Economía circular en el sector avícola. El reto del autoabastecimiento energético mediante la valorización de residuos
El sector avícola es el segundo mayor productor mundial de carne y en España uno de los de mayor crecimiento en los últimos años, ocupando el 4º lugar en producción de huevos a nivel europeo por detrás de Alemania, Francia e Italia. Esta actividad genera graves problemas medioambientales, ya que supone el 8% de las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes del sector ganadero a nivel mundial.
El sector avícola en España produce más de 12 millones de deyecciones al año, residuos que si no son almacenados y eliminados correctamente pueden llevar a la contaminación de suelos y acuíferos, por lo que en muchas ocasiones se requiere de un coste extra y contratación de terceros para su correcto manejo. Se estima que aproximadamente el 52,74% de la superficie agrícola utilizada ya se encuentra contaminada por nitratos, contaminación que procede en un 92,9% del sector agrícola y entre los que destacan Cataluña y Galicia por su elevada actividad ganadera.
A este problema se añade el gran incremento de los costes energéticos para un sector altamente dependiente, ya que requiere de altos consumos de energía para garantizar el máximo confort térmico, de luminosidad y calidad de aire para las aves. Por otro lado, el incremento persistente en las importaciones de carne de pollo al mercado de la UE procedentes de países donde los costes de producción son más bajos, supone un gran reto para los granjeros para mantener sus escasos márgenes de rentabilidad.
En este contexto surgió en 2020 el Grupo Operativo supra-autonómico AVIENERGY (www.avienergy.es), con un proyecto de innovación basado en la economía circular dispuesto a afrontar tres retos: valorizar los residuos (pollinaza y pavinaza) generados en las granjas avícolas convirtiéndolas en una fuente de energía térmica y eléctrica para autoabastecerlas, desarrollar un quemador apto para la combustión de estas biomasas y, por último, evaluar las cenizas procedentes de la combustión para la obtención de fertilizantes o materiales para el aprovechamiento de nutrientes en el suelo.
El proyecto AVIENERGY abarca las regiones de Galicia, Castilla y León y Murcia y está integrado por 8 miembros de carácter multidisciplinar: Fundación Empresa-Universidad Gallega (FEUGA), EnergyLab, Demaux Manufacture S.L., Granja José Antonio García, Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CEBAS-CSIC), Universidad de Vigo, Avícola El Charcón y Alimentos del Mediterráneo S. Coop. (ALIMER), figurando como miembros colaboradores el grupo UVESA y la Fundación Alimer.
El camino no ha sido fácil, pero ya en la recta final del proyecto los resultados muestran que es factible preparar el material con bajo coste y se propone una metodología para implementar en el proceso de producción avícola, que abre puertas en el autoconsumo y la reducción de costes energéticos.
El reto: ¿son los residuos avícolas aptos para su valorización energética?
Para el aprovechamiento de la pollinaza y la pavinaza como fuente de energía dentro del proyecto se desarrolló un quemador específicamente diseñado para las características de las deyecciones de partida. Así, el primer paso fue evaluar la viabilidad de estas biomasas como biocombustibles en procesos de combustión y, por tanto, fueron sometidas a análisis inmediato, elemental, de cenizas y determinación de poder calorífico. Conviene aclarar que los materiales estudiados fueron los procedentes de las dos granjas participantes en el proyecto: pollinaza o deyecciones de una granja de pollos de engorde y pavinaza o deyecciones de una granja de pavos.
Muestras de pollinaza (izquierda) y pavinaza (derecha)
En el análisis inmediato se determinó el contenido en humedad, volátiles, cenizas y carbono fijo de las muestras, y se comparó con virutas de madera (la base de la pollinaza), con virutas de paja (base de la pavinaza) y a su vez con astilla de pino, un material ampliamente empleado en procesos de combustión.
Los resultados obtenidos indicaron que estos biocombustibles cuentan con altos contenidos de humedad, lo que sugiere la necesidad de un proceso previo de secado para evitar la pérdida de material combustible y facilitar su manejo, transporte y alimentación a la planta de obtención de energía correspondiente.
Las muestras analizadas presentaron asimismo un elevado contenido en cenizas, que sugería un control exhaustivo del proceso que pueda llegar a evitar o minimizar los riesgos asociados. Se analizaron mediante rayos X, de donde se extrajo que los elevados contenidos de fósforo y calcio podrían conllevar riesgos asociados a la generación de depósitos sólidos de residuos de bajo punto de fusión, por lo que una estrategia de aditivado o pretratamiento de los combustibles podría ser necesaria. Este comportamiento se confirmó por el estudio de fusibilidad practicado, que reveló que las cenizas de ambos combustibles tienden a fundirse al alcanzar temperaturas entre 1.000 y 1.100°C.
Las muestras de pollinaza y pavinaza presentaron un elevado contenido en nitrógeno, azufre y cloro en su composición, lo que supone un desafío a la hora de realizar su combustión, ya que podría verse asociada la emisión de óxidos de nitrógeno, de azufre y de ácido clorhídrico. La presencia de estos compuestos indica, además, una alta probabilidad de problemas de corrosión, escoriación e incrustaciones en el sistema aguas abajo. Por último, el análisis del poder calorífico de los materiales estudiados en base seca resultó apto para procesos de combustión.
En definitiva, se pone de manifiesto que los combustibles están dentro de los márgenes para su utilización como fuente de energía dada su composición y el beneficio intrínseco de emplear un residuo como producto con valor, aunque existen algunos parámetros que alertan sobre los posibles riesgos asociados a la combustión de estas sustancias, y que deben ser tenidos en cuenta en futuros ensayos en instalaciones reales.
El reto del manejo y preparación de los residuos avícolas para optimizar su aprovechamiento energético con tecnologías asequibles al ganadero
Normalmente los estiércoles procedentes de las explotaciones avícolas, y que están sobre una cama que suele ser de paja de cereal o viruta de madera, presentan un elevado contenido de humedad (mayores de 30 % en base seca), por lo que es necesario acondicionar a contenidos de humedad en torno al 18-20% que le permitan ser introducidos en cámaras de combustión y alcanzar sus poderes caloríficos más elevados.
Se optó por dos sistemas: secado por oreo natural a través de la exposición a las condiciones climáticas de la zona, lo que condicionaba el propio secado en función del clima y además formaba costra en el material que impide el libre paso del aire entre el material, consiguiendo una reducción de humedad del 50 al 30%. Posteriormente, se probó el secado natural con volteo mecánico, pero con un paso previo usando un tractor agrícola con un remolque esparcidor para triturar y homogeneizar el material y convertirlo en material más fino con mayor porosidad.
De esta manera se consiguió reducir la humedad del material desde el 50 al 30% pero en muchos menos días. Las pruebas se llevaron a cabo en invierno, de lo que se concluye que en verano el proceso sería mucho más rápido y efectivo, siempre procediendo a esta trituración previa y volteo mecánico.
Muestra de pollinaza antes de homogeneizar (izquierda) y tractor utilizado para triturar el material (derecha)
Se ha valorado la opción del secado forzado, pero sin recurrir a los sistemas existente en el mercado para no incurrir en altos costes para la granja, con opciones mucho más sencillas y asequibles para el ganadero y que los costes energéticos fueran los menos posibles. Se utilizó un sistema de secado con aireación insuflando aire a temperatura ambiente con unos ventiladores en la parte inferior a través de tuberías con agujeros colocados de tal forma que se pudiera mover el aire y provocar una mayor ventilación entre las capas de estiércol, o bien acompañando este proceso con una ubicación en condiciones climáticas controladas (tipo invernadero). En este caso se logró una reducción de humedad mucho más elevada, llegando incluso al 17-20% de humedad.
Sistema de secado con aireación insuflando aire a temperatura ambiente
En conclusión, se consiguieron condiciones de humedad del estiércol, para ser introducidas como biomasa en quemadores, en tiempos asequibles y con unos costes muy inferiores a los que la explotación tendría en caso de utilizar biomasa tradicional en vez de sus propios residuos agrícolas. La comparativa en coste/tonelada de biomasa es de 80-90 €/t para la tradicional frente a un coste estimado de secado de la pollinaza y pavinaza de 10-15 €/t, traducido a un ahorro energético medio de 4000 y 5000 € por año.
El reto de la obtención de calor mediante una caldera adaptada y la generación de electricidad con pollinaza y pavinaza
El objetivo era desarrollar un quemador que pueda funcionar de manera continua, estable y sin problemas que conlleven demasiados costes de explotación para que pueda ser empleado en la propia granja, utilizando como fuente energética el subproducto o deyecciones generadas en la propia explotación avícola.
Los desafíos para la obtención de calor eran la heterogeneidad del combustible y su baja calidad, con un elevado contenido de cenizas y nitrógeno, y un combustible que a pesar del proceso de secado era probable que contuviera un contenido de humedad por encima del 18-20%. Además, era necesario optimizar el proceso de combustión para minimizar las deposiciones de suciedad, la producción de cenizas y reducir las emisiones de contaminantes en forma de gases, partículas y volátiles inorgánicos.
El primer problema que se debía superar era el suministro de combustible en la tolva. Se hacía necesario diseñar algún tipo de sistema que evitara la formación de bóvedas, y permitiera la alimentación continua de un biocombustible con muy baja densidad a granel (180-200 kg/m3), muy heterogéneo en el que se forman costras y que es necesario romper para suministrarlo al tornillo sin fin.
Imágenes del quemador desarrollado y mecanismo en la tolva
Para ello, se instaló un mecanismo en el fondo de la tolva engarzado con el tornillo sin fin que, en cada empuje del tornillo, generaba una vibración y un rascado del fondo de la tolva de tal manera que iba mezclando y distribuyendo el combustible para evitar la formación de bóvedas. Para asegurar una correcta alimentación de combustible hasta el quemador, se añadió un sistema con una leva que lleva un rascador que golpea y va limpiando la salida del quemador para asegurar que ningún resto de escorias ni cenizas se adhieran a él.
Imágenes del alimentador
De las diferentes tipologías de quemador se optó por el sistema más sencillo buscando una gran economía del producto y una gran robustez. Se debe tener en cuenta que este quemador va a ser manipulado por el propio granjero o por personal no cualificado o que no está formado para manipular quemadores o sistemas de combustión. Tiene que tratarse de un sistema de limpieza sencilla y de manutención fácil.
Con el objetivo de incrementar la eficiencia en la combustión y reducir las emisiones contaminantes, en el hogar se consiguió distribuir los gases haciendo un laberinto, dándoles tiempo a reaccionar y evitando así la formación de compuestos nocivos. Por último, en la salida de gases se situó un intercambiador de calor aire-gas, para recuperar el calor de los gases de combustión para trasmitírselo al aire que alimentará la granja y mejorar el confort de los animales.
A pesar de que quedan desarrollos pendientes, podemos concluir que se dispone de un equipo funcional, un quemador que es capaz de funcionar con un combustible 100% de origen gallinaza, que es capaz de alimentar un combustible húmedo sin problemas de atascos, ni en la tolva ni en el tornillo sin fin, que es capaz de adaptarse a transitorios, es decir, puede utilizar pellet de madera en los arranques si es necesario para elevar la temperatura del sistema, y que funciona de manera continua sin elevado mantenimiento.
Los resultados concluyen que el uso de las deyecciones (pollinaza y gallinaza) consigue un funcionamiento en continuo del ciclo orgánico de Rankine ORC; en segundo lugar, a mayor diferencia de temperatura entre focos en los ensayos, mayor es la potencia obtenida y, por tanto, el rendimiento neto eléctrico obtenido y por último, que se obtienen rendimientos eléctricos netos del 8% y potencias eléctricas de hasta 3,2 KW. Por lo tanto, la microcogeneración mediante ORC se presenta como una opción plausible para la valorización energética de biomasas residuales estudiadas.
El último paso para cerrar el círculo, la valorización de las cenizas de combustión como material fertilizante
Las actividades consistieron en la caracterización físico-química de las cenizas resultantes del proceso de combustión, el análisis de composición respecto a los nutrientes, posibles problemas de toxicidad, evaluación del aprovechamiento de los nutrientes en la agricultura y el potencial agrícola con la finalidad de obtener un protocolo de uso de las cenizas.
De las pruebas realizadas se concluyó que las cenizas tienen un alto contenido de los nutrientes fósforo y potasio y alto interés para usar en suelos ácidos por su alto contenido en calcio y magnesio y, por tanto, su capacidad neutralizante. Una cantidad de 100 grs o 100 kg de ceniza puede sustituir la misma cantidad de la caliza necesaria para añadir a los suelos ácidos.
Un problema detectado fue su alta fitotoxicidad, que provoca problemas de germinación y de elongación de las raíces de las plantas, debida a la elevada salinidad de las cenizas cuando se utilizan directamente sobre semillas para germinar, por lo que se recomienda usarlas directamente al suelo y no sobre planta joven.
Se realizaron ensayos agronómicos en la Cooperativa Alimer en macetas bajo condiciones controladas, en las que las cenizas se añadieron al suelo en distintas proporciones en función de la sustitución del fósforo de fertilizantes minerales, desde el 100% hasta el 75%. También se llevaron a cabo ensayos en semillero y parcelas de campo y el resultado fue que las cenizas son capaces de sustituir totalmente el potasio de los fertilizantes minerales. La capacidad fertilizante de las cenizas respecto al fósforo es también muy próxima a los fertilizantes minerales y su sustitución puede llegar a más del 80% de sustitución del fertilizante mineral, lo que supone un ahorro de fertilizante para los agricultores.
Ensayos agronómicos en la Cooperativa Alimer
Se concluye que las cenizas procedentes de la combustión de pollinaza y pavinaza y su mezcla con madera tienen características adecuadas para la preparación o como componentes de materiales fertilizantes y cumplen con los requisitos de los límites máximos de componentes tóxicos como en nutrientes para la preparación de abonos inorgánicos de la Unión Europea.
Más información:
Técnicas de secado de pollinaza y pavinaza como biomasa para combustión. – YouTube
Caracterización de pollinaza y pavinaza y generación de energía térmica y eléctrica. – YouTube
Valorización de cenizas de pollinaza y pavinaza como fertilizantes. – YouTube
AVIENERGY es un proyecto de innovación cofinanciado en un 80% por el Fondo Europeo Agrícola de Desarrollo Rural (FEADER) de la Unión Europea y en un 20% por el Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, en el marco del Programa Nacional de Desarrollo Rural 2014-2020. La Dirección General de Desarrollo Rural, Innovación y Formación Agroalimentaria (DGDRIFA) es la autoridad encargada de la aplicación de dichas ayudas. Presupuesto: 582.960,04 €. Subvención total: 565.160,04 €. Más información: Agricultura y Desarrollo Rural de la Comisión Europea.
