David Mera

Paul Urjilez

José Peña

Examen de Sistemas de Conversión de energía

1) Usando el documento Biomethane from dairy waste como base, demuestre la pre-factibilidad técnico-económica de generar electricidad a partir de biogás usando un motor de combustión interna, en una propiedad que tiene 200 cabezas de ganado lechero. Debe incluir un estimado de la cantidad de estiércol que se produce, el tipo y tamaño del biodigestor que utilizaría y sus elementos asociados, el dimensionamiento preliminar del tren de acondicionamiento/almacenamiento de biogás para ingresarlo al motor y la selección del tipo y tamaño del motor que formaría parte del conjunto. Tome en consideración todas las restricciones que impongan las regulaciones ambientales relevantes (por ejemplo emisiones al aire, descargas al suelo, etc).

Introducción

A consecuencia del incremento de producción de bienes (canteras), transporte y la generación de energía el calentamiento global y la contaminación del aire han aumentado significativamente, el mundo se vio obligado a obtener otras fuentes de energía las cuales sean más amigables con el medio ambiente, ya sea que tengan menos emisiones de gases que producen el efecto invernadero como óxido de nitrógeno NOx, monóxido de carbono, ozono etc. O fuentes de energía que no usen las fuentes no renovables que tiene el planeta (petróleo y agua) como el uso de biogás o biometano.

Planteamiento del problema

Debido a la gran cantidad de emisión de gases de efecto invernadero que produce un motor de combustión interna que trabaja a diesel, nos hemos puesto el objetivo de cuidar el medio ambiente, y como ya es de conocimiento de todos el biogás y el biometano son una muy buena opción como combustible alterno, el cual tiene casi las mismas propiedades que el gas natural (biometano).

Nuestro problema incluye la generación de electricidad mediante biometano para una granja que cuenta con 200 vacas y se encuentra a 1 km de distancia del pueblo más cercano que tiene 300 habitantes.

Producción de biogás a partir del estiércol producido por las vacas

La granja cuenta con 200 vacas, las cuales si suponemos que pesan 1200 libras cada una (peso promedio), y si suponemos que producen el 8% de su peso en estiércol diario,

tendríamos 19200 libras de estiércol diarias o 134400 libras semanales a disposición para producir biogás, a partir de una digestión anaeróbica.

Tenemos que tener en cuenta que no todo el estiércol será recogido, puesto que solo se podrá recoger el estiércol que se genere mientras las vacas estén dentro del establo, esto significa durante la noche y mientras se las ordena. Por esto basándonos en valores experimentales de otras granjas, asumimos que el estiércol que podremos recoger será del 25% del estiércol total producido, esto es 4800 lb por día. El estiércol deberá ser manejado correctamente para no dejar escapar gases a la atmosfera, no emitir malos olores a zonas aledañas (casa de la granja), evitar peste de moscas, etc.

El biogás es una mezcla de gases principalmente de metano y dióxido de carbono, el cual es obtenido mediante una digestión anaeróbica. Esta digestión anaeróbica es muy beneficiosa ya que podemos producir biogás como energía alterna al petróleo (calor, electricidad o gas natural), nos permite reducir el volumen y la masa de los residuos y reduce olores y emisiones de gases efecto invernadero ( CH4 y compuestos orgánicos volátiles). En esta DA también podemos co-digerir con otras biomasas como residuos de agricultura o residuos de comida para aumentar la biomasa total y por ende el biogás. Para la DA tenemos que tomar en cuenta la cantidad de agua y de residuos inorgánicos solidos que pueden mezclarse durante la recolección del estiércol. La DA es un tanque modificado para sacarle el aire y promueva el crecimiento de una bacteria metano génica.

Mejorar el biogás a biometano

Como el biogás no tiene la calidad suficiente para trabajar bien en motores de combustión interna, vamos a mejorarlo a biometano, sacándole el sulfuro de hidrogeno, la humedad y el dióxido de carbono. Este biometano va a ser muy parecido al gas natural, tanto así que después de la mejora, el biometano tranquilamente puede usarse junto al gas natural o intercalando combustibles, hasta podrían compartir las mismas tuberías para transporte del combustible.

Los tres pasos para mejorar el biogás son: 1) remoción del sulfuro de hidrogeno, 2) remoción de la humedad y 3) la remoción de dióxido de carbono.

Almacenamiento de biogás

El estiércol deberá ser recogido y ubicado en tanques cerrados para poder capturar con facilidad el biogás producido por la digestión anaeróbica. Mediante la siguiente tabla podemos ver la densidad del estiércol según su composición:

Un factor muy importante en este proyecto es que el biogás es muy corrosivo debido a la humedad y el sulfuro de hidrogeno y que su poder calorífico es muy bajo aproximadamente 600 BTU/scf, debido a eso es que lo vamos a mejorar a biometano, extrayéndole la humedad, el sulfuro de hidrogeno y el dióxido de carbono, subiéndole su poder calorífico a

1000 BTU/scf, ya con este poder calorífico podemos usar como combustible en los automóviles, también puede ser vendido para industrias o para líneas de distribución de gas natural.

Una vez que tengamos los datos de cuanto gas podemos aprovechar del estiércol, y seguido a esto, cuanto biometano podemos obtener del biogás, podremos dimensionar el biodigestor, y así saber cuánta potencia podrá usar el motor de combustión interna.

Tipo y tamaño de biodigestor:

El tipo de biodigestor seleccionado es el que se conoce como “laguna cubierta” puesto que es uno de los más sencillos, eficientes y aptos para las condiciones climáticas del ecuador.

Esquema del biodigestor laguna cubierta

En este sistema la generación de biogás se lleva a cabo dentro de una laguna cubierta y privada del acceso al aire. Una vez hecha la inversión, su operación puede prolongarse por décadas. Sus componentes son los siguientes:

Un sistema de acarreo del estiércol que lo lleve hasta la laguna. Un separador de sólidos, que es opcional, porque depende de la manera en la que se

acopie y acarree el estiércol: si contiene muchos sólidos, es recomendable que sean removidos antes de continuar con el proceso. Los separadores de sólidos pueden ser trampas mecánicas o mecanismos que operen por gravedad.

Una laguna sellada en la que el estiércol se deposita mezclado con agua. Ahí permanece el tiempo necesario para ser digerido por las bacterias que generan el biogás. En esta fase los sólidos se asientan en el fondo de la laguna y los líquidos flotan encima hasta que son transferidos a la siguiente laguna.

Una laguna a cielo abierto para captar los líquidos que resultan del proceso de generación de biogás. Estos líquidos pueden emplearse como fertilizante en la

agricultura dado su alto nivel de nutrientes, o reutilizarse en el procesamiento de más estiércol.

Un sistema de tuberías flexibles y bombas para transportar el biogás hasta la planta de generación de electricidad.

Una antorcha de emergencia para quemar el biogás en los casos de que la planta tenga que parar (como por ejemplo, cuando se le da mantenimiento).

Una planta generadora de electricidad, en la que se pueden emplear desde turbinas operadas con vapor proveniente de una caldera calentada con el biogás, hasta turbinas de gas o motor de combustión interna que operen con gas.

Una salida de la electricidad al sistema de distribución eléctrico, ya sea para consumo interno o para empleo externo.

Dimensionamiento del biodigestor:

El dimensionamiento del biodigestor parte de la estimación antes realizada de la cantidad de estiércol a tratar diariamente.

Mest= 4800 lb est / dia = 2177kg est/dia

Para la mezcla de estiércol agua se recomienda una relacion de 1:4 (Botero y Preston, 1987) por tanto nuestra masa de agua necesaria por dia será:

Magua=Mest x 4=8709 kgaguadia

Tiempo de retención según la temperatura (Lylian Rodríguez and T R Preston)

Si consideramos que nuestra temperatura promedio es de 28`C podemos aproximar según la tabla con una pequeña interpolación que nuestro tiempo de retención será de 13 dias

Por tanto la masa de estiércol a almacenar será de:

Mtest=2177 kgestdia

x 13 dias=28304 kgest

Y la masa total de agua será:

Mtagua=8709 kgaguadia

x13 dias=113208kg agua

Densidades del estiércol según su estado

Considerando que el estiércol tiene que estar muy descompuesto para obtener el mayor beneficio de este de la tabla obtenemos que su densidad es 900 kg/m3. Por tanto el V del estierco será:

Vest=28304 kg

900kgm 3

=31 m3/dia

Entonces la suma del volumen de estierco mas la del agua será el volumen del biodigestor:

Vbiodigestor=Vext+Vagua=31+ 1132081000

=145 m 3

Pero por recomendaciones empíricas es necesario dejar un 25 del volumen vacío, para acumulación del gas, por tanto el volumen total seria:

Vtotal=145∗1.25=181 m3

Como la profundidad mínima recomendad para este tipo de biodigestores es de 12 pies (3.64m) partimos de una profundidad de 4 m.

De esta forma nos queda solo por dimensionar la superficie, basándonos de las siguientes dos consideraciones:

Para los biodigestores tubulares se recomienda una relación de diámetro-longitud de 1:5 a1:10.

Para estos biodigestores de laguna cubierta es recomendable poner lo mas lejos posible el canal de entrada con el de salida.

Considerando estos dos puntos escogemos una relación de a:b igual a 1:10. Entonces:

4∗superficie=181

a∗b=1814

a∗10 a=45

a=2 m por tanto b=20 m

Calculo de producción de biogás:

Para saber la producción de biogás es necesario primero obtener la cantidad de solidos totales (ST) y de estierco fresco el porcentaje de solidos totales varia entre 13 y 20% (Corporación técnica alemana GTZ) en este caso escogemos un valor de 17% por tanto:

ST=Mest∗0,17=370 kg dia

Luego de esto debemos obtener la cantidad de estos solidos capaces de convertirse en gas, que se los conoce como solidos volátiles (SV) y esto significa un 77 % de la cantidad de solidos totales (GTZ) por tanto:

SV=ST∗0,77=285 Kg dia

a

b

Factor de producción de biogás (m3/kgSV) (GTZ)

Con el factor de producción de biogás que se muestra en la tabla se puede obtener la cantidad de biogás en m3 a partir de la cantidad de solidos volátiles obtenidos.

Biogas=SV∗0,39=111m3dia

En otras fuentes se encuentra otros factores de rendimiento pero en esta ocasión basados en la cantidad de solidos totales, por tanto si escogemos en factor más conservador tendremos una producción de biogás:

Biogas=ST∗0,11=41m 3dia

Y escogiendo el mayor rendimiento se puede obtener:

Biogas=ST∗0,3=111m 3dia

Producción de electricidad

Basándonos en datos los datos mostrados a continuación podemos aplicar una regla de 3 para estimar nuestra producción de biogás.

Una granja que produce 15 m3 de biogás al día, puede convertirlo en 18,45 Wh-1(30% eficiencia) o en 12,3 kWh-1 (20% eficiencia).

Por tanto si suponemos que nuestro generador tiene 20% de eficiencia tendremos para nuestra estimación más conservadora y más optimista de producción de biogás la:

produccionde electricidad=41 m3 x 12.3 Kwh15 m3

=33,62 Kwh

produccionde electricidad=111m 3 x 12.3 Kwh15 m 3

=91,02 Kwh

Para un cálculo de energía más exacta necesitamos saber la calidad del biogás producido, concretamente el porcentaje de metano en cada m3 de biogás. Y también la eficiencia del generador eléctrico.

Composición típica de biogás generado por excremento de animal

En la tabla de arriba se puede ver el porcentaje de metano típico de biogás del producido por excremento de animal. Con ayuda de este cuadro, y observando otros proyectos de biodigestores donde usan excremento de vaca específicamente determinamos que nuestro biogás producido va a tener un 65% de metano por tanto.

CH 4=0,65 (biogas )[ m 3dia

]

CH 4=0,65 (41 )=26m 3dia

Si se sabe que en condiciones estándares 1 m3 de metano equivale a 32.207 BTU es decir 9,47 Kwh de energía total [1] se tiene,

energia total=CH 4[m 3dia ]∗9,47[ kwh

m3 ]energia total=26,24 (9,47 )=248

kwhdia

Y si se conoce que la eficiencia de un motor de combustión interna (no de diesel) esta entre 25-35% [1], y como se esta analizando el caso mas conservador se escoge 25% de eficiencia para obtener la energía útil producida.

energiautil producida=248,5 [ Kwhdia ]∗0,25

energiautil producida=62Kwhdia

Costo de inversión

Existen empresas que realizan accesoria y construyen todo tipo de biodigestores, como CIDELSA (http://www.cidelsa.com, telf: 511 617 8787, ventas@cidelsa.com) las cuales pueden proporcionar un desglose económico de la inversión, se pidió presupuesto para un biodigestor con las dimensiones obtenidas pero no se obtuvo respuesta aun, por tanto se estimara la inversión basándose en costos de inversión de otros proyectos de similares características, por ejemplo la inversión de un biodigestor de tipo laguna cubierta en una granja donde se producían 13000 kg de estiércol diario, fue de$ 49600 para la construcción del biodigestor y $48460 para el sistema de generación eléctrica lo que da un total de $103000. Pero como la granja analizada tan solo produce 2177 kg de estiércol diarios el biodigestor será más pequeño y por tanto mas económico por lo que se realiza la estimación de la siguiente forma.

si para13000 kg deestiercol →el costo de inversiones de$ 103000

entonces para2177 kg deestiercol → costo de inversiones x

costo de inversion=2177 (103000 )

13000=$ 17248

Factibilidad económica

Tabla Precios preferentes energías renovables en (cUSD/Kwh)

La regulación No. CONELEC-004/11 determina un precio de venta a la red eléctrica preferencial para los kwh provenientes de sistemas de energías renovables, los cuales se muestran en la tabla de arriba. Como vemos en el caso de la granja analizada, la cual es energía a base de biogás < 5Mw se tiene un precio de venta de 11,05 cUSD/kwh.

2) La propiedad arriba mencionada está atravesada por un rio que tiene un caudal de 10 m3/s en promedio. La zona donde está ubicada la propiedad permitiría aprovechar un salto de alrededor de 20 m. Aguas abajo de la propiedad hay agricultores que usan el agua por lo que represar completamente el río parecería no factible. Diseñe conceptualmente todos los elementos que compondrían una central hidroeléctrica para aprovechar este potencial.

CONSIDERACIONES GENERALES

Se tiene una caudal de 10 m3/s, con un salto de 20 metros de altura definimos la potencia bruta que podemos obtener del salto y el caudal como:

P=γHQ

Tomando γ=9790,38N

m3

P= (9790,38 ) (20 ) (10 )

P=1958,076 Kw

Usando la siguiente escala definiremos el tipo de hidroeléctrica que podríamos diseñar

Gran hidroeléctrica Más de 100 MW Medio hidroeléctrica 15 a 100 MW Pequeña hidroeléctrica 1 a 15 MW Micro-hidroeléctrica De 5 kW hasta 100 kWPico-hidroeléctrica Desde unos pocos cientos de vatios hasta 5 kW

Podemos considerar que tenemos el suficiente caudal y cabezal para diseñar una pequeña hidroeléctrica que pude producir mas de 1Mw. Cabe recalcar que esta consideración u aproximación no considera perdidas en sistema de tuberías que se debe de diseñar ni la eficiencia de turbina.

SELECCIÓN DEL TIPO DE TURBINA Usando la carta de aplicación para turbinas estimaremos que tipo de turbina nos convendría para el salto y le caudal del rio. También usamos el criterio de selección solo por el cabezal que tenemos disponible en el rio con los siguientes parámetros:

Kaplan 2 < H < 40  Francis 10 < H < 350 Pelton 50 < H < 1300 Turgo 50 < H < 250

Donde H esta en metros y representa el cabezal de agua disponible.

Trazando rectas determinamos un rango de los tipos de turbina a usar, siendo las turbinas Kaplan y Francis.

SISTEMAS EMPLEADOS EN LA CAPTACIÓN DE AGUA

Teniendo la restricción de tener agricultores aguas abajo que usan la vertiente del rio para sus actividades de agricultura y ganadería nos inclinamos hacia el tipo de mini central hidroeléctrica tipo derivación este sistema no detiene al caudal del río sino que desvía parte

del caudal a un canal y una tubería y luego hacia una turbina. La gran mayoría de los sistemas de mini central hidroeléctrica son del tipo de derivación. La desventaja de este sistema es que el agua no se puede almacenar para la estación seca del año. La ventaja es que el sistema se puede construir a un bajo costo y su simplicidad proporciona una mejor confiabilidad a largo plazo. Desde el punto de vista ambiental son mejores pues aguas abajo de las instalaciones no provoca alteraciones significativas al caudal ni se necesita inundar los valles aguas arriba de la instalación.

Componentes de un Sistema de Micro-hidrogeneración

BocatomaEs la obra mediante la cual se toma el caudal que se requiere para obtener la potencia de diseño; su construcción es sólida, ya que debe soportar las crecidas del río.

Obra (Canal) de conducciónSe encarga de conducir el caudal desde la bocatoma hasta el tanque de presión, posee una pequeña pendiente; en la mayoría de los casos suele ser un canal, aunque también un túnel a una tubería.

DesarenadorEs necesario que las partículas en suspensión que lleva el agua sean decantadas, por ello al final de la obra de conducción se construye un tanque de mayores dimensiones que el canal, para que las partículas pierdan velocidad y caigan al fondo del desarenador.

Tanque de presión o Cámara de CargaEn esta obra, la velocidad del agua es prácticamente cero, empalma con la tubería de presión, sus dimensiones deben garantizar que no ingresen burbujas de aire en la tubería de presión, permitir el fácil arranque del grupo turbina-generador y amortiguar el golpe de ariete.

AliviaderoCon estas obras se elimina el caudal de exceso que se presenta en la bocatoma y en el tanque de carga, y se regresa al cauce del aprovechamiento.

Tubería de presiónMediante la tubería de presión se conduce el caudal de diseño hasta la turbina; está apoyada en anclajes que le ayudan a soportar la presión generada por el agua y la dilatación que le ocurre por variación de temperatura.

Casa de máquinasEn ella se transforma la energía hidráulica en mecánica, la mecánica en eléctrica y, mediante el sistema de transmisión se lleva la energía al usuario. Está conformada por:

Turbina: Motor hidráulico que convierte la energía del agua en energía mecánica.Regulador de velocidad: Servomecanismo que mantiene constante la velocidad de giro de la turbina y consecuentemente la frecuencia de la energía eléctrica generada.Generador: Máquina eléctrica que convierte la energía mecánica en el eje en energía eléctrica.Regulador de voltaje: Sistema electrónico que mantiene el voltaje generado a un nivel constante.Transformador: Equipo eléctrico utilizado para voltaje que permite el transporte de energía a distancias requeridas.

El diseño de la mini central comprendería dos faces: una de diseño de obras civiles y otra de selección de equipo.

El diseño de las obras civiles comprende los diseños de:

BocatomaAliviaderoObra de conducciónDesarenadorTanque de presiónAnclajes para la tubería de presiónCasa de máquinas

La selección de equipo comprende:

Tubería de presión o su diseñoCompuertas o su diseñoTurbinaVálvulasGeneradorVolanteRegulador de tensión y frecuenciaProteccionesRedes de transmisión

Accesorios