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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