biomasa proyecto de la unam
TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO
Nombre del Proyecto: “APROVECHAMIENTO DE BIOGAS A PARTIR DE BIOMASA,
OBTENIENDO HIDRÓGENO PARA TRANSPORTE VEHICULAR”
Jefe del Proyecto: Ing. Pedro Matabuena Cascajares
Cargo/dependencia: Líder del proyecto del hidrógeno,
Facultad de Ingeniería
Domicilio: Torre de Ingeniería 3er Piso, Ala Sur Cubículo N°. 3,
Ciudad Universitaria, Coyoacán, México, D. F.
Teléfono: 56233500 ext. 1353
Fax: 5616 1073
Email: [email protected]
Investigación transdisciplinaria
Para el desarrollo de este proyecto es necesaria la intervención de
profesionales en el área, en este sentido se cuenta con el apoyo de
investigadores y profesores de la Facultad de Ingeniería, Facultad de Ciencias,
del Instituto de Ingeniería y posiblemente la Facultad de Estudios Superiores de
Cuautitlán donde se tienen ya detectado material intelectual e investigaciones
muy avanzadas referentes al proyecto.
Por otro lado también existe investigación específica en el Centro de
Investigación en Energía, CIE.
Objetivos particulares
o Implantar una logística de recolección y manejo de los desperdicios
orgánicos y de jardinería generados en CU para su almacenamiento en
lugares adecuados y la obtención de biomasa.
o Transformar esta biomasa en formas aprovechables tal como biogas y su
reformación para obtener un gas rico en hidrógeno.
o Utilizar el hidrógeno como fuente de energía para la alimentación de un
vehículo de 1.5 hp.
Metas intermedias y finales del proyecto
a) Planeación estratégica durante el resto de 2005, esta implica:
• Diseño de la logística de recolección y transporte de desechos orgánicos en
CU.
• Diseño de la planta de transformación (biodigestor, reformador y
refinador) del biogas para obtener hidrógeno
• Diseño de la logística de operación de la misma.
b) Construcción de la planta de transformación, durante el primer semestre de
2006
c) Puesta en operación de la planta. Segundo semestre 2006
d) Generación y manejo de subproductos obtenidos tales como abonos y otros
gases.
METAS FINALES:
e) Dejar construida y funcional la planta de transformación biomasa-H2 que
provea de autosuficiencia energética a un vehículo de transporte de 1.5 hp.
Descripción técnica detallada del proyecto
La BIOMASA es un recurso renovable cuya utilización presenta características
singulares y beneficios notables. Se trata de una fuente prácticamente
inagotable, producida cíclica y continuamente por el reino vegetal y animal y el
sistema urbano e industrial.
Lo que se pretende es producir hidrógeno de forma barata y continua, a partir de
desechos orgánicos y de jardinería, formando una biomasa, estos desechos
aparentemente no tienen ningún valor por lo cual esta materia prima es gratis, y
el único gasto que representa es el de transporte y manejo.
Para transformar la BIOMASA en una forma aprovechable es necesario el diseño y
construcción de un biodigestor para producir hidrógeno.
En este primer acercamiento optamos por instalar un biodigestor tipo “hindú” ya
que este tipo de diseños demuestran ser bastante efectivos en cuanto a las
condiciones arriba mencionadas. Este tipo de biodigestores, generalmente de un
volumen de 42m3 queda definido por una envolvente vertical constituida por una
pared doble. Una carpeta de cemento alisado de 5 cm de espesor protegerá la
serpentina de cobre interior, en forma de espiral, que se usará para calentar el
digestor. Un sistema de acero inoxidable, accionado por un motor, y en forma de
estrella con cadenas cada 50 cm en cada aspa, permitiría el mezclado de la
masa. Una cámara de descarga, dividida en dos sectores permitirá recoger el
lodo residual ubicado en la parte inferior y el líquido. La campana, de 3m de
altura, reforzada con costillas interiores, permitirá contener el gas.
Cabe resaltar que estas características pueden variar según los resultados de los
estudios previos sobre la cantidad y calidad de la biomasa producida en CU. La
vida útil de este biodigestor es, dados los materiales con que se construye, de
15 años.
La localización del biodigestor deberá estar próxima al lugar donde se junta el
desperdicio, y cerca de los puntos de consumo del gas. Se deberá ubicar
protegido de los vientos dominantes, con una separación de 10 a 15m de los
pozos de agua, y cerca a los puntos de consumo del efluente y de las aguas
sobrenadantes. Este tipo de factores se evaluarán a fondo para obtener el mejor
lugar para instalar el biodigestor dentro de CU. Para ello serán condicionantes
del diseño, la inversión a realizar, la energía que se desea obtener, la biomasa
disponible, el tamaño del digestor, la simplicidad en el manejo, el uso del
efluente, y la temperatura media del lugar. Según las condiciones mencionadas y
dada la experiencia en zonas donde se han instalado algunos biodigestores, la
inversión inicial es dependiente sobre la disponibilidad de biomasa, la
producción de gas y las dimensiones del digestor.
Para calentar el biogestor la mejor alternativa es el uso del propio gas metano
que éste produce, con algún intercambiador de agua dentro de la envolvente del
digestor, del tipo de una losa radiante, con circulación forzada a través de una
pequeña bomba.
Por otro lado, los desechos orgánicos exigen un tratamiento previo antes de
pasar al digestor, solo consiste básicamente en moler los desechos y mezclarlos
con agua. Bien puede realizarse el proceso citado con un pequeño motor
acoplado a unas aspas. Para el tratamiento y purificación del gas resultante del
proceso de digestión se analizan diferentes alternativas. Una de ellas es
mediante la utilización del alga espirulina, aunque existen estudios al respecto
todavía no se ha demostrado su aplicación en las plantas de biogás. La otra
opción que parece más rentable es la utilización de un reformador de gas que
consiste en un dispositivo que permite obtener gases enriquecidos en hidrogeno.
El proceso es basado principalmente en la ruptura de las moléculas de
hidrocarburos u otros productos, como pueden ser los alcoholes. Esta ruptura se
lleva a cabo (en términos generales) mediante la reacción del combustible a
reformar con agua y, opcionalmente, oxígeno, obteniéndose además del
producto que se busca (el hidrógeno) otros no deseados como CO y CO2. La
energía calorífica necesaria para el funcionamiento de este reformador bien
puede ser suministrada por el biodigestor asegurando así un proceso de
autosuficiencia energética.
La aplicación final a la que se destina el hidrógeno es una pila de combustible,
que es un dispositivo electroquímico que al ser alimentado con oxígeno e
hidrógeno produce energía eléctrica, térmica y agua. Esta última será instalada
en el vehículo de transporte.
Descripción del Proceso
Recolección de desechos orgánicos
Transporte
Preparación de Biomasa
Introducción al Biodigestor
Almacenaje
Periodo de fermentaciónPeriodo de
Paso al reformador Refinación
de Hidrógeno
Celda de Combustible
PEM
Energía eléctrica
DC
Formación de Biogás
Formación de Abono
Almacenaje
Carga de combustible al VEHÍCULO
a) Recolección de desechos orgánicos:
Se pretende que estos sean desperdicios de jardinería y desechos orgánicos que
no tienen otro uso mas que el de servir como abono, pero carecen de otro valor
agregado, la recolección se llevaría a cabo fácilmente únicamente reuniendo los
desechos de facultades aledañas a la torre, como son Ingeniería, Ciencias,
Química, Contaduría, y de toda la zona de jardines.
b) Transporte:
Para facilitarlo primero se efectuará en un radio de acción muy limitado, como lo
es en facultades aledañas, esto para no incurrir en gastos de maquinaria, que
sería necesaria en dado caso de que el recorrido fuese mayor.
c) Almacenaje:
Es necesario determinar un espacio físico para tal almacén, que debe ser
contiguo a las instalaciones de la planta de transformación.
d) Preparación de Biomasa:
Los desechos orgánicos se debe moler previamente y mezclar con agua para
obtener un compuesto homogéneo.
e) Periodo de fermentación:
Tiempo requerido para que las reacciones químicas de descomposición de la
materia se lleven a cabo, se harán pruebas para determinar este tiempo.
Dentro del biodigestor se llevará a cabo una reacción de Oxidación parcial.
La reacción principal consiste en la combustión incompleta, en presencia de
vapor de agua, de cualquier sustancia que contenga carbono orgánico. El vapor
de agua también reacciona con la alimentación (reacción de reformado) y actúa
de moderador de la combustión parcial, de forma que, controlando su
dosificación, se estabiliza la temperatura en el reactor:
CnHm + n/2 O2 Û n CO + m/2 H2 Exotérmica
CnHm + n H2O Û n CO + (m/2+n) H2 Endotérmica
f) Reformador:
Su función es separar los gases producidos por el biodigestor, obteniendo así el
hidrógeno, parte crucial dentro del proceso. Y se deberá tener cuidado particular
en su diseño.
g) Refinación:
A pesar de que ya existió una separación aceptable de gases en el reformador,
para mantener en óptimas condiciones la Celda de combustible PEM, es necesario
eliminar el CO2 del gas que entrará a la celda, pues ésta, al contener
catalizadores de platino, es muy sensible al CO2 afectando su funcionamiento y
reduciendo su vida útil.
Tareas a realizar
• Integración del equipo de trabajo.
• Determinación de las necesidades energéticas del vehículo.
• Estudios de impacto, económico, social, y ambiental del proyecto.
• Conseguir contactos, apoyos, vínculos, para la recolección transporte y
manejo de los desechos orgánicos y de jardinería de CU.
• Determinación de lugares, rutas, tiempos, de recolección, y transporte de
los desechos así como la maquinaria y el equipo necesario para tal efecto.
• Selección del lugar idóneo para la construcción de la planta de
transformación de biomasa.
• Diseño de la planta de transformación (biodigestor, reformador y
refinador)
• Diseño de logística de operación.
• Programas de mantenimiento.
• Determinar la obtención, el manejo y qué destino se la van a dar a todos
los subproductos derivados.
• Construcción de la planta de transformación.
• Puesta en operación de la planta.
• Puesta en operación del vehículo.
Calendario y cronograma de ejecución
Recursos humanos necesarios
Un líder de proyecto que coordine las tareas a realizar.
Se requiere de un asesor especialista para las cuestiones técnicas del proyecto.
Cuatro becarios
Jornaleros
NOTAS.- 1. La asesoría vendrá de un experto que trabajará tiempo parcial 2. Las prácticas de campo se estima serán en Morelos, en el CIE, tres personas con asistencia, transporte y materiales. 3. Manejo de basura y recolección 4. Hasta terminar el análisis se concocerá el tamaño y características del Reformador y la Celda de Combustible. Se estima que la celda será del rango de $150,000 a $200,000.
5.
ETAPAS Construcción Operación Implementación
PERIODO Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 2005 1er trimestre 2o trimestre 3er trimestreLíder de proyecto $20,000 $20,000 $20,000 $20,000 $20,000 $100,000 $60,000 $60,000 $20,000 $140,000Asesoría (Nota 1) $5,000 $5,000 $5,000 $15,000 $10,000 $5,000 $15,000Becarios (4) $32,000 $32,000 $32,000 $32,000 $32,000 $160,000 $96,000 $96,000 $32,000 $224,000Prácticas de Campo (Nota 2) $15,000 $15,000 $0Material de construcción $0 $130,000 $130,000Mano de obra $0 $17,000 $17,000Reformador y Celda de Combustible $0 (Por determinar, nota 4) $0Molino de Materia Orgánica $0 (Por determinar, nota 5) $0Personal de Logística (Nota 3) $0 $18,000 $18,000
Total $57,000 $72,000 $57,000 $52,000 $52,000 $290,000 $313,000 $179,000 $52,000 $544,000
R e c u r s o s f i n a n c i e r o sInvestigación
2006
Informes y evaluación de proyectos
Presentaremos informes al término de cada etapa del proyecto, estas etapas
serán determinadas por los objetivos y las metas ya planteadas.
Los logros obtenidos se evaluarán en función de los objetivos previstos, y
basados en el calendario propuesto en el cronograma anterior.
Al término del proyecto se presentará un informe completo del desarrollo de
este, así como la evaluación global de los resultados finales obtenidos.
Propiedad intelectual e industrial
Las instalaciones que se construirán, serán de uso permanente de la Torre de
Ingeniería, así como los recursos obtenidos de estas serán dirigidos a cumplir
los objetivos del megaproyecto, estos recursos son: metano, hidrógeno,
energía eléctrica y abono.
En cuanto a la propiedad intelectual, dada la posibilidad de desarrollar un
producto patentable (biodigestor, reformador y refinador), quedará a favor de
la UNAM.
Líder del proyecto del Hidrógeno,
Facultad de Ingeniería.
Ing. Pedro Matabuena Cascajares
Director de la Facultad de
Ingeniería.
M. en C. Gerardo Ferrando Bravo