mejoramiento del rendimiento de la

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

5

(IEA 2016)

87 M de personas dependen del uso tradicional de la biomasa para cocinar

No Copyright infringement intended/Respect to photographers and websites

6

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.

8

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

10

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.

19

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: lfpatinoo@unal.edu.co

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1849-9818

Luis Felipe Patiño

Ingeniero Electricista

M.Sc.

Número de contacto: +57 3167966401

E-mail: Jaime.jaimes@correo.uis.edu.co

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2955-3242

Jaime Jaimes-Estévez

Ingeniero Químico

Ph.D (C)

GEMATECH S.A.S Proyectos IAPP

Gracias!