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Introducción
El artículo titulado Potencial de biogás, energía eléctrica, reducción de CO2eq y rentabilidad de biodigestor-motogenerador para establos lecheros en México se estructura en seis apartados. El primero consiste en Gases de Efecto Invernadero dentro de la actividad agropecuaria, donde se analiza la concentración de Gases de Efecto Invernadero (GEI) en la actividad agropecuaria, desde la era preindustrial hasta la actualidad, y se discuten sus causas y consecuencias. Se hace especial hincapié en la cantidad de CO2 equivalente emitida por metano (CH4) y óxido de nitrógeno (N2O), los principales GEI derivados del manejo de estiércol, los cuales son respectivamente 28 y 265 veces más dañinos que el dióxido de carbono. El segundo apartado aborda ¿Cómo convertir un GEI en energía limpia en la actividad pecuaria?, cómo el metano puede ser transformado en un combustible renovable mediante la tecnología de biodigestores, ofreciendo una alternativa sostenible para los sectores rurales. Esa tecnología permite capitalizar la abundante materia orgánica, tradicionalmente considerada un problema de contaminación y salud pública, para generar biogás. El biogás se utiliza, tanto como energía calórica como para la producción de electricidad en establos lecheros. Posteriormente, en el tercer apartado se examina la importancia de la producción leche en México, detallando a los principales productores, el volumen y valor de producción, y los empleos generados. También se argumenta la necesidad de adoptar tecnologías limpias en esta industria. En el cuarto apartado se especifica la metodología utilizada para calcular el potencial de biogás, energía eléctrica y potencial de reducción de emisiones de CO2eq para la actividad lechera en México, así como la utilizada para calcular la rentabilidad para cinco tamaños de establos lecheros propuesto. En un quinto apartado, se presentan los resultados de la investigación y se contrastan con los resultados más destacados que han publicado diversos autores a nivel nacional y mundial, en estudios similares. Finalmente, en el sexto apartado se presentan las conclusiones, en las cuales se hace hincapié de la importancia económica de la actividad lechera en México y cómo los establos lecheros pueden convertir sus desechos en energía limpia y sostenible con el uso de biodigestores tipo laguna, además que con el sistema biodigestormotogenerador se obtienen beneficios sociales, económicos y ambientales.
Gases de Efecto Invernadero dentro de la actividad agropecuaria
Importancia de los Gases de Efecto Invernadero.
Los Gases de Efecto Invernadero (GEI) se encuentran en la atmósfera tanto de forma natural como por origen antropogénico. Los gases absorben y emiten radiación infrarroja, lo que causa el efecto invernadero. De acuerdo con el Protocolo de Kioto, los seis principales GEI son el dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), hidrofluorocarbonos (HFC), perfluorocarbonos (PFC) y hexafluoruro de azufre (SF6) (Benavides y León, 2007; IPCC, 2013). El incremento en las concentraciones de estos GEI está provocando un aumento de la temperatura global con impactos negativos para el entorno socioambiental (Olivo y Soto-Olivo, 2010).
Hay que destacar que la concentración de los principales GEI en la atmósfera ha experimentado un crecimiento considerable en los últimos 273 años, debido, principalmente, a actividades de origen antropogénico. Hasta la era industrial, la concentración de los tres principales GEI (CH4, CO2 y N2O) permanecía constante. Antes del año 1750, la concentración de CO2 era de 280 partes por millón (ppm), mientras que para el año 2022 esta se incrementó a 419 ppm, lo que supone un aumento del 49.6%. El incremento de este GEI se debe a la quema de combustibles fósiles, al uso indiscriminado de leña para generar energía térmica, a la tala y quema de bosques, y a la producción de cemento.
En ese mismo año, la concentración de CH4 era de 722 partes por billón (ppb) y para el año 2022 alcanzó las 1923 ppb, lo que representa un significativo incremento del 166.3%, debido a la fermentación entérica, la gestión de estiércol, las emisiones derivadas de la extracción de combustibles fósiles, el cultivo de arroz y las emisiones de vertederos. Además, la concentración de N2O era de 270 ppb y para 2022 aumentó a 336 ppb, incrementándose en un 24.4% debido a la producción de amoniaco para fertilizantes químicos, emisiones de suelos agrícolas y la combustión de combustibles fósiles (Benavides y León, 2007; SEMARNAT e INECC, 2012; IPCC, 2013; USNOAA, 2023).
A nivel mundial, el sector agrícola (que incluye la agricultura y la ganadería) aporta de manera significativa su contribución a los GEI. Estas emisiones, en el año 2020, fueron de 1.5 billones de toneladas de CO2eq liberadas a la atmósfera. Aproximadamente el 57% de ellas corresponde a actividades relacionadas con la ganadería, de las cuales el 39% se debe a la fermentación entérica y el 9% al manejo de estiércol. Los productos generados en la ganadería también contribuyen a la emisión de CO2eq; por ejemplo, la producción de carne de bovino genera 30 kg de CO2eq por kilogramo, la de ovino 24 kg de CO2eq por kilogramo, la de cerdo 1.8 kg de CO2eq por kilogramo y la de pollo 0.6 kg de CO2eq por kilogramo. Asimismo, la producción de leche de vaca genera 1 kg de CO2eq por kilogramo y la de oveja 5.6 kg de CO2eq por kilogramo (FAO, 2022).
En México, los principales GEI generados son el CO2 con un 55%, el CH4 con un 33%, el N2O con un 8% y los HFCs con un 4%. Los principales emisores de GEI son la generación de energía con un 64%, la Agricultura junto con el Uso de Tierra, Cambio de Uso de Tierra y
Silvicultura (UTCUTS) con un 19%, los Procesos Industriales y Uso de Productos (PIUP) con un 10%, y los Residuos con un 7%. La categoría de Agricultura junto con UTCUTS generó un total de 140,807.24 Gg de CO2eq en 2019.
De este total, la fermentación entérica, que es un proceso natural de los rumiantes, representó el 58% con 82,287.31 Gg de CO2eq, de los cuales el 100% fue CH4. Mientras tanto, el manejo de estiércol en México generó el 20% de las emisiones de la categoría Agricultura y UTCUTS, con un total de 27,984 Gg de CO2eq, de los cuales el CH4 representó el 71% y el N2O el 29%. Es relevante mencionar que el manejo de estiércol y el uso de fertilizantes químicos generan dos de los GEI más dañinos: el CH4, con un Potencial de Calentamiento Global (PCG) 28 veces más alto que el CO2, y el N2O, con un PCG 265 veces mayor que el CO2 (Semarnat e INECC, 2022; Saynes, Etchevers, Paz, y Alvarado, 2016).
La generación de energía es otro de los principales emisores de GEI en el mundo, especialmente en lo que respecta a la electricidad. Según la U. S. Energy Information Administration (EIA, 2021), el 61.4% de la energía eléctrica a nivel mundial en el año 2020 fue generada por fuentes de origen fósil. En México, la generación de electricidad y calor, donde se emplean combustibles fósiles, emitió 171,397.386 Gg de CO2eq, lo cual representó el 23% de las emisiones totales del país (Semarnat e INECC, 2022). La agricultura y la producción pecuaria aportan significativamente a las emisiones de GEI de origen antropogénico en la atmósfera, las cuales contribuyen al calentamiento global y al cambio climático (Carmona, Bolívar, y Giraldo, 2005; Hernandez-De Lira, Huber, Espinosa-Solares, y Balagurusamy, 2015). Cada año, se generan grandes cantidades de residuos agrícolas y estiércol animal en el mundo, lo que constituye un grave problema ambiental que requiere un manejo adecuado (Almomani y Bhosale, 2021).
¿Cómo convertir un GEI en energía limpia en la actividad pecuaria?
Alternativas para convertir el problema de contaminación en energía renovable en la actividad pecuaria.
La Digestión Anaeróbica (DA) representa una estrategia innovadora que permite la gestión eficaz de desechos de la actividad pecuaria, mitigando así los impactos ambientales. Esta tecnología es clave en la disminución de emisiones de metano (CH4), un potente gas de efecto invernadero, que se libera durante la descomposición natural del estiércol (Solano, 2019; Alvarado, De Oliveira, De Oliveira, Damasceno, y Alvez, 2020; Ngo, Ball, y Shahsavari, 2021). Además, la DA facilita la producción de biogás, reconocido como una fuente de energía renovable y sostenible, que contribuye significativamente a la reducción de gases de efecto invernadero al reemplazar combustibles fósiles en la generación de calor y electricidad (Benali, Hamad, y Hamad, 2019; Solano, 2019; Alvarado et al., 2020; Ngo et al., 2021; Sanaye y Yazdani, 2022). Según Ngo et al. (2021), el tratamiento de una tonelada de desechos mediante la DA puede resultar en una disminución de 0.143 toneladas de equivalente de CO2.
El uso de biodigestores, un elemento esencial de la DA, se ha posicionado como una solución económica y ecológica para el manejo de residuos a nivel global. Su implementación no solo permite recuperar una cantidad significativa de energía con viabilidad económica, sino que también satisface una diversidad de necesidades energéticas. Al procesar sustratos biodegradables, como residuos vegetales y estiércol, se produce biogás y, adicionalmente, se genera un subproducto valioso: el biofertilizante (FAO, 2019; CEPAL, 2019). La tecnología de los biodigestores, por tanto, emerge como un recurso prometedor para la creación de un ciclo de energía sostenible y la valorización de desechos orgánicos en el ámbito rural.
La implementación de sistemas de biodigestión para la producción de biogás y biofertilizantes enriquece el entorno rural, otorgando un mayor valor a sus prácticas y contribuyendo al desarrollo económico y al mejoramiento de la calidad de vida tal como lo señalan Roslee et al. (2021) y Alvarado y colaboradores (2020). Además, estos sistemas son cruciales para la generación de energía y la gestión de saneamiento, aspectos fundamentales para el progreso de cualquier sociedad. En la actualidad, la diversidad de materiales utilizados para la construcción de biodigestores es amplia, incluyendo geomembranas de polietileno, caucho flexible, concreto, acero al carbono, poliestireno expandido, acero inoxidable y plástico, reflejando una adaptabilidad a diferentes contextos y necesidades (CEPAL, 2019; FAO, 2019). De acuerdo con el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP, 2017). En México, la preferencia se inclina hacia los biodigestores tipo laguna, que representan el 81% de los implementados, seguidos por los modulares y los reactores laguna.
Los biodigestores tipo laguna, en particular, se benefician de la infraestructura existente de lagunas de tratamiento de efluentes, que se modifican con una cubierta de geomembrana para la captura de biogás, optimizando el proceso de digestión anaeróbica (FAO, 2019). Las instalaciones son altamente beneficiosas en granjas lecheras; el biogás producido puede usarse directamente como fuente de calor en aplicaciones como iluminación, calefacción, cocinas y calderas, mejorando las operaciones de saneamiento y el procesamiento de productos lácteos. Además, el biogás sirve como combustible para motores y para la generación de energía eléctrica, mientras que el biofertilizante derivado puede convertirse en un producto comercial viable (Molina, Molina, Espinoza, Contreras, y López, 2020; Barrena, Salazar, Gosgot, Ordinola, y Huanes, 2019; Martínez-García et al., 2020; Velásquez-Piñas, Calle-Roalcaba, Miramontes-Martínez, y Alonso, 2023; CEPAL, 2019). La tecnología, ampliamente adoptada tanto en Estados Unidos como en América Latina (Martí, Pino y Víquez, 2017; Williams et al., 2020), destaca por su capacidad de proporcionar energía renovable constante, al contrario de las intermitencias propias de las fuentes solares y eólicas (Williams et al., 2020).
Entre 2005 y 2010, México vio la instalación de 720 biodigestores del tipo laguna, de los cuales el 72% se estableció bajo el Mecanismo de Desarrollo Limpio del Protocolo de Kioto, marcando un hito en la adopción de tecnologías sustentables (FIRCO, 2011). En un impulso paralelo, el FIRCO inició en 2006 un programa piloto que puso en funcionamiento nueve motogeneradores movidos por biogás en granjas porcinas de Jalisco, Sonora y Nuevo León, una iniciativa pionera en la producción de electricidad renovable (FIRCO, 2007). La estrategia no solo ha incrementado la eficiencia energética, sino que también ha reforzado la competitividad y rentabilidad del sector agropecuario, y para 2018, se reportaron 160 establos lecheros equipados con esta tecnología operativa, según Gutiérrez (2018).
Según datos de la United State Agency for International Development y el International Renewable Resources Institute of Mexico (USAID e IRRI, 2015), existen 2,167 biodigestores en México, distribuidos estratégicamente entre el sector doméstico (36.9%), el sector productivo (7.6%), y el sector industrial (55.5%), este último con capacidades que superan los 1000 m³. Dentro de este segmento industrial, 640 biodigestores se beneficiaron del apoyo del Mecanismo de Desarrollo Limpio, 317 recibieron apoyo de la Sagarpa y 302 contaron con financiamiento privado. Estos biodigestores industriales están diseñados para producir biogás en volumen suficiente para operar motogeneradores y suministrar energía eléctrica, contribuyendo significativamente al perfil energético de los agronegocios.
La transición hacia energías renovables, en particular la generación de electricidad a partir de biogás, es cada vez más imperativa, y el biogás emerge como una solución significativa (García y Masera, 2016). Globalmente, la capacidad instalada para la generación de electricidad mediante biogás alcanza los 15 GW, con la Unión Europea a la cabeza con más de 10 GW, seguida por
América del Norte con 2.4 GW, Asia con 711 MW, América del Sur con 147 MW y África con 33 MW, lo que subraya la relevancia internacional de esta fuente de energía, reflejando un panorama energético en crecimiento y diversificación hacia fuentes más sostenibles (Scarlat, Dallemand, y Fahl, 2018).
Importancia de la producción de leche en México
La ganadería bovina, enfocada en la producción de leche, es una actividad económica fundamental para casi 150 millones de hogares a nivel global, siendo especialmente crítica en naciones en desarrollo. La lechería no solo apoya los sustentos y mejora la seguridad alimentaria y nutricional de las familias, sino que también desempeña un rol vital en la economía agrícola (FAO, 2023). En términos de producción, el mundo ve una producción anual de 886.86 millones de toneladas de leche. La India lidera la producción global con el 20.74%, seguida por Estados Unidos con el 11.42%, Pakistán con el 6.85%, China con el 4.42% y Brasil con el 4.15%. México se posiciona en el décimo quinto lugar, contribuyendo con el 1.44% de la producción mundial de leche (FAO, 2022).
En el contexto mexicano, la producción de leche de bovino representa la tercera actividad económica más relevante dentro del sector alimentario, aportando el 17.22% del valor de producción nacional, superada únicamente por la producción de carne de bovino (30%) y de ave (23%) (SE, 2012; Sagarpa, 2018). Con más de 200 mil empleos directos y permanentes, esta industria es una fuente significativa de empleo remunerado. Adicionalmente, sumando la producción nacional a las importaciones, el consumo per cápita de leche en México alcanza los 134 litros (Sagarpa, 2018).
La producción lechera en México se destaca por su vitalidad y tradición dentro del sector agropecuario. Entre 2011 y 2020, el inventario nacional de vacas lecheras creció de 2,382,443 a 2,606,311 cabezas, registrando un incremento promedio anual del 1%. En 2021, la producción alcanzó los 12,852 millones de litros, valorados en 90,824 millones de pesos, según datos del Servicio de Información Agroalimentaria y Pesquera (SIAP, 2023). A pesar de este crecimiento, la producción interna no satisface la demanda del país. Según la Secretaría de Agricultura y Desarrollo Rural (Sader, 2019), México encabeza las importaciones de leche en polvo a nivel global y se sitúa en quinto lugar en importaciones de leche fluida. En 2018, las importaciones equivalieron a 3,740 millones de litros entre leche en polvo y fluida, con 360 mil toneladas de leche descremada en polvo, convirtiendo al país en el mayor importador de este producto (CEDRSSA, 2019). La continuación de las importaciones masivas puede desestabilizar el mercado interno, afectando el precio de la leche fresca y llevando al cierre de unidades productivas locales (Espinoza-Arellano, Fabela-Hernández, López-Chavarría, y Martínez-Gómez, 2019). Ante este escenario, es imperativo que todos los sistemas de producción lechera mejoren sus índices de productividad, se integren efectivamente a las cadenas de valor, corrijan deficiencias y busquen la tecnificación y capacitación en gestión (Loera y Banda, 2017). Implementar estas medidas podría significar un aumento sustancial en la productividad, rentabilidad y competitividad de los establos lecheros en México.
En este contexto, una solución viable para los establos lecheros es la adopción de tecnologías como los sistemas de biodigestión y motogeneración. Tal estrategia no solo mejora la productividad y la rentabilidad, sino que también reduce significativamente los costos operativos al generar electricidad. Dado que la energía eléctrica es uno de los principales costos en la producción, la conversión de excretas en electricidad puede resultar en ahorros sustanciales para las explotaciones ganaderas, como indican los estudios de Vera-Romero, Estrada-Jaramillo, Martínez-Reyes, y Ortiz-Soriano (2015); Venegas, Espejel, Pérez, Castellanos, y Sedano, (2017); y Velásquez-Piñas et al. (2023).
Metodología
Para estimar la producción de biogás, es crucial contar con datos precisos sobre el inventario de vacas lecheras, especialmente en los principales estados productores de leche de México. La información suministrada por el SIAP (2023) y CEDRSSA (2019) indica que hay 3,059 establos lecheros en el país. Siguiendo la clasificación de Gasque y Blanco (2001), en México se identifican cuatro categorías de producción lechera: especializada (51%), semiespecializada (21%), familiar (10%) y de doble propósito (18%). En promedio, un establo de producción lechera especializada maneja 230 vientres, con una variación que va desde 100 hasta 3,000. Para llevar a cabo un análisis de rentabilidad sobre la inversión en sistemas de biodigestores y motogeneradores, se propone evaluar establos lecheros especializados de distintos tamaños: 200, 500, 1,000, 2,000 y 3,000 vientres.
Una vez que se tiene el número de vacas lecheras por estado, se puede calcular el potencial de producción de metano utilizando las fórmulas desarrolladas por Chen (1983); Hashimoto, Chen, y Varel, (1981); y Hashimoto (1984), que Venegas, Arial, y Pinto, (2019) aplicaron en sus estudios. Estas fórmulas consideran variables como la cantidad de estiércol producido, la composición del estiércol, la temperatura de digestión y el tiempo de retención, entre otras, para estimar la cantidad de metano que se podría generar.
La conversión de estos datos en información aplicable para la toma de decisiones permitirá a los establos lecheros especializados en México valorar la viabilidad y los beneficios económicos de implementar tecnologías de biodigestión y motogeneración, con el objetivo de hacer más sostenible y rentable su producción.
Donde VCH4 es el Volumen de metano producido en el biodigestor (m3 día-1); Bo es el potencial de producción de metano (m3 CH4 kg-1 de SV) acorde con lo establecido por el IPCC (2006) del capítulo 10, volumen 4; SV sólidos volátiles (kg materia seca animal-1 día-1); θ es el tiempo de retención hidráulico de acuerdo con especificaciones de Lagrange (1979); K y μm representan respectivamente el parámetro cinético y la tasa máxima de crecimiento específico por día (%), determinados por Hashimoto (1984).
Tras calcular la producción de metano, se procedió a estimar el potencial de generación de energía eléctrica siguiendo la metodología establecida por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA, 2006, por sus siglas en inglés), la cual ha sido aplicada en estudios previos como los de Casas et al. (2009), Venegas et al. (2017) y Venegas et al. (2019).
Para la estimación del potencial energético se utilizaron las siguientes variables: kWh año-1, que denota kilovatios-hora por año; CH4, que representa el metano generado; el contenido de
Unidades Térmicas Británicas (BTU) por pie cúbico de metano, asignándole un valor estándar de 1,010 (ft-3); una eficiencia de conversión de metano a electricidad del 25%; y una eficiencia de transmisión de 90%.
El impacto ambiental, específicamente el potencial de reducción de equivalentes de CO2, se cuantificó siguiendo la metodología prescrita por la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (UNFCCC, 2013, por sus siglas en inglés). El cálculo comenzó estableciendo una línea base que refleja el nivel de emisiones asociado con la producción lechera por estado, expresado en toneladas de CO2 equivalente (t CO2eq).
Donde: BECH4,y Emisiones de línea base en el año “Y”, GWPCH4 Potencial de Calentamiento Global (tCH4 tCO2 -1), DCH4 Densidad del metano t m-3, LT Índice para todo tipo de ganado, Índice por sistema de manejo de residuos, MCFj Factor de conversión anual de metano (%), B0,LT Potencial de producción de metano (m3CH4 kg-1 de SV), NLT,y Promedio anual vacas, VSLT,y sólidos volátiles (kg materia seca animal-1 día-1), MS%BI,j Fracción de manejo de estiércol en la línea base del sistema de manejo de estiércol por animal (%).
En segundo lugar, se calculó el potencial de reducción de emisiones que se puede alcanzar con el uso de biodigestores tipo laguna con la siguiente relación:
Donde: BEy Emisiones de Línea Base (t CO2eq), PEy Emisiones por combustión de metano y por autoconsumo de energía eléctrica (t CO2eq) y LEy Emisiones por fugas (t CO2eq).
El cálculo del consumo de energía eléctrica para los cinco tamaños de establos lecheros propuestos se basó en datos proporcionados por Hernández-Anaya, Ruesga-Gutiérrez, OlmosCornejo, y Cortes-López (2018), quienes realizaron un promedio para diferentes tamaños de establos lecheros en Jalisco. Para fines de referencia, se consideró el consumo de un establo promedio que albergaba 280 vacas.
En el análisis se incluyeron biodigestores tipo laguna de capacidades de 580, 1,450, 2,900, 5,800 y 8,700 m3, junto con motogeneradores de 30, 60 y 127 kWh. Cada sistema se evaluó en términos de inversión y costos de mantenimiento tanto para el biodigestor como para el motogenerador. Se asumió una operación continua de 15 horas al día durante los 365 días del año para los motogeneradores, siguiendo el enfoque de Escalera, Gallegos, y Leal, (2014), quienes analizaron la rentabilidad de un motogenerador de 60 kWh bajo estas condiciones operativas.
Además, se consideró como ingreso la energía eléctrica generada por el motogenerador. Para este propósito, se tomó como referencia la tarifa OM de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), a la cual se añadió un cargo promedio por kilovatio de demanda máxima de cada granja, con un precio estimado de
El análisis de rentabilidad se llevó a cabo utilizando la metodología propuesta por Baca (2013). Se calcularon tres indicadores clave: el Valor Actual Neto (VAN), la Tasa Interna de Retorno (TIR) y la Relación Beneficio-Costo (B/C), con una tasa de actualización del 11.06%. Esta tasa se seleccionó como referencia para evaluar la viabilidad económica del proyecto.
De acuerdo con Velásquez-Piñas et al. (2023), la decisión de implementar un proyecto de biogás debe basarse en indicadores económicos tradicionales como el VAN y la TIR. Además, es esencial que las evaluaciones económicas consideren el valor del dinero en el tiempo, lo que implica tener en cuenta la tasa de descuento, como lo recomienda Vera et al. (2015). Estos indicadores proporcionan una visión integral de la rentabilidad y viabilidad financiera del proyecto, lo que facilita la toma de decisiones informadas al respecto.
Resultados y discusión
Con una población de 2,606,311 vacas productoras de leche registradas en México en 2020, según los datos del SIAP (2023), existe un significativo potencial para la generación de biogás, que asciende a 1,649.5 millones de metros cúbicos anuales. Esto equivale a un promedio de 1.73 metros cúbicos de biogás por día por cada vaca lechera en el país. Es importante destacar que los estados de Jalisco, Chihuahua, Durango y Coahuila representan conjuntamente el 49.12% de este potencial total en México, con valores promedio de 1.81, 1.71, 1.70 y 1.83 metros cúbicos por día por vaca, respectivamente.
Estos resultados concuerdan con investigaciones previas, como la de Casas et al. (2009), que calculó un potencial de 1.73 metros cúbicos por día en Delicias, Chihuahua; Pizarro, Mulbry, Blersch, y Kangas (2006), quienes reportaron dos metros cúbicos diarios en Maryland, Estados Unidos; Mantilla, Duque y Galeano, (2007), que estimaron 1.87 metros cúbicos al día en Colombia; y Vera (2011), quien calculó un potencial de 1.8 metros cúbicos diarios en Tizayuca, Hidalgo. Estos datos respaldan la viabilidad del aprovechamiento del biogás en la producción de leche a nivel nacional e internacional.
Cuadro 1 Potencial de biogás y energía eléctrica en la actividad lechera de México
| Estado | Cabezas ganado | de βBiogás (m3 año-1) | Ω Energía Eléctrica (MW año -1 ) | Representación (%) |
|---|---|---|---|---|
| Aguascalientes | 77,955 | 47,383,217 | 66,854 | 2.87 |
| Baja California | 43,550 | 29,500,557 | 41,623 | 1.79 |
| Coahuila | 256,249 | 171,724,557 | 242,290 | 10.41 |
| Chiapas | 31,575 | 21,976,284 | 31,007 | 1.33 |
| Chihuahua | 299,932 | 187,217,295 | 264,149 | 11.35 |
| Durango | 314,720 | 195,769,847 | 276,216 | 11.87 |
| Guanajuato | 200,916 | 127,036,575 | 179,239 | 7.70 |
| Hidalgo | 198,027 | 121,356,732 | 171,225 | 7.36 |
| Jalisco | 386,899 | 255,589,940 | 360,617 | 15.49 |
| México | 100,878 | 45,161,001 | 63,719 | 2.74 |
| Michoacán | 67,008 | 43,411,951 | 61,251 | 2.63 |
| Puebla | 178,066 | 109,966,625 | 155,154 | 6.67 |
| Querétaro | 116,614 | 73,506,546 | 103,712 | 4.46 |
| Veracruz | 62,720 | 42,833,729 | 60,435 | 2.60 |
| Zacatecas | 84,479 | 50,179,010 | 70,799 | 3.04 |
| Resto | 186,723 | 126,907,523 | 179,056 | 7.69 |
| Total | 2,606,311 | 1,649,521,387 | 2,327,344 | 100.00 |
Fuente: elaboración propia βCon base en fórmulas de Chen (1983), Hashimoto et al. (1981) y Hashimoto (1984).
Considerando una concentración de CH4 del 60% en la composición del biogás. ΩCon base en la fórmula de USEPA (2006).
México presenta un significativo potencial de generación de 2,327.3 GW de energía eléctrica anual, según los resultados obtenidos (ver Cuadro 2). Es importante destacar que este potencial está directamente relacionado con la producción de biogás; los cuatro principales estados contribuyentes son los mismos: Jalisco, Chihuahua, Durango y Coahuila. En cuanto al consumo de electricidad per cápita en México, se registró un promedio de 2,256.94 kilovatios-hora (kWh) en 2019 y 2,220.52 kWh en 2020, lo que representa una disminución del 1.61% (SENER, 2021). Considerando este valor de referencia, el potencial de generación de energía eléctrica a partir de la actividad lechera podría cubrir las necesidades de consumo de 1,048,108 personas anualmente.
Cuadro 2 Línea base y potencial de reducción de emisiones de CO2eq en la actividad lechera de México
| Estado | Cabezas de ganado | Línea base por emisión de estiércol t (CO2eq) | Potencial de reducción de emisiones (t CO2eq) | Representación (%) |
|---|---|---|---|---|
| Aguascalientes | 77,955 | 385,703 | 300,418 | 2.99 |
| Baja California | 43,550 | 215,475 | 167,822 | 1.67 |
| Coahuila | 256,249 | 1,267,859 | 987,558 | 9.83 |
| Chiapas | 31,575 | 156,226 | 121,671 | 1.21 |
| Chihuahua | 299,932 | 1,483,992 | 1,155,911 | 11.51 |
| Durango | 314,720 | 1,557,159 | 1,212,904 | 12.08 |
| Guanajuato | 200,916 | 994,084 | 774,306 | 7.71 |
| Hidalgo | 198,027 | 979,790 | 763,172 | 7.60 |
| Jalisco | 386,899 | 1,914,284 | 1,491,080 | 14.85 |
| México | 100,878 | 499,120 | 388,763 | 3.87 |
| Michoacán | 67,008 | 331,540 | 258,228 | 2.57 |
| Puebla | 178,066 | 881,028 | 686,243 | 6.83 |
| Querétaro | 116,614 | 576,978 | 449,409 | 4.47 |
| Veracruz | 62,720 | 310,324 | 241,703 | 2.41 |
| Zacatecas | 84,479 | 417,982 | 325,561 | 3.24 |
| Resto | 186,723 | 923,861 | 719,327 | 7.16 |
| Total | 2,606,311 | 12,895,403 | 10,044,077 | 100.00 |
Fuente: elaboración propia con base en la metodología ACM0010 de la UNFCCC (2013).
Los resultados de esta investigación indican que un metro cúbico de CH4 generado en un biodigestor tipo laguna tiene un promedio de capacidad para generar 2.45 kilovatios de energía eléctrica en México. Los hallazgos concuerdan con investigaciones anteriores, como la realizada por Casas et al. (2009), que reportó una generación de 2.3 kilovatios por metro cúbico de biogás en establos lecheros en Delicias, Chihuahua. También se alinean con los resultados de Vera-Romero, Martínez-Reyes, Estrada-Jaramillo, y Ortiz-Soriano (2014), que estimaron 2.85 kilovatios de energía eléctrica en la región Ciénega del estado de Michoacán, y con los datos de Pinto et al. (2023), quienes calcularon una generación de 2.15 kilovatios por metro cúbico de metano en Brasil.
Es fundamental destacar que la preservación del medio ambiente se ha convertido en una prioridad en la actualidad. Los acuerdos de París, conocidos como COP 21 y COP 24 en Katowice 2018, han reforzado las acciones a corto plazo destinadas a la mitigación y adaptación al cambio climático. Los acuerdos enfatizan la necesidad de transitar de los combustibles fósiles a fuentes de energía limpia como un camino crucial para lograr reducciones significativas de gases de efecto invernadero a nivel global (Solano, 2019). En consecuencia, el compromiso de la humanidad se centra en la preservación del planeta y la búsqueda constante de estrategias que contribuyan a mejorar las condiciones ambientales.
El empleo de biodigestores tiene un impacto significativo en la reducción de la contaminación ambiental. Los resultados de esta investigación revelan que la actividad lechera en México podría lograr una reducción potencial de 10,044 millones de toneladas de CO2eq mediante el uso de biodigestores, lo que representa aproximadamente el 77% de las emisiones totales de CO2eq generadas por esta actividad.
Los cálculos de la línea base arrojaron valores de 990, 2,474, 4,948, 9,896 y 14,843 toneladas de CO2eq, mientras que el potencial de reducción de emisiones se estimó en 752, 1,908, 3,835, 7,689 y 11,543 toneladas de CO2eq (una reducción del 77%) para los diferentes tamaños de establos lecheros que van desde 200 hasta 3000 vacas lecheras. Estos resultados contrastan con los informados por Solano (2019) en Venezuela y Sanaye & Yazdani (2022) en Irán, quienes obtuvieron porcentajes de reducción de emisiones del 86.8% y 64%, respectivamente, para sistemas similares.
La rentabilidad de los sistemas de generación de biogás, como los biodigestores y motogeneradores, ha sido respaldada por investigaciones previas (FIRCO, 2007; Escalera et al., 2014; Venegas et al., 2019). No obstante, existen escasos estudios sobre la viabilidad económica de estos sistemas en establos lecheros. Casas et al. (2009) llevaron a cabo un análisis para varios tamaños de establos lecheros, concluyendo que solo el establo de 200 vacas no resultaba económicamente viable.
La inversión en proyectos de energía limpia, como los sistemas biodigestor-motogenerador, es crucial en la actualidad. Los análisis de rentabilidad proporcionan información valiosa que puede guiar decisiones de inversión en proyectos que promueven la sostenibilidad y reducen las emisiones de gases de efecto invernadero (Cuadro 3). Según Velásquez, Venturini, Silva, Almazan, y Calle, (2019), las plantas de biogás en el sector agrícola son atractivas en varios países debido a la posibilidad de generar ingresos adicionales mediante la venta de energía eléctrica a la red de distribución, aunque aún no se han definido completamente las condiciones específicas para su rentabilidad.
Cuadro 3 Rentabilidad del sistema biodigestor-motogenerador para cinco tamaños de establos lecheros para la actividad lechera en México
| Tamaño (Cabezas) | Costo biodigestormotogenerador ($) | Biogás (m3 año-1) | Demanda de biogás (m3 año-1) | Período de Recuperación de la Inversión (Año) | VAN | TIR | B/C |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 200 | 1,608,229 | 135,083 | 120,450 | 6 | 49,929 | 11.80 | 1.03 |
| 500 | 1,887,290 | 337,708 | 120,450 | 6 | 146,178 | 12.81 | 1.06 |
| 1000 | 2,904,627 | 675,417 | 339,450 | 4 | 1,545,247 | 22.71 | 1.44 |
| 2000 | 3,942,739 | 1,350,833 | 492,750 | 3 | 5,044,584 | 37.16 | 2.09 |
| 3000 | 4,203,811 | 2,026,250 | 613,200 | 3 | 7,236,691 | 40.89 | 2.24 |
Fuente: elaboración propia. Nota: para el tamaño 200 y 500 vacas se evaluó un motogenerador de 30 kWh, para el tamaño de 1000 uno 60 kWh, para el tamaño de 2000 uno de 127 kWh y para el tamaño de 3000 vacas se contemplaron dos motogeneradores (30 y 127 kWh).
Según Venegas et al. (2017), las unidades de producción que utilizan motogeneradores alimentados con biogás tienen el potencial de cubrir el 100% de sus necesidades de energía eléctrica cuando operan al 100% de su capacidad. La Gráfica 1 muestra la demanda de energía eléctrica para cada tamaño de establo lechero propuesto, y se observa que se podría satisfacer el 100% de esa demanda, lo que resultaría en un ahorro del 100% en los costos de electricidad.Además, se generaría un excedente de energía que podría ser interconectado a la red eléctrica de la Comisión Federal de Electricidad (CFE).
Fuente: elaboración propia.
¥Nota: Para el establo de 3000 vacas lecheras se contemplan dos motogeneradores (30 y 127 kWh).
Gráfica 1 Potencial de generación de energía eléctrica y consumo promedio en cinco tamaños propuestos de establos lecheros en México (kW).
Los resultados son consistentes con lo informado por Solano (2019), quien evaluó establos lecheros de seis tamaños diferentes, donde el tamaño más pequeño (50 vacas) podría cubrir el 98% de su demanda de energía eléctrica, mientras que los otros tamaños presentaban excedentes que oscilaban entre el 12% y el 29%. Esta capacidad de autogeneración de electricidad y la posibilidad de exportar excedentes a la red eléctrica representan ventajas significativas en términos de reducción de costos operativos y contribución a la matriz energética sostenible, lo que hace que los sistemas biodigestor-motogenerador sean una opción atractiva para la industria lechera en México.
Los cinco sistemas propuestos en esta investigación demuestran ser rentables, ya que presentan indicadores de rentabilidad positivos. Estos indicadores incluyen un Valor Actual Neto (VAN) mayor a 0, una Tasa Interna de Retorno (TIR) superior a la tasa de actualización del 11.06%, y una Relación Beneficio-Costo (B/C) mayor a 1. Además, se observa que a medida que el tamaño del establo lechero aumenta, la rentabilidad también aumenta. La inversión se recupera en un período más corto a medida que se incrementa el tamaño del sistema, por ejemplo, en el tercer año para establos de 2000 y 3000 vacas. Estos resultados son coherentes con lo informado por Vera-Romero et al. (2017), quienes concluyeron que la inversión en biodigestores y motogeneradores en Jalisco se recupera en el tercer año. Pero difieren con Vilas et al. (2023), quienes indican que la inversión de sistema biodigestor-motogenerador en Brasil se recupera en 7.9 años.
Es necesario destacar que los resultados difieren de otros estudios que evalúan sistemas similares en diferentes contextos. Por ejemplo, Venegas et al. (2019), quienes evaluaron un sistema biodigestor-motogenerador para una granja de 1000 cerdos (equivalente a 200 vacas lecheras), obtuvieron una TIR del 17% y un VAN positivo, en cuanto a Pinto et al. (2023) evaluaron sistemas biodigestor-motogenerador en Brasil, en codigestión de estiércol bovino y cerdo, contemplaron 7 tamaños, el equivalente entre 1760 y 2000 vacas, a partir de quinto tamaño el sistema es rentable, es decir, a partir al equivalente a 1880 vacas lecheras. Estos resultados demuestran que la rentabilidad de estos sistemas puede variar según las condiciones específicas de cada proyecto y ubicación.
De esta manera, los sistemas de generación de biogás, como los biodigestores tipo laguna con motogeneradores, ofrecen oportunidades de inversión rentables en el sector lechero de México, especialmente para establos de mayor tamaño. Sin embargo, es importante realizar un análisis detallado y considerar las condiciones locales para evaluar la viabilidad económica de cada proyecto de manera individual.
Conclusiones
La actividad lechera en México desempeña un papel crucial en la economía nacional y la adopción de biodigestores representa una oportunidad significativa para convertir los desechos generados en establos lecheros en una fuente de energía limpia y sostenible. El potencial de generación de biogás en el país es impresionante, con la capacidad de producir 1,649.5 millones de metros cúbicos de biogás al año. Este biogás se traduce en un potencial de generación de energía eléctrica de 2,327.3 GW anuales, suficiente para satisfacer las necesidades de más de un millón de personas.
Los estados de Jalisco, Chihuahua, Durango y Coahuila emergen como líderes en la producción de leche y, por ende, en la generación de biogás, lo que subraya la importancia de la ganadería lechera en estos lugares. Los estados señalados arriba, representan casi la mitad del potencial total de México para la producción de biogás y energía eléctrica a partir de residuos de establos lecheros.
La implementación de sistemas de biodigestores tipo laguna con motogeneradores se muestra como una inversión rentable para los productores de leche. La recuperación de la inversión puede lograrse en un período relativamente corto, oscilando entre el tercer y sexto año, dependiendo del tamaño del establo. Esto indica que, además de contribuir a la sostenibilidad ambiental y a la reducción de emisiones de GEI, estos sistemas también pueden mejorar la productividad y la rentabilidad de los establos lecheros en México.
La adopción de energía renovable, como la generación de biogás a partir de residuos de establos lecheros, ofrece beneficios económicos, sociales y ambientales a las unidades de producción. Al mejorar la competitividad y promover prácticas más sostenibles, estos sistemas contribuyen al desarrollo sostenible de la industria lechera en México y refuerzan el compromiso con la transición hacia fuentes de energía más limpias y amigables con el medio ambiente.
