sean iguales o menores a 9.000 kW, o a medios de generación cuya fuente sea no convencional y sus excedentes de potencia suministrada al sistema sean inferiores a 20.000 kW.

ENERGÍA TÉRMICA PARA CULTIVO DE TOMATES HIDROPÓNICOS

En el caso de HBS la capacidad del motor generador es de 1,1 MW eléctricos. Se encuentran conectados al SIC a través de la Compañía General de Electricidad (CGE), de la cual Briones señala haber recibido un gran apoyo. La venta corresponde al costo marginal.

Otro aspecto relevante señalado por Briones es la necesidad de considerar la energía térmica al momento de evaluar la factibilidad económica, pues estima difícil obtener los ingresos suficientes solo mediante la generación eléctrica.

En su caso invernaderos para producción de tomates hidropónicos consumen el 100% de la energía térmica que produce el motor del biodigestor, con la que se calienta agua.

Respecto al digestato, corresponde a 12.000 m3, lo que alcanza a 300 hectáreas (ha) a razón de 40 m3/ha. Estima un ahorro de fertilizante de alrededor de 120 millones de pesos.

“Integramos todas las producciones, nos cuadró un ciclo cerrado, con autosuficiencia. Es inclusivo, no tóxico, tenemos un sistema realmente muy sustentable”, sintetiza Briones.

LOS PARÁMETROS PARA EL FINANCIAMIENTO DEBEN SER CORREGIDOS

En cuanto al financiamiento, critica la brevedad de los plazos en Chile. “en Alemania nadie financia un biodigestor por menos de diez años; aquí con suerte cuatro”.

Añadió que el costo marginal de la energía eléctrica entregado por las consultoras en sus informes, en torno a 60 dólares en 6 meses, no coincide con la realidad. Señaló haber estudiado rigurosamente las planillas disponibles en la página del CDEC (Centro de Despacho Económico de Carga) para Los Ángeles, y el promedio sobrepasaba los 160 dólares. Con proyecciones más realistas, concluyó, es posible conseguir financiamiento en los plazos que el país requiere.

“Íbamos a los bancos y nos decían que la cifra indicada por los consultores no pasaba de los 60 dólares. Finalmente el financiamiento lo obtuvimos sobre la base del patrimonio familiar, no la del proyecto”.

En el área ambiental aconsejó asesorarse con personas experimentadas debido al nivel de tramitación exigida.

Entre los avances resaltó que hoy ya existe en Chile la capacidad de instalar plantas de biogás. Proyectó un importante desarrollo de proyectos: “en los próximos cinco años debiéramos ver por lo menos diez biodigestores nuevos de distintos tipos”. Y subrayó el rol que debiera cumplir el sector agrícola en todas las zonas del país, a todo nivel. A su juicio INDAP debiera organizar grupos de agricultores y otorgarles el financiamiento para esta clase de iniciativas.

FUNDO RINCONADA: SOLUCIÓN DEFINITIVA A GUANOS Y PURINES

Andrés Tamm, gerente del plantel lechero del Fundo Rinconada (Tinguiririca, Chimbarongo), cuenta que el incremento de su masa ganadera los llevó a buscar una solución definitiva al manejo de guanos y purines, para disminuir el impacto ambiental de las sustancias amoniacales y sulfhídricas que se generan.

El desarrollo de la planta de biogás se realizó con la empresa Genera 4. Resultó un proceso más dificultoso de lo esperado, pero ya se encuentra conectada a la Compañía General de Electricidad (CGE).

Junto con los objetivos ambientales, Tamm espera que el uso de biogás para la generación de energía eléctrica permita bajar los costos operativos del Fundo Rinconada y proveer al Sistema Interconectado Central. Los residuos orgánicos serán utilizados en fertilización y mejoramiento de suelos.

BIOENERGÍA QUE VIENE DE LA LECHE

Josefa Gutiérrez es project manager de Schwager Energy, empresa que ya ha instalado tres plantas de biogás en Chile. Una de ellas tiene la particularidad de “reciclar lo reciclado”. Se trata de Lácteos y Energía S.A. (L&E), dedicada a la producción de suero y proteína en polvo a partir de aquella parte de la leche no aprovechable en las fábricas de queso. La materia orgánica residual de esta actividad recicladora, se destina a la generación de biogás y energía eléctrica.

Un factor de éxito en el proyecto, explicó Josefa Gutiérrez, fue la instalación, primero, de una planta piloto que trataba entre 1 y 2 m3 de biogás al día. Esto les significó una etapa de aprendizaje muy importante para detectar y superar los inconvenientes que se presentaron.

En el caso de L&E la totalidad de la energía térmica y de la electricidad se ocupa en la propia planta. Apuntan a desconectarse parcial o totalmente de la red eléctrica, y en caso de lograr excedentes, entregarlos a una quesería vecina que les provee de suero y riles tratados en la misma planta.

Josefa Gutiérrez destacó la calidad del gas obtenido pues el sustrato no contiene proteína, que es uno de los factores que contribuyen a contaminar el gas. “Este es tan bueno que es azul, entonces no podemos sacar las fotos de día, por eso se ve tan obscura” (ver imagen en esta página).

CULTIVO DE LA TUNA O NOPAL PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

José Manuel González, de la empresa VISORS Generación S.A., explica los resultados de años de investigación para obtener biogás a partir de paletas de nopal (tuna), que se realizó gracias a un FONDEF junto a la Universidad Mayor.

Con el objetivo de contribuir a las necesidades de energía de las empresas mineras en el norte del país, buscaron una fuente de biomasa que se pudiera producir con rentabilidad positiva en los terrenos desérticos o semidesérticos de esa zona.

Debieron enfrentar la dificultad de que los sistemas tradicionales de biodigestión requieren la adición de estiércoles, purines o guanos al material de origen vegetal, para estabilizar el pH al nivel requerido por las bacterias en el proceso anaeróbico de generación de biogás. Por la lejanía de los centros ganaderos, esto resultaba inviable en el norte. Afortunadamente encontraron en Bélgica una empresa que desarrolló la tecnología para independizarse del aporte de residuos animales (ver artículo siguiente).

Actualmente están haciendo los estudios de factibilidad para unirse a las termoeléctricas, considerando que el factor de combustión de planta del gas natural permite hacer “cofiring” (co-combustión) en calderas de carbón o de gas natural líquido (GNL).

UNA ESPECIE DE GRAN EFICIENCIA HÍDRICA

La materia prima que correspondía a tunas existentes en el país fue reemplazada por una genética mejorada. El nopal dio buenos resultados en los terrenos salinos regados con aguas también salinas donde se evaluó, en la zona de Copiapó. La densidad habitual es de 8 a 10 mil plantas/ha cuando se destina a la producción de fruta, pero los ensayos utilizando distintos tipos de fertilizaciones y riegos permitieron llevarla a 40.000 plantas/ha e incrementar considerablemente las toneladas de materia seca (m.s.), así como asegurar el suministro continuo de biomasa que exigen los generadores. Se fijaron una meta, que han cumplido en los ensayos, de 40 t/m.s./ha/año, con dos cosechas anuales. Se tienen antecedentes de rendimientos mayores en México, pero no en suelos salinos.

El nopal es muy eficiente en el uso de agua. Se trata de un tipo de plantas que abre sus estomas en la noche y hace su captación de dióxido de carbono (CO2) convirtiéndolo en ácido málico. Durante el día, con los estomas cerrados para evitar la pérdida de agua con las altas temperaturas, convierte el ácido en azúcares.

La paleta tiene que entrar tritutada al biodigestor. La tuna no tiene lignina, por lo tanto resulta completamente biodigerible. El digestato es líquido, con un nivel de sólidos que no alcanza al 2%. Ese líquido contiene NPK y se emplea para el riego de las plantaciones. El procesamiento de vegetales se completa por lo general en 30 a 35 días con el material dentro del sistema, pero la tuna solo necesita 7 días.

José Manuel González cuenta que han tomado contacto con las comunidades de San Lorenzo y de Toconao, donde se ve factible realizar plantaciones. El resultado sería no solamente inyectar energía al sistema del norte, sino a los propios poblados, generando de paso una nueva actividad económica local.

INNOVACIÓN BELGA ELIMINA NECESIDAD DE RESIDUOS

Uno de los grandes riesgos en el proceso de producción de biogás es la acidificación del estanque, ya que lleva a la muerte de las bacterias metanogénicas. Para compensar el perfil ácido de sustratos vegetales, en los sistemas tradicionales se requiere la adición de estiércol, purines y guano.

Esto puede resultar una complicación para las empresas que solamente cuentan con residuos vegetales y que no se encuentran cercanas de centros de producción pecuaria. Sin embargo, en Bélgica la compañía GreenWatt desarrolló una tecnología de biodigestores que permite obviar el problema, la cual se encuentra ya disponible en Chile. Incluso existe de un biodigestor piloto que ha operado en el proyecto de nopal para producción de biogás (ver página XX) y que ahora se instalará en Ovalle en las etapas iniciales de un nuevo proyecto, con residuos de la pisquera Capel.

La tecnología de “biodigestión multietapas” de GreenWatt no requiere agregar correctores de pH. Permite transformar también sustratos animales, como sangre de bovinos, por ejemplo, así como mezclas de sustratos, líquidos o sólidos. Los proyectos realizados parten desde los 100 kW eléctricos y pueden llegar hasta 5 MW.

Por ejemplo, describe Benoît Buntinx, gerente de GreenWatt Chile, los residuos vegetales de una agroindustria alimentan un primer estanque pasando a través de una tolva trituradora. En el estanque licuefactor se produce la hidrólisis y la acidogénesis, transformando la materia orgánica en ácidos grasos volátiles, o “licor ácido”. Este estanque puede tener pH 3 o 4; muy por debajo del pH 7 que necesitan las bacterias metanogénicas capaces de transformar ese licor ácido en biogás. En la siguiente etapa, el material entra al biodigestor de lecho fijo HYFAD (high yield flushing anaerobic digestor) –cuya estructura tiene forma de panal de abeja– donde se fija las bacterias metanogénicas. El pH dentro del HYFAD se mantiene siempre en 7 a través de un sistema automatizado. Después, en forma idéntica a la tecnología tradicional, el biogás y los residuos no degradados de los sustratos van a un estanque de postdigestión que también sirve de gasómetro, para alimentar un motor de cogeneración, por ejemplo. El digestato pasa finalmente por un separador de la parte sólida y líquida.

La ausencia de estiércol posibilita trabajar con espacios más reducidos de reconversión. Gracias a la automatización, afirma Buntinx, los costos de operación y mantenimiento son comparativamente reducidos.

El gerente de GreenWatt agregó que se dispone de cierta flexibilidad en la continuidad de la operación. Citó el caso de una planta que opera con 17 toneladas diarias de residuos de endibias en Bélgica, y que cierra por tres semanas en el período de vacaciones de verano:

“Lo que hicimos fue mantener un flujo de líquido dentro del digestor HYFAD para conservar vivas las bacterias y en un cierto momento apagar el cogenerador, que no tenía gas. En las tres semanas no se ingresó sustrato al sistema. A la vuelta de vacaciones el dueño de la planta cargó la tolva con sus endibias y ocho horas después ya tenía el nivel de producción de gas óptimo”.

En el Viejo Continente han desarrollado plantas para residuos de manzana, maíz, cereales, remolacha, orujo de uva, entre otros, e incluso para una fábrica de salsas proveedora de Mac Donald’s en Francia.

Buntinx acota que al no tener que agregar sustratos de proveniencia externa, no es necesario establecer un procedimiento adicional para garantizar la trazabilidad el digestato.

PLANTAS DEMOSTRATIVAS PARA LA PEQUEÑA Y MEDIANA AGRICULTURA

Fernando Bas, director del FIA explica el avance alcanzado en el desarrollo de un proyecto de plantas demostrativas de biogás para la pequeña y mediana agricultura, ejecutado con la empresa Kaiser Energía. Se trata de iniciativas que contemplan plantas individuales y también asociativas, en este último caso  de predios cercanos. Se consideran predios ganaderos (bovinos, cerdos, caprinos, ovinos), especialmente con manejo en confinamiento, dada la facilidad de recolección de residuos. El costo de inversión de cada iniciativa se sitúa en torno a los 15 millones de pesos.

Se ha incorporado el concepto de ecodiseño mediante el uso de paneles solares. El objetivo es la producción de energía térmica –no de electricidad– con el fin de reducir los costos energéticos del sistema productivo, generar biofertilizante, y reducir la contaminación (olores, desechos). Entre otros ejemplos, Bas mostró que un plantel de 25 vacas produciría el equivalente a un cilindro de 5 kg de gas licuado al día en tanto uno con 483 cerdos lograría el equivalente a 10 kg de gas licuado diariamente.

El director del FIA señala también que a partir de 2013, con el apoyo del Ministerio de Energía, el FIA pondrá en operación un nuevo instrumento de cofinanciamiento para proyectos de ERNC en agricultura, con un subsidio de hasta 100 millones de pesos para empresas con ventas anuales de hasta 25.000 UF.

Fernando Hertzchel, gerente técnico del Centro de Energías Renovables, explica que su institución dispone de un instrumento de apoyo a la preinversión para proyectos ERNC eléctricos conectados a red, el cual cofinancia hasta un 40% del costo de los estudios, con un tope de 1.000 UF.

LO BÁSICO PARA ENTENDER EL BIOGÁS

El color azul del biogas solo se aprecia en la oscuridad
Estructura en panal de abeja donde se albergan las bacterias metanogénicas
Un modelo piloto del digestor, que cabe en un contenedor marítimo
Localidad de San Lorenzo en Tarapacá