Sostenibilidad energética basada en la implementación de energías renovables en centros porcinos: caso Instituto de Ciencia Animal

O Pérez-Acosta, Y Morejón¹, M Martínez-Pérez y S Díaz-Barrios

Instituto de Ciencia Animal Km 47 ½ Carretera Central San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba
osney631@gmail.com
¹ Universidad Agraria de la Habana, San José de las lajas, Mayabeque, Cuba

Resumen

Con el objetivo de establecer los fundamentos que posibiliten determinar la sostenibilidad energética basada en la implementación de Fuentes Renovables de Energía (FRE) en el centro porcino del Instituto de Ciencia Animal (ICA) se realizó la investigación. Se consideraron aspectos como: características del escenario productivo, datos meteorológicos del lugar, demanda de energía y posibles aplicaciones tecnológicas basadas en el uso de las FRE a partir de las cuales se elaboró el diseño de un sistema híbrido con la implementación de estas tecnologías. En el mismo se trabajó el manejo de la biomasa (biogás), energía solar térmica (calentadores solares) y solar fotovoltaica (paneles fotovoltaicos). Se determinó que con la energía eléctrica producida al utilizar biogás, se cubre la demanda de electricidad en 74.95 %. El resto de la demanda de electricidad es posible cubrirla con el uso de la energía solar fotovoltaica y solar térmica (22.73 y 2.31 %, respectivamente). Al realizar el análisis del impacto ambiental, se evidencia que se deja de emitir a la atmósfera 57.82 Teq de CO₂ /año, 56.52 m³/día de metano, y de consumir 25.27 Teq de petróleo/año, además es posible producir 0.94 m³/día de biofertilizantes. Se concluye que la propuesta constituye una alternativa para minimizar los daños al medio ambiente, ahorrar energía convencional, disminuir costos por concepto de electricidad y obtener biofertilizantes que pueden ser comercializados y utilizados en diferentes cultivos, además mejora el esquema energético convencional aprovechándose las FRE.

Palabras clave: fuentes renovables de energía, producción porcina, sistemas híbridos

Energy sustainability based on the implementation of renewable energies in pig farms: the case of the Institute of Animal Science

Abstract

With the objective of establishing the foundations that make it possible to determine energy sustainability based on the implementation of Renewable Energy Sources (FRE) in the Institute of Animal Science (ICA) pig center, the investigation was carried out. Aspects such as: characteristics of the productive scenario, meteorological data of the place, energy demand and possible technological applications based on the use of the FRE were considered, from which the design of a hybrid system with the implementation of these technologies was elaborated. In it, the management of biomass (biogas), solar thermal energy (solar heaters) and solar photovoltaic (photovoltaic panels) was worked on. It was determined that with the electrical energy produced by using biogas, the demand for electricity is covered by 74.95%. The rest of the demand for electricity can be covered with the use of solar photovoltaic and solar thermal energy (22.73 and 2.31%, respectively). When carrying out the analysis of the environmental impact, it is evident that 57.82 Teq of CO₂/year, 56.52 m³/day of methane are emitted into the atmosphere, and 25.27 Teq of oil/year are consumed, and it is also possible to produce 0.94 m³/day of biofertilizers. It is concluded that the proposal constitutes an alternative to minimize damage to the environment, save conventional energy, reduce costs for electricity and obtain biofertilizers that can be marketed and used in different crops, also improves the conventional energy scheme taking advantage of the FRE.

Key words: renewable energy sources, pig production, hybrid systems

Introducción

A nivel mundial existe un agotamiento progresivo de las reservas de petróleo por el uso excesivo de este hidrocarburo, que se emplea como fuente directa de energía (en motores de combustión interna de vehículos u otras fuentes energéticas), y en la generación de otras energías, como es el caso de la energía eléctrica (Matteo 2022). Es por ello, que ha surgido un creciente interés en la búsqueda de alternativas que permitan minimizar el consumo de este combustible fósil. Si bien el empleo eficiente y consciente de la energía es un eslabón fundamental, la incorporación de las Fuentes Renovables de Energía (FRE) es una opción sustentable y de gran futuro (Cisneros et al 2021, Kantoğlu y Argun 2022). Además de su elevado potencial para mitigar el cambio climático, pueden aportar otros beneficios; si estas fuentes renovables se utilizan de forma adecuada, pueden contribuir al desarrollo social y económico, favorecer el acceso y la seguridad del suministro de energía y reducir sus efectos negativos sobre el medio ambiente y la salud (Guzmán et al 2017).

Aunque la energía no constituye directamente un sector económico, su tratamiento exige estudiar el costo, ya que de una forma u otra la producción de bienes y servicios la demandan para su funcionamiento. Tal es el caso de las unidades ganaderas destinadas a la producción porcina, que la necesitan para suplir sus necesidades energéticas, entre otras. Por esta razón la energía se debe visualizar como un transcendental aspecto para el desarrollo sostenible de las actividades humanas; dado que es posible reducir de manera considerable el consumo de energía, si se establecen los hábitos y estilos de vida adecuados a las buenas prácticas sustentadas en el uso eficiente de la energía; lo cual podría fomentarse en todos los niveles educativos (Turrini 2006).

En este contexto, el uso de las FRE, con tecnologías apropiadas y contextualizadas en un sistema socio-ecológico, es un elemento clave para lograr mayor producción de carne con los recursos locales disponibles, a la vez que contribuye a la eficiencia energética y productiva sobre bases sostenibles, a la disminución de los costos y a la mínima dependencia de recursos externos. Estas condiciones contribuyen directamente a elevar la resiliencia socioecológica y a disminuir la vulnerabilidad de los centros porcinos ante los efectos del cambio climático u otros eventos que pueden afectar su capacidad de permanencia en el tiempo (Casimiro-Rodríguez et al 2019).

El Instituto de Ciencia Animal (ICA) es un centro de investigación producción que posee unidades pecuarias dentro de sus instalaciones. Dentro de ella posee un centro porcino, donde se aplica la ciencia y la tecnología para la generación de carne con la aplicación de tecnologías eficientes y amigables con el ambiente. Sus producciones se destinan al consumo de los propios trabajadores y comunidades aledañas. Tomando en consideración lo anterior, el objetivo del trabajo fue establecer los fundamentos que posibiliten la determinación de la sostenibilidad energética, basada en la implementación de fuentes renovables de energía en el centro porcino del ICA.

Materiales y métodos

Caracterización de la granja porcina del Instituto de Ciencia Animal (ICA)

El Instituto de Ciencia Animal se encuentra en la Carretera Central, Km 47 ½, San José de las Lajas, Mayabeque. Es una Entidad de Ciencia, Tecnología e Innovación, adscrita al Ministerio de Educación Superior de la República de Cuba.

En este centro el programa porcino se concibe con 950 cerdos en ceba al año, con un sistema de alimentación alternativo que utiliza, entre otros, el alimento ensilado cubano como parte de la fracción energética que necesitan y los piensos secos balanceados, para cubrir la proteína que requieren para su desarrollo. Se calculó el volumen de mezcla excreta y agua según la metodología de Braun (2013), que determinó en naves de metabolismo la producción de heces fecales por categoría y peso del animal y empleó para la limpieza agua a presión.

Evaluación de la instalación porcina basadas en el empleo de las Fuentes Renovables de Energía

Se realizó un estudio para determinar las potencialidades con respecto al uso de las FRE en la unidad porcina y se tomó en consideración los consumos y la disponibilidad energética con que cuentan. Las principales FRE con las que se trabajó fueron la energía solar fotovoltaica y térmica, el biogás, las que se implementarán según la disponibilidad energética existente en el área y las potencialidades de introducción de alguna de estas fuentes. Se propondrá un sistema híbrido para el aprovechamiento de las potencialidades de cada una.

Diagnóstico de la demanda energética

Se realizó un balance energético para determinar el consumo de electricidad en la unidad. Se tomó en consideración el equipamiento presente. Se empleó un Multímetro Profesional de Gancho (Steren) para determinar el consumo por equipo. Se determinó el consumo mensual y anual, así como el importe económico.

Determinación de los parámetros de diseño y construcción del biodigestor

Principales parámetros que se tuvieron en cuenta para el cálculo de una planta de biogás:

1. Volumen del digestor

Se aplicó la fórmula descrita por Campos (2011): V_l= (me +ma). T_r

donde: Tr –Tiempo de retención (tiempo que requieren las bacterias para degradar la materia orgánica, me- masa de la excreta, kg; ma- masa del agua, kg. Según Lozano et al (2020) los biodigestores, se utilizan generalmente para tratar sustratos concentrados con alto contenido de sólidos que se degradan con tiempos de retención mayores de 21 días. Se utilizarion 40 días ya que se trabaja para cerdos según lo plateado por Guardado (2017).

2. Volumen total del biodigestor:

Para calcular el volumen total del biodigestor se necesita el Volumen de almacenamiento de gas. Según Botero y Preston (1987) y en base a la experiencia en la operación de biodigestores por Barrena et al (2019) y Ferreira-da Silva et al (2022), el volumen de biogás que se producirá por día será igual al 25 % del volumen de mezcla estiércol: agua contenida en el biodigestor, que es el volumen de trabajo (Vt).

3. Carga orgánica volumétrica:

La carga orgánica volumétrica (COV) es el volumen de biomasa degradable específico para cada tipo o mezcla. Se calculó por la siguiente ecuación: COV= MV/V . t

donde: MV: masa volátil, kg; V: volumen del biodigestor, m³; t: tiempo, días

Se estimó que el contenido de materia seca (MS) es del 6 % y el de materia volátil es de 95 %.

4. Cantidad de metano y lodo producido:

Según FAO (2011) dentro del biogás el metano representa entre el 55-70 % del volumen del gas producido. En este caso se trabajó con el 60 %. Para el cálculo de la producción de lodo, se empleó el 10 % del volumen del biodigestor (Moncayo 2017).

5. Potencial energético del biogás producido

Según Moncayo (2017) la eficiencia del biogás cuando se emplea para generar energía eléctrica es de 2.2 kWh por cada m³.

Metodología para el uso de la energía solar térmica para el calentamiento de agua

Se utilizaron calentadores de agua en los filtros sanitarios del centro porcino para la higienización de los obreros. La demanda de agua se calculó tomando en consideración que laboran en la unidad 9 trabajadores y según Berriz (2007) la demanda de agua caliente utilizada por cada uno de ellos en el baño tiene un aproximado de 8 L, en los horarios 8.00 am y 4.00 pm, todos los días. Según Berriz y Alvarez (2008) se consideró que durante la higienización personal, la temperatura usual es de 32 a 43 °C.

Procedimiento para la utilización de los calentadores solares

Se empleó la metodología propuesta por Kumar et al (2019), la cual sigue los pasos siguientes:

1. Se orientó hacia el sur con ayuda de una brújula, para lo cual se consideró un espacio libre de sombras;
2. Irradiación solar media para la región descrita con anterioridad
3. Temperatura que requiere el agua que se va a utilizar;
4. Se determinó la demanda de agua caliente en la unidad;
5. Se determinó la cantidad de metros cuadrados a utilizar (A _{área-unitaria});
6. Se calculó la Q_U: Energía útil absorbida por el colector en una hora;
7. Se calculó la eficiencia diaria con los valores de Q_U y H _T para cada hora del día.

Metodología para el uso de la energía solar fotovoltaica (FV)

Con el consumo energético a suplir, se realizó el cálculo para determinar la cantidad de paneles que se requieren. Se empleó la metodología descrita por Alonso (2011) y Morejón et al (2022) para realizar el análisis de la demanda de energía. Para ello fue necesario el conocimiento del total de animales y los consumos promedio de: agua de bebida por animal, electricidad y agua para limpieza y diaria total.

Procedimiento para la determinación de la cantidad de paneles fotovoltaicos a instalar

1. Irradiación solar media para la región. Se asumió un promedio anual de 5.4 kWh/m² que corresponde al mes de menor radiación en la provincia Mayabeque donde se ubica la instalación (INSMET 2021)

2. Se consideró que el Sistema Electro-energético Nacional (SEN) tiene una eficiencia eléctrica del 87 %.

3. Los módulos fotovoltaicos poseen el 16 % de eficiencia.

4. Tomándose en consideración los datos (2) y (3) se determinó la eficiencia total de conversión.

5. Se aprovechó o convirtió en energía eléctrica útil (Ee) al tomar en cuenta el valor de (4) y (1).

6. La cantidad de metros cuadrados de módulos (A _{área-unitaria}) que deberá montarse.

7. La potencia del módulo solar fotovoltaico.

8. Calculo del número de módulos para lograr cubrir la demanda energética según la siguiente ecuación: n=(Ee)/(Ee)u

Evaluación económico-ambiental del empleo de Fuentes Renovables de Energía

Para la realización de la evaluación económica, se determinaron los siguientes indicadores: Valor actual neto (VAN), Tasa interna de retorno (TIR), Período de recuperación de la inversión (PRI) y la relación beneficio- costo (B/C). Para la realización de la evaluación ambiental, se determinaron los siguientes indicadores: Toneladas equivalentes de petróleo (Teqp), Toneladas equivalentes de CO₂ dejadas de emitir (Teq _CO2), Volumen de metano producido (V_CH4) y la cantidad de biofertilizante producido (B_iop).

Determinación la sostenibilidad energética en el centro porcino

Se empleó la metodología SAFA según FAO (2015) para la evaluación de la sostenibilidad energética en el centro porcino del Instituto de Ciencia Animal. Se tomaron en consideración las cuatro dimensiones: 1) Buena Gobernanza, 2) Integridad Ambiental, 3) Resiliencia Económica y 4) Bienestar Social. Para la implementación de la metodología se consideraron una serie de criterios cualitativos, delimitados por umbrales zonificados que posibilitaron ponderar el nivel de sostenibilidad del sistema de producción. Se confeccionó un gráfico radial donde se comparó la situación del centro porcino antes y después de la propuesta de inclusión de las FRE.

Resultados y Discusión

Caracterización del área experimental

La tabla 1 muestra la producción de mezcla excreta y agua por categoría animal que existe en el centro porcino del Instituto de Ciencia Animal. Los volúmenes que se generan justifican el empleo de tratamientos de residuales ya que se le da solución a una problemática y se convierte en un beneficio porque se genera energía mediante el biogás y la obtención de biofertilizantes líquido y sólido.

Resultados del diagnóstico energético del centro porcino objeto de estudio

Después de realizar el balance energético (tabla 2), se obtuvo el consumo eléctrico diario de la instalación. La misma cuenta con un laboratorio de inseminación artificial, un filtro sanitario una nave de metabolismo para la experimentación y cuatro naves de producción donde están presentes todas las categorías porcinas

Diseño y potencial energético en el centro porcino

Según Oliva y Pereda (2022) el aprovechamiento y diversificación del uso del biogás puede mejorar los indicadores económicos de una granja, al convertirse en una fuente de energía, ya sea para la cocción de alimentos, para la generación de la electricidad utilizada y como fuente segura de ingresos financieros. Tomando en consideración lo anterior, se diseña un sistema híbrido de FRE con la utilización de los biodigestores que permite priorizar el tratamiento de residuales para el escenario productivo. A continuación, se emplea el resto de las FRE valorando el impacto económico, ambiental y social. Estos presentan ventajas ya que se atenúa una de las principales desventajas de las mismas, la intermitencia en el suministro de energía (Cisneros et al 2021, Kantoğlu y Argun 2022).

Para ello, se valoraron las cantidades de biogás y lodo que se obtienen para la producción de energía y fertilizante (Hermida García et al 2020). En una segunda fase, se hace una estimación para determinar el potencial de generación de energía eléctrica con otras fuentes renovables de energía. Todo esto permite la implementación en el centro porcino del sistema híbrido y explotar al máximo todos los recursos naturales, sin dañar el medio ambiente.

Dimensionamiento del biodigestor

Para el correcto dimensionamiento se requiere del cálculo de los parámetros reflejados en la tabla 3. A partir de las determinaciones antes mostradas, se propone la instalación de un biodigestor de geomembranas de alta densidad. Se tuvo en cuenta el volumen total y se consideró que los digestores de cúpula fija no deben sobrepasar los 97 m³ según Guardado (2007).

En la tabla 4 y la figura 1 se muestran la propuesta de dimensionamiento del biodigestor a introducir y el diseño, respectivamente. Por los volúmenes de gas producido se plantea el uso de un cogenerador, que permite generar electricidad y calor, para la calefacción en las instalaciones de maternidad.

Figura 1. Representación gráfica de la tecnología a introducir en el ICA

La utilización de la energía eléctrica producida por el biogás cubre la demanda de electricidad en 74.95 % para el centro porcino. En la tabla 5 se refleja la valoración del sistema híbrido a emplear según las FRE que mayores potencialidades poseen y con el objetivo de satisfacer la demanda de electricidad en su totalidad.

Uso de la energía solar térmica para el calentamiento de agua

A partir del análisis de la tabla 5, se propone un sistema de calentadores solares de tubos al vacío para el filtro sanitario, debido a los costos y la durabilidad de estas tecnologías para el calentamiento de agua. A pesar de la existencia de un cogenerador, cercano al biodigestor, dadas las características constructivas de la unidad y la ubicación del filtro sanitario en el otro extremo de la instalación, es factible el montaje de calentadores solares de tubos al vacío para que no existan pérdidas de calor. Para ello, es necesario la instalación de una batería de dos calentadores solares de 90 L modelo Lp47-1510-30 ACF ensamblados en Cuba (Pérez-Acosta et al 2017) que suplen la necesidad de 144 L/día de agua caliente. Con ello se garantizaría cubrir 2.31 % de la demanda total de energía eléctrica del centro porcino.

Uso de la energía solar fotovoltaica

Después de realizar el estudio y valorar el tipo de FRE que se puede emplear para garantizar toda la demanda de electricidad en el centro porcino, se determinó usar la energía solar fotovoltaica, debido a que la irradiación solar, está por encima de 5 kWh/m² promedio en el día. Se decide no utilizar la energía eólica porque la velocidad del viento es muy baja (oscila entre 1.3 y 2 m/s) y por otro lado existen obstáculos que crean turbulencia, factores que afectan la generación. La utilización de los paneles fotovoltaicos en el ICA representa el 22.73 % de la demanda total.

A partir de estos resultados y tomando en consideración que se toman los módulos solares fotovoltaico, DSM-250 (Panel Solar Policristalino), ensamblados en Cuba, de 250 W y 1.63 m², se determinó el número de módulos a instalar y la potencia del sistema. Esto se aprecia en la tabla 6. Se necesitan para cubrir la demanda en su totalidad con energía solar fotovoltaica, para el centro porcino del ICA 52 módulos con una potencia fotovoltaica de 13 kW.

Determinación del impacto económico-ambiental del diseño propuesto

Para el análisis de factibilidad de la inversión, se calculó el flujo de fondos del proyecto para el periodo de cinco años. Se consideró una inversión ascendente a 4 709 000 pesos con un costo adicional de activos totales de 200 000 pesos sumando en total 4 909 000 pesos.

Los ingresos se estimaron a partir de la producción de abono orgánico que se logra con las capacidades instaladas. La producción se estima en 0.94 t diaria de abono orgánico que tiene un precio de 8 500 pesos. Este valor es inferior al de los fertilizantes nitrogenados o de fórmula completa que se comercializan en el país, cuyos precios oscilan entre 9 000 y 30 000 pesos/t, según la Resolución 344/2020 del Ministerio de Finanzas y Precios. Con estos supuestos los valores de ingresos anuales se estiman en 2 635 000 pesos, que formarán parte del Estado de Rendimiento Financiero de la entidad.

Los gastos variables son mínimos y cubren los salarios de las personas encargadas de la manipulación y atención del biodigestor, así como otros recursos necesarios entre los que se incluyen los relacionados con la comercialización del producto final. En cuanto a los costos fijos, se determinó una cantidad que permita los mantenimientos anuales del equipamiento. La tasa de depreciación utilizada fue del 5 % anual que se encuentra en el rango establecido por la Resolución 701/2015 del Ministerio de Finanzas y Precios. Se utilizó la tasa impositiva del 35 % que es la dispuesta para el pago de impuestos sobre utilidades en el sector empresarial. Después de realizar los cálculos, se obtuvo un Tasa Interna de Retorno (TIR) de 22 %, Valor Actual Neto (VAN, 12 %) de 1 343491.34 y un PRI de 3 años.

En cuanto a las variables de la inversión, como se puede observar el VAN es positivo por lo que hace presuponer que la inversión es viable y se puede aceptar. Este criterio se refuerza al calcular la TIR que como se aprecia tiene un valor superior a la tasa de descuento (12 %) utilizada en Cuba. Es decir, el VAN continuaría positivo para una tasa que puede llegar hasta el 22 %. Se debe aclarar que aún y si la inversión se realizara con financiamiento prestado por el Banco, este la tasa máxima que utiliza para el financiamiento de inversiones es del 10 %.

El período de recuperación de la inversión es de tres años, aspecto muy positivo y que corrobora la factibilidad de realizar la inversión. A estos aspectos se debe sumar labores añadidos de la inversión, entre los que se encuentran:

· Se disminuye el consumo de combustible fósil en 25.273 t, con el consiguiente ahorro para el país, de 516 195.573 pesos.

· Se deja de gastar 164 919.373 pesos por concepto de consumo de electricidad, teniendo en cuenta la tarifa de media tensión para productores agropecuarios con un registro de energía (M3-A). Se aplica a todos los servicios de consumidores clasificados como de Media Tensión y que alimenten equipos para la producción agropecuaria, que cuenten con medición de un registro de energía, ya sean estatales o campesinos particulares que posean esta instalación con metro independiente de la vivienda. Incluye los servicios de producciones agropecuarias conectados en el nivel de baja tensión. Teniendo un valor de 1.8075 pesos por kWh consumido en cualquier horario del día (GOC-2021-347-EX26 RESOLUCIÓN 66/2021).

.Se dejan de emitir al medio ambiente 57.82 t de CO₂ que en Cuba no tiene todavía valor económico directo para las entidades, pero en el mundo se bonifica a las instituciones que logran disminuir estas emisiones con valores medios aproximados entre 50 y 83.27 USD/t.

Determinación de la sostenibilidad del sistema híbrido de FRE en el centro porcino

La sostenibilidad carece de una definición estándar y única, tal es así que en el 2007 ya se había elaborado más de 300 conceptualizaciones del término (Baena-Morales et al 2021). Sin embargo, se reconoce una útil simplificación del concepto en el modelo de los tres pilares de la sostenibilidad (Prieto-Sandoval et al 2017), en el que se integran los tres elementos fundamentales que la constituyen: economía, sociedad y medio ambiente. Una representación típica del modelo se mostraría en tres círculos entrelazados, mientras que otras formas de representación serían tres pilares o círculos concéntricos, lo cual indica que también hay diferentes formas de comprender las relaciones entre dichos elementos (Collazo y Granados 2020).

Según se refleja en la figura 2, se demuestra que con la evaluación de los indicadores de sostenibilidad aplicados a los centros porcinos objeto de estudio, es posible implemen­tar las FRE. Para tomar decisiones, se debe considerar desde el proceso de inversión hasta la explotación de las mismas.

Figura 2. Gráfico radial de sostenibilidad obtenido para el caso base y para el mejorado al instalar el sistema híbrido de FRE en el escenario objeto de estudio

Con los resultados que se muestran en el gráfico radial (figura 2) se evidencia que las soluciones aplicadas en el centro porcino, contribuyen a la sostenibilidad del sistema de producción, resolviéndose problemas ambientales al mejorar el impacto negativo al medio, así como producir biogás, electricidad y biofertilizantes, productos que incrementan los ingresos de los esquemas de producción.

Conclusiones

La propuesta constituye una alternativa para minimizar los daños al medio ambiente, ahorrar energía convencional, disminuir costos por concepto de electricidad y obtener biofertilizantes que pueden ser comercializados y utilizados en diferentes cultivos, además mejora el esquema energético convencional aprovechándose las FRE.

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