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Martínez / LADEE, vol. 2 no. 2 pp. 24-31. Julio - Diciembre, 2021

Potencial energético de la digestión anaerobia del estiércol del ganado vacuno, porcino y avícola en Sonora (México)

Energy potential of anaerobic digestion of cattle, swine and poultry manure in Sonora, Mexico

DOI: 10.17981/ladee.02.02.2021.3

Fecha de recibido 2/08/2021. Fecha de aceptado 23/10/2021

María Paula Martínez Rubio

Universidad Estatal de Sonora. Sonora (México)

mpaulamartinezrubio@gmail.com

Para citar este artículo:

M. P. Martínez, “Potencial energético de la digestión anaerobia del estiércol del ganado vacuno, porcino y avícola en Sonora (México)”, LADEE, vol. 2, no. 2, pp. 24–31, 2021. https://doi.org/10.17981/ladee.02.02.2021.3

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Resumen— Sonora es uno de los estados con mayor producción ganadera en México, actividad que genera cantidades significativas de biomasa residual. La biodigestión anaerobia en este caso representa una alternativa para revalorizar esta biomasa residual como una fuente para generar energía. Por consiguiente, es necesario conocer el potencial energético de dichos residuos, el cual puede estimarse a partir de información estadística de censos ganaderos y otros parámetros en base a las condiciones de la región. En este caso se define un potencial de 478 GWh de electricidad por año, considerando una eficiencia energética del 30%, lo que equivale al consumo del 12% de los hogares del estado. Del estudio puede concluirse que existe un potencial significativo en el estado de Sonora para la implementación de digestores anaeróbicos para revalorizar la biomasa residual de la actividad ganadera.

Palabras clave— Potencial energético; biomasa residual; ganadería; biodigestión anaerobia; Sonora

Abstract— Sonora is one of the states with the highest livestock production in Mexico, an activity that generates significant amounts of residual biomass. Anaerobic biodigestion in this case represents an alternative to revalorize this residual biomass as a source to generate energy. Therefore, it is necessary to know the energy potential of this waste, which can be estimated from statistical information from livestock censuses and other parameters based on the conditions of the region. In this case, a potential of 478 GWh of electricity per year is defined, considering an energy efficiency of 30%, which is equivalent to the consumption of 12% of the state's households. From the study it can be concluded that there is a significant potential in the state of Sonora for the implementation of anaerobic digesters to revalue the residual biomass from livestock activity.

Keywords— Energy potential; residual biomass; livestock; anaerobic biodigestion; Sonora

I. Introducción

México se caracteriza por un desarrollo ganadero significativo, destinando 109.8 millones de hectáreas a la ganadería donde solo en la cría y explotación ganadera trabaja el 16.2% de la población mexicana [1]. Actualmente es el 11 productor de ganado a nivel mundial, destacando la producción de ganado bovino, porcino, avícola, ovino y caprino [1]. En 2019, la producción de carne de cerdo llegó a 1.7 millones de toneladas con 18.6 millones de cabezas de cerdo [2]. También es el principal consumidor de huevo fresco a nivel global, con un consumo per cápita de 28 kg, siendo el cuarto productor mundial con 125 millones de cajas de huevo al año [3]. Por otra parte, el país es el 12 emisor de CO2, emitiendo 416.26 millones de toneladas de CO2, lo que representa el 1.5% de las emisiones globales [4].

El estado de Sonora, con una superficie de 179 355 km2 y una población de 2 944 840 personas es el 2 de mayor extensión territorial en México [5]. En total, el 85% de la superficie se destina a la ganadería en Sonora, actividad de la que dependen 35 mil familias directamente [6]. En particular, destaca la producción de ganado porcino, bovino y avícola. Sonora, uno de los principales productores de carne de cerdo nacional, representan el 17.3% de la producción nacional, enfocada mayormente a la exportación [7]. Por otra parte, la encuesta nacional agropecuaria muestra que Sonora es el quinto productor de ganado bovino con 1 666 074 cabezas en 2014 que representan el 5.8% de la producción nacional [2]. Adicionalmente, Sonora produce el 4.9% de la producción nacional de huevo [3]. Por consiguiente, en el estado se generan grandes cantidades de estiércol, cuyo manejo representa un reto por su capacidad de contaminación y emisión de gases de efecto invernadero. El uso de sistemas de digestión anaeróbica representa una oportunidad para complementar la matriz energética del departamento, mitigando los problemas ambientales asociados al manejo del estiércol del ganado.

La infraestructura eléctrica en Sonora cuenta con una capacidad de generación instalada de 3 140 MW, lo que representa el 4.2% del sector eléctrico nacional, de la cual el 96.4% corresponde a las tecnologías convencionales y menos del 4% a fuentes renovables [8]. La generación eléctrica es de los mayores emisores de gases de efecto invernadero en el país. Solo en Sonora se emitieron 19 millones de toneladas de CO2 anuales en este sector [9]. La oferta de energía en 2010 en Sonora fue de 232.58 PJ con más del 90% dependiente de combustibles fósiles [10].

Existen diferentes tecnologías de conversión de residuos a energía a partir de fuentes de biomasa, las cuales se agrupan en procesos termoquímicos y procesos de bioconversión. La selección de la tecnología adecuada depende de las características y propiedades de la biomasa (es decir, humedad, poder calorífico, etc.). En general, para fuentes de biomasa con más del 50% de humedad, los procesos de bioconversión (por ejemplo, la digestión anaeróbica) son más indicados [11]. Por consiguiente, teniendo en cuenta que el estiércol bovino y porcino tienen humedades muy por encima del 50%, en este caso se considera la digestión anaerobia como alternativa tecnológica para la estimación del potencial energético.

Dado el potencial energético del estiércol, y la creciente demanda energética de Sonora, es importante determinar el potencial energético de la digestión anaeróbica para complementar la matriz energética del estado. Por consiguiente, este estudio tiene como objetivo evaluar el potencial energético del estiércol porcino, bovino y avícola en Sonora para el uso de digestores de digestión anaeróbica.

II. Materiales y métodos

En esta sección se presenta el procedimiento investigativo, los datos estadísticos utilizados y los métodos de cálculo aplicados para estimar el potencial energético.

A. Procedimiento investigativo

En México existen diferentes instituciones que facilitan datos estadísticos acerca de la producción ganadera. Las fuentes de información principales fueron los censos ganaderos reportados por las siguientes organizaciones en el estado de Sonora:

Fig. 1. Flujograma con la metodología aplicada en la investigación presente.
Fuente: Elaboración propia.

B. Ganado bovino

La Tabla 1 muestra la evolución de la producción de ganado bovino en el estado entre el 2000 y el 2009.

Tabla 1. Censos anuales y tipo de ganado bovino en Sonora de 2000 a 2009.

Año

Vacas

Toros

Vaquillas

Novillos

Becerras

Becerros

Total

2000

735 050

54 135

226 441

23 537

216 180

174 477

1 429 820

2001

759 965

56 606

225 344

24 894

230 930

191 001

1 488 740

2002

792 676

56 959

215 854

14 839

242 840

202 007

1 525 175

2003

791 273

55 440

229 410

12 941

215 223

166 877

1 471 164

2004

788 364

54 983

210 767

10 936

224 105

176 928

1 466 073

2005

794 091

54 858

202 514

11 698

232 833

184 198

1 480 192

2006

598 828

45 906

175 823

15 944

165 200

125 075

1 126 776

2007

771 798

54 835

204 021

12 999

207 027

162 924

1 413 604

2008

847 293

59 655

226 926

11 837

241 056

186 235

1 573 002

2009

855 883

50 481

237 683

11 045

241 895

186 054

1 593 041
Fuente: [12].

La Tabla 1 muestra que entre el 2000 y el 2009 la población bovina creció en cerca de 200 mil cabezas, fundamentalmente en la población de vacas.

En base a la diferencia poblacional entre cada uno de los años del censo se establece el aumento proporcional para el crecimiento anual de los años consiguientes, estimándose de dicha manera la evolución hasta el 2021.

Tabla 2. Estimación de la evolución del ganado bovino en Sonora para el periodo del 2010 al 2021.

Año

Vacas

Toros

Vaquillas

Novillos

Becerras

Becerros

Total

2010

869 309

53 729

227 690

22 149

219 037

175 763

1 567 678

2011

882 735

53 323

228 939

20 761

221 894

177 050

1 584 702

2012

896 161

52 917

230 188

19 373

224 752

178 336

1 601 727

2013

909 587

52 511

231 437

17 985

227 609

179 622

1 618 751

2014

923 012

52 105

232 687

16 597

230 466

180 909

1 635 776

2015

936 438

51 699

233 936

15 209

233 323

182 195

1 652 800

2016

949 864

51 293

235 185

13 821

236 181

183 481

1 669 825

2017

963 290

50 887

236 434

12 433

239 038

184 768

1 686 849

2018

976 716

50 481

237 683

11 045

241 895

186 054

1 703 874

2019

990 142

50 075

238 932

9 657

244 752

187 340

1 720 899

2020

1 003 568

49 669

240 181

8 269

247 609

188 627

1 737 923

2021

1 016 994

49 263

241 430

6 881

250 467

189 913

1 754 948
Fuente: Elaboración propia.

La Tabla 2 muestra un crecimiento estimado de unas 140 mil cabezas de ganado bovino entre 2009 y 2021.

C. Ganado porcino

La producción de ganado porcino en Sonora según el censo agropecuario de 2007 a 2013 del Instituto Nacional de Estadística y Geografía de México se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3. Distribución de ganado porcino en unidades de producción según función zootécnica, por principales municipios productores.

Estado y municipio

Total

Engorda

Menores de ocho semanas

Vientres

Sementales

Animales de desecho

Total

Total

Total

Total

Total

Sonora

1 692 942

920 902

40 4171

285 460

75 717

6 692

Hermosillo

688 805

331 115

164 043

120 113

72 897

637

Cajeme

339 574

186 490

64 927

86 948

429

780

Navojoa

311 734

205 554

63 570

37 748

847

4 015

Etchojoa

79 965

38 050

29 827

11 965

123

0

Guaymas

61 417

20 456

29 932

10 981

42

6

Huatabampo

46 281

34 873

9 718

1 238

177

275

Resto de los municipios

165 166

104 364

42 154

16 467

1 202

979
Fuente: [13].

Los resultados muestran alrededor de 1.7 millones de cabezas, siendo el ganado de engorde el 54% del total.

El gobierno del estado de Sonora en conjunto con la subsecretaría de ganadería y la secretaría de agricultura, ganadería, recursos hidráulicos, pesca y acuacultura presentaron un programa de mediano plazo de desarrollo pecuario para el periodo del 2016 al 2021 [14]. En este programa se establece un crecimiento anual del número de cabezas porcinas del 2.3%. basado en este crecimiento y en las estadísticas de la Tabla 3 se estiman la evolución del ganado porcino hasta el 2021:

Tabla 4. Estimación de la evolución del ganado porcino por municipios en Sonora hasta el 2021.

Estado y municipio

Total

Engorda

Menores de ocho semanas

Vientres

Sementales

Animales de desecho

Total

Total

Total

Total

Total

Sonora

2 327 560

1 266 112

555 679

392 468

104 100

9 201

Hermosillo

947 011

455 237

225 536

165 139

100 223

876

Cajeme

466 867

256 398

89 266

119 541

590

1 072

Navojoa

428 591

282 608

87 400

51 898

1 165

5 520

Etchojoa

109 941

52 313

41 008

16 450

169

0

Guaymas

84 440

28 124

41 152

15 097

58

8

Huatabampo

63 630

47 946

13 361

1 702

243

378

Resto de los municipios

227 080

143 486

57 956

22640

1 653

1 346
Fuente: Elaboración propia.

Los resultados muestran un total de 2.3 millones de cabezas de ganado porcino concentrados principalmente en Hermosillo, Cajeme y Navojoa (Tabla 4).

D. Ganado avícola

El programa de mediano plazo de desarrollo pecuario para el periodo del 2016 al 2021 muestra una producción avícola total de 12 615 758 en 2014 en el estado de Sonora, proyectando un crecimiento anual del 4.8% [14].

Tabla 5. Estimación de la evolución del ganado avícolas por municipios en Sonora para el periodo del 2014 al 2021.

Estado

Año

Producción

Sonora

2014

12 615 758

2015

13 158 236

2016

13 724 040

2017

14 314 173

2018

14 929 683

2019

15 571 659

2020

16 241 241

2021

16 939 614
Fuente: Elaboración propia.

La proyección muestra una población estimada de 17 millones de cabezas de aves para 2021.

E. Producción de estiércol por tipo de animal y función zootécnica.

La secretaría de medio ambiente y recursos naturales y el instituto nacional de ecología y cambio climático, secretaria de medio ambiente y recursos naturales presentan las estimaciones de estiércol generado al día por cada tipo de animal según su función, en la Tabla 6 se presentan dichas cantidades en conjunto con el total de cabezas ganaderas en Sonora y la estimación anual de estiércol.

Tabla 6. Producción de estiércol en el estado de Sonora por tipo de ganado y función zootécnica.

Tipo de animal

kgestiércol/cabeza ∙ día

Cabezas

Total 106 t/año

Bovino

Vaca establo de engorda

38.6

254 249

3.58

Vaca establo lechero

75.20

184 076

5.05

Vaca pastoreo

3.00

578 670

0.63

Toro pastoreo

3.00

49 263

0.05

Vaquilla establo lechero

24.50

43 699

0.39

Vaquilla pastoreo

3.00

137 374

0.15

Becerro establo lechero

12.40

45 335

0.21

Becerro pastorero

3.00

142 516

0.16

Promedio

20.34

319 768

2.37

Porcino

Engorda (25 - 100 kg)

2.30

1 266 112

1.06

Hembra (Vientres)

3.60

392 468

0.52

Semental

3.00

104 100

0.11

Lechón

0.35

555 679

0.07

Promedio

2.35

9 201

0.01

Avícola

 

0.02

16 939 614

0.12
Fuente: Elaboración propia a partir de [15], [16].

En total se produce un estimado de 14.5 millones de toneladas de estiércol por año en Sonora, con el 84% del ganado bovino, 15% del ganado porcino, y una contribución marginal del ganado avícola.

F. Métodos

En este caso se consideran los rendimientos de un biodigestor automatizado y un biodigestor artesanal, para tener en cuenta un rango de eficiencias de biodigestor.

En este caso, el potencial energético se basa en el Potencial Bioquímico de Metano (BMP) de una fuente de biomasa en particular, el cual se calcula como [17]:

Donde:

BMP(VS)i = Potencial bioquímico de metano de la fuente de biomasa.

M = Masa de estiércol.

ST = Sólidos totales.

SV = Sólidos volátiles en base seca.

Los parámetros requeridos en (1) para cada tipo de estiércol se presentan en la Tabla 7.

Tabla 7. Características del estiércol.

BMP (m3CH4/kgVS )

M(106 t)

TS(%)

VS(%)

Bovino

0.18

12.6

10.5

74.7

Porcino

0.21

1.8

26.8

74.2

Avícola

0.23

0.1

32.2

65.2
Fuente: Elaboración propia a partir de [16].

El poder calorífico del metano se considera como 27 MJ/m3 [11].

En el caso de los digestores domésticos, que generalmente alcanzan productividades volumétricas de 0.5 a 1m3 de biogás por día por unidad de volumen del reactor, tienen tiempos de retención entre 30 y 60 días según los parámetros de operación y el tipo de sustrato. Se estima que, en óptimas condiciones, un biodigestor doméstico alcanza el 22.5% del rendimiento de un biodigestor automatizado [18].

III. Resultados y discusión

La población ganadera en Sonora para el año 2021 alcanzó una población estimada de 21 millones de cabezas de ganado, de las cuales 1.8 millones de cabeza de ganado bovino, 2.3 de ganado porcino y 16.9 millones de cabeza de ganado avícola. Esta población ganadera genera un estimado de 14.4 millones de toneladas estiércol anual. El potencial bioquímico de biometano estimado para la producción de estiércol en Sonora se presenta en la Tabla 8.

Tabla 8. Rendimiento de metano en biodigestor automatizado.

BMPi (10–6 m3)

BMPi (TJ)

Automatizado

Doméstico

Automatizado

Doméstico

Bovino

144

32

3,898

877

Porcino

63

14

1 712

385

Avícola

5

1

126

28

Total

212

47

5 736

1 291
Fuente: Elaboración propia,

En total, el potencial energético representa el 2% de la oferta de energía en el estado en 2010. Considerando una eficiencia de generación eléctrica del 30%, sería posible generar 478 GWh de electricidad por año, equivalente al 4.7% del consumo de electricidad de 10 253 GW/h en el estado [19]. Este potencial permitiría suministrar energía a 106 492 hogares, considerando un consumo promedio de 4 488.42 kWh/hogar al año [20], lo que representa el 12% de los 876 333 hogares del estado [21].

IV. Conclusiones

El potencial de estiércol del estado puede contribuir a generar electricidad para el 12% de los hogares de Sonora. En particular, la implementación de biodigestores domésticos puede convertirse en una fuente de energía de calidad en hogares rurales para suplir las necesidades de cocción y electricidad. Aunque, en este caso, el potencial energético se reduce al reducirse la eficiencia de los biodigestores domésticos en comparación con los de mayor escala que además usan sistemas de control que monitorean el proceso de digestión. En cualquier caso, ya sea que se introduce tecnología de automatización en el biodigestor o no, la implementación de los mismos reduce la contaminación ambiental al reducirse la emisión de metano.

En el estado, el estiércol se produce en diferentes zonas de la región y que una parte se produce en el sector privado. Por consiguiente, se requiere investigar como estos factores influyen en la capacidad de aprovechar el potencial energético de estos residuos, lo que implica desarrollar un análisis logístico para la ubicación potencial de los biodigestores, considerando aspectos como el transporte del estiércol.

Referencias

[1] SIAP, “La ganadería: símbolo de fortaleza del campo mexicano”, 6-mar-2018. [blog]. Disponible en https://www.gob.mx/siap/articulos/la-ganaderia-simbolo-de-fortaleza-del-campo-mexicano

[2] INEGI, “Encuesta nacional agropecuaria”. (2014). Disponible en www.inegi.org.mx

[3] CEDRSSA, “La importancia de la industria avícola en México”, Cámara de Diputados, CDMX, MX, Reporte, Jul. 2019. Disponible en http://www.cedrssa.gob.mx/post_la_importancia_de_la_-n-industria_avn-cola-n-_en_mn-xico.htm

[4] FIRCO, Diagnóstico general de la situación actual de los sistemas de biodigestión en México. CDMX, MX: FIRCO/SAGARPA, 2011. Recuperado de https://sswm.info/sites/default/files/reference_attachments/SAGARPA-FIRCO%202009.%20Diagnóstico%20General%20de%20la%20Situación%20%20de%20Biodigestión%20en%20México.pdf

[5] INEGI, “Censo de población y vivienda 2020”, (2020). Disponible en http://censo2020.mx/

[6] A. Ruiz, “Los ganaderos sonorenses saben producir muy bien. Entrevista con Héctor Platt Martínez, presidente de la Unión Ganadera Regional de Sonora”, ce, vol. 18, no. 2, 2019. Disponible en https://www.revistacomercioexterior.com/articulo.php?id=872&t=los-ganaderos-sonorenses-saben-producir-muy-bien

[7] Redacción Porcicultura.com, “La exportación de carne de cerdo en sonora generó ingresos por más de 310 mdd”, 14-ene-2020. [Boletín de noticias]. Disponible en https://www.porcicultura.com/destacado/La-exportacion-de-carne-de-cerdo-en-Sonora-genero-ingresos-por-mas-de-310-mdd.-

[8] Smart Energy Sonora, Mapa de ruta de energía de energía de Sonora. CDMX, MX: Knoware, 2016. Recuperado de https://coees.sonora.gob.mx/images/archivos/mapa-de-ruta-de-energia-sonora-final-8-agosto.pdf

[9] COCEF, Emisiones de gases de efecto invernadero en Sonora y proyecciones de casos de referencia 1990-2020. Mx/USA: BECC/COCEF, 2010. Recuperado de https://www.nadb.org/uploads/files/inventario_emisiones_gei_sonora_junio_2010.pdf

[10] COEES, Balance de Energía del Estado de Sonora 2010. SON, MX: COEES, 2010. Recuperado de https://coees.sonora.gob.mx/images/descargas/Energias-Renovables/Balance-de-energia-Sonora-2010.pdf

[11] A. Sagastume, J. J. Cabello, L. Hens & C. Vandecasteele, “The energy potential of agriculture, agroindustrial, livestock, and slaughterhouse biomass wastes through direct combustion and anaerobic digestion. The case of Colombia”, J Clean Prod, vol. 269, Oct. 2020. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122317

[12] F. G.Denogean, S. Moreno, F. Ayala, F. A. Ibarra, M. H. Martin y R. Retes, “La gandería bovina para carne en Sonora, México en la actualidad”, presentado al XXVI Congreso Internacional en Administración de Empresas Agropecuarias, CIAEA, Hermosillo, Sonora, MX, May. 2013. Recuperado de https://dagus.unison.mx/publicaciones/congresos/XXVI%20CONGRESO%20INTERNACIONAL%20EN%20ADMINISTRACION/LA%20GANADERÍA%20BOVINA.pdf

[13] INEGI, “La porcicultura en Sonora”. (2007). Disponible en www.inegi.org.mx

[14] SAGARHPA, Programa de mediano plazo de desarrollo pecuario 2016-2021. Hermosillo, Sonora, MX: Sonora, 2016. Disponible en https://desaladora.sonora.gob.mx/images/transparencia/programas/programa-sectorial-mediano-plazo-sagarhpa.pdf

[15] V. J. Gutiérrez, I. F. Ramírez, G. Encarnación y A. Medina, Diagnóstico básico para la gestión integral de los residuos. CDMX, MX: INECC/SEMARNAT, 2012. Recuperado de https://biblioteca.semarnat.gob.mx/Documentos/Ciga/libros2009/CD001408.pdf

[16] SEMARNAT, Diagnóstico básico para la gestión integral de residuos 2020. CDMX, MX: INECC, 2020. Recuperado de https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/554385/DBGIR-15-mayo-2020.pdf

[17] A. Sagastume, J. J. Cabello, L. Hens & C. Vandecasteele, “The energy potential of agriculture, agroindustrial, livestock, and slaughterhouse biomass wastes through direct combustion and anaerobic digestion. The case of Colombia”, J Clean Prod, vol. 269, Oct. 2020. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122317

[18] E. Jaramillo, “Propuesta de diseño de un biodigestor casero”, Tesis grado, IQI, IPN, CDMX, MX, 2011. Recuperado de https://tesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/25406/1/Propuesta%20de%20diseño%20de%20un%20biodigestor%20casero.pdf

[١٩] Smart Energy Sonora, Mapa de ruta de energía de energía de Sonora. CDMX, MX: Knoware, 2016. Recuperado de https://coees.sonora.gob.mx/images/archivos/mapa-de-ruta-de-energia-sonora-final-8-agosto.pdf

[20] SEMARNAT, “Consumo de Energía por Hogar”. (2016). Disponible en http://dgeiawf.semarnat.gob.mx:8080/ibi_apps/WFServlet?IBIF_ex=D2_ENERGIA06_20&IBIC_user=dgeia_mce&IBIC_pass=dgeia_mce&NOMBREENTIDAD=*&NOMBREANIO=*

[21] INEGI, Panorama sociodemográfico de México. CDMX, MX: INEGI, 2020. Recuperado de https://www.inegi.org.mx/contenidos/productos/prod_serv/contenidos/espanol/bvinegi/productos/nueva_estruc/702825197711.pdf

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© The author; licensee Universidad de la Costa - CUC.
LADEE vol. 2 no. 2, pp. 24-31. Julio - Diciembre, 2021
Barranquilla. e-ISSN 2744-9750 (En línea)
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