FORECASTING DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

PREDICCIÓN TEMPORAL Y DIAGNÓSTICO DE ESTABILIDAD EN DIGESTIÓN ANAEROBIA

1. Contexto del proyecto

Este proyecto estudia datos operativos reales de una planta municipal de digestión anaerobia en Muscatine, Iowa, registrados entre 2020 y 2023. El objetivo principal es comprobar si la información histórica de alimentación, operación y estabilidad permite anticipar el caudal medio diario de biogás.

Se evaluaron cinco horizontes —D+1, D+3, D+7, D+15 y D+30— y cada modelo se comparó con referencias sencillas de persistencia y media móvil. La separación y la evaluación respetan el orden temporal para evitar que información futura llegue al entrenamiento.


2. Herramientas utilizadas

  • Python y Pandas: auditoría, limpieza, agregación diaria y creación de variables temporales.
  • Scikit-learn: regresión lineal, Random Forest, HistGradientBoosting, métricas y validación temporal.
  • XGBoost: comparación de un enfoque de boosting adicional.
  • Matplotlib y Seaborn: exploración de series, diagnóstico de errores e interpretación.
  • Power BI: tablas finales preparadas para el futuro dashboard operativo.

3. Desarrollo del notebook

  1. Revisión de documentación, tipos de datos, ausentes, duplicados y continuidad temporal.
  2. Análisis del biogás, la alimentación, la temperatura, el pH y los indicadores de estabilidad.
  3. Tratamiento de ausentes sin rellenar el principal hueco temporal del histórico.
  4. Creación de retardos, medias móviles y objetivos para cinco horizontes de predicción.
  5. Separación cronológica de entrenamiento, validación y prueba.
  6. Comparación de modelos frente a persistencia y media móvil de siete días.
  7. Evaluación final, importancia de variables y exportación de tablas para Power BI.
  8. Backtesting temporal como Anexo A para comprobar la estabilidad del resultado en distintos periodos.

4. Principales hallazgos

  • D+1 es el horizonte más confiable: obtuvo un MAE de 20,58 CFM, R² de 0,60 y una mejora del 17,4 % frente a persistencia en la prueba final.
  • El backtesting confirma el resultado: el MAE medio de D+1 fue 17,24 CFM, frente a 20,29 CFM de persistencia y 26,81 CFM de la media móvil.
  • D+3 conserva utilidad limitada; los horizontes D+7, D+15 y D+30 pierden estabilidad y suavizan los picos.
  • Los modelos tienden a sobreestimar producciones bajas y subestimar los máximos.
  • Las variables de laboratorio pueden aportar señal, pero su utilidad depende de que estén disponibles al momento de emitir la predicción.
  • Una mayor complejidad no garantizó mejores resultados: XGBoost no superó automáticamente a los enfoques más sencillos.

5. Interpretación y aplicación

El resultado puede servir como apoyo para la planificación operativa del día siguiente y como referencia para detectar desviaciones entre la producción esperada y observada. Los horizontes más largos deben tratarse como experimentales, no como pronósticos de igual confiabilidad.

El caudal está medido para toda la planta, no por digestor, y no existe una medición de concentración de metano. Por ello, el proyecto predice caudal de biogás y no producción de CH₄. Tampoco convierte correlaciones históricas en recomendaciones causales de operación.


6. Material visual pendiente

La demostración en video y las capturas del dashboard de Power BI se incorporarán cuando finalice la capa de visualización. El análisis, las métricas, las conclusiones y las tablas necesarias ya están preparados.


7. Recursos del proyecto