Tesis-Automatizacion-de-clima-paara-un-invernadero--Omar-Guadarrama-Leon-

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA 
MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
 
 
Automatización de Clima Para un Invernadero 
 
 T E S I S 
 
 Que para obtener el título de: 
Ingeniería en Control y automatización 
 
PRESENTA 
 
Omar Guadarrama León 
 
Asesores 
 
ING. Adrián Esteban Mejía García 
ING. José Luis Aguilar Juárez 
 
 
 México D.F. Diciembre 2014 
 
 
2 
 
 
 
 
3 
 
 
Agradecimientos. 
 
En especial a mis hermanas, Gloria y Cristina por su apoyo 
incondicional durante el tiempo que me ha tomado concluir esta 
carrera, gracias por su cariño y comprensión. 
 
 
 
A mis profesores que incondicionalmente me asesoraron durante el 
desarrollo de este trabajo. 
 
 
 
A quienes me brindaron apoyo contribuyendo al desarrollo de mi 
estudio. 
 
 
 
 
4 
 
INDICE GENERAL 
INDICE GENERAL ..................................................................................................................... 4 
INDICE DE FIGURAS............................................................................................................... 10 
RESUMEN .............................................................................................................................. 16 
INRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 17 
OBJETIVO GENERAL .............................................................................................................. 18 
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................................................... 18 
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................................... 19 
JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................................... 20 
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES............................................................................................... 22 
1.1 Invernaderos .............................................................................................................. 22 
1.2 Clima en los invernaderos ........................................................................................ 24 
CAPÍTULO 2 MARCO TEORICO ............................................................................................. 27 
2.1 Tipos de invernaderos ............................................................................................... 27 
2.1.1 Invernadero tipo plano ....................................................................................... 28 
2.1.2 Invernadero tipo raspa y amagado..................................................................... 28 
2.1.3 Invernadero tipo túnel ........................................................................................ 29 
2.1.4 Invernaderos tipo capilla .................................................................................... 29 
2.2 Tipos de biodigestores ............................................................................................... 31 
2.2.1 De campana flotante o tipo hindú ...................................................................... 31 
2.2.2 De cúpula fija o tipo chino .................................................................................. 31 
2.2.3 Biodigestor tubular plástico................................................................................ 32 
2.3 Situación actual del biogás. ..................................................................................... 33 
 
 
5 
 
2.4 Usos de sistemas de biogás ....................................................................................... 34 
2.5 Características del biogás .......................................................................................... 38 
2.6 Combustión del biogás. ............................................................................................. 38 
2.7 Purificación del biogás ............................................................................................... 39 
2.7.1 Eliminación del CO2 ............................................................................................. 39 
2.7.2 Eliminación del H2S ............................................................................................. 40 
2.8 Empresas de inversión de invernaderos en México .................................................. 40 
2.8.1 Bionatur .............................................................................................................. 40 
2.8.2 Almeriex, AMPUERO e INMEX, ........................................................................... 41 
2.8.3 VEGGIE PRIME SAPI de CV .................................................................................. 42 
2.9 Parámetros a considerar en un control climático. .................................................... 42 
2.9 .1 Temperatura. ..................................................................................................... 43 
2.9 .2 Humedad relativa (HR). ..................................................................................... 44 
2.9 .3 Iluminación ........................................................................................................ 45 
2.9.4 CO2 ...................................................................................................................... 46 
2.9.5 PH ........................................................................................................................ 47 
2.10 Sistemas de clima para invernaderos ...................................................................... 48 
2.10.1 Sistemas de calefacción .................................................................................... 48 
2.10.2 Calefacción por agua caliente. .......................................................................... 48 
2.10.3 Calefacción por aire caliente ............................................................................ 50 
2.11 Combustibles para calefacciones ............................................................................ 51 
2.12 Políticas en México en relación al uso de tecnologías de producción de biogás ... 52 
2.12.1 Ley general de cambio climático ...................................................................... 54 
 
 
6 
 
2.13 Controlador Lógico Programable (PLC). .................................................................. 55 
2.13.1 Estructura básica de un PLC.............................................................................. 56 
2.13.2 Tipos de PLC ...................................................................................................... 57 
2.14 Control automático .................................................................................................. 58 
2.15 Tipos de control ....................................................................................................... 59 
2.15.1 Control de lazo abierto. ................................................................................... 59 
2.15.2 Control de lazo cerrado. ................................................................................... 60 
2.16 Controladores .......................................................................................................... 62 
2.16.1 Control proporcional ........................................................................................ 63 
2.16.2 Control integral ................................................................................................. 64 
2.16.3 Control derivativo ............................................................................................ 64 
2.16.4 Control PI (proporcionalIntegral) .................................................................... 65 
2.16.5 Control PD (proporcional Derivativo) ............................................................... 66 
2.16.6 Control PID ........................................................................................................ 67 
CAPÍTULO 3 SITUACIÓN ACTUAL ....................................................................................... 69 
3.1 Estado actual del invernadero. .................................................................................. 69 
3.2 Características de las variables para el sistema climático de acuerdo al método de 
cultivo del jitomate .......................................................................................................... 74 
3.2.1 Temperatura ....................................................................................................... 76 
3.2.2 Humedad relativa. .............................................................................................. 76 
3.2.3 Riego del cultivo ................................................................................................. 77 
3.2.4 El pH. ................................................................................................................... 77 
3.2.5 El CO2 .................................................................................................................. 77 
3.2.5 La Iluminación ..................................................................................................... 77 
 
 
7 
 
3.3 Sistemas auxiliares para el cultivo del invernadero .................................................. 78 
3.3.1 Sistema de calefacción y ventilación .................................................................. 78 
3.3.2 Sistema de riego ................................................................................................. 78 
CAPÍTULO 4 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA PROPUESTO ......................................................... 79 
4.1 Plano general del diseño para el invernadero ........................................................... 82 
4.2 Medidas y ubicación de componentes para el invernadero ..................................... 84 
4.2.1 Medidas de altura de las instalaciones .................................................................. 85 
CAPÍTULO 5 DISEÑO DEL SISTEMA ....................................................................................... 90 
5.1 Diagrama de flujo del sistema ................................................................................... 90 
5.2 Selección de sensores y actuadores para la automatización del invernadero ......... 92 
5.2.1 Temperatura ....................................................................................................... 92 
5.2.2 Humedad ............................................................................................................ 94 
5.2.3 PH ........................................................................................................................ 95 
5.2.4 Sensor de CO2 .................................................................................................... 96 
5.2.6 Sensor de presión ............................................................................................... 98 
5.2.7 Sensor de flama .................................................................................................. 98 
5.2.8 Válvula de control del biogás.............................................................................. 99 
5.2.9 Quemador ......................................................................................................... 100 
5.2.10 Ignitor. ............................................................................................................ 101 
5.2.11 Ventiladores. ................................................................................................... 102 
5.2.12 Elementos para el sistema de riego ............................................................... 103 
5.2.13 Sensor de nivel ................................................................................................ 103 
5.3 Análisis de la red eléctrica para el invernadero...................................................... 104 
 
 
8 
 
5.3.1 Calculo de conductores para la red eléctrica del invernadero ........................ 107 
5.3.2 Cálculo de interruptores para la red eléctrica en el CCM. .............................. 109 
5.3.3 Cálculo de los interruptores termomagnéticos ................................................ 111 
5.4 Determinación del número de entradas y salidas del sistema. .............................. 114 
5.5 Selección del PLC ..................................................................................................... 116 
5.6 Diseño de la red de comunicación. .......................................................................... 118 
5.6.1 Características físicas de la red ......................................................................... 119 
5.6.2 Conexiones físicas de la Red Devicenet. ........................................................... 127 
5.7 Análisis de la planta. ................................................................................................ 132 
5.7.1 Función de transferencia de la planta .............................................................. 135 
5.7.2 Función de transferencia de la válvula ............................................................. 136 
5.7.3 Diseño del controlador. .................................................................................... 138 
5.8 Diagramas de flujo propuestos para la programación de los sistemas del 
invernadero .................................................................................................................... 140 
5.9 Configuración de la red de comunicación Devicenet. ............................................ 142 
5.6.1 Configuración del driver de comunicación. ...................................................... 144 
5.6.2 Configuración del rack PLC Rslogix 5561 .......................................................... 145 
5.6.3 Configuración de comunicación Devicenet. ..................................................... 147 
5.7 Programacion del Sistema de riego ......................................................................... 149 
CAPÍTULO 6 ANÁLISIS DE COSTOS ..................................................................................... 151 
6.1 Costos relacionados a la construcción de un biodigestor ....................................... 151 
6.2 Análisis del costo de producción y consumo del Biogás. ....................................... 152 
6.2.1 Comparaciones de uso en gases LP Natural Y Biogás. ...................................... 152 
6.3 Inversión en materiales para la automatización del invernadero ........................... 154 
 
 
9 
 
6.4 Análisis de Gastos anuales para el invernadero. .................................................... 156 
6.5 Inversión de vegetales en el cultivo. ....................................................................... 157 
6.6 Inversión del Biodigestor y los sistemas de automatización ................................... 158 
6.7 Análisis de recuperación de la inversión ................................................................. 158 
CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................... 162 
Anexos ................................................................................................................................ 167 
1.1 Diseño de la red Devicenet Del invernadero con el software: Integrated Architecture 
Builder ................................................................................................................................. 167 
1.2 Documentacióndel proyecto DEVICENET (Plataformas para el proyecto) ....... 172 
 
INDICE DE TABLAS 
 
Tabla 2.1 Artefactos que usan biogás. ................................................................................ 35 
Tabla 2.2 Rellenos sanitarios en México a 2010 con potencial de producir biogás. ........... 37 
Tabla 2.3 Características del biogás ..................................................................................... 38 
Tabla 2.4 Temperaturas aptas de diferentes especies de verduras ................................... 43 
Tabla 2.5 Comparación energética de combustibles .......................................................... 52 
Tabla 2.6 Características de ganancias y tiempo de operación en los controladores ....... 68 
Tabla 3.1 Rangos de temperatura recomendados en el cultivo del jitomate. ................... 76 
Tabla 4.1 Sistemas en el clima del invernadero .................................................................. 80 
Tabla 5.1 Distancia de las cargas de los motores ocupados para el invernadero ............. 106 
Tabla 5.2 Características físicas del tablero 8HS64 ........................................................... 114 
Tabla 5.3 Elementos de función de entrada al PLC ........................................................... 115 
Tabla 5.4 Elementos del sistema de control de temperatura. .......................................... 115 
Tabla 5.6 Velocidad en los cables (Devicenet) .................................................................. 120 
 
 
10 
 
Tabla 5.7 Identificación de los colores del cable en conexión .......................................... 121 
Tabla 5.8 Conexión para sensores en la red de comunicación. ........................................ 125 
Tabla 5.9 Características de los actuadores para la red de comunicación ...................... 127 
Tabla 6.1 Consideraciones para construir un Biodigestor ................................................. 151 
Tabla 6.2 Comparación de gasto de gas. ........................................................................... 153 
Tabla 6.3 Comparación de gastos en diferentes Gases .................................................... 153 
Tabla 6.4 Materiales de la Red eléctrica. ........................................................................... 154 
Tabla 6.5 Equipos y elemento de los Sistema de Calefacción y Ventilación y Riego. ....... 155 
Tabla 6.6 Costos de los Sistema de la Red de comunicación y control ............................. 155 
Tabla 6.7 Costo de operación de instalación del sistema automático. ............................. 156 
Tabla 6.8 Análisis de recuperación de inversión. .............................................................. 159 
Tabla 6.9 Comparación de Gastos en gas en 5 años ....................................................... 160 
 
INDICE DE FIGURAS 
Figura 1.1 Foto de invernaderos. ........................................................................................ 22 
Figura 2.1 Tipos de techo en invernaderos. ...................................................................... 28 
Figura 2.2 Invernadero tipo plano ....................................................................................... 28 
Figura 2.3 Invernadero tipo túnel ........................................................................................ 29 
Figura 2.4 Invernadero tipo capilla ...................................................................................... 30 
Figura 2.5 Invernadero tipo capilla con estructuradiente de sierra .................................... 30 
Figura 2.6 Invernadero con techumbre en arco .................................................................. 30 
Figura 2.7 Biodigestor de campana flotante ....................................................................... 31 
Figura 2.8 Esquema del biodigesgtor de cúpula fija ............................................................ 32 
Figura 2.9 Partes físicas del biodigestor de cúpula fija ....................................................... 32 
 
 
11 
 
Figura 2.10 Estructura del Biodigestor Tubular ................................................................... 33 
Figura 2.11 Usos comunes del biogás ................................................................................. 35 
Figura 2.12 Marca de empresa Bionatur ............................................................................ 41 
Figura 2.13 Marca de empresa Almerimex ......................................................................... 41 
Figura 2.14 Marca de empresa Veggie Prime ...................................................................... 42 
Figura 2.15 Distribución de calefacción de agua por suelo. ............................................... 50 
Figura 2.16 Calefactor instalado en un invernadero. .......................................................... 51 
Figura 2.17 Estructura del PLC ............................................................................................. 56 
Figura 2.18 PLC compacto ................................................................................................... 57 
Figura 2.19 PLC Modular ...................................................................................................... 58 
Figura 2.20 Diagrama de bloques de un lazo de control abierto ....................................... 60 
Figura 2.21 Diagrama de bloques de control de lazo cerrado. .......................................... 62 
Figura 2.22 Diagrama de bloques de un lazo de control cerrado ....................................... 62 
Figura 2.23 Controlador proporcional ................................................................................. 63 
Figura 2.24 Controlador integral ......................................................................................... 64 
Figura 2.25 Controlador derivativo ..................................................................................... 65 
Figura 2.26 Controlador Proporcional Integral ................................................................... 66 
Figura 2.27 Control Proporcional Derivativo ...................................................................... 66 
Figura 2.28 Controlador derivativo. .................................................................................... 67 
Figura 3.1 Ubicación del invernadero ................................................................................. 69 
Figura 3.2 Foto del invernadero por fuera .......................................................................... 70 
Figura 3.3 Foto del invernadero, parte frontal (entrada) .................................................... 70 
Figura 3.4 Foto dentro del invernadero .............................................................................. 71 
 
 
12 
 
Figura 3.5 Foto del invernadero, vista de la estructura ..................................................... 71 
Figura 3.6 Foto del invernadero, vista al fondo del invernadero ....................................... 72 
Figura 3.7 Medidas del invernadero ancho x largo ............................................................. 72 
Figura 3.8 Medidas de altura del invernadero .................................................................... 72 
Figura 3.9 Modo de cultivo del invernadero en el cual se enfoca el diseño. ...................... 74 
Figura 3.10 Fases de crecimiento del jitomate. ................................................................... 75 
Figura 4.2 P-01 Plano general del invernadero. ................................................................. 83 
Figura 4.3 Diseño del sistema de calefacción y ducto de aire hacia el invernadero. .......... 84 
Figura 4.4 Medidas del conjunto de aire y entradas al invernadero. ................................. 85 
Figura 4.5 Medidas de altura del invernadero.................................................................... 86 
Figura 4.6 Altura establecida de los componentes. ........................................................... 86 
Figura 4.7 Estructura de soportey ventilador ..................................................................... 87 
Figura 4.8 Altura de los ventiladores . ................................................................................. 88 
Figura 4.9 Ubicación de los sensores dentro del invernadero. .......................................... 88 
Figura 4.10 Sistema de riego del invernadero. .................................................................... 89 
Figura 5.1 Diagrama de flujo del sistema ............................................................................ 90 
Figura 5.2 Diagrama simple de flujo del proceso. .............................................................. 91 
Figura 5.3 RTD PT100. .......................................................................................................... 92 
Figura 5.4 P-02 Diagrama de Tuberia e Instrumentación del invernadero ........................ 93 
Figura 5.5 Anemómetro y diagrama de conexión ............................................................... 94 
Figura 5.6 Sensor de humedad y diagrama de conexión. .................................................. 94 
Figura 5.7 Sensor de PH. ...................................................................................................... 95 
Figura 5.8 Electrodo de medidor de PH. .............................................................................. 96 
 
 
13 
 
Figura 5.9 Medidor de CO2 y diagrama de conexión. .......................................................... 96 
Figura 5.10 Lámpara Smart-e-level uso industrial. .............................................................. 97 
Figura 5.11 Características de lámpara Smar e-level .......................................................... 97 
Figura 5.12 Medidor de presión y diagrama de conexión. .................................................. 98 
Figura 5.13 Sensor de luz y diagrama eléctrico. .................................................................. 99 
Figura 5.14 Válvula de control de flujo MN7505A2001. ..................................................... 99 
Figura 5.15 Especificaciones del actuador. ........................................................................ 100 
Figura 5.16 Quemador adaptado con ventilador. ............................................................. 101 
Figura 5.17 Ignitor MaxFire ............................................................................................... 101 
Figura 5.18 Ventiladores SCHAEFER Código. VS-24 ....................................................... 102 
Figura 5.19 Bomba de agua (Water Pump) y placa de datos. ......................................... 103 
Figura 5.20 Sensor de nivel y transmisor LVCN210 cables de configuración .................... 103 
Figura 5.21 Distancias de las cargas en los ejes x y. .......................................................... 105 
Figura 5.22 Distribución de ventiladores en invernaderos ............................................... 105 
Figura 5.23 Ubicación del CCM. ......................................................................................... 107 
Figura 5.24 P-03 Plano eléctrico del invernadero. ........................................................... 113 
Figura 5.25 Gabinete tablero para control 8HS64 ............................................................. 114 
Figura 5.26 Micrologix 1500 .............................................................................................. 116 
Figura 5.27 Modos de configuración Devicenet. .............................................................. 119 
Figura 5.28 Esquema general de comunicación. ............................................................... 120 
Figura 5.29 Esquema de la red derivaciones de los nodos ............................................... 121 
Figura 5.30 Armor block de 8 entradas y Características .................................................. 122 
Figura 5.31 Características de los módulos Armor Point. ................................................. 123 
 
 
14 
 
Figura 5.32 Bloque de comunicación Armor Point ............................................................ 124 
Figura 5.33 Esquema de la Red de comunicación y módulos. .......................................... 125 
Figura 5.34 P-04 Plano de la red de comunicación del invernadero. ................................ 126 
Figura 5.35 Arrancador para ventiladores y bombas, conexión electrica. ....................... 128 
Figura 5.36 Contactor para ignitores y diagrama de conexión ......................................... 128 
Figura 5.37 Conexión T-port e identificación de terminales ........................................... 129 
Figura 5.38 Conexión de Resistencia Terminal .................................................................. 129 
Figura 5.39 Conexión de los elementos............................................................................. 130 
Figura 5.40 Conexión Eléctrica del sensor de luz .............................................................. 131 
Figura 5.41 Conexión fisica del sensor de Luz. .................................................................. 132 
Figura 5.42 Conexión del sensor RTD PT 100. ................................................................... 132 
Figura 5.43 Diagrama de flujo del sistema PLC, Válvula e invernadero. ......................... 133 
Figura 5.44 Bloque de transferencia de la válvula ............................................................ 137 
Figura 5.45 Diagrama de bloques del control de la planta................................................ 137 
Figura 5.46 Diagrama de bloques del control del sistema de calefacción. ....................... 138 
Figura 5.47 Diagrama de bloques del sistema de calefacción en Matlab. ........................ 139 
Figura 5.48 Grafica de respuesta del controlador. ............................................................ 139 
Figura 5.49 Diagrama de flujo del sistema de Humedad. ................................................. 140 
Figura 5.50 Diagrama de flujo Calefacción. ....................................................................... 141 
Figura 5.51 Diagramas de flujo del sistema de riego e iluminación. ................................ 142 
Figura 5.52 Configuracion de Dirección IP de la PC ........................................................... 143 
Figura 5.53 Programa para IP del PLC................................................................................ 144 
Figura 5.54 Configuración de comunicación entre PC y PLC. ............................................ 145 
 
 
15 
 
Figura 5.55 Comunicación entre PC y PLC. ........................................................................ 145 
Figura 5.56 Configuraciones de los módulos del PLC en el programa. ............................. 146 
Figura 5.57 Configuraciones de los módulos del PLC. ....................................................... 147 
Figura 5.58 Visualización de los componentes de la red Devicenet ................................. 148 
Figura 5.59 Adición de los Módulos de entradas y salidas. ............................................... 148 
Figura 5.60 Programa del sistema de riego ....................................................................... 149 
Figura 5.61 Programa Del sistema de Riego (continuacion). ............................................ 150 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
16 
 
RESUMEN 
Este trabajo se realizó con el fin de proponer un diseño de automatización para los 
principales sistemas de un invernadero ubicado en Cuajimalpa D.F. Anteriormente el 
invernadero estuvo en funcionamiento sinequipos automáticos para la producción de 
verduras, en el se cultivó aproximadamente solo por un año desde su construcción, para 
poder desarrollar la propuesta de diseño fue necesario hacer el levantamiento general del 
invernadero, analizar la red eléctrica para la adaptación de equipos digitales y mecánicos, 
así mismo se diseñó la propuesta de la red de comunicación Devicenet para la interacción 
entre mando de control y actuadores, el combustible propuesto para la generación de 
energía calorífica es el biogás que de acuerdo a investigación es menos contaminante que 
otros gases y ya que el horticultor tiene su propio biodigestor donde producirá biogás; se 
implementó el diseño del sistema de calefacción para el uso de este gas, esto da una 
ventaja de no tener que comprar otro combustible para la generación de calor. 
La propuesta se desarrolló con el objetivo de reacondicionar y utilizar el invernadero el 
cual tiene un área de 495 m2 que actualmente está sin ocuparse y por lo tanto sin 
producción, lo que generara una pérdida de material y construcción del bien si no se 
readapta para producción. 
Se ha propuesto el sistema automático de calefacción de acuerdo a las condiciones 
ambientales de la zona, que mayor parte del tiempo es fría y esto propicio principalmente 
a dejar de cultivar por afectaciones en los vegetales, como ejemplo se ha diseñado el 
sistema para la producción de jitomate tomando en cuenta las variables que conllevan a 
su desarrollo. Los resultados que se esperan obtener es aumentar la producción de 
verduras en el invernadero en comparación con las que se obtuvieron anteriormente sin 
sistema automático, ya que el sistema operaria todo el año sin afectaciones del tiempo 
invernal. 
 
 
 
17 
 
INRODUCCIÓN 
Los sistemas automáticos de climatización en invernaderos se han implementado desde 
hace tiempo con el fin de mantener un clima favorable y estable para las plantas que se 
deseen cultivar ya sean verduras o vegetales, para lograr el objetivo en un sistema 
automático de clima se requiere analizar las características de los invernaderos, ubicación 
y factores climáticos de la zona donde se encuentren, así como las características de las 
plantas a cultivar, es necesario realizar los proyectos de acuerdo a las normas de 
construcción y estándares de operación de equipos. Últimamente se ha hecho auge al 
desarrollo de la energía renovable, como el biogás utilizado principalmente en la 
generación de electricidad a pequeña escala con máquinas de combustión y utilización en 
casa habitación en diferentes partes del mundo, para poder emplear las energías 
renovables a gran escala se requiere de investigación y aplicación de tecnologías 
avanzadas, lo cual muchas veces no llega a sectores de medianos recursos, sin embargo la 
falta de aplicación en estos sectores no debería ser un factor para no implementar 
sistemas que ayuden a pequeños y medianos productores. 
El presente trabajo está enfocado al acondicionamiento de un sistema de clima que use 
biogás como combustible para la energía calorífica, el efecto real que tenga el biogás 
sobre las plantas deberá ser evaluando en el proceso de crecimiento de estas, ya que en la 
investigación no se han encontrado aplicaciones de biogás como recurso de energía 
directo para invernaderos, dependiendo de la materia prima utilizada para generar gas, 
se obtienen diferentes residuos que pueden ser tóxicos, la utilización de biogás en el 
sistema de calefacción propuesto de acuerdo a investigación es apta para el crecimiento 
de las plantas por el bajo residuo tóxico de la combustión del biogás, así mismo la 
ocupación de CO2 desprendido de la combustión resulta ser benéfico para las plantas, la 
materia prima principal en este proyecto para la generación de biogás serán los residuos 
orgánicos de heces animales y desperdicios vegetales obteniendo un gas más limpio que 
el producido en los rellenos sanitarios en los cuales existe la descomposición de 
diferentes materiales químicos tóxicos. 
 
 
18 
 
 
 
OBJETIVO GENERAL 
Realizar la propuesta para automatizar el clima de un invernadero empleando biogás 
como combustible, en el sistema de calefacción para reducir costos y contaminación. 
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
 Realizar el levantamiento del invernadero 
 Diseñar la propuesta general para automatizar el invernadero, considerando las 
variables de temperatura, humedad, PH, CO2 e iluminación. 
 Proponer el tipo de control para el clima del invernadero utilizando la variable 
temperatura a través del suministro de biogás. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
19 
 
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 
En la actualidad existen diferentes sistemas de calefacción para invernaderos, en los 
cuales el proceso para obtener su fuente de calor resulta con altos residuos de CO2 
contaminante para el medio ambiente; adquirir los combustibles tiene un costo elevado 
para la mayoría de la población de horticultores que desean climatizar sus invernaderos, 
debido a esto los invernaderos no industrializados carecen de un sistema de clima 
artificial automático, este factor impide tener una producción elevada en hortalizas 
anualmente, principalmente en invierno cuando se registran temperaturas que rebasan 
las condiciones no favorables para la mayoría de plantas lo cual perjudica directamente la 
producción de los horticultores, acondicionando sistemas de calefacción que resulten 
redituables en invernaderos se puede producir todo el año obteniendo mejores 
beneficios que los que se obtienen sin sistemas de calefacción, comúnmente al dejar 
pasar el invierno para producir después, genera una pérdida temporal y descuido de los 
invernaderos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
20 
 
JUSTIFICACIÓN 
En este trabajo se propone la automatización del clima de un invernadero; usando como 
recurso calefactor la quema de combustible biogás producido por la descomposición de 
plantas y heces animales, la distribución de calor dentro de la atmosfera del invernadero 
se hará por medio de conducción de aire caliente por ductos metálicos, el aire caliente 
reconducirá por medio de ventiladores, este proceso se propone con el fin de aprovechar 
un recurso poco contaminante para el medio ambiente, otros sistemas de calefacción 
como los de resistencia eléctrica, quema de combustibles provenientes del petróleo 
como el gas Lp. o diésel para calderas en donde se calienta agua o aire para sistemas 
climatizados tienen una generación alta de CO2. Por otra parte el consumo de estos 
combustibles genera un costo elevado para los productores de cultivos que tienen pocos 
invernaderos, es decir los sistemas en donde se emplea la quema de combustibles 
derivados del petróleo para acondicionar climas, son redituables cuando existen un 
número considerable de invernaderos de los cuales se obtiene una producción elevada de 
verduras. 
En este trabajo se busca apoyar a pequeños productores que no cuentan con demasiados 
invernaderos y que tienen recursos ganaderos, es por eso que se ha buscado el empleo de 
la combustión de biogás como fuente energética para generar calor siendo así un 
proyecto redituable para invernaderos independientes generalmente donde se tienen 
animales de granja o ganado de los cuales se utilizan las heces para la generación de 
biogás, es decir el horticultor adaptara un biodigestor independiente para la producción 
de su propio combustible que será utilizado en el sistema de calefacción. 
Los costos de producción del biogás son relativamente bajos ya que en este proceso el 
factor principal es el tiempo en el cual actúan los agentes anaerobios de descomposición 
en las heces, por lo que solo se invierte en el material para la construcción del biodigestor. 
Las heces animales principalmente porcinas y vacunas son las que generan mayor metano 
que otras; como materia principalpara producir biogás se pueden obtener a bajo costo en 
las granjas o puede ser un ciclo de reutilización si el productor cuenta con sus propios 
animales. 
 
 
21 
 
Principalmente en los costos a considerar para a la generación del biogás se toma en 
cuenta la mano de obra para las labores que conlleva la producción, en el capítulo 6 se 
encuentra el análisis de costos relacionados a la producción de biogás siendo más barato 
que otros gases. 
El sistema de calefacción de aire caliente se propone de acuerdo a las condiciones 
climáticas del área donde se pretende implementar; ya que las temperaturas son bajas la 
mayor parte del tiempo, la característica de elección sobre los otros sistemas de 
calefacción es que se debe tener una respuesta rápida sobre los parámetros de 
temperatura, los sistemas de aire caliente resultan ser más rápidos en calentar el 
ambiente que los de climatización por medio de vapor de agua ya que en medida que se 
comienza a calentar el aire se suministra hacia la atmosfera, sin demora mayor, como 
ocurre en los sistemas de calderas de agua los cuales se espera hasta alcanzar el punto de 
ebullición del agua para suministrarlo, en estos sistemas se utiliza mayor combustible para 
llevar a cabo esta tarea, en los sistemas de aire caliente se utiliza solo el necesario para 
estabilizar las condiciones de la atmosfera del invernadero. 
Una desventaja de los sistemas de aire caliente sobre los de vapor de agua es que 
disminuye más rápido la temperatura una vez que se ha establecido y puede ser no 
homogénea al momento de suministrarla, estos problemas se pueden evitar con un 
diseño bien analizado empleado para la distribución de aire. 
 
 
 
 
 
 
 
22 
 
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES 
1.1 Invernaderos 
Los invernaderos dan la posibilidad de cultivar cualquier especie vegetal, dotándola de 
condiciones óptimas para su reproducción y crecimiento". Los invernaderos proporcionan 
una barrera para las condiciones climatológicas externas logrando condiciones 
ambientales diferentes en el interior su ubicación depende del terreno donde se 
construyan de acuerdo a las corrientes del viento y la cantidad de luz que puedan recibir, 
como se observa en la siguiente figura. 
 
Figura 1.1 Foto de invernaderos. 
Además de los factores climatológicos, se puede controlar el acceso de agentes biológicos 
y físicos que puedan afectar al adecuado desarrollo de la especie que se encuentra en el 
interior del recinto. 
Los invernaderos aprovechan el efecto producido por la radiación solar, que al atravesar 
un vidrio u otro material traslúcido calienta los objetos que hay dentro, esta utilización de 
la radiación solar se le conoce como efecto invernadero, que produce el agua y el dióxido 
de carbono al absorber la radiación infrarroja proveniente del sol provocando un aumento 
de temperatura dentro de un espacio determinado. 
 
Las ventajas del uso de invernaderos son: 
 Crean un clima artificial, elevando la temperatura respecto a la del exterior, 
 
 
23 
 
 Protegen a las plantas del frío o calor, acelerando la producción. 
 Rápido crecimiento y aumento de calidad del cultivo. 
 Menor consumo de recursos hidrológicos y fertilizantes. 
 Protección de las condiciones meteorológicas extremas. 
 Control de clima interno. 
 Mejor uso del suelo. 
 Producción fuera de época. 
 Mejor control de insectos y enfermedades. 
 Posibilidad de obtener más de un ciclo de cultivo al año. 
La utilización de nuevas tecnologías otorga un sin fin de ventajas, pero por otro lado, 
también implica inconvenientes o desventajas importantes: 
 Alta inversión inicial. 
 Costo de operación. 
 Requiere personal especializado, de experiencia práctica y conocimientos teóricos. 
 
Los materiales de cubierta para invernadero son elementos plásticos que cubren el cultivo 
de las inclemencias climáticas externas, el material con que estén recubiertos los 
invernaderos afecta directamente a la cantidad de temperatura que pueda encontrarse 
dentro, en el diseño de un sistema de clima se toma en cuenta los tipos de cubiertas en 
invernaderos de acuerdo a sus características en resguardo de la temperatura. 
Los materiales comunes para cubierta son los siguientes: 
 Lámina flexible 
 Polietileno 
 Copolímero 
 Policloruro de vinilo 
 Polipropileno 
 Placa semirrígida 
 Policarbonato 
 
 
24 
 
 Poliéster 
 Polimetracrilato de vinilo 
 Cristal. 
 
Los primeros invernaderos se construyeron de estructuras de madera y vidrio, los cuales 
satisfacían las necesidades de cultivar verduras o plantas, fueron construcciones útiles 
pero poco duraderas. La humedad y el calor facilitaban la descomposición rápida de la 
madera y en pocos años las instalaciones quedaban arruinadas, con el paso de los años se 
desarrollaron nuevos materiales y plásticos que solucionaban el problema de la 
durabilidad de los primeros invernaderos; además estos materiales otorgaban nuevas 
ventajas en relación al manejo de la temperatura interna en el invernadero. [1] 
1.2 Clima en los invernaderos 
Para la climatización de los invernaderos, surgió la necesidad de controlar las variables 
inmersas en su ambiente, lo que dio lugar a la utilización de componentes electrónicos 
que eliminarían el trabajo manual de activación de sistemas de aireación o la ventilación 
manual. Inicialmente la electrónica en invernaderos era simple, los primeros sistemas 
construidos eran conocidos como ciclos de control independiente; en éstos se empleaba 
calefactores, ventiladores, nebulizadores, etc., los cuales eran activados manualmente por 
periodos de tiempo, pero al manejar las variables por separado la activación o 
desactivación de cada componente mecánico o electrónico afectaba a otras variables. 
Cada variable física como la temperatura y humedad depende una de la otra y al tratar de 
eliminar o controlar cada variable por separado fue casi imposible. Lo mejor era tratar de 
entender la correlación entre cada una de las variables y utilizar un sistema de control que 
tratara la temperatura como un elemento único pero que en su control se pudiera usar los 
dispositivos mecánicos que afectaran la temperatura y humedad. 
Los sistemas comerciales obligaban al horticultor a utilizar elementos mecánicos de 
control de temperatura como los termostatos y no elementos que controlaran las 
diferentes variables en conjunto. Conforme la electrónica desarrollaba circuitos 
 
 
25 
 
encapsulados se redujo considerablemente el tamaño de los equipos. Las nuevas 
tecnologías utilizan microprocesadores, microcontroladores y otros tipos de dispositivos 
que simplifican el diseño e incrementan la confiabilidad, además de reducir el costo y el 
tiempo de diseño de los sistemas a implementar. 
El primer problema en los sistemas de control de temperatura era el uso de esquemas de 
ciclos de control independiente, en estos sólo se activaba un único dispositivo mecánico 
o electrónico, se requerían sistemas que controlaran la variable de la temperatura pero no 
sólo sistemas que se conformaban con activar/desactivar un sólo tipo de dispositivo 
mecánico, esto impedía que el operador se dedicara a otra actividad que no fuera 
exclusivamente la de cuidar los valores de temperatura en el interior del invernadero. Lo 
que se pretendía era dejar de usar un sistema para la comparación de los niveles de 
temperatura, otro sistema para la toma de decisiones al modificar los niveles altos o bajos 
de temperatura y un sistema más para activa/desactivar los dispositivos mecánicos. El 
segundo problema de los sistemas de control de invernaderos fue el excesivo cableado a 
largas distancias. Los típicos sistemas de control tenían la necesidad de contar con una 
única unidad central de procesamiento de datos por cada sensor de temperatura, es decir, 
cada sensor tenía un cableado hacia lacentral de datos, pero el principal problema 
radicaba en la lejanía entre los sensores y la Unidad Central. Esto agravaba problemas en 
el incremento de la sensibilidad a interferencias electromagnéticas, degradación de 
señales eléctricas (teniendo que hacer uso de dispositivos como amplificadores y/o 
repetidores de señales), mayor mantenimiento de líneas. 
Por otra parte, la carencia de una interfaz gráfica para el usuario en el control de 
invernaderos es común, ya que no es habitual que los sistemas ofrezcan un interfaz 
gráfica, fácil de utilizar para el usuario y que permita la comunicación entre las distintas 
partes que conforman el sistema. Esta carencia se puede solventar actualmente gracias al 
desarrollo de software que permite controlar las variables del invernadero previamente 
programadas. 
Es claro que siempre se podrá mejorar el funcionamiento de los sistemas de control 
utilizados en invernaderos, sin embargo lo verdaderamente importante es la 
 
 
26 
 
incorporación de nuevas tecnologías y dispositivos que disminuyan el costo del sistema, 
poniendo en entredicho si se justifica el gasto monetario en un sistema de control que 
pudiera estar sobrado para la aplicación o que no se cumpla con lo que realmente se 
requiere. [1] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
27 
 
CAPÍTULO 2 MARCO TEORICO 
2.1 Tipos de invernaderos 
Los invernaderos tienen diferentes tipos de cubierta (techumbre), para algunas formas del 
techo diversamente orientadas se refieren a la radiación luminosa incidente sobre la 
superficie del techo y a la que penetra en el interior sobre una superficie paralela al 
techo, considerando un índice de 1.5 de refracción del material. 
 
El diseño de armazón del invernadero es una de las partes más importante que los 
horticultores deben decidir, ya que implica el gasto más elevando dentro de la inversión 
de un negocio que involucre a los invernaderos. El diseño y tipo de estructura define el 
potencial del invernadero para ventilarse o la entrada y almacenaje de radiación solar que 
finalmente se convierte en un aumento temperatura. La luminosidad y radiación solar son 
importantes para aumentar la fotosíntesis de las plantas y elevar la temperatura del 
invernadero. 
Existe una gran variedad de tipos de invernaderos, algunos de estos cuentan con ventajas 
y desventajas importantes al momento de manipular los valores de temperatura. Es 
conveniente estudiar los tipos de estructura y en base a ese análisis poder seleccionar el 
sistema de control de temperatura idóneo. 
 
Los tipos de invernaderos principalmente varían en cuanto al diseño de su techumbre, de 
ahí se tienen ventajas y desventajas de acuerdo al diseño y orientación hacia la luz y 
dirección del viento; en la figura 2.1 se aprecia los diferentes tipos de techumbre en 
invernaderos y a continuación se describen varios tipos de invernaderos los cuales se 
encuentran con mayor número de aplicación por los horticultores. 
 
 
 
28 
 
 
Figura 2.1 Tipos de techo en invernaderos. 
2.1.1 Invernadero tipo plano 
El invernadero tipo plano suele tener mala ventilación. La instalación de ventanas 
cenitales es bastante difícil al igual que su mecanización, debido al excesivo número de 
postes, alambres, piedras de anclaje, etc. 
Los invernaderos tipo planos pueden ser débiles si se desean instalar componentes 
mecánicos en su estructura horizontal ya que no soportaría un dispositivo de gran peso. 
Por lo tanto, se deberá considerar la ligereza al momento de diseñar el prototipo para que 
pueda ser instalado en este tipo de invernaderos. 
 
Figura 2.2 Invernadero tipo plano 
2.1.2 Invernadero tipo raspa y amagado 
Su estructura es muy similar al tipo plano pero varía la forma de sostener la cubierta. Se 
aumenta la altura del invernadero en la cumbrera (techo), que oscila entre 3 y 4.2m. 
Dando espacio a lo que se conoce como raspa, la parte más baja es conocida como 
amagado. 
 
 
29 
 
Se podrían mencionar las mismas desventajas que otorgan los tipos planos, pero el de 
raspa y amagado otorga una altura mayor en comparación al tipo plano. La condensación 
se llevaría a cabo más arriba del cultivo y el aumento de la altura significaría más espacio 
para calentar o enfriar. 
2.1.3 Invernadero tipo túnel 
Se caracteriza por la forma de su cubierta y por su estructura totalmente metálica. El 
empleo de este tipo de invernadero es extendido por su mayor capacidad para el control 
de los factores climáticos, su gran resistencia a fuertes vientos y su rapidez de instalación 
al ser estructuras prefabricadas. 
La ventilación se realiza mediante ventanas cenitales que se abren hacia el exterior del 
invernadero y ventanas a sotavento. 
 
Figura 2.3 Invernadero tipo túnel 
2.1.4 Invernaderos tipo capilla 
En estos invernaderos la ventilación es por ventanas frontales y laterales. Cuando se trata 
de estructuras formadas por varias naves unidas provoca la ausencia de ventanas 
cenitales dificultando la ventilación. Para resolver este inconveniente se creó la estructura 
diente de sierra, otro tipo de invernadero con paredes laterales es el de techumbre 
estructurada en arco. 
 
 
 
30 
 
 
Figura 2.4 Invernadero tipo capilla 
 
 
 
 
Figura 2.5 Invernadero tipo capilla con estructuradiente de sierra 
 
 
Figura 2.6 Invernadero con techumbre en arco 
 
 
31 
 
2.2 Tipos de biodigestores 
2.2.1 De campana flotante o tipo hindú 
Principalmente se construían biodigestores con ladrillos, cemento y acero para la 
campana que flota sobre el residual del digestor que es donde se almacena el biogás, más 
tarde se desarrolló la tecnología KVIC con campana de diversos materiales como: ferro 
cemento, fibra de vidrio, polietileno de alta densidad, láminas rígidas de PVC y hasta de 
cemento y bambú, esta variante se construye de forma vertical u horizontal y en cuanto a 
su uso social y volumen pueden ser individuales o comunales. 
Este tipo de biodigestor está compuesto principalmente por una campana de acero que 
flota sobre el digestor, a medida que el biogás ejerce presión la misma sube almacenando 
el gas producido, además dispone de depósito para la recepción de los residuales y 
tuberías de entrada y salida. A diferencia de la campana, el resto de los materiales que se 
utilizan en su construcción son materiales convencionales. 
 
 
 
 
 
Figura 2.7 Biodigestor de campana flotante 
2.2.2 De cúpula fija o tipo chino 
Se puede construir con diferentes materiales siguiendo un diseño básico en el que el 
biogás es colectado en una cúpula fija. 
Este biodigestor se compone de un registro de carga, el digestor y un tanque de 
compensación para el tratamiento del residual porcino en pequeña y mediana producción, 
se construye un cilindro con bloques de hormigón y la cúpula con ladrillos de barro. La 
excreta ya tratada y secada al sol en lecho se usa como abono orgánico en las siembras y 
el líquido almacenado para el fertirriego. 
 
 
32 
 
 
Figura 2.8 Esquema del biodigesgtor de cúpula fija 
 
Figura 2.9 Partes físicas del biodigestor de cúpula fija 
2.2.3 Biodigestor tubular plástico 
Este tipo de digestor originalmente fue desarrollado en Taiwán, algunas de las ventajas de 
los biodigestores plásticos residen en que se pueden construir con materiales locales y no 
son sofisticados. Por otra parte la construcción y mantenimiento de estos reactores son 
fáciles, rápidas de hacer y sencillas, por lo que no requieren ningún adiestramiento 
especial. 
Actualmente se fabrican de goma polietileno, o Red-Mud-Plástic (RMP) este material fue 
desarrollado en Taiwán y después en China donde ha demostrado sus excelentes 
cualidades para ser usado en biodigestores. Este material producido en forma laminar es 
una mezcla de lodos rojos residuales de la extracción de la bauxita y contiene PVC, 
 
 
33plasticador, estabilizador y otros ingredientes. Al principio los digestores de RMP se 
hacían tubulares, más tarde se construyeron en forma de tiendas de campaña. [2] 
 
Figura 2.10 Estructura del Biodigestor Tubular 
El Biodigestor tipo bolsa tubular es el que se tiene contemplado emplear en el 
invernadero, para producción del biogás. 
2.3 Situación actual del biogás. 
De acuerdo con un estudio del Instituto de Ingeniería de la UNAM, la ciudad de México 
cuenta con el potencial para producir entre uno y dos millones de metros cúbicos de 
biogás, cantidad suficiente para generar el 10 % de la energía eléctrica que se consume. 
Según el investigador Simón González Martínez, en la capital se producen diariamente 13 
mil toneladas de residuos sólidos al día, de los cuales seis mil son material orgánico, por lo 
que con un sistema de digestión anaerobia se puede producir el combustible. 
A diferencia de México en Europa se han instalado 184 plantas comerciales para la 
generación de biogás a partir de residuos sólidos orgánicos urbanos. 
Como México es una nación petrolera no se han hecho esfuerzos, a nivel de políticas 
públicas por buscar fuentes alternativas de energía, ya que para que la basura pueda 
transformarse en fuente de energía se requieren estrategias institucionales. 
Por estas circunstancias la Coordinación de Ingeniería Ambiental ha propuesto un 
proyecto cuyo objetivo es analizar diferentes procesos o re tratamientos de los residuos 
 
 
34 
 
del D.F. Para mejorar la capacidad de producción de biogás mediante la digestión 
anaerobia. 
Otro ejemplo comparativo es que en Alemania ocupan basura de países del tercer mundo 
para producir su propia energía eléctrica, y en México que existe basura de sobra no se ha 
sabido aprovechar. 
Actualmente la Ciudad de México es una de las entidades del país donde ya se pretende 
el aprovechamiento de los residuos sólidos para la producción de energía a partir de la 
degradación de esta. En la administración de Marcelo Ebrard, el Gobierno del Distrito 
Federal presentó a embajadores de Reino Unido y Francia, representantes de España 
Japón y Estados Unidos la convocatoria internacional de licitación Bordo Poniente. 
Tras un largo proceso de licitación, anunció que la empresa BMLMX Power Company sería 
la firma encargada de la captura del biogás del relleno sanitario. 
Con el cierre definitivo según estimaciones del gobierno capitalino se dejarán de emitir 1.8 
millones de toneladas de bióxido de carbono (CO2) al año y se generarán 58 
megawatts/hora. [7] 
2.4 Usos de sistemas de biogás 
Los biodigestores más utilizados en la agricultura son los de régimen semicontinuo, y su 
adaptación es de acuerdo a su principio de funcionamiento. 
En la actualidad en México existen zonas donde se produce biogás para consumo en casa 
habitación, principalmente es en granjas donde hay ganado que se realiza la producción 
de biogás para este fin, otro uso del biogás se ha dado para producir energía eléctrica con 
pequeñas plantas generadoras de electricidad las cuales son de sistema de combustión a 
gas, comúnmente. [8] 
En principio el biogás puede ser utilizado en cualquier tipo de equipo comercial para uso 
de gas natural, el siguiente esquema resume las posibles aplicaciones. [10] 
 
 
 
35 
 
Figura 2.11 Usos comunes del biogás 
 
En la siguiente tabla se observa un listado de los principales artefactos que utilizan biogás 
juntamente a su consumo medio y su eficiencia. 
Tabla 2.1 Artefactos que usan biogás. 
 
El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto naftenos como 
diésel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110 lo 
cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica de 
compresión, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de encendido. 
La proporción de H2S en el biogás causa deterioros en las válvulas de admisión y de escape 
de determinados motores obligando a un cambio más frecuente de los aceites lubricantes. 
El grado de deterioro en los motores varía considerablemente y los resultados obtenidos 
experimentalmente suelen ser diferentes en cada caso. 
ARTEFACTO CONSUMO RENDIMIENTO (%) 
Quemador de cocina 300 - 600 l/h 50 - 60 
Lámpara a mantilla (60W) 120 - 170 l/h 30 - 50 
Heladera de 100 L -30 - 75 l/h 20 - 30 
ARTEFACTO CONSUMO RENDIMIENTO (%) 
Motor a gas 0,5 m3/kWh o HP 25 - 30 
quemador de 10 kW 2 m3/h 80 - 90 
Infrarrojo de 200 W 30 l/h 95 - 99 
Cogenerador 1 kw elect. 
0,5 m/kwh. 
2kW térmica 
hasta 90 
 
 
36 
 
Los motores a biogás tienen amplio espectro de aplicación siendo los más usuales el 
bombeo de agua, el picado de raciones y el funcionamiento de ordeñadoras en el área 
rural. Otro uso muy generalizado es el empleo para activar generadores de electricidad. 
[10] 
En México la producción de biogás por grandes empresas en comparación con Europa y 
China entre otros países es realmente baja, Internacionalmente Alemania lidera la 
utilización de Biogás, este procede en un 51% de Europa del Oeste (Dinamarca, Holanda, 
Noruega y Reino Unido) y un 31% se importa desde Rusia. [4] 
En México el manejo y disposición de los residuos sólidos urbanos representa un gran reto 
ambiental pues se calcula que apenas el 35% de los rellenos sanitarios bajo supervisión 
municipal cumplen con las normas ambientales (principalmente la NOM 083), tanto de 
operación como de construcción de un relleno sanitario. 
 
La Norma Oficial Mexicana (NOM) 083 define las especificaciones para la selección del 
sitio, diseño, construcción, operación, monitoreo, clausura y obras complementarias de un 
sitio de disposición final de residuos sólidos urbanos y de manejo especial. La importancia 
de su cumplimiento es vital pues no solo impacta en el tema de la basura o desechos 
sólidos, sino también en la salud y en el aprovechamiento o quema del biogás. 
 
En general prevalece el uso de modelos operacionales tecnológicamente rebasados y sin 
sustentabilidad. Igualmente son todavía menos los municipios que aprovechan el biogás 
para generar otras energías y beneficiarse de su explotación. 
Un factor contribuyente a esta realidad es la heterogeneidad de los 2,440 municipios 
mexicanos, cada uno de ellos posee condiciones socioeconómicas, culturales y políticas 
distintas, además de capacidades institucionales, humanas, técnicas y financieras 
diferentes para atender sus respectivos problemas ambientales. 
El reto principal muchas veces pasa por la falta de orden operativo, orden organizacional y 
de implementar esquemas de trabajo adecuados para administrar de la mejor manera 
posible los escasos recursos. 
 
 
37 
 
En México se generan aproximadamente 34.6 millones de toneladas de basura o 0.92 
kg/habitación/día. De este universo el Estado de México y el Distrito Federal producen el 
33%. 
El tema de la cobertura de recolección de basura (o residuos sólidos) parece ser un reto 
menor pues es de casi el 90% más no así en cuanto a la capacidad de disposición final 
controlada, pues ésta es menor al 35%. Esto significa que el 65% restante de la basura 
suele ir a miles de tiraderos a cielo abierto (muchos ubicados en lugares peligrosos o 
inadecuados) y los residuos peligrosos no son separados. 
 
En la tabla 2.2 se enlista lo que se considera son los mejores rellenos sanitarios mexicanos 
en la actualidad. Ciertamente en un principio enfrentaron desafíos pero hoy brindan 
múltiples beneficios a los habitantes de tales municipios. 
Tabla 2.2 Rellenos sanitarios en México a 2010 con potencial de producir biogás. 
 
 
De la tabla anterior la mayoría de los rellenos sanitarios son operados por empresas 
privadas y sólo uno es operado por el Ayuntamiento, no significa que la operación del 
relleno sanitario debe concesionarse forzosamente. Esto depende de las características 
puntuales existentes encada municipio. Deben prevalecer en todo caso, reglas claras y 
transparencia en todo el proceso. [11] 
 
 
38 
 
2.5 Características del biogás 
El contenido de energía de 1 m3 de biogás (60% CH4 y 40% CO2) es aproximadamente 6 
kWh/m3. Esta energía puede ser almacenada en diferentes formas; gas a baja presión, 
media o alta, y usarse para obtener agua caliente o energía eléctrica. 
Se llama biogás a la mezcla constituida por metano CH4 en una proporción que oscila entre 
un 50% a un 70% y dióxido de carbono conteniendo pequeñas proporciones de otros 
gases como hidrógeno, nitrógeno y sulfuro de hidrógeno. Sus características se muestran 
a continuación. 
Tabla 2.3 Características del biogás 
CARACTERISTICAS CH4 CO2 H2-H2S OTROS BIOGAS 
60/40 
Proporciones 
% Volumen 
55-70 27-44 1 3 100 
Valor Calorífico 
MJ/m3 
kcal/m3 
35,8 
 
8600 
-- 
-- 
10,8 
 
2581 
22 
 
5258 
21,5 
 
5140 
Ignición 
% en aire 
5-15 -- -- -- 6-12 
Temp. ignición en oC 650-750 -- -- -- 650-750 
Presión crítica en Mpa. 4,7 7,5 1,2 8,9 
Densidad Nominal en g/l 0,7 1,9 0,08 -- 1,2 
Densidad relativa 0,55 2,5 0,07 1,2 
Inflamabilidad Vol. en % 
aire 
5-15 -- -- -- 
2.6 Combustión del biogás. 
El biogás mezclado con aire puede ser quemado en un amplio espectro de artefactos 
descomponiéndose principalmente en CO2 y H2O. La combustión completa sin el exceso 
de aire y con oxígeno puro, puede ser representada por las siguientes ecuaciones 
químicas. 
CH4 + 202 +Δ =CO2 + H2O. …………………………………….……………..(2.1) 
H2S + 202+Δ = SO2 + H2O. ………………………………………….………..… (2.2) 
CO2 +Δ = CO2. …………………………………………….…….…… (2.3) 
 
 
39 
 
El requerimiento de aire mínimo sería del 21%, esta cifra debe ser aumentada para lograr 
una buena combustión. 
La relación aire-gas puede ser ajustada aumentando la presión del aire, incrementando la 
apertura de la válvula dosificadora de gas (el biogás requiere de una apertura 2 a 3 veces 
mayor a la utilizada por el metano puro y modificando la geometría del paso de aire desde 
el exterior). 
Debido al contenido de dióxido de carbono, el biogás tiene una velocidad de propagación 
de la llama lenta, 43 cm/seg. Y por lo tanto la llama tiende a escaparse de los quemadores. 
La presión para un correcto uso del gas oscila entre los 7 y los 20 mbar. Se debe tener 
cuidado en este aspecto por la caída de presión. 
 
Para tener un sistema en el cual se reduce la contaminación es importante controlar los 
gases que se desprenden de la combustión, aunque en comparación con otros 
combustibles este es menor contaminante, sin embargo no deja de arrogar gases tóxicos 
al atmosfera. 
2.7 Purificación del biogás 
Para el uso de biogás como combustible es necesario purificar residuos no convenientes 
que se desprenden en la combustión, dependiendo del proceso en el que se utilizara el 
biogás se requiere una purificación principalmente de CO2 y H2S 
2.7.1 Eliminación del CO2 
El dióxido de carbono no tiene ningún poder calorífico y debe ser calentado en la 
combustión. Su eliminación no es aconsejable salvo en los casos de almacenaje del biogás 
a altas presiones debido a que sería inútil gastar energía de compresión y volumen de 
almacenaje de alto costo en un gas que no daría ningún beneficio adicional. 
Se pueden utilizar varios sistemas entre los cuales los más difundidos son los que emplean 
su disolución en agua a presión y otros que usan mezclas químicas de mayor complejidad. 
 
 
40 
 
2.7.2 Eliminación del H2S 
Determinados equipos requieren que el gas a utilizar se encuentre libre de SO2, debido a 
que el mismo combinado con el agua da como resultado ácido sulfhídrico que corroe las 
partes vitales de algunas instalaciones. 
 
El método más utilizado es hacer pasar el gas por un filtro que contiene hidróxido de 
hierro. El H2S del gas se combina con el hierro formando sulfuro de hierro según la 
fórmula descripta más abajo. Esta reacción es reversible y el hidróxido de hierro puede ser 
regenerado exponiendo el sulfuro al aire con cuidado debido a que la reacción es 
exotérmica, liberando 603 kJ. [10] 
 
2 Fe (OH)3 + 3 H2S Fe2S3 + 6 H2O + 63 kJ. ….…..…… (2.4) 
Fe2S3 + 1,5 O2 + 3 H2O2 Fe(OH)3 + 1,5 S2 + 630 Kj. …. (2.5) 
 
Debido a que el biogás en su mayor proporción es metano es conveniente quemarlo 
reduciendo así un factor que afecta la atmosfera principalmente, ya que la contribución al 
efecto invernadero del CH4, uno de los gases presentes que se generan en los rellenos 
sanitarios es 21 veces más contaminante respecto al CO2 (Batool y Chuadhry 2008).[9] 
2.8 Empresas de inversión de invernaderos en México 
2.8.1 Bionatur 
Esta empresa es líder en Latinoamérica en el cultivo de tomates de gran calidad mediante 
el método hidropónico, libre de pesticidas. 
Los invernaderos de esta empresa se encuentran en Pastejé, en las inmediaciones del 
Estado de México, su producción se destina al mercado de EE.UU. Canadá y México. 
Dentro de sus invernaderos para tener calidad en sus cultivos de tomates, se controla la 
temperatura, humedad y calidad de los nutrientes proporcionados a la planta. 
 
 
41 
 
El control de temperatura para los cultivos de Bionatur, es principalmente de sistemas 
hidropónicos en los cuales se hidratan las plantas por medio de la irrigación de agua a 
temperatura apta para los tomates. [9] 
 
 
Figura 2.12 Marca de empresa Bionatur 
2.8.2 Almeriex, AMPUERO e INMEX, 
Almeriex fue fundada en Agosto del año 2002, año en el que se comenzó la construcción 
de sus instalaciones en el área geográfica de La Laguna, en el municipio de Viesca, 
Coahuila; en las cercanías de la ciudad de Torreón, al norte-centro de la República 
Mexicana. 
Cuenta a la fecha con 90 hectáreas de invernaderos, 35 hectáreas de malla sombra, un 
semillero de última generación para la producción de la plántula. 
Actualmente cuenta con una producción anual de 20,000 toneladas de tomate bola en sus 
dos ciclos de cultivo, y de 4,500 toneladas de tomate roma. 
 
AMPUERO e INMEX, son empresas mexicanas con más de 20 años de experiencia en el 
sector agrícola mexicano. [9] 
 
 
Figura 2.13 Marca de empresa Almerimex 
 
 
42 
 
2.8.3 VEGGIE PRIME SAPI de CV 
Veggie Prime produce tomate redondo (Beefsteak) para distribuidores estadounidenses y 
para clientes finales como Costco, Sam’s Club o TraderJoe’s; producción que ya está 
vendida al 100%, anteriormente también ha cultivado pimiento dulce, tomates en racimo 
y tomate Cherry. 
Veggie Prime busca seguir creciendo y encontrar alternativas al mercado norteamericano. 
Actualmente está desarrollando canales de distribución que la permitan exportar a Asia; 
un mercado que actualmente demanda mucho producto fresco. Japón es uno de los 
mercados en los que busca ingresar, aunque la empresa está abierta a ofertas de clientes 
de cualquier país. 
Las instalaciones de Veigge Prime se encuentran en el estado de Querétaro. [9] 
 
Figura 2.14 Marca de empresa Veggie Prime 
2.9 Parámetros a considerar en un control climático. 
El control ambiental está basado en manejar de forma adecuada todos aquellos sistemas 
instalados en el invernadero: sistema de calefacción, ventilación y los sistemas de control 
de las variables atmosféricas dentro del invernadero, así conseguir la mejor respuesta del 
cultivo y por tanto mejoras en el rendimiento, precocidad, calidad del producto y calidad 
del cultivo. 
El desarrollo de los cultivos en sus diferentes fases de crecimiento, está condicionado 
principalmente por los siguientes factores ambientales o climáticos (variables): 
temperatura, humedad relativa, luz y CO2. Para que las plantas puedan realizar sus 
funciones es necesaria la adaptación de estos factores dentro de límites mínimos y 
máximos, fuera de los cuales las plantas cesan su metabolismo, pudiendo llegar a la 
muerte.La adaptación de un sistema de ventilación es un aspecto general y básico a tener 
en cuenta en la construcción de los invernaderos, se debe prever un modo de hacer 
 
 
43 
 
recircular el aire de la atmosfera dentro y fuera del invernadero, por ejemplo dejar 
rendijas que se abren o ventanas es un modo económico de refrigerar un invernadero. La 
ventilación regula la humedad del aire y favorece la renovación del dióxido de carbono 
necesario para el proceso de fotosíntesis. Los sistemas de ventilación pueden ser 
manuales o automatizados. [1] 
2.9 .1 Temperatura. 
Este es el parámetro más importante a tener en cuenta en el manejo del ambiente dentro 
de un invernadero, ya que es el que más influye en el crecimiento y desarrollo de las 
plantas. Normalmente la temperatura óptima para las plantas se encuentra entre los 10 y 
27oC. Para el manejo de la temperatura es importante conocer las necesidades y 
limitaciones de la especie cultivada. Así mismo se deben aclarar los siguientes conceptos 
de temperaturas, que indican los valores objetivos a tener en cuenta para el buen 
funcionamiento del cultivo y sus limitaciones: 
Temperatura mínima letal: Aquella por debajo de la cual se producen daños en la planta. 
Temperaturas máximas y mínimas biológicas: Indican valores por encima o por debajo 
respectivamente del cual, no es posible que la planta alcance una determinada fase 
vegetativa, como floración, fructificación, etc. 
Temperaturas nocturnas y diurnas: Indican los valores aconsejados para un correcto 
desarrollo de la planta. 
En la tabla 2.4 se observan la exigencia de temperaturas mínimas y máximas a que se 
pueden adaptar diferentes tipos de verduras. 
Tabla 2.4 Temperaturas aptas de diferentes especies de verduras 
Temperaturas ºC TOMATE PIMIENTO BERENJENA PEPINO MELÓN SANDÍA 
Mínima letal 0-2 (-1) 0 (-1) 0-1 0 
Mínima biológica 10-12 10-12 10-12 10-12 13-15 11-13 
 Optima 13-16 16-18 17-22 18-18 18-21 17-20 
Máxima biológica 21-28 23-27 22-27 20-25 25-30 23-28 
Máxima letal 33-38 33-35 43-53 31-35 33-37 33-37 
 
 
44 
 
La temperatura en el interior de un invernadero sin clima artificial está en función de la 
radiación solar, comprendida en una banda entre 200 y 4000 mm, la misión principal del 
invernadero será la de acumular calor durante las épocas invernales. El calentamiento 
dentro del invernadero se produce cuando el infrarrojo largo, procedente de la radiación 
que pasa a través del material de cubierta, se transforma en calor, esta radiación es 
absorbida por las plantas, los materiales de la estructura y el suelo, como consecuencia de 
esta absorción, éstos emiten radiación de longitud más larga que, tras pasar por el 
obstáculo que representa la cubierta se emite radiación hacia el exterior y hacia el 
interior, calentando el invernadero. 
El calor se transmite en el interior del invernadero por irradiación, conducción, infiltración 
y por convección, tanto calentando como enfriando. La conducción es producida por el 
movimiento de calor a través de los materiales de cubierta del invernadero. La convección 
tiene lugar por el movimiento del calor por las plantas, el suelo y la estructura del 
invernadero. La infiltración se debe al intercambio de calor del interior del invernadero y 
el aire frío del exterior a través de las juntas de la estructura. La radiación, por el 
movimiento del calor a través del espacio transparente. 
2.9 .2 Humedad relativa (HR). 
La humedad es la masa de agua en unidad de volumen, o en unidad de masa de aire, la 
humedad relativa es la cantidad de agua contenida en el aire, existe una relación inversa 
de la temperatura con la humedad por lo que a elevadas temperaturas, aumenta la 
capacidad de contener vapor de agua y por tanto disminuye la HR. Con temperaturas 
bajas, el contenido en HR aumenta. 
Cada especie tiene una humedad ambiental idónea para vegetar en perfectas condiciones: 
el tomate (rojo y verde), el pimiento y berenjena son estables con una HR sobre el 50-
60%; el melón, entre el 60-70%; el calabacín, entre el 65-80% y el pepino entre el 70-90%. 
 
La HR del aire es un factor climático que puede modificar el rendimiento final de los 
cultivos, cuando la HR es excesiva las plantas reducen la transpiración y disminuyen su 
 
 
45 
 
crecimiento, se producen abortos florales por apelmazamiento del polen y un mayor 
desarrollo de enfermedades criptogámicas. Por el contrario, si es muy baja, las plantas 
transpiran en exceso, pudiendo deshidratarse, además de los comunes problemas de mal 
cuaje, para que la HR se encuentre entre lo más óptimo el agricultor debe ayudarse del 
higrómetro (medidor HR). El exceso puede reducirse mediante ventilado, aumento de la 
temperatura y evitando el exceso de humedad en el suelo. La falta puede corregirse con 
riegos, llenando canalillas o balsetas de agua, atomizando agua en el ambiente, ventilado 
y sombreado. La ventilación se puede realizar en forma natural o forzándola, siendo la 
ventilación natural la más utilizada y económica. En algunos casos se ventila solamente 
con la entrada de aire por ventanas laterales, mientras que en otros se usa la entrada de 
aire por las ventanas cenitales ubicadas en la techumbre de la construcción. 
2.9 .3 Iluminación 
A mayor luminosidad en el interior del invernadero se debe aumentar la temperatura, la 
HR y el CO2, para que la fotosíntesis sea máxima, por el contrario, si hay poca luz pueden 
descender las necesidades de otros factores, para mejorar la luminosidad natural se usan 
los siguientes medios: 
 Materiales de cubierta con buena transparencia. 
 Orientación adecuada del invernadero a la luz. 
 Materiales que reduzcan el mínimo las sombras interiores. 
 Aumento del ángulo de incidencia de las radiaciones sobre las cubiertas. 
 Acolchados del suelo con plástico blanco. 
En verano para reducir la luminosidad se emplean: 
 Blanqueo de cubiertas. 
 Mallas de sombreo. 
 Acolchados de plástico negro. 
Es interesante destacar el uso del blanqueo ya que esta labor está en función del 
desarrollo del cultivo y de las temperaturas, y tiene efectos contradictorios que hay que 
conocer para hacer un correcto uso. Hay que saber que la planta sombreada se ahíla y se 
 
 
46 
 
producen abortos de flores en determinadas especies sensibles a la luz (especialmente 
tomate, pimiento y berenjena), por lo que el manejo del riego y de la solución nutritiva 
tiene que ir unida al efecto que produce el blanqueo, los plásticos sucios o envejecidos 
provocan el mismo efecto que el blanqueo. 
2.9.4 CO2 
El anhídrido carbónico de la atmósfera es la materia prima imprescindible de la función 
clorofílica de las plantas. El enriquecimiento de la atmósfera del invernadero con CO2, es 
muy interesante en muchos cultivos, tanto en hortalizas como en flores. 
La concentración normal de CO2 en la atmósfera es del 0,03%. Este índice debe 
aumentarse a límites de 0,1 - 0,2%, cuando los demás factores de la producción vegetal 
sean óptimos, si se desea el aprovechamiento al máximo de la actividad fotosintética de 
las plantas, las concentraciones superiores al 0,3% resultan tóxicas para los cultivos. 
En los invernaderos que no se aplique anhídrido carbónico, la concentración de este gas es 
muy variable a lo largo del día alcanza el máximo de la concentración al final de la noche y 
el mínimo a las horas de máxima luz que coinciden con el mediodía. En un invernadero 
cerrado por la noche, antes de que se inicie la ventilación por la mañana, la concentración 
de CO2 puede llegar a límites mínimos de 0,005-0,01%, que los vegetales no pueden 
tomarlo y la fotosíntesis es nula. En el caso que el invernadero esté cerrado durante todo 
el día, en épocas demasiado frías, esa concentración mínima sigue disminuyendo y los 
vegetales se