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Curso: Gestión Integral del Agua

Modulo 1. Energía Renovable Solar, Eólica, Biomasa

Juan Sebastián Estrada (CNPML)

“Pero no toda la energía proviene de los combustibles fósiles”

No. Pero casi toda!

Energía renovable

Alemania produce hoy en día más del 20% (25% en 2014) de su energía eléctrica de fuentes renovables, 15% más que en el año 2000.

EnergíaRenovable

Todaslasfuentesdeenergíarenovables(exceptolamaremotrizylageotérmica),einclusolaenergíadeloscombus?blesfósiles,provienen,enúl?motérmino,delsol.Elsolirradia174.423.000.000.000kWhdeenergíaporhorahacialaTierra.Enotraspalabras,laTierrarecibe1,74x1017Wdepotencia.

Consumo mundial de energía en 1995 9,5 x 1013 kWh

Radiación solar sobre la Tierra 152.424 x 1013 kWh

E. hidráulica 4,6 x 1013 kWh

Biomasa 152,4 x 1013 kWh

E. Mareomotriz y del oleaje 762,1 x 1013 kWh

Energía Eólica 3.084,4 x 1013 kWh

Potencial estimado de las Energías Renovables a nivel mundial

Energía solar

Energía solar

Energía solar

Energía Solar fotovoltaica

Efecto fotoeléctrico Efecto fotovoltaico

Energía Solar fotovoltaica

Sonda Juno. Ilustración.

Energía Solar fotovoltaica

•  Más apta para escalas pequeña – mediana (desde unos pocos W hasta varios MW) •  Instalaciones particulares o comunitarias •  Fuera de la red o integrada a ella •  Costo rápidamente descendente •  China y Europa prevén que el costo de la energía solar podría estar a la par de la generación a carbón entre 2013 (para algunas zonas de Europa Ya sucedió!) y 2020.

Energía Solar fotovoltaica

Fuentesdedatos/ModelosAtlasderadiaciónsolarUPME

Atlas.ideam.gov.co

PV-WaTspvwaTs.nrel.gov

PVSystHomerEnergy

Energía solar concentrada

Energía solar concentrada (solar trough – canales solares)

Energía solar concentrada (torre solar)

Energía solar concentrada (torre solar)

Fuente: Solar Reserve

Energía solar concentrada (motor Stirling)

Energía solar concentrada •  Generación a gran escala (10 – 100> MW) (Proyectada 150MW en Australia) • A partir de sistemas parabólicos lineales o circulares y campos de heliostatos •  Generación de vapor o aire caliente •  Turbinas de vapor, turbinas de gas, ciclos combinados, motores Stirling. •  Integración con combustibles y/o almacenamiento térmico

Energía solar concentrada

Energía solar térmica

•  Para calentamiento de agua, aire, espacios. •  Sistemas pasivos de calefacción. •  Sistemas solares de enfriamiento.

Energía eólica

Alrededordeun1aun2porcientodelaenergíaprovenientedelsolesconver?daenenergíaeólica.Estosuponeunaenergíaalrededorde50a100vecessuperioralaconver?daenbiomasaportodaslasplantasdela?erra.

Energía eólica

Energía eólica

Energía eólica

•  Tecnología madura. •  Equipos desde pocos kW hasta 7.5 MW. •  Aplicaciones de gran escala (100> MW) •  Costos actualmente competitivos con muchas otras formas de generación (~US$0.06/kWh) •  Sistemas de predicción del viento cada vez mejores. •  http://xn--drmstrre-64ad.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/es/tour/wres/index.htm

Energía disponible en el viento

Energía disponible en el viento

Esproporcionala(dependede):•  Eláreadebarridodelrotor(áreatransversal)(A2)

•  Lavelocidaddelviento(v3)•  Ladensidaddelaire

Energía disponible en el viento

Potenciadisponibleenelviento(Energía/?empo)

P=½ρv3πr2

Dondeρ=densidaddelairev=Velocidaddelviento

r=radiodelrotor(longituddelasaspas)

Variación de la velocidad y su efecto

Lavariacióndelavelocidaddelvientoparaunaubicaciónenpar?cularsueleseguirunadistribucióndeWeibull

Variación de la velocidad y su efecto

Ladensidaddepotenciaesmuchomayorparavelocidadesaltas!(Falaciadelabotellapromedio)

Energía disponible en el viento

Unaerogeneradorproduceenergíareduciendolavelocidaddelviento.(LeydeBetz,1919)

Ley de Betz (1919)

Reduccióndevelocidadporunaerogeneradorideal:2/3delavelocidadoriginalEficienciamáximateórica:59%(16/27)

Potencia real aprovechable

Otraslimitacioneshsicasreducenaunmáslaeficienciarealdeunaerogenerador:Fricción,diseñoaerodinámicodelperfildelaspa,velocidaddeconexión,velocidaddedesconexión,eficienciadelatransmisiónyelgenerador,entreotros.

Modelo de cálculo

http://xn--drmstrre-64ad.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/es/tour/wres/index.htm Sección: Energía producida – Calculador de potencia.

Energía eólica (turbina de eje vertical)

Energía eólica (propulsión)

Energía eólica (conceptos)

Energía eólica (conceptos)

Energía eólica (conceptos)

Energía eólica (conceptos)

Residuosganaderos

ENERGÍASOLAR

Residuosurbanos

BIOMASA

Residuos de industrias forestales y agroalimentarias

Residuos agrícolas, forestales y cultivos energéticos

La biomasa como fuente de energía comprende todo tipo de materia orgánica. Generalmente, se excluyen los residuos orgánicos catalogados como tóxicos y peligrosos...

Energía de biomasa

Energía de biomasa

•  Biocombustibles (biodiesel, etanol, biometano) •  Generación a partir de residuos •  Aplicaciones de gran escala (100> MW) •  Impactos ambientales muy variables y difíciles de determinar •  Competencia con recursos alimenticios •  Análisis de ciclo de vida •  https://www.youtube.com/watch?v=D7xPYUYtvo0 •  https://www.youtube.com/watch?v=j5jo4yC6H1g

SISTEMAS DE DIGESTION ANAEROBIA (Presentación preparada por SICOLMEX)

SistemasdetratamientoanaerobioCONRETENCIÓN(recirculación)DELODOS(biomasa)

ProcesodeContacto

FiltroAnaerobio

ReactordeLechoFluidizado

ReactorUASB/EGSB

SISTEMAS DE DIGESTION ANAEROBIA SistemasdetratamientoanaerobioSINRETENCIÓNDELODOS(biomasa)

Con?nuousFlowS?rrTankReactor(ReactordeMezclaCompleta)

SistemasdeFlujoPistón

SistemasdeAcumulación(conalimentaciónporTandas)

Sistemas?poBache(porTandas)

SIN RETENCION DE LODOS (BIOMASA) - CSTR

SRT=HRTComposicióndeefluenteessimilaraladelcontenidodelreactor

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

SIN RETENCION DE LODOS (BIOMASA) - CSTR

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

SIN RETENCION DE LODOS (BIOMASA) - CSTR

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

CO-DIGESTION CON ESTIERCOL

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

SIN RETENCION DE LODOS (BIOMASA) – FLUJO PISTON

SRT=HRT

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

CO-DIGESTION CON ESTIERCOL – FLUJO PISTON

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

CO-DIGESTION CON ESTIERCOL – FLUJO PISTON

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

DIGESTION DE RESIDUOS SOLIDOS – FLUJO PISTON

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

SIN RETENCION DE LODOS (BIOMASA) – ALIMENTACION POR TANDAS

SRT=HRT;Diges?ónAnaerobia-Almacenamientodeaguaresidual

Biogás

Inóculo

AlimentaciónEfluente

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

EL CAMBIO IMPORTANTE DE SISTEMA!...

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

PROCESO ANAEROBIO DE CONTACTO PrincipiosBásicosdelPROCESODECONTACTO(entreellamateriaorgánicaadigerir–biomasa-yelsustrato-lodogenerado-):

ParatratarAGUARESIDUAL(altovolumen,bajoTRH)

MEZCLACOMPLETAdentrodelDigestor,paralograrunbuencontactoentreelsustratoylabiomasa

RECIRCULACIONDELODOS(80-100%deflujodeentrada)paramantenerunaaltaconcentracióndebiomasadentrodelDigestor

OBJETIVOS

1.   AltaeficienciaderemociónOrgánica

2.   OperaciónestableamuybajoTRH

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

PROCESO ANAEROBIO DE CONTACTO ¡PrincipalesdificultadesenlaPRACTICA!... SEPARACIÓNDELLODOdelaguaresidualtratada

Ø DebidoprincipalmenteaunaMEZCLADEMASIADOINTENSIVAdentrodelDigestor,loquesetraduceen:

1. DeterioroenlaESTRUCTURADELLODOyensuSEDIMENTABILIDAD

2. ElLodocon?eneBIOGAS

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

CAPACIDAD RELATIVA DE CARGA ORGANICA

CapacidadRela?va:1.0COE:0.5kgDQO/m3/dTHR:20

días

CapacidadRela?va:5.0COE:2.5kgDQO/m3/d

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

REACTOR UASB – CAMBIO TECNOLÓGICO EN DIGESTION ANAEROBIA

PrincipalesVENTAJAS:

•  SeparaciónentreSRTyHRT•  Sinparteselectromecánicasdentrodelreactor

•  ToleraAltasCargasOrgánicas(10-30kgDQO/m3.d)

•  Requierepocaárea(volumenreducido)

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

ESQUEMA “SIMPLIFICADO” DE UN REACTOR UASB

Sesión3.SistemasdeDiges?ónAnaerobia

REACTOR UASB PrincipalesCARACTERISTICAS:

q LaRETENCIONDEBIOMASAselograporlaformacióndeunagregadodelodoconMUYBUENASPROPIEDADESDESEDIMENTACIÓN

q ElsistemadeseparaciónGAS/SÓLIDO/LÍQUIDOesinternoalreactor q ElresultadofinalesunALTOSRTaunMUYBAJOTRH

Sesión4.DeMateriaOrgánicaaEnergía

USOS POTENCIALES DEL BIOGAS

Sesión4.DeMateriaOrgánicaaEnergía

USOS POTENCIALES DEL BIOGAS

Sesión4.DeMateriaOrgánicaaEnergía

EL CONCEPTO DE CARGA ORGÁNICA DosvariablesIMPORTANTESalhablardeENERGIAPOTENCIAL(“CONTAMINACION”) ELVOLUMENdeAguaResidual(Caudaloflujodiario,gasto) LACONCENTRACIONdemateriaOrgánicaBiodegradableenelAguaResidualAl hablar de CALIDAD, por razones prác?cas y económicas (?empo y dinero), NO acostumbramos acuancficar – uno a uno - todos los diferentes compuestos que están presentes en ellas tales comoalmidones,aminoácidos,azúcares,carbohidratos,grasas,proteínas,etc.(orines,hecesfecales,sangre,moco,pelos,restosdecomida,etc.) Enlugardeello,u?lizamosalgunosparámetros(SUBROGADOS)comolosSÓLIDOS(disueltosy suspendidos),laDBO5ylaDQO,loscuales“agrupan”talescompuestos

PRIMERPASO: TOMARMUESTRASdeAguasResidualesyANALIZARENUNLABORATORIODECONFIANZA

q ¿Cómosedebentomarlasmuestras?

q ¿Cómosedebendepreservar?

q ¿Cómosedebendeanalizar?

q ¿Quéparámetrossedebenanalizar?

q ¿Cómoreportarlosresultadosobtenidos?

Sesión4.DeMateriaOrgánicaaEnergía 67

DEFINIENDO EL PROBLEMA

DeterminacióndelaPOBLACIÓNEQUIVALENTE:q Unapersonapromediogenera200L/ddeaguasresidualesdomés?cas

q Laconcentraciónmediadelasaguasresidualesdomés?casesde500mgDQO/L

q Luego,laCARGACONTAMINANTEdeUNAPERSONAmediaesde100gDQO/d(=200x0.50)

Sesión4.DeMateriaOrgánicaaEnergía 68

POR EJEMPLO, ¿QUE TANTO CONTAMINA UN MATADERO DE RESES?...

DeterminacióndelaPOBLACIÓNEQUIVALENTE:q Unapersonapromediogenera200L/ddeaguasresidualesdomés?casq Laconcentraciónmediadelasaguasresidualesdomés?casesde500mg

DQO/Lq Luego,laCARGACONTAMINANTEdeUNAPERSONAmediaesde100g

DQO/d(=200x 0.50) v ElsacrificiodeUNARESpromediogenera2,000Ldeaguasresiduales

Luego,laCARGACONTAMINANTEdeUNARESmediapordíaesde10,000gDQO/d(=2,000x5.0)

Sesión4.DeMateriaOrgánicaaEnergía

POR EJEMPLO, ¿QUE TANTO CONTAMINA UN MATADERO DE RESES?...

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Sesión4.DeMateriaOrgánicaaEnergía

DE MATERIA ORGÁNICA A ENERGÍA PRODUCCIONDEBIOGAS

ExistenDIVERSOSFACTORESqueafectanlaPRODUCCIÓNDEBIOGÁS,talescomo:

q ElTIPOdesustratoq LosNUTRIENTES(ymicronutrientes)disponiblesq LaTEMPERATURAdelsustratoq LaCARGAVOLUMÉTRICAq ElTIEMPODERETENCIÓNq ElGRADODEMEZCLADO,yq LapresenciadeINHIBIDORESdelproceso.

Sesión4.DeMateriaOrgánicaaEnergía

PRODUCCIONDEBIOGAS

q ESTÁBASADAENLAREMOCIÓNDEDQO(BIODEGRADABLE)queselogradentrodel reactor

q Eficienciasderemoción“aceptables”sonDELORDENDEL85%

q Sibiensehanalcanzadovaloresdel99%enAnMBR,losvalores“normales”parasistemas

UASB/EGSBVANDEL75AL90% q La“recuperación”debiogás(“REGLADEMANO”)esde:

0.35m3DEBIOGÁSPORCADAKGDEDQOREMOVIDO

Sesión4.DeMateriaOrgánicaaEnergía

DE MATERIA ORGÁNICA A ENERGÍA METANOENELBIOGAS

CONCENTRACIÓN

CH4 50-75%

CO2 25–50%

H2S

NH3

0–5,000ppmVol.

0–500ppmVol.

H2O 1–5%Vol.

SEDIMENTOS

SILOXANOS 0–50mg/m3

Sesión4.DeMateriaOrgánicaaEnergía

DE MATERIA ORGÁNICA A ENERGÍA ENERGÍATEÓRICAENBIOGAS–EJEMPLOPARA600RESES/DÍA

CargaOrgánicaenAguasResiduales=6,000kgDQO/d

(600x10)

EnergíaenBiogás=48,750MJ/d(1,250x39)

RemociónenreactorUASB=5,100kg

DQO/d(6,000x0.85)

ProduccióndeBiogás=1,785m3/d(5,100x0.35)

MetanoenBiogás=1,250m3/d(1,785x0.70)

EnergíaenBiogás=13,542kWh/d

(48,750x0.28)

EjemploFábricaDulces

FábricaDulces• ProduccióninicialdeBiogás:300m3/día• Remocióncargaorgánica:1.200–1.400kg/díadeDQO• Recomendacióndeajustedenutrientes(NPK)• Relaciónóp?maDQO:N:P–350:5:1(mg/l)• Produccióndebiogástrasop?mización(nutrientesyproceso):800m3/día

Fábricadedulces•  Costodegeneracióndevapor:14COP/lb•  Costogasnatural:$1031/m3•  Costoenergíaeléctrica:$222/kWh•  Costoes?madodeinversiónparageneracióneléctrica:5MCOP/kW(US$2500/kW)•  Costofiltroysopladordebiogás:24MCOP•  Costoacumuladordebiogás:33MCOPpara5000m3(veranexoco?zación)•  Costoreddetransportedebiogás:50.000COP/m•  Costodeinstalación:15%delvalordeinversión•  Costosanualesdeoperaciónymantenimiento:10%delvalordeinversión•  Disponibilidaddegeneraciónparaenergíaeléctrica:90%(enh/año)

Fábricadedulces

TecnologíaPotenciatérmica(kW)

Potenciaeléctrica(kW)

Potenciatérmica(BHP)

Totalinversión

Operaciónymantenimiento(10%)

Ahorroanual

Retornosimple(mes)

Remplazogas 200- 20.0 177 18 161 14.9

Energíaeléctrica 200 80- 255 26 140 26.7

1.   IGNORANCIAprác?caconelsistema

2.   AUSENCIADELAINFRAESTRUCTURArequeridaconrespectoa:

1.   Consultoresycontracstasconexperiencia

2.   Autoridadesdesinformadasopobrementeinformadas

3.   Muypocas(siesquelahay)experienciasaescalareal

4.   Pocaexperienciaeninvescgaciónenins?tucionesyuniversidades

3.   DESINTERÉSCOMERCIALPORPARTEDECONSULTORESESPECIALIZADOSensistemasconvencionales

4.  LaINVESTIGACIÓNENUNIVERSIDADESESCONSIDERADA“MERAMENTE”ACADÉMICA(sinningunaaplicación

prác?ca)

Sesión4.DeMateriaOrgánicaaEnergía

DIFICULTADES EN LA INTRODUCCION DE LA TECNOLOGIA ANAEROBIA