nueva página del texto (beta)
Español (pdf)
Artículo en XML
Referencias del artículo
Traducción automática
Enviar artículo por email
Citado por SciELO 
Similares en
SciELO 
Permalink
Introducción
México tiene una producción de energía primaria basada principalmente en combustibles fósiles (91.31%). Por otro lado, las fuentes renovables tienen una participación de 7.56% como se puede apreciar en la Figura 1 (SENER, 2015), donde el biogás cuenta con la menor participación en este rubro con 0.02% (Figura 2). El biogás producido, de acuerdo con el Balance Nacional de Energía 2014 de la SENER, se consume en su totalidad para la generación de energía eléctrica a través de centrales eléctricas de autogeneración. Sin embargo, la oferta interna bruta de energía renovable para 2014, fue menor comparada con la del año anterior. La geotérmica, biogás, leña y el bagazo de caña disminuyeron en 1.1%, 1.6%, 0.5% y 11.9%, respectivamente, lo que indica que la utilización de estas fuentes es poco favorecida e incentivada para su crecimiento, en comparación con el resto.
De acuerdo con los datos reportados por el BP (2015) en su balance estadístico anual, los consumos internos de las energías primarias toman otra distribución porcentual, donde las fuentes de energías renovables tienen una participación significativamente menor, aproximada a 1.9% (Figura 3). Todo esto refleja el poco aprovechamiento de las fuentes renovables (biogás principalmente) como energético primario para la generación de energía eléctrica.
De los consumos de energía primaria en México, una parte importante se destina a la generación de electricidad. Internamente, se cuenta con aproximadamente 54.4 GW instalados para satisfacer la demanda nacional de energía eléctrica, de los cuales 76.4% pertenece a plantas de generación de Comisión Federal de Electricidad (CFE) y 23.6% a Productores Independientes de Energía (PIE). Del 2013 al 2014 se obtuvo un crecimiento porcentual en la capacidad total instalada de 3.18%, donde solo participó CFE. Con una generación de energía neta total de 250.870 GWh para 2014, de la cual CFE generó 65.8% (165,165.8 GWh) y los PIE 34.2% (85,704.7 GWh) (CFE, 2015).
De acuerdo con los datos reportados por CFE (2015), el consumo de combustibles para la generación de energía eléctrica lo encabeza el gas natural seguido del carbón, mostrando ambos una alza en su consumo, posteriormente el combustóleo y por último el diésel (Figura 4). Lo que indica una creciente demanda y dependencia del gas natural y carbón, pero como se mencionó con anterioridad, México no es un país autosuficiente en la producción de estos combustibles de origen fósil, por lo que buscar alternativas que puedan sustituir en gran medida a estos energéticos es de suma importancia para la autonomía energética del país.
Figura 4 Consumo de combustibles fósiles para la producción de energía eléctrica en México (CFE, 2015)
La disminución en el consumo de combustóleo y diésel obedeció a la alta disponibilidad de agua en las presas para las centrales hidroeléctricas, que ayudaron a reducir el consumo de estos combustibles (considerados caros), sin embargo, esto no siempre es así. Como dato sobresaliente, 80% del costo de la generación de energía eléctrica depende del precio del combustible que se utiliza para generarla (CFE, 2015). Lo que indica que al contar con una diversificación de fuentes primarias y un aumento en su participación de las mismas en este rubro, contribuiría a mantener costos más bajos y controlados, así como disminuir emisiones contaminantes altamente perjudiciales (Senior et al., 2000a y 2000b; Hower et al., 2010; USEPA, 1997a; 1997b; Committee on the Toxicological Effects of Methylmercury, Board on Environmental Studies and Toxicology, National Research Council, 2000), además de generar fuentes de empleo y autosuficiencia en zonas rurales.
Respecto a lo anterior, México se encuentra en una situación sensible en cuanto a la importación de energéticos destinados a la producción de energía eléctrica, principalmente gas natural y carbón. Lo que hace importante analizar otras fuentes alternativas con alto potencial de ser explotadas, como el biogás, ya sea que se obtenga de los estiércoles de ganado o de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU).
Proyectos de biogás registrados a nivel nacional
México es uno de los principales generadores de Metano (CH4) derivado de Rellenos Sanitarios (USEPA, 2006; Johari et al., 2012) y RSU (Rawat y Ramanathan, 2011), localizado dentro de los primeros diez lugares a nivel mundial. Esta problemática, podría convertirse en algo favorable, si a partir de los residuos orgánicos (excretas de ganado y RSU), se produce biogás para la generación de energía eléctrica en diferentes regiones del país. Además de los beneficios que se podrían obtener por medio del Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) para la obtención de Reducciones Certificadas de Emisiones (RCE´s) y Bonos de Carbono (BC). Con esta última aportación ayudar a la recuperación de la inversión y generación de nuevas empresas. Aunado a lo anterior, la ley de transición energética señala que para el 2024, se espera que 35% de la energía consumida en el país provenga de fuentes renovables.
En relación con los proyectos registrados al MDL que han obtenido RCE´s al 30 de junio del 2015 (http://www.gob.mx/inecc/), se cuantifican en cinco los proyectos realizados por el manejo de Residuos en Establos de Ganado Vacuno, 35 para Granjas Porcícolas y diez para Rellenos Sanitarios. En ellos no se especifica si son por la quema únicamente del biogás o para la generación de energía eléctrica.
En el reporte emitido por el Instituto de Investigaciones Eléctricas y CFE (2012), existían hasta el momento tres Rellenos Sanitarios en toda la república, con proyectos de generación de energía a través de biogás proveniente de Rellenos Sanitarios (Tabla 1).
Tabla 1 Capacidad instalada en Rellenos Sanitarios. Datos adaptados (Instituto de Investigaciones Eléctricas y CFE, 2012)
Existen otros proyectos en puerta y tal vez ya puestos en marcha, sin embargo aún se carece de información específica recopilada en forma de censo y disponible de manera oficial. En el informe emitido por la SENER e IRENA (2015), para el 2013 se cuantificó un total de 44 MW instalados (261 GWh año-1) que usan biogás como fuente primaria, aplicados para autoconsumo y cogeneración sin especificar si pertenecen a Rellenos Sanitarios o Biodigestores. Como se observa en la Tabla 1, la captura de biogás en estos sitios y su posterior aprovechamiento para la generación de energía eléctrica (de menor costo), muestran una alternativa viable para aplicarse en las distintas regiones de los estados de la República Mexicana, con un intrínseco beneficio social y ambiental.
Por tanto, México presenta dos desafíos actuales que seguramente en un corto plazo, tendrán que cubrirse de manera inaplazable. Por un lado, la dependencia e incremento en el consumo de energéticos de origen fósil, principalmente de gas natural y carbón para la generación de energía eléctrica. Y por el otro, la falta de suficiencia en la producción interna de estos y por tanto su importación. Lo cual conlleva a no garantizar una energía eléctrica de bajo costo.
Partiendo de lo anterior, el siguiente trabajo tiene como objeto proporcionar un estudio detallado de los beneficios energéticos y económicos que se podrían obtener, al implementar Biodigestores y Rellenos Sanitarios en las doce Regiones que componen el Estado de Jalisco, aprovechando el biogás captado para la producción de energía eléctrica mediante Motores de Combustión Interna (MCI). Se analiza la potencia instalada por región, la generación de energía eléctrica, los costos de inversión, costos de operación y mantenimiento de los MCI, Biodigestores y Rellenos Sanitarios; Tiempo de Recuperación de la Inversión en años (TRI), la obtención del Valor Presente Neto (VPN) acumulado al cabo de un análisis de vida útil del proyecto de 21 años. Se adicionan de igual manera, los beneficios por obtención de BC y su impacto en el TRI. Para el caso del análisis del Biodigestor, se consideraron tres tipos de excretas distintas provenientes de los ganados: Bovino, Porcino y Aviar; mientras que para el Relleno Sanitario, se consideraron cuatro escenarios distintos: óptimo, intermedio óptimo, intermedio pesimista y pesimista.
De esta manera, se brinda un panorama de la posible utilización del biogás como una fuente de energía primaria proveniente de fuentes renovables, que pudiera apoyar a la generación de energía eléctrica por regiones, disminuyendo así las pérdidas de energía por transmisión y distribución, así como optimizando su uso final.
Metodología
Se seleccionó el estado de Jalisco por ser uno de los estados más importantes en cuanto a su contribución al PIB nacional (6.54%), después de la Ciudad de México (16.52%), Estado de México (9.3%) y Nuevo León (7.29%). A su vez, se consideraron otros factores como los siguientes: es el quinto estado con mayor consumo de energía (5.9 % aproximadamente), se ubica en el cuarto lugar en población, tercero en consumo per-cápita de energía eléctrica y tercero en generación de RSU. Así también, es uno de los estados con mayor representatividad en cuanto a cabezas de ganado: vacuno, porcino y aviar. Con una representatividad nacional de cabezas de vacunos cercana al 8.2% solo por debajo del estado de Veracruz (12% nacional), 11% aproximadamente en cerdos, por debajo de Sonora con 18.8%; siendo el principal productor de aves de corral con una participación de 14% aproximadamente (http://www.inegi.gob.mx).
El estado de Jalisco cuenta con 125 municipios, los cuales se clasifican e incluyen en doce regiones geográficas (Figura 5): Norte, Altos Norte, Altos Sur, Ciénega, Sureste, Sur, Sierra de Amula, Costa Sur, Costa-Sierra Occidental, Valles, Lagunas, Centro.
Análisis Biodigestor
Para el análisis del Biodigestor, se requirió el número de cabezas por cada uno de los ganados considerados por cada municipio para posteriormente agruparlos por regiones (Tabla 2). Para realizar la clasificación, se realizó una adaptación de acuerdo con los tamaños, con la finalidad de obtener un estimado de las excretas producidas por cada tamaño y tipo de ganado (Martínez, 2007; Vera-Romero et al., 2014). Posteriormente, la producción de excretas se afectó por un factor de producción de biogás, para así obtener la producción por cada una de las regiones (Tablas 3 y 4).
Análisis Relleno Sanitario
Para la estimación que comprende al Relleno Sanitario, se consideraron cuatro escenarios posibles, los cuales se clasificaron en óptimo, intermedio óptimo, intermedio pesimista, pesimista. Cada uno varía entre sí de acuerdo con las características introducidas para su simulación (Tabla 5). Para estimar la generación de biogás y energía eléctrica a través de RSU se empleó el Modelo Mexicano de Biogás versión 2.0 (LMOP, 2009, Aguilar-Virgen et al., 2011), el cual se aprecia en la ecuación 1.
donde
QLFG = |
flujo de biogás máximo esperado (m3 año-1) |
i = |
incremento en tiempo de 1 año |
n = |
año del cálculo menos el año inicial menos el año de disposición de residuos |
j = |
incremento de tiempo en 0.1 años |
Mi = |
masa de residuos dispuesta en el año i (Mg) |
tij = |
edad de la sección j de la masa Mi dispuestas en el año i (años decimales) |
MCF = |
factor de corrección de metano que depende de la profundidad y el tipo de relleno sanitario |
F = |
factor de ajuste por incendios |
k = |
índice de generación de metano que depende de la humedad, la disponibilidad de nutrientes, el pH y la temperatura del relleno sanitario (1 año-1) |
L0 = |
generación potencial de metano (m3 Mg-1) |
Mg = |
megagramos |
Los datos de los RSU son del año 2008 (http://www.inegi.gob.mx), por lo que para comenzar en el 2016 se aumentó 2% anual, como se sugiere en el Modelo Mexicano de Biogás v.2.0. Así también, se obtuvo la producción per-cápita (0.9465 kg hab-1 día-1) que se afectó posteriormente por el número de habitantes de las regiones (Tabla 6).
Evaluación económica
Para realizar la evaluación económica, primero se estimó el calor desprendido por el biogás, considerando una presencia de 50% de CH4 en volumen y una densidad promedio para el mismo CH4 de 0.7168 kg m-3, donde el flujo volumétrico (m3 s-1) se afectó por un poder calorífico medio (18,852 kJ m-3). Para la generación de energía eléctrica se seleccionó un Motor de Combustión Interna (MCI) de características comerciales, tanto para los Biodigestores como para los Rellenos Sanitarios (Tabla 7). El número de equipos requeridos se calculó dividiendo el calor desprendido por el biogás entre la potencia unitaria de cada motor, de tal manera que, para el caso de los equipos instalados en los Rellenos Sanitarios, el número se incrementará de acuerdo con la producción de biogás. La generación de este último va en aumento cada año, hasta llegar a un máximo para posteriormente, decrecer. A su vez, se estimó el costo de inversión para los MCI, que para el caso de los Biodigestores es solo un costo inicial. El costo de inversión se obtiene de multiplicar la potencia total (sumando todos los equipos) por el costo unitario de cada kilowatt instalado (kWinst). Se incluyó, de igual forma, el costo de operación y mantenimiento anual de los MCI, con un valor medio de $0.191 MN kWh-1 generado (González, 2004).
Para el cálculo del costo de inversión estimado para los biodigestores, se empleó la siguiente expresión (Chan et al., 2016)
donde
C = |
costo de inversión de un biodigestor de HDPE (geomembrana), en millones de dólares |
PB = |
producción de Biogás en m3 por hora |
Con un costo de operación y mantenimiento de $0.230 pesos (MN) anual por total de la inversión del Biodigestor; y un mantenimiento mayor de $0.412 pesos (MN) anual por total de la inversión del Biodigestor, el cual se aplicará cada cuatro años de servicio (Vera, 2011).
Para el caso de los Rellenos Sanitarios, se consideró un costo global que incluye: costo de inversión, operación y mantenimiento y clausura, de $8.89 USD por cada tonelada tratada (Chong et al., 2005). Afectando este costo unitario por el número de toneladas de RSU tratadas por año, durante los primeros 11 años.
Para el análisis del Valor Presente Neto (VPN), se emplearon las siguientes expresiones
donde
TD = |
Tasa de Descuento (promedio del 2012 al 2015) en (% 100-1) |
INF = |
Inflación (promedio anual del 2010 al 2015) en (% 100-1) |
FNE = |
Flujo Neto de Efectivo (MN año-1) |
FD = |
Factor de Descuento |
Empleando una tasa de descuento de 3.49% y una inflación de 3.67% (http://www.banxico.org.mx). Se consideró un costo de tarifa eléctrica a reemplazar 5-A de CFE como ahorro. Dicha tarifa se tomó como el promedio de media y baja tensión para el 2015 ($2.615 MN kWh-1), proyectándose en lo sucesivo para cada año y considerando un incremento de 6% anual (Vera-Romero et al., 2015). El proyecto se evaluó con un inicio y termino comprendido del 2016 al 2036, el primer año solo se consideró la construcción del sitio y los equipos a emplearse al año inmediato.
Para asignar el beneficio de los BC en la evaluación económica, se tomó el costo del valor medio de los RCE´s para el año 2015, con un valor de 0.39 Euros (https://www.sendeco2.com). Con una paridad del peso mexicano (MN) frente al dólar (USD) y al euro (€) de $17.5669 MN y $19.867 MN, respectivamente (http://www.banxico.org.mx). El beneficio de los BC total, se distribuyó por cada año de la vida útil del proyecto.
Resultados
Biodigestores
Todos los proyectos, sin apoyo de los BC, se pagan dentro de los tres primeros años de su puesta en marcha (TRI). Se observa que el beneficio por BC (Tabla 8), aunque se trate de una cantidad considerable en comparación con la inversión inicial (entre 16% y 19%), no es significativo en relación con el VPN acumulado a lo largo de la vida útil del proyecto (Tabla 9); esto se refleja en que los proyectos se siguen pagando dentro del tercer año.
Tabla 8 Beneficios totales por BC para el Biodigestor
Nota: CO2e, es el Dióxido de Carbono equivalente
Tabla 9 Concentrado de características técnicas y evaluación económica para Biodigestores (en millones de pesos)
Para este caso, la potencia instalada total sería de 96.9 MW, representando 0.18% de la capacidad total instalada para la generación de energía a nivel nacional. Significando 0.23% para CFE y 0.75% para los PIE´s. En cuanto a la generación de energía, se obtendría una producción máxima anual de 848.84 GWh, representando 0.34% del total nacional, 0.51% respecto a CFE y 0.99% para los PIE´s. Para el consumo total de Jalisco (12.000 GWh año-1 aprox.), la energía producida representaría 7.10% aproximadamente. Se mitigarían 0.388 t de CO2e por habitante, representando 9.96% de la producción de t de CO2 per-cápita nacional (3.9 t año-1). Con un consumo anual de energía eléctrica por habitante de 108.21 kWh, que representa 5.26% del consumo per-cápita nacional (2.057 kWh año-1) y un 7.10% para el consumo per-cápita estatal (1.524 kWh año-1), aproximadamente (https://www.bancomundial.orgx).
Rellenos sanitarios
En el caso de la evaluación de los Rellenos Sanitarios se observa que el más rentable, por tener una mayor producción de biogás, es el escenario óptimo (Tablas 10 y 11). Sin embargo, esto no quiere decir que sea una alternativa económicamente atractiva, ya que el análisis del TRI muestra tiempos que rondan entre los diez y doce años, incluso cuando se consideran los BC (Tabla 11). A su vez, para que los proyectos en general fueran técnica y económicamente más factibles, se propusieron Rellenos Sanitarios que concentraran más de una región y así obtener costos de inversión más bajos para reducir los TRI.
Para el análisis de los resultados, solo se consideró el escenario óptimo por ser el más rentable. Por presentar características de un comportamiento no lineal en la producción de biogás (Figura 6), se tomaron solo promedios de los resultados (totales entre 20 años) para poder comparar los beneficios (Tabla 11). El resto de los resultados se pueden observar en el Anexo.
Con una capacidad instalada promedio, sumatoria de la capacidad total instalada por región entre 20 años, de 2.13MW, representando 0.004% del total nacional, un 0.005% y un 0.017% respecto a CFE y PIE´s, respectivamente. Con una generación de energía promedio de 218.7 GWh año-1, representando 0.09% del total nacional, 0.13% para CFE y 0.26% para los PIE´s. Su porcentaje estatal de producción de energía eléctrica correspondería a 1.63% aproximadamente. Con un consumo per-cápita de 27.9 kWh año-1, representando 1.36% nacional y para el Estado de Jalisco 1.83%. Se dejarían de arrojar anualmente 0.099 t de CO2e por habitante, lo que significaría una reducción del 2.53% de CO2 per-cápita.
Discusión general
Los beneficios para los Biodigestores son 4 veces más sobre los beneficios que presentan los Rellenos Sanitarios. Sin embargo, en cuestión de costo capital o inversión inicial, los Rellenos Sanitarios representan 47% aproximadamente del costo de inversión de los Biodigestores. Este último valor, hace que los Tiempos de Recuperación de la Inversión (TRI) sean considerablemente distintos para ambas propuestas tecnológicas, donde es más atractiva la construcción de biodigestores que la realización de los propios rellenos sanitarios (Tabla 12). Sin embargo, el hecho de que los RSU deban tratarse o confinarse por cuestiones de salud, bienestar ambiental y responsabilidad social, hace que la propuesta de generación de energía eléctrica a través de la captura del biogás sea más rentable, ya que los Rellenos Sanitarios deben construirse por necesidad, por tanto, el beneficio secundario de la producción de energía eléctrica es un beneficio originalmente no contemplado.
Conclusiones
En el presente trabajo se evaluaron dos tipos de fuentes de generación de biogás para la producción de energía eléctrica, contemplando las doce regiones que comprenden el estado de Jalisco. La primera, a través de la construcción de un Biodigestor por cada región, con la finalidad de tratar excretas de tres diferentes tipos de ganado; en donde todos ellos presentaron beneficios económicos atractivos para su realización, obteniendo un TRI no mayor a tres años. La segunda, a través de la implementación de Rellenos Sanitarios, donde el escenario más rentable (óptimo) mostró un TRI entre los diez y doce años, incluso considerando el beneficio económico de los BC. La diferencia entre los TRI de ambas propuestas tecnológicas es considerable, donde es más atractiva la propuesta de la construcción de biodigestores. Se observa que los beneficios por BC no impactan de manera significativa en la reducción de los TRI, debido a su bajo costo en el mercado actual.
Sin embargo, por la parte energética, ambas propuestas son atractivas, ya que se puede apreciar un aporte importante en cuanto a la generación de energía eléctrica, representando una sería alternativa proveniente de una fuente renovable, la cual puede contribuir a ayudar a la creciente demanda eléctrica de este estado y del país, ofreciendo a su vez autonomía energética.
Para este estudio preliminar no se contemplaron los costos de pre-tratamiento y selección de residuos, así como el tratamiento de los lixiviados ni la limpieza del biogás antes de someterse a la combustión.
