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Mejoramiento del rendimiento de la
biodigestión anaeróbica en climas fríos
mediante la implementación del
Solar Organic Rankine Cycle
Jaime Jaimes-Estévez
Ingeniero Químico
Ph.D (C)
Luis Felipe Patiño
Ingeniero Electricista
M.Sc.
CONTENIDO
• CONTEXTUALIZACIÓN
• BIODIGESTORES COMO ALTERNATIVA ENERGÉTICA
• DIGESTIÓN ANAERÓBICA EN CLIMAS FRÍOS
• ALTERNATIVAS PARA EL MEJORAMIENTO DEL BIOPROCESO
• ¿QUÉ ES UN CICLO RANKINE?
• ¿QUÉ ES UN CICLO SOLAR ORGÁNICO RANKINE?
• DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN
• EL MODELO DEL SORC
• ACOMPLAMIENTO AL BIODIGESTOR
• RESULTADOS
• TIPOS DE COLECTORES SOLARES
• BOSQUEJO EN 3D
• ¿QUÉ SIGUE?
942 Millones de personasno tuvieron acceso aelectricidad en 2016
Condiciones de bajos ingresos, falta de recursos
Dificultad para conexión de la red de energía a
comunidades de ubicación remota
Summary
▪13% de la población mundial no tuvoacceso a electricidad.
▪40% de la población mundial no tieneacceso a combustibles limpios para cocinar.Esto conlleva a riesgos altos de salud
▪El consumo de electricidad per cápita varíamás de 100 veces en todo el mundo.
▪El acceso a la energía está relacionadofuertemente con los ingresos:comunidades con menores recursos sonmas propensos a no tener conexión directaa las fuentes energéticas
Fuente: The World Bank
CONTEXTUALIZACIÓN
CONTEXTUALIZACIÓN
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(IEA 2016)
87 M de personas dependen del uso tradicional de la biomasa para cocinar
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El diseño de los DT se caracteriza por:
a) bajos costos de construcción, operación y
mantenimiento (Escalante et al., 2018)
b) b) permiten la generación de energía in-situ (Naik, et
al., 2014)
c) no tienen agitación ni calefacción, haciéndolos más
factibles en cuanto a su manejo e instalación (Haryanto, Triyono, & Wicaksono, 2018).
Es el producto principal de la digestión
en términos de masa (70% del producto
final), el cual es una mezcla de biomasa
microbiana y material no degradado
durante la bioconversión que es
utilizado como fertilizante (Castro et al., 2017).
a) Se produce un biogás
como fuente de energía renovable
b) Reduce los problemas de
contaminación causados por el sustrato
c) Genera un digerido (fertilizante
orgánico) que permite el reciclaje de nutrientes
Reactor tubular (RT)
Reserva de biogás
Sustrato
Digerido
Uso del biogás
Condiciones óptimas del
proceso:
37 °C
7(M. C. Peel, B. L. Finlayson, T. A. Mcmahon, 2007)
Adicional al tipo de sustratos, el rendimiento de
los digestores tubulares de bajo costo está muy influenciado por la temperatura.
Rango
psicrofílico (< 25°C)
Rango mesofílico
(25 - 40°C)
Lo anterior demuestra el potencial
de la aplicabilidad y la necesidad
de investigar la tecnología de
digestión anaeróbica a bajas
temperaturas en Latinoamérica.
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Climas fríos (entre 5 y 20 °C)
Problemas operacionales
Problemas ambientales
Fisicoquímicos y microbiológicos
Se puede presentar aumento en la viscosidad
del medio líquido, lo cual constituye
incrementos en requerimientos energéticos de
mezclado y sobre todo, la disminución de la
difusión de compuestos solubles, y el contacto
entre biomasa-sustrato. Lo anterior representa
bajos rendimientos en la producción de biogás
y de consumo de la materia orgánica (Dev, et
al., 2019).
Se pueden presentar aumentos en la
solubilidad de los gases contenidos en la fase
líquida, como H2, H2S y CO2, disminuyendo el
pH del medio (Lettinga, Rebac, & Zeeman, 2001).
La acumulación de estos compuestos en la
fase líquida y las bajas tasas de remoción de
materia orgánica pueden conllevar a un
problema ambiental debido a una mala
calidad del digerido donde, su disposición
puede generar eutrofización del suelo,
propagación de patógenos y liberación de
gases de efecto invernadero (Castro, et al.,
2017).
DIGESTIÓN ANAERÓBICA EN CLIMAS FRÍOS
Falta de alcalinidad
Las arqueas metanogénicas son en su mayoría mesófilas
Inhibición del proceso por acidificación
Limitaciones desde el punto de vista microbiológico
Climas fríos (entre 5 y 20 °C)
Problemas operacionales
Problemas ambientales
Fisicoquímicos y microbiológicos
valores de temperatura por debajo de los 20 ºC
afectan su actividad microbiana dado que se
inhibe el transporte de sustrato a través de la membrana celular (Dev, et al., 2019).
% CH4 < 50%
Acumulación de ácidos grasos
volátiles (AGV)
(Jaimes-Estévez, Castro, & Escalante, 2018; Martí-Herrero et al., 2019).
DIGESTIÓN ANAERÓBICA EN CLIMAS FRÍOS
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Alternativas para el mejoramiento del bioproceso
Aumento de la Temperatura
(Dev et al., 2019)
Favorece las condiciones para el
desarrollo de las comunidades y la
producción de biogás
Mejora los rendimientos de
producción de biogás
Contrarresta los problemas de
inhibición
Provoca la correcta disposición de
nutrientes contenidos en el digerido
Genera un equilibrio nutricional
(Mata Álvarez et al., 2011)
La Co-DA se visualiza como una opción de unificación de gestión de residuos
(Fernández 2014)
¿QUÉ ES UN CICLO RANKINE?
• Un Ciclo Rankine (RC) es un sistema que transforma energía calórica aenergía eléctrica.
• Su funcionamiento se basa en un CICLO TERMODINÁMICO:
• Ciclo termondinámico de una nevera:
(Refrigerador)
(Cara posterior)
¿QUÉ ES UN CICLO RANKINE?
PUNTO ESTADOS
1Presión bajaTemp baja
2Presión altaTemp baja
3Presión altaTemp alta
4Presión baja
Temp media-alta
¿QUÉ ES UN CICLO RANKINE?
¿QUÉ ES UN CICLO SOLAR ORGÁNICO RANKINE (SORC)?
Desarrollo de la investigación
Trabajo con la comunidad
Etapa 3. Socialización y transferencia del conocimiento
-Evaluación del Potencial de biometanización y de la sinergia a distintas temperaturas.
-Sustratos a estudiar: lactosuero (LS) y estiércol bovino (EB)
Etapa 1. Estudio de la codigestión y del SORC a escala laboratorio
Proceso Batch Modelamiento del SORC + biodigestor en Proceso Continuo
Etapa 2. Implementación del sistema SORC –biodigestor a escala doméstica
Proceso Continuo
• Monodigestión EB• Codigestión EB:LS• Codigestión EB:LS +SORC• Producción y calidad del biogás
OBJETIVO
Mejorar el de la biodigestión anaeróbica en climas fríos mediante la implementación del
Solar Organic Rankine Cycle
Inóculo
EB
8 L CH4/kg de Estiércol
Sinergia
9
16 L CH4/kg de mezclaInóculo
EB
LS
22.2 L CH4/L de sustratosInóculo
LS
18 L CH4/L de suero
Potencial de producción de
metano predicho en
condiciones psicrófilas
Incremento del
170%
17
69 Litros:70% Agua
30%EB
Tamb = 17 °C
1.3 m3 biogás diarios
50% de metano
18
2.5 m3 biogás diarios
69 Litros70% LS30%EB
Tamb = 17 °C
56% de metano
• La Co-DA permite incrementar más del 100% el rendimiento en biogás y su calidad ,
con respecto a la mono-digestión del estiércol bovino.
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Sistema de digestión
Temperatura (°C)
Rendimeinto (m3
biogás/día)
Calidad Biogás(%CH4)
kWh/m3
Mono DA Estiércol bovino proporción 1:3
17 1.3 50 5.6
EB:LS proporción 1: 2.3
17 2.5 56 7.7
Desarrollo de la investigación
EL MODELO DEL SORC
UBICACIÓN
POTENCIA
REQUERIDA
COSTOS
MODELO
MATLAB
TAMAÑO DE
ELEMENTOS
TIPO DE COLECTORES SOLARES
VALORES
TERMODINÁMICOS
RESTRICCIONES SOLAR [W/m2] &
TEMP. [K]
MEAN VALUES
ORC MODEL
POWER
REQUIRED [kW]
COST/SIZE OF
COMPONENTS
SOLAR
COLLECTOR
MODEL
HEAT REQUIREDHEAT
AVAILABLE
BIO-DIGESTER
TRANSFER
MODEL
GA
OPTIMISATION
EFFICIENCY
GA
OPTIMISATION
LCE
ANALYSIS
START
END
EL MODELO DEL SORC
• Se realiza en el software MATLAB, utilizando un algoritmo deoptimización GA (Genetic Algorithm)
A(x)=…B(x)=…C(x)=…
D(x)=…E (x)=…F (x)=…
G (x)=…H (x)=…I (x)=…
M (x)=…N (x)=…O (x)=…
P (x)=…Q (x)=…R (x)=…
J (x)=…K (x)=…L (x)=…
X
Y
Z
GA
ENERGÍA ELÉCTRICA
ENERGÍA CALÓRICA
EXPANSOR
COLECTORES SOLARES
BOMBA
INTERCAMBIADOR DE CALOR
GENERADOR
BIODIGESTOR
ACOPLAMIENTO AL BIODIGESTOR
RESULTADOS
• Dependiendo del objetivo, los resultados varian:
MAX EFICIENCIA MÍN COSTO
MAYORES COSTOS MENOR EFICIENCIA
OBJETIVO:
CONSECUENCIA:
Variable ef. LCEÁrea
colectoresTipo de colector
Costos totales We outputQ disponible Biodigestor
Resultados MAX EFFICIENCIA
9.45 7.46 26.77 TUBOS 7512.68 1005.07 507
Resultados MIN COSTOS 8.42 5.1 32.85 FPC 5619.84 1098.79 1344
UNIT %USD/
Wm2 USD W W
Los resultados del modelo muestran un aumento de temperatura en el fluido del biodigestor deun 16%. Lo anterior permite alcanzar mejoras de hasta un 70% en los rendimientos del bioproceso
RESULTADOSMÁX EFFICIENCIA MÍN COSTO
ACOPLAMIENTO AL BIODIGESTOR
69 Litros70% LS30%EB
Tamb = 20 °C
61% de metano
kWh/m3
7.7
• Existen diversas tecnologías de colectores solares, las cuales varian su eficienciatérmica y su costo.
• Se dividen de acuerdo a la temperatura de trabajo:
ALTAS TEMPERATURAS (T>150 C)
TIPOS DE COLECTORES SOLARES
• BAJAS TEMPERATURAS (T<150 C)
COLECTOR PLANO
COLECTOR DE TUBOS AL VACIO
COLLECTORES PARABÓLICOS
(PTCs)
REFLECTORES LINEALES FRESNEL
TIPOS DE COLECTORES SOLARES
TIPOS DE COLECTORES SOLARES
BAJAS TEMPERATURAS (T<150 C)
BOSQUEJO EN 3D
Qué sigue?
• Mejoramiento del modelo matemático con componentes más realistas
• Diseño mecánico
• Modulado en 3D (incluyendo componentes de instalación)
• La implementación a escala real del SORC acoplado a un biodigestor
• La validación del modelo a escala real.
• Implementación de un sistema de control
SORC
La integración del sistema SORC con un biodigestor permite mejorar los rendimientos del bioproceso y la
libertad energética en zonas rurales y de difícil acceso
CALOR (Colectores solares)
ELECTRICIDAD (Bomba)
CALOR (sobrante)
ELECTRICIDAD (Bomba)
En conclusión…
0.41 m3 biogás/m3
digestor d
Contacto
LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/lfpatinoo/
Número de contacto: +57 3014645919
E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1849-9818
Luis Felipe Patiño
Ingeniero Electricista
M.Sc.
Número de contacto: +57 3167966401
E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2955-3242
Jaime Jaimes-Estévez
Ingeniero Químico
Ph.D (C)
GEMATECH S.A.S Proyectos IAPP
Gracias!
