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Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería de las Tecnologías
Industriales
Estudio de Celdas de Combustible
Microbianas como sistema LCE aplicado a
plantas de tratamiento de residuos
Autor: Marta Cazorla Soult
Tutor: Ricardo Chacartegui
Departamento de Máquinas y Motores
Térmicos
Escuela Técnica Superior de
Ingeniería Universidad de Sevilla
Sevilla, 2015
Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales
Estudio de Celdas de Combustible
Microbianas como sistema LCE aplicado a
plantas de tratamiento de residuos
Autor:
Marta Cazorla Soult
Tutor:
Ricardo Chacartegui
Departamento de Máquinas y Motores
Térmicos
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2015
A mis padres y mi hermano,
por apoyarme siempre.
A Ricardo,
por transmitirme su afán de aprender y descubrir.
Índice
1. Justificación del estudio
2. Estado del arte de las tecnologías aplicables
en el tratamiento de residuos
3. Celda de combustible microbiana (MFC)
4. Modelado y simulación en COMSOL
5. Análisis paramétrico
6. Aplicación a una planta de tratamiento real
7. Conclusiones
Anexos
Resumen
La creciente producción de residuos sólidos urbanos y las alarmantes cifras de residuos
no reciclados que quedan destinados a la deposición en vertederos levantan la necesidad
de buscar vías de valorización energética de los mismos. Se estudian tecnologías limpias
(LCE, Low Carbon emissions) aplicables a plantas de tratamiento de residuos para
generar energía útil a partir de los desechos.
Las celdas de combustible microbianas (MFC) son una tecnología emergente que podrían
contribuir a solventar dos de los problemas más críticos que afronta la sociedad actual: la
crisis energética y la disponibilidad de agua no contaminada. Son dispositivos que utilizan
microorganismos para convertir la energía química presente en un sustrato en energía
eléctrica, esto es posible cuando bajo ciertas condiciones algunos microorganismos
transfieren los electrones producidos durante su actividad metabólica a un electrodo
(ánodo) en lugar de un aceptor natural de electrones (como oxígeno). Las MFC operan
eficientemente a bajas temperaturas, son una tecnología simple e idónea para generar
electricidad en lugares remotos de baja magnitud. El principal reto de las MFC es mejorar
la densidad de potencia superficial para ser más competentes en el sector industrial.
En el presente estudio se diseña un modelo de MFC utilizando el software COMSOL
Multiphysics bajo ciertas hipótesis de diseño y operación, y se analizan los parámetros
fundamentales que condicionan el funcionamiento y el desempeño eléctrico de la celda
bajo estudio. Este análisis permite predecir el comportamiento de una MFC en una planta
de tratamiento de residuos urbanos, concretamente trabajando con las aguas de lixiviado
que se crea en la última etapa del proceso de tratamiento correspondiente al vertedero.
Extrapolando las dimensiones del modelo teórico a dimensiones proporcionales al
volumen de lixiviado pueden extraerse conclusiones interesantes de este proyecto de
investigación.
Capítulo 1
Justificación del estudio
1.2 Capítulo 1 – Justificación del estudio
Capítulo 1
1 Introducción .............................................................................................................. 3
2 Definición de residuo................................................................................................ 3
2.1 Los residuos sólidos urbanos (RSU) .................................................................. 4
2.1.1 Composición y cifras .................................................................................. 4
2.1.2 La gestión de residuos sólidos y su problemática....................................... 5
2.2 Residuos líquidos urbanos: aguas residuales ..................................................... 6
2.2.1 Composición y parámetros ......................................................................... 7
2.2.2 Procesos para el tratamiento de las aguas residuales .................................. 7
3 Marco normativo y legislativo relativo a la gestión de residuos .............................. 8
3.1 Marco europeo ................................................................................................... 8
3.2 Marco nacional .................................................................................................. 9
3.3 Valorización energética de los residuos ............................................................. 9
3.3.1 El último eslabón en la gestión de residuos: el vertido ............................ 11
Referencias ..................................................................................................................... 12
1.3 Capítulo 1 – Justificación del estudio
1 Introducción
En España, la producción de residuos sólidos urbanos se estima en algo más de 1.25
kg/día por habitante de los cuales sólo un 40% se recicla. La generación de residuos es
una consecuencia directa de cualquier tipo de actividad desarrollada por el hombre. Es
por ello que el desarrollo de los núcleos urbanos y el evidente aumento de la densidad de
población alertan sobre la necesidad de mejorar la gestión de residuos, su tratamiento y
reciclaje. A continuación se introduce el problema de los residuos y se incluye una visión
general sobre las medidas adoptadas en el marco europeo y nacional además de futuras
perspectivas en este escenario.
2 Definición de residuo
Un residuo es todo aquello que se genera como consecuencia no deseada de una actividad
humana y, en general, de cualquier ser vivo. El ciclo natural de la materia es cerrado, todo
elemento se hace y deshace en la naturaleza sin generar ningún tipo de residuo: es la
intervención humana la que rompe este ciclo natural de la materia. El hombre transforma
una serie de productos a su alcance para obtener ciertos bienes que le permiten progresar
y mejorar su calidad de vida, generando consecuentemente una parte de residuos.
La problemática reside en que esta generación se ha vuelto creciente en las últimas
décadas por causas como el rápido crecimiento población, a su concentración en núcleos
urbanos, al uso de materiales de rápido envejecimiento y al uso de envases sin retorno
[1]. La gestión y el tratamiento de residuos se han convertido por tanto en un problema
de interés mundial.
Los planes estratégicos para un buen tratamiento de residuos siguen la siguiente jerarquía:
utilizar y reutilizar al máximo los materiales; reciclaje para elaborar nuevos productos;
incineración segura, si hace falta, para aprovechar la energía y, finalmente, depósito en
vertederos seguros y controlados (Figura 1).
Figura 1 - La jerarquía de residuos. Fuente: gestionderesiduosonline.com
1.4 Capítulo 1 – Justificación del estudio
Según su procedencia, los residuos pueden clasificarse en: domésticos (generados en el
hogar), comerciales (del sector servicios o terciario) e industriales (del sector secundario).
Y según sus características en peligrosos y no peligrosos.
A pesar de que los residuos domésticos suponen sólo el 10% del total de residuos
generados en Europa [2] son objeto de estudio y discusión política por su carácter
complejo debido a su variada composición, su distribución en muchas fuentes de residuo
y su relación directa con el incremento del consumo de la población. Es por ello que este
estudio se centrará en este tipo de residuos y su gestión.
2.1 Los residuos sólidos urbanos (RSU)
Los residuos municipales o urbanos se definen en la Ley de Residuos (Ley 22/2011) como
los residuos generados en los domicilios particulares, los comercios, las oficinas y los
servicios, y también los que no tienen la consideración de residuos especiales y que por
su naturaleza o composición se pueden asimilar a los que se producen en los lugares o
actividades indicadas.
Tienen también la consideración de residuos urbanos: residuos procedentes de la limpieza
diaria, zonas verdes, áreas recreativas y playas; animales domésticos muertos; muebles,
utensilios y vehículos abandonados; residuos y derribos procedentes de obras menores y
de reparación domiciliaria.
2.1.1 Composición y cifras
Los componentes más habituales son:
Materia orgánica. Son los restos procedentes de la limpieza o la preparación de
los alimentos junto la comida que sobra.
Papel y cartón. Periódicos, revistas, publicidad, cajas y embalajes, etc.
Plásticos. Botellas, bolsas, embalajes, platos, vasos y cubiertos desechables, etc.
Vidrio. Botellas, frascos diversos, vajilla rota, etc.
Metales (aleaciones de hierro y aluminio principalmente). Envases de conservas,
refrescos, etc.
Otros. Cenizas, tierras, textiles, medicamentos caducados y fuera de uso,
fluorescentes y bombillas, madera, etc.
Tanto la composición como la cantidad de residuos sólidos urbanos (RSU) generados
depende de muchos parámetros [3]: nivel de vida de la población, época del año,
movimientos de población (vacaciones, fiestas, fines de semana, etc). Según los últimos
datos del departamento de Medio Ambiente de la comisión europea, la media de material
total consumida por ciudadano es de 16 toneladas al año, de las cuales aproximadamente
6 son convertidos en residuo [2]. Lo que se traduce en 500 kg de residuo urbano producido
por ciudadano europeo al año. En España, esta cifra para los últimos datos del INE
(Instituto Nacional de Estadística) y justificada en el Anexo 1, toma el valor de 480 kg/hab
anuales.
1.5 Capítulo 1 – Justificación del estudio
2.1.2 La gestión de residuos sólidos y su problemática
Desde 2002 una serie de iniciativas sustentadas en la Regla de las tres erres (Reducir,
Reutilizar y Reciclar) fueron llevadas a cabo en Europa para reducir la cantidad de
residuos producidos [4]. Puede verse como tras esto, la tendencia general de la producción
de residuos en el entorno europeo ha sido decreciente, al comparar la cantidad producida
en 2003 y 2012 (Figura 2).
Figura 2 - Residuos urbanos generados por países europeos en 2003 y en 2012 (kg/hab) Fuente: [2]
Pero no es sólo el cuánto se produce, si no el cómo se trata la cantidad producida y a
dónde ésta va a parar. El tratamiento y la gestión de los residuos es por tanto el tópico
alrededor del cual se centran la mayoría de políticas y planes de actuación desarrollados
por los principales organismos en los últimos años.
El ciclo de vida de los residuos comienza con la recogida selectiva de papel y cartón,
vidrio, envases o materia orgánica y su transporte hacia las plantas de reciclaje.
Una vez allí, son separados y clasificados según su potencial de conversión. Primero se
reciclan la mayor parte posible de residuos. La materia orgánica recuperada es destinada
a plantas de recuperación y compostaje en las que poder obtener energía útil (producción
de biogás o de abono agrícola). El resto de residuos que no han podido ser reciclados o
reconvertidos, son finalmente destinados a incineradoras y vertederos. Queda así definido
por tanto los diferentes caminos que puede tomar un residuo:
Reciclaje
Plantas de recuperación y compostaje
1.6 Capítulo 1 – Justificación del estudio
Incineración o vertido controlado.
Para tener una idea más concreta de la proporción de residuos que toman cada una de
estas vías está la Figura 3, donde puede verse como la mayor parte de los residuos van a
parar a vertederos en donde se depositan hasta su extinción total o parcial.
La media europea del vertedero supone un 35% y la de incineración un 20%, pero es
preciso resaltar que ambos valores se ven fuertemente influenciados por los países del
este donde estas cifras son predominantes. En España, el porcentaje de vertedero fue de
un 60% y la de incineración un 10% [2].
En países como Alemania y Bélgica donde las políticas de reciclado y tratamiento de
residuos son más fuertes y severas, el porcentaje de residuos destinados a vertedero es
casi nulo.
Figura 3 - Tratamiento de residuos urbanos en algunos países europeos y categorías de tratamiento en 2013 (%).
Fuente: [2]
A la preocupación por la reducción y el reciclaje se le suma un nuevo interrogante: ¿sería
posible la visión de los residuos como recurso a explotar y no como un problema que hay
que eliminar? Los materiales pueden ser extraídos y reciclados, pero también el contenido
calorífico de los residuos puede ser convertido en electricidad o en biocombustibles
utilizables en medios de transporte adaptados.
2.2 Residuos líquidos urbanos: aguas residuales
Además de los residuos sólidos urbanos, existe un alto potencial de aprovechamiento de
las aguas residuales que resultan de la actividad doméstica y en parte de la actividad
industrial y que son conducidas por el alcantarillado urbano hasta las plantas de
tratamiento de aguas.
1.7 Capítulo 1 – Justificación del estudio
2.2.1 Composición y parámetros
Los residuos líquidos urbanos están compuestos generalmente por un 99% de agua
contaminada y sólidos disueltos y un 1% de sólidos en suspensión, siendo éstos orgánicos
(proteínas, aminoácidos, grasas, jabones, etc.) e inorgánicos (nitrógeno, fósforo, cadmio,
cobre, carbonatos, etc.) [5].
En las aguas residuales están además contenidas una serie de sustancias que pueden ser
utilizadas como propio alimento por los microorganismos presentes en ellas, siendo
eliminadas de esta forma de las aguas residuales. Este carácter biodegradable de los
residuos líquidos urbanos puede ser aprovechado para crear electricidad a la vez que las
aguas son depuradas, como se verá más adelante en el presente estudio.
Existen unos parámetros específicos indicadores de la calidad de un agua residual: son la
Demanda Química de Oxígeno (DQO) y la Demanda Biológica de Oxígeno (DBO).
La DQO mide la cantidad de sustancias susceptibles a ser oxidadas por medios químicos
que se encuentran disueltas en un agua residual. La DQO abarca el valor máximo de la
DBO y la cantidad de oxígeno requerida para la oxidación completa de una muestra de
agua: sales oxidables, compuestos orgánicos biodegradables y compuestos orgánicos no
biodegradables. Se expresa en mg de O2/L y es siempre mayor en número que la DBO.
La DBO es parte de la DQO y es un indicativo de la cantidad de materia orgánica
biodegradable susceptible a ser oxidada mediante medios biológicos que contiene el agua
residual. Se define teóricamente como la cantidad de oxígeno que consumen los
microorganismos presentes en un litro de agua en oscuridad y a 20ºC. Es una medida del
grado de contaminación, y normalmente se expresa como DBO5 que es la demanda
biológica de oxígeno trascurridos 5 días de reacción.
2.2.2 Procesos para el tratamiento de las aguas residuales
Los diferentes métodos y etapas en el tratamiento de las aguas residuales están destinados
a reducir: los sólidos en suspensión, la materia orgánica biodegradable que sirve como
alimento a los microorganismos presentes, bacterias o virus que pueden haber crecido en
el agua, y por último los nutrientes, en su mayoría nitratos y fosfatos y que suponen
igualmente una gran carga de materia orgánica.
Los procesos de tratamiento tienen tres niveles de actuación: primario, secundario y
terciario. El tratamiento primario o mecánico tiene el objetivo de retirar los mayores
sólidos suspendidos en las aguas y reducir significativamente la DBO en un 20-30% [6].
El tratamiento secundario es un tratamiento biológico en el que una serie de
microorganismos consumen la materia orgánica disuelta y producen dióxido de carbono,
agua y energía para su propio crecimiento y reproducción. Por último, el tratamiento
terciario es una ampliación avanzada del secundario que desinfecta y limpia el agua
mediante cloración fundamentalmente, retirando cerca del 99% de las impurezas iniciales
[6].
1.8 Capítulo 1 – Justificación del estudio
Figura 4 – Esquema del tratamiento de aguas residuales.
El agua residual utilizable como recurso para obtener energía se toma en el punto en el
que la materia orgánica no ha sido retirada aún, tras el tratamiento primario. Básicamente,
la energía que se aprovecha es la energía que producen los microorganismos al consumir
la materia orgánica presente en las aguas, dándole un uso distinto que su propio
crecimiento y reproducción.
3 Marco normativo y legislativo relativo a la gestión
de residuos
A continuación se proporciona una revisión de las principales medidas políticas y
socioeconómicas sobre el tratamiento de residuos y la producción de energía a partir de
los mismos, dentro del marco nacional y europeo.
3.1 Marco europeo
En abril de 2009, la Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo,
establecieron un porcentaje fijo de energía producida mediante fuentes renovables a
cumplir por cada Estado miembro para el año 2020. Para España, este porcentaje se fijó
en un 20%. Además, esta directiva propuso una nueva definición de biomasa, mediante
la cual se admitía la fracción biodegradable de los residuos industriales y municipales
como parte de esta fuente de energía. Esta afirmación implicaba que los residuos, además
del resto de fuentes de energía renovables, deberían ser considerados a la hora de alcanzar
los mencionados objetivos de la adicción de energías renovables al total energético
nacional en el año 2020.
Por otro lado, la normativa europea sobre la gestión de residuos fue actualizada con la
Directiva 2008/98/CE, con la que se cambiaba las prioridades en la jerarquía de residuos
introduciendo el concepto de valorización energética:
Prevención
1.9 Capítulo 1 – Justificación del estudio
Preparación para la reutilización
Reciclado
Otro tipo de valorización (por ejemplo la valorización energética)
Eliminación
Es así como la recuperación de energía de los residuos es una operación de gestión a la
que se le debe dar prioridad frente a otras operaciones de eliminación como es el depósito
de residuos en vertederos.
En la actualidad, ambas directivas están en proceso de transposición al marco legislativo
español. En definitiva, todas estas estrategias de actuación afirman que la parte
biodegradable de los residuos es una fuente de energía y que debe promoverse que la
deposición de los mismos en vertederos sea la última opción de gestión.
3.2 Marco nacional
El Programa Estatal de Prevención de Residuos 2014-2020 es una apuesta política por la
reducción en la generación de residuos y que surge como plan estratégico ante las
exigencias de las directivas aprobadas en Europa de presentar un programa consolidado
de actuación a nivel nacional para antes de diciembre de 2013.
Este programa tiene como objetivo fundamental la reducción de residuos generados en
2020 en un 10%, siguiendo cuatro líneas estratégicas fundamentales:
reducción de la cantidad de residuos,
reutilización y alargamiento de la vida útil de los productos,
reducción del contenido de sustancias nocivas en materiales y productos, y
reducción de los impactos adversos sobre la salud humana y el medio ambiente,
de los residuos generados.
En dicho programa se incluye el Plan Nacional de Investigación de Residuos (PNIR) el
cual se lanzó en 2008 pero que se extiende hasta el presente año. Este plan pretende
fomentar de forma eficaz la prevención y la reutilización en materia de residuos, y algunos
de sus objetivos generales son: modificar la tendencia de generación de residuos;
disminuir el vertido y fomentar de forma eficaz la prevención, reciclado y valorización
de la fracción de residuos no reciclable; reducir la contaminación de los residuos al
cambio climático y consolidar los programas de i+D en el sector.
3.3 Valorización energética de los residuos
Inevitablemente en todo el proceso de reciclado existen materiales que por su naturaleza,
estado, etc. no son reciclables. Sin embargo, estos ‘rechazos’ pueden aún ser útiles si se
les aplica adecuadamente unas medidas de valorización.
La Ley 22/2011 sobre residuos define la valorización como “cualquier operación cuyo
resultado principal sea que el residuo sirva a una finalidad útil al sustituir a otros
materiales, que de otro modo se habrían utilizado para cumplir una función particular, o
1.10 Capítulo 1 – Justificación del estudio
que el residuo sea preparado para cumplir esa función en la instalación o en la economía
en general”. En otras palabras, la valorización de residuos implica la producción de
energía utilizable a partir de los mismos.
Esta producción de energía proviene de la conversión termoquímica o bioquímica de los
residuos (Fig. 3) y puede realizarse de forma directa para generar calor o electricidad, o
de forma indirecta, con la creación de biocombustibles utilizables en motores y demás
convertidores de energía [7]. El resto de operaciones supondrían una recuperación,
regeneración o reciclado de todo o parte del residuo.
Figura 5 - Vías para la valorización directa e indirecta de un residuo [8]
3.3.1 Incineración
El sistema más utilizado para aprovechar la energía contenida en los residuos sólidos de
forma directa es la incineración, que se basa en la combustión controlada del propio
residuo que actúa como combustible. Este proceso genera un desprendimiento de calor
aprovechable y que es suficiente para mantener la reacción de combustión. Mediante la
incineración además se reduce el volumen de la basura hasta en un 90% [9] y se obtienen
cenizas más estables químicamente que los propios residuos.
Sin embargo, cuando este método se hace de forma indiscriminada y sin separación, a las
emisiones de gases contaminantes (CO2, H2O,NOx, etc.) se le suman otros productos
altamente tóxicos como ácidos (provenientes del PVC) y metales pesados (como el
Cadmio) [10]. Condiciones como la temperatura, el exceso de oxígeno o el tiempo de
permanencia para asegurar la eficacia de la incineración están legislados en la Directiva
2000/76/CE del Parlamento y del Consejo.
3.3.2 Pirólisis y gasificación
Otras formas comunes de valorización directa de residuos son la pirolisis y la
gasificación. La pirolisis es un proceso químico por el cual la materia orgánica se
1.11 Capítulo 1 – Justificación del estudio
descompone por medio del calor y en ausencia de aire. La ventaja de este método es que
permite tratar plásticos, gomas y cauchos sin el problema de las emisiones ya que los
productos suelen estás en estado líquido o sólido. Sin embargo, es un proceso endotérmico
y requiere una aportación de calor considerable para alcanzar temperaturas de entre 500
y 1000ºC [11]. La gasificación en cambio sí se desarrolla en presencia de oxígeno, lo que
la diferencia de la incineración es que el residuo se oxida parcialmente, en una atmósfera
con menos oxígeno del necesario. Esto lo convierte en una operación más versátil y con
menor impacto medioambiental.
3.3.3 El último eslabón en la gestión de residuos: el vertido
Existe una fracción de ‘rechazos’ o de residuos que no han sido reciclados que tampoco
es valorizable y que termina en el vertedero de cola. Lo mismo ocurre con las escorias
fruto de la valorización. Afortunadamente, existen tecnologías que permiten obtener un
rendimiento económico considerable aún de los residuos depositados en el vertedero.
Estas tecnologías utilizan dos principales recursos: el biogás o gas de vertedero y los
lixiviados líquidos de alta carga orgánica.
El biogás se produce en vertederos como fruto de la descomposición orgánica y contiene
una alta cantidad de metano el cual genera una abundante y útil cantidad de energía
durante su combustión. Un estudio detallado de cómo se recupera el biogás y la diversas
aplicaciones se encuentra en el Capítulo 2 más adelante en este estudio.
El término lixiviado se refiere a los líquidos que se gestionan en los depósitos controlados
de residuos. Se forman cuando agua procedente de lluvia, de depósitos subterráneos o de
los propios residuos penetra a través de los mismos y arrastra materiales disueltos o
suspendidos. Son altamente contaminantes y su tratamiento es una de las partes más caras
en el tratamiento de residuos. Un estudio detallado se incluye en el Capítulo 2.
A lo largo del presente estudio, se desarrollará la posible inserción de otras tecnologías
más limpias y respetuosas con el medio ambiente con las que producir energía durante el
tratamiento de residuos urbanos, tanto sólidos como líquidos. Se incluye además un
estado del arte de tecnologías renovables que pudieran ser instaladas en plantas de
tratamiento y vertederos para producir electricidad, agua caliente y demás recursos
necesarios. El objetivo del estudio es por tanto colaborar con la idea de una gestión de
residuos más sana, en la que se aprovecha toda la energía recuperable, se reduce la huella
de carbono y se minimiza la deposición y acumulación de no valorizables.
1.12 Capítulo 1 – Justificación del estudio
Referencias
[1] «Opemed. El problema de los residuos,» [En línea]. Available:
www.gestiónderesiduosonline.com.
[2] Eurostat, [En línea]. Available: http://ec.europa.eu/eurostat.
[3] A. Velázquez, «Gestión ambiental y tratamiento de residuos urbanos: propuesta
para la zona metropolitana de Guadalajara a partir de las experiencias de la Unión
Europea,» Universidad complutense de Madrid, Tesis doctoral, p. 525, 2006.
[4] RRR, «RRR Website,» [En línea]. Available: http://www.rrr.com. [Último acceso:
29 Enero 2015].
[5] G. Espigares y J. Pérez L, «Aspectos sanitarios del estudio de las aguas.,»
Universidad de Granada. Servicio de Publicaciones, 1985.
[6] «Water World Bank,» [En línea]. Available: http://water.worldbank.org/.
[7] «Waste Management world,» [En línea]. Available: http://www.waste-
management-world.com.
[8] D. Moratorio, «Conversión de residuos sólidos urbanos en energía,» Memoria de
trabajos de Difusión científica y técnica, vol. 10, 2012.
[9] J. Gil Bercero y M. Gómez Antón, «Gestión y tratamiento de residuos domésticos
II,» UNED, 1996.
[10] J. Gil Bercero y M. Gómez Antón, «Los plásticos y el tratamiento de los residuos,»
UNED, 1997.
[11] U. Arena, «Process and technological aspects of municipal solid waste
gasification,» Waste Management, vol. 32, nº 4, pp. 625-639, 2012.
[12] J. Gil Bercero y M. Gómez Antón , «Educación medioambiental: reciclaje y
recuperación de residuos domésticos,» UNED, 1995.
[13] A. Grau y O. Farré, «Situación y potencial de valorización energética directa de
residuos,» IDAE. Estudio técnico PER 2011-2020, 2011.
[14] L. Lombardi, E. Carnavale y A. Corti, «Greenhouse effect reduction and energy
recovery from waste landfill,» Energy Journal, vol. 31, nº 15, pp. 3208-3219, 2006.
[15] A. Pascual, B. Ruiz, P. Gómez, X. Flotats y B. Fernández, «Situación y potencial
de generación de biogás,» IDAE, Estudio Técnico PER 2011-2020,, 2011.
[16] «Plan nacional de Investigación de residuos (PNIR),» [En línea]. Available:
http://www.magrama.gob.es/es/ganaderia/temas/requisitos-y-condicionantes-de-
la-produccion-ganadera/plan-nacional-de-investigacion-de-residuos/.
1.13 Capítulo 1 – Justificación del estudio
[17] A. c.-s. o. l. m. a. m. r. v. w. c.-g. i. a. n. w. m. scheme, «Tanigaki, N; Ishida, Y;
Osada, M,» Waste Management, 2014.
[18] G. Tchobanoglous, H. Theisen y S. Vigil, «Integrated Solid Waste Management:
Engineering Principles and Management,» McGraw-Hill, 1993.
[19] European Comission, Environment Department, [En línea]. Available:
http://ec.europa.eu/environment.
[20] Europa.eu. Síntesis de la legislación de la UE, [En línea]. Available:
http://europa.eu/legislation_summaries/energy/renewable_energy/en0009_es.htm.
Capítulo 2
Estado del arte de las tecnologías LCE
potencialmente aplicables
2.2 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
Capítulo 2
1 Introducción .............................................................................................................. 3
2 Recuperación de energía en plantas de tratamiento de residuos ............................... 3
2.1 Las celdas de combustible microbianas (CCM o MFC) .................................... 3
2.1.1 Descripción de una MFC ............................................................................ 4
2.1.2 Aplicaciones de las MFC ............................................................................ 5
2.1.3 Retos de las MFC ....................................................................................... 6
3 Recuperación de energía en vertederos ..................................................................... 7
3.1 El biogás ............................................................................................................ 7
3.1.1 ¿Cómo se recupera el biogás? .................................................................... 9
3.1.2 Aplicaciones del biogás ............................................................................ 10
3.1.3 Ejemplos de biogás como biocombustible en Europa .............................. 12
3.2 Los lixiviados ................................................................................................... 12
4 Producción de energía limpia durante la gestión de residuos ................................. 13
4.1 Generadores minieólicos .................................................................................. 13
4.1.1 Aerogeneradores minieólicos de eje vertical ............................................ 14
4.1.2 Aerogeneradores voladores o cometas eólicas ......................................... 15
4.2 Concentradores solares para evaporar agua ..................................................... 16
Referencias ..................................................................................................................... 18
2.3 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
1 Introducción
Una vez introducido el problema de la gestión de residuos y los planes estratégicos
tomados a lo largo de las últimas décadas para reducir el vertido y fomentar la
valorización de residuos, esta parte del estudio busca proporcionar una visión general
sobre las tecnologías utilizadas para recuperar la energía de los residuos, tanto sólidos
como líquidos, y para producir energía limpia durante la gestión de los mismos.
Los dos primeros puntos presentan tecnologías de valorización de residuos aplicables en
plantas de tratamiento y en vertederos, incluyendo algunos ejemplos prácticos de las de
mayor potencial de inserción en la cadena de gestión. El último punto trata sobre otras
tecnologías renovables que, aunque no aprovechan directamente la energía contenida en
los residuos, generan electricidad limpia de otras fuentes para abastecer la posible
demanda de electricidad durante el tratamiento de los mismos.
2 Recuperación de energía en plantas de tratamiento
de residuos
Las plantas de tratamiento de residuos urbanos tratan con una gran cantidad de materia
orgánica que separan del resto de residuos (en el caso de las plantas de residuos sólidos)
o que tratan de eliminar del medio en el que se encuentra (en el caso de las plantas de
residuos líquidos).
Esta parte del estudio introduce algunas tecnologías que pueden generar electricidad a
partir de la materia orgánica residual antes de ser tratada o durante el proceso de
tratamiento en una planta. La primera tecnología sujeta a estudio es una celda de
combustible microbiana, aplicable a plantas de tratamiento de residuos líquidos.
2.1 Las celdas de combustible microbianas (CCM o MFC)
Una celda de combustible es un dispositivo que crea potencia eléctrica útil a partir de un
combustible que sufre una conversión electroquímica. Su estudio ha crecido
notablemente en los últimos años ya que suponen una alternativa a los combustibles
fósiles para producir electricidad en la que no es necesario quemar el combustible
evitándose así la emisión de gases contaminantes [1]. Actualmente sufren una constante
evolución y son cada vez más compactas y eficientes.
Sin embargo, el uso de celdas de combustible para producir electricidad es una práctica
aún no viable económicamente, ya que éstas son en general caras y poco efectivas: sus
condiciones de operación óptimas son bastante extremas y casi todas requieren el uso de
catalizadores como el platino para operar, caros y fácilmente contaminados por la
presencia de monóxido de carbono en el proceso [1].
2.4 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
Las células de combustible biológicas o microbianas, en cambio, pueden trabajar en un
medio en condiciones de presión y temperatura ambiente y con un medio neutro, y en
lugar de utilizar platino como catalizador puede utilizarse [2]. Actualmente son sólo útiles
en aplicaciones de baja densidad de potencia ya que normalmente producen por debajo
de los 50 𝑚𝑊/𝑚2 [3], aun así estos sistemas son una prometedora e interesante
innovación en el campo de las células de combustible por su enorme potencial en
aplicaciones que no requieren elevada potencia.
2.1.1 Descripción de una MFC
Una celda de combustible biológica o microbiana (MFC, Microbial Fuel Cell) tiene el
mismo principio de conversión de energía química en energía eléctrica que una celda
normal, con la peculiaridad de utilizar como combustible materiales biológicos (agua
residual) y como agente catalizador los microorganismos vivos (bacterias) contenidos en
los mismos [4].
Hacen posible la producción de una energía “verde” mediante la explotación del sustrato
orgánico contenido en las aguas residuales doméstica e industrial a la vez que se consigue
la depuración de las mismas. La electricidad producida puede abastecer una parte de la
cantidad requerida en una planta convencional de tratamiento de aguas durante el
aireamiento de los fangos o cualquier otra operación.
Las MFC toman generalmente dos formas: una forma más simple en la que sólo hay una
cámara que contiene un ánodo inmerso en agua residual y en condiciones anaeróbicas y
un cátodo en contacto con aire. El cátodo puede encontrarse en una cámara diferente a la
del ánodo y en presencia de oxígeno, teniendo así celdas de dos cámaras. Ambos
electrodos están separados por una membrana de intercambio protónico (PEM).
Figura 1 - Esquema básico de una MFC de dos cámaras diferenciadas. El sustrato es el agua residual, los protones
H+ emitidos pasan a través de la membrana PEM representada por la línea discontinua hacia la cámara catódica
donde forman agua junto al oxígeno del aire.
En ambas clases de celdas el procedimiento es el siguiente: la bacteria del agua residual
oxida los nutrientes (Sustrato) en su actividad metabólica y desprende electrones (𝑒−) y
protones (𝐻+). Como producto principal de esta oxidación se tiene 𝐶𝑂2. Los electrones
2.5 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
producidos, al no tener medio aceptor por encontrarse en condiciones anaeróbicas, se
adjuntan al ánodo gracias a una biocapa que la bacteria genera alrededor del mismo y son
transportados hacia el cátodo mediante un circuito eléctrico externo. Los protones pasan
directamente de la celda negativa a la positiva mediante una membrana PEM que permite
el paso de protones pero no de electrones. Allí tiene lugar la reducción de oxígeno (𝑂2) y
se forma agua (𝐻2𝑂).
Existen dos tipos fundamentales de MFCs atendiendo a cómo se transmiten los electrones
de la bacteria al ánodo: están las que utilizan un electrón mediador en la transferencia
(Mediated Electron Transfer), y las que no lo tienen (Mediator-Less Fuel Cells).
Figura 2 – Las celdas de combustible del tipo A (Mediator-Less) no requieren electrones portadores y el intercambio
es directo entre el microorganismo y el ánodo. Las del tipo B, en cambio, necesitan un electrón mediador que les
asista en el transporte de electrones hasta el aceptor anódico [2].
En las primeras casi cualquier tipo de bacteria puede ser utilizada ya que gracias al
mediador el intercambio de electrones está asegurado, sin embargo existen mayores
pérdidas de energía en este paso intermedio y la eficiencia total de la celda de combustible
se ve perjudicada. Las celdas sin mediador no requieren electrones portadores en la
solución electrolítica, lo que permite una mayor eficiencia global y un mejor control del
dispositivo [3]. Por el contrario, es necesario prestar una mayor atención en la elección
de la bacteria que se añade al dispositivo: ha de ser una bacteria del tipo exo-electrógena
capaz de transferir electrones directamente sin necesidad de mediadores y ha de
reaccionar fácilmente con el material del ánodo al que tendrá que ceder los electrones [4].
2.1.2 Aplicaciones de las MFC
Las celdas de combustible microbianas son hoy día una tecnología emergente y en
constante evolución que podría contribuir a solventar dos de los problemas más críticos
de la sociedad actual: la crisis energética y la disponibilidad de agua no contaminada.
2.6 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
La idea de producir energía aprovechando las aguas residuales no es tan reciente como
puede parecer. Fue ya en el año 1911 cuando el profesor de botánica M. Potter descubrió
que ciertas bacterias podían servir para generar electricidad, aunque sólo en 1980 el
fenómeno comenzó a ganar mayor respaldo científico cuando se consiguió mejorar la
producción de potencia eléctrica en las MFC con el uso de los electrones mediadores.
Posteriores estudios revelaron que ciertas bacterias eran capaces de transferir los
electrones al ánodo directamente y sin ayuda externa, son las bacterias Mediator-Less. El
número de MFC involucradas en procesos de tratamiento de aguas residuales comenzó a
aumentar en la década de los 90 cuando se publicaron varios estudios que reafirmaban las
ventajas de utilizar aguas residuales de origen municipal en estos dispositivos [5] y [6].
Las MFC son capaces de convertir biomasa a temperaturas medias y con concentraciones
de sustrato débiles, aunque necesitan una mayor superficie de electrodo alrededor del cual
crear la biopelícula.
Existen curiosas y diversas aplicaciones de las celdas de combustible microbianas
actualmente además del tratamiento de aguas residuales: son usadas para abastecer
pequeños sensores y transmisores de señales en localizaciones remotas; también en naves
espaciales utilizando los desechos de los astronautas para proporcionar energía a bordo;
en campos de refugiados, donde el acceso a la electricidad es casi impensable.
2.1.3 Retos de las MFC
Entre las ventajas de utilizar celdas de combustible microbianas para el tratamiento de
aguas residuales y producción de energía eléctrica se encuentran los siguientes puntos:
Presentan una alta conversión teórica de energía superior al 70% [7], debido a
que la energía química del agua residual se convierte directamente en energía
eléctrica y no en un combustible que hay que quemar para producir energía.
Las MFC pueden convertir biomasa a temperaturas entre 15 y 40ºC y con bajas
concentraciones de materia orgánica en el agua, ambas condiciones
problemáticas para los digestores convencionales.
Producen una menor cantidad de CO2 que cualquier otra tecnología que actual
que utilice combustibles fósiles, por lo que las pocas emisiones que producen no
requieren ningún tipo de tratamiento [8].
Pueden ser utilizadas en lugares remotos donde exista demanda de consumos
básicos de energía eléctrica.
Tienen un bajo coste de operación, suponen una forma barata de producir energía
eléctrica y de además revalorizar los residuos líquidos.
Pero a pesar de las ventajas del bajo coste marginal y la alta recuperación de energía, las
celdas de combustible microbianas tienen aún un camino que recorrer antes de llegar a
ser económicamente viables, debido fundamentalmente a sus altos costes de capital. En
comparación con los sistemas de tratamiento de aguas convencionales (0.01-0.1 €/kg
COD) las MFC tienen un coste capital de 8€ por kg de COD retirado del agua residual
[9]. Del coste inicial total, aproximadamente la mitad corresponde al ánodo y al cátodo,
ya que es aquí donde la mayor inversión se hace para solventar el segundo gran problema
de las MFC: la baja densidad de potencia.
2.7 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
La densidad de potencia de una MFC estándar se encuentra alrededor de 0.05-1 W por
m2 de superficie proyectada del electrodo [10].
3 Recuperación de energía en vertederos
Los vertederos son lugares destinados al depósito de desperdicios y constituyen el último
eslabón en la cadena de gestión de residuos. Históricamente, los vertederos han sido
considerados como lugares insalubres, marginados y focos de enfermedades. Sin
embargo, con el desarrollo de las ciudades y el mayor conocimiento científico de los
problemas sanitarios que derivan de almacenar basura la aplicación de técnicas
ingenieriles en vertederos ha incrementado considerablemente en las últimas décadas.
Las legislaciones y la preocupación global alrededor del problema de los residuos han ido
gestando una nueva cultura de los residuos que fomenta la reutilización y reciclado,
incluyendo tecnologías como el compostaje aerobio de la fracción orgánica de residuos,
su metanización anaerobia o un perfeccionamiento de las plantas de incineración en
vertederos controlados.
Figura 3 - Vertedero no controlado. También conocido
como basurero, en ellos no se aplican medidas del
impacto de los residuos sobre el medio ambiente [11]
Figura 4 - Vertedero controlado. Normalmente los
residuos son cubiertos con tierra y la digestión de la
materia orgánica se produce en ausencia de oxígeno.
[11]
En los vertederos controlados (Figura 4), los residuos son depositados, triturados,
compactados y cubiertos con tierra (también los sin recubrimiento donde la digestión se
hace en presencia de oxígeno) y dependiendo del grado de densidad de los residuos se
habla de vertederos de alta densidad (0.9-1 ton/m3), media densidad (0.7-0.8 ton/m3) y
baja densidad (0.5-0.6 ton/m3) [12].
3.1 El biogás
En la naturaleza, los restos orgánicos se descomponen de forma natural mediante un
proceso de degradación aerobia, en la que actúan organismos que consumen oxígeno en
su metabolismo. Este procedimiento va acompañado de un desprendimiento de dióxido
2.8 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
de carbono y vapor de agua. Sin embargo, cuando la degradación de la materia orgánica
se produce en condiciones anaerobias en las que existe ausencia de oxígeno, se produce
una mezcla gaseosa con altas cantidades de metano. En los vertederos controlados donde
los restos son acumulados bajo tierra no hay acceso a oxígeno y la digestión anaerobia de
la materia orgánica produce grandes cantidades de este gas conocido como biogás o gas
de vertedero.
La emisión no controlada de este gas a la atmósfera tiene graves problemas
medioambientales y de seguridad, por lo que es necesario la instalación de un sistema de
desgasificación que incluya pozos de captación, sistemas de extracción y una incineración
controlada [12]. La incineración puede realizarse sin recuperación de energía, aunque el
alto valor del poder calorífico del metano contenido en el biogás hace ver a este gas como
una fuente de energía alternativa más que como un problema medioambiental que hay
que erradicar.
Desde los años 30 se empezó a aplicar nuevas técnicas de compactación de residuos en
los Estados Unidos y Gran Bretaña, y a partir de los años 60 comenzaron a controlarse en
EEUU las emisiones de biogás. No fue hasta mediados de los años 70 cuando se instaló
en Europa la primera planta de captación de biogás en Alemania [13, 14].
Los últimos datos sobre novedades y estadísticas del biogás están disponibles en la página
web de la Asociación Europea de Biogás (European Biogas Association, EBA) donde
puede comprobarse que en 2013 fueron alrededor de 14500 las plantas de biogás
instaladas en Europa con una capacidad total de 7857 MW [15]. Es de notar que de estas
cifras 308 plantas generadoras de biogás utilizan gas de vertedero, con una capacidad
total de 660MW [16].
Figura 5 – Estadísticas sobre la producción de biogás en Europa durante el año 2013. Puede verse como los
mayores productores de biogás fueron Alemania e Italia, con 9035 y 1391 MW instalados respectivamente [15].
2.9 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
En el 2013 además pudo notarse un gran crecimiento en la Europa central, con un 18%
de aumento en el número de plantas de biogás en países como Hungría, República Checa,
Eslovaquia y Polonia. Las plantas de biogás en Reino Unido, Francia y Suecia continúan
en desarrollo constante [15].
3.1.1 ¿Cómo se recupera el biogás?
El biogás se recupera durante la digestión de la materia orgánica contenida en los residuos
dispuestos en vertederos, durante la cual se distinguen tres etapas distintas: una primera
etapa donde los compuestos orgánicos son hidrolizados y fermentados a ácidos grasos,
alcoholes, hidrógeno y dióxido de carbono; una segunda etapa en la que las bacterias
acetogénicas generan ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono; y por último la
generación de metano por las bacterias metanogénicas. Estas tres etapas se resumen en
la siguiente reacción general:
𝐶𝑛𝐻𝑎𝑂𝑏 + (𝑛 −
𝑎
4−
𝑏
2) 𝐻2𝑂 → (𝑛 −
𝑛
2−
𝑎
8+
𝑏
4) 𝐶𝑂2 + (
𝑛
2+
𝑎
8−
𝑏
4) 𝐶𝐻4 (1)
La mayor fuente de metano proviene de la transformación del acetato en metano por las
bacterias metanogénicas. El agua necesaria para el proceso se obtiene de los lixiviados en
los vertederos, que básicamente consiste en el agua de lluvia o de escorrentías que se filtra
y penetra en el vertedero y en donde se encuentran disueltos los compuestos orgánicos.
Un kilogramo de residuos secos puede absorber entre 0.09 y 0.27 litros de agua [12], el
resto permanece acumulado. Cuanto mayor es la cantidad de agua disponible, mayor es
la producción de biogás pero mayor cantidad de lixiviados: la gestión de los mismos en
uno de los mayores problemas en el proceso de tratamiento de RSU por lo que no es
recomendable incrementar su cantidad artificialmente.
La forma más común de captar el biogás del vertedero es la captación vertical, mediante
grandes tubos perforados de PVC dispuestos por toda la superficie del vertedero y con
válvulas en la salida al exterior. Una vez el biogás está sobre tierra, éste es conducido
mediante un sistema horizontal de tuberías hasta pozos mayores donde se acumula y se
examina. La correcta circulación del biogás hacia el depósito se consigue por medio de
bombas o diferencias de alturas que promueven el flujo del gas, y ha de evitar fugas de
aire y acumulación de agua, además de garantizar un bajo coste [17].
2.10 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
Figura 6 – Captación vertical de biogás en vertederos. El biogás es conducido a la Estación de Regulación una vez
extraído, donde es post-tratado según su aplicación posterior.
Las líneas conducen a la estación de regulación, en donde el biogás se analiza y se trata
de acorde a la aplicación a la que éste vaya a ser utilizado. La antorcha de incineración se
encarga de eliminar el exceso de biogás que se puede producir puntualmente, según la
carga del vertedero. Existen programas de monitorización en la supervisión del biogás
producido que facilitan la gestión de las plantas de captura de biogás, como es el software
BioGaps utilizado por la empresa COGERSA desde 2012 [17].
3.1.2 Aplicaciones del biogás
El biogás está compuesto principalmente por metano CH4 (65-70%), por CO2 (30-35%)
y pequeñas cantidades de otros gases como nitrógeno o hidrógeno [15]. Tras remover
contaminantes, el biogás puede presentar la misma composición que el gas natural, y
puede ser usado en forma líquida (Liquified Natural Gas, LNG) o gaseosa (Compressed
Natural Gas, CNG). Puede utilizarse para generar potencia mecánica y eléctrica en plantas
generadoras a gas, calderas y motores de combustión interna debidamente adaptados para
tal efecto.
Las aplicaciones del biogás como generador de energía se dividen en dos corrientes
principales: su uso como biocombustible en el sector transporte y su uso en la generación
directa de potencia eléctrica en centrales de cogeneración (Combined Heat and Power,
CHP).
El uso de biogás procesado como biocombustible es una alternativa viable a los
combustibles fósiles: a diferencia del resto de biocombustibles de la primera generación,
la producción de biogás no compite con la producción alimentaria en términos de áreas
de cultivo ya que utiliza desechos urbanos; la cantidad generada mundialmente de
desechos es enorme, lo que supone una enorme fuente de energía aprovechable existente;
el biogás procesado puede venderse a 1.25 €/m3 en comparación a 1.45 €/m3 del diésel y
1.5 €/m3 de la gasolina [17].
El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto a gasolina como
diésel, aunque su valor de octanaje entre 100 y 110 lo hace muy adecuado para su uso en
2.11 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
motores de chispa. La desventaja, en cambio, es su baja velocidad de encendido no
deseable en este tipo de motores [16]. La eficiencia y consumo de un motor a gas puede
verse en la Tabla 1 junto a otras aplicaciones del biogás.
Tabla 1 – Aplicaciones del biogás en distintos artefactos junto a su consumo específico y eficiencia [16]
Artefacto Consumo Rendimiento (%)
Quemador de cocina 300-600 l/h 50-60
Lámpara a mantilla (60W) 120-170 l/h 30-50
Heladera de 100 L 30-75 l/h 20-30
Motor a gas 0.5-0.7 m3/kWh 25-30
Quemador de 10 kW 2 m3/h 95-99
Co-generador 1 kW eléctrico, 2kW
térmico
0.5 m3/kWh
Hasta 90
La otra gran aplicación del biogás consiste en la generación de potencia eléctrica en
centrales de cogeneración, que utilizan motores de combustión interna para quemar el gas
y producir electricidad y vapor que luego es reutilizado por una turbina. Es usual la
instalación de una unidad de CHP en las plantas de recuperación de biogás por la
posibilidad de producir energía in-situ para satisfacer la demanda de electricidad de la
planta y evitar así pérdidas en el transporte del gas.
Las plantas de cogeneración presentan una eficiencia de 70% comparadas con el 40% de
las centrales de carbón y petróleo. Esta eficiencia se debe a que el calor que se genera
durante el proceso de producción de electricidad es recuperado por una turbina, a
diferencia de las plantas de producción de potencia fósiles en las que éste se desaprovecha
[21]. Las centrales CHP que funcionan con biogás incorporan motores de combustión
interna alternativos modificados para quemar el gas.
Figura 7 – Esquema de una planta CHP de biogás. En este caso es una caldera la tecnología utilizada para quemar
el gas, el vapor generado mueve una turbina de vapor que produce electricidad aprovechable.
2.12 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
El mayor problema de estas centrales incumbe a los motores que queman el biogás,
debido fundamentalmente a la grave degradación que produce el gas en el aceite
lubricante con el que éstos funcionan por su alto contenido en gases residuales como NH3
y H2S. Este hecho conlleva a la necesidad de costosas tareas de pretratamiento del gas,
mantenimiento y múltiples fallos en los motores. Se estudian tecnologías alternativas de
conversión de energía como son las turbinas de gas o calderas [21].
3.1.3 Ejemplos de biogás como biocombustible en Europa
El uso del biogás como combustible se ha desarrollado notablemente en las últimas
décadas en muchos países europeos como Italia, donde 650,000 coches utilizan biogás en
la actualidad, o Suecia, líder mundial en el uso del biocombustible en coches, autobuses,
e incluso trenes [17].
En los países bajos se inauguró en Septiembre de 2010 la quincuagésima estación de
repostaje de biogás comprimido (CNG) y en febrero de 2014 la empresa Cambi AS
construyó una central para tratar 50,000 toneladas de desechos y producir LNG como
biocombustible aplicable a 135 autobuses anualmente.
Otro caso de interés es en Reino Unido, donde la conocida cadena de supermercados
Tesco ha creado una red de 25 vehículos comerciales para el reparto a domicilio que
utiliza biogás producido por la compañía inglesa Gasrec, la primera en comercializar bio-
metano en Europa y especializada en obtener biogás de calidad procedente de vertederos
de desechos urbanos [20].
3.2 Los lixiviados
Se conoce como lixiviado a todas las aguas implicadas en el vertido controlado de
residuos. Estas aguas tienen tres orígenes identificados: el agua de lluvia que se cuela en
el depósito, posibles fugas de depósitos subterráneos de agua en vertederos de mayor
profundidad y el propio agua contenido en los residuos.
Los depósitos controlados se diseñan de manera que los lixiviados se recojan y se
acumulen en balsas antes de su tratamiento. Los sistemas de captación tienen los
siguientes elementos: capa de drenaje, punto de bombeo dotado de caseta de bombeo y
sumidero, tubo colector y tubería de transporte al depósito de almacenamiento o balsa.
El agua de lixiviado contiene materiales orgánicos diluidos y en suspensión y presenta
altos niveles de contaminación: altas concentraciones de nitrógeno en forma de amonio,
altas concentraciones de sales y una moderada presencia de metales pesados. Es por ello
que en los vertederos controlados la correcta captación y conducción de lixiviados hacia
depósitos de acumulación es fundamental para tratar estas aguas antes de evacuarlas al
medio.
2.13 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
Figura 8 - Composición estándar de lixiviados. El 55.41% es materia orgánica, que se mide con la Demanda
Química de Oxígeno (DQO)
La cantidad de sustancias susceptibles a ser oxidadas que se encuentran disueltas en los
lixiviados se mide con el parámetro DQO o Demanda Química de Oxígeno. Es un
indicativo del grado de contaminación del agua y se expresa generalmente en miligramos
de oxígeno por litro (mg O2/L).
El esquema de la Figura 8 muestra cómo un 55.4% de los lixiviados es materia orgánica
disuelta en el agua. Este dato induce a pensar que dicha cantidad podría ser aprovechada
para generar energía de la misma forma que se explica apartado de recuperación de
energía en plantas de tratamiento: mediante el uso de celdas de combustible microbianas.
En el Capítulo 6 del presente estudio se plantea la posibilidad de integrar un modelo de
tecnología MFC para tratar aguas de lixiviados producidas en un vertedero real de la
localidad de Sevilla.
4 Producción de energía limpia durante la gestión de
residuos
Además de las tecnologías anteriormente comentadas para recuperar energía de los
residuos urbanos sólidos y líquidos, existe la posibilidad de instalar otros dispositivos que
generen energía limpia durante el proceso de tratamiento de residuos para abastecer la
posible demanda de electricidad. Estos dispositivos no aprovechan directamente la
energía de los residuos pero contribuyen a lograr el deseado impacto neutro de los
residuos en el medio ambiente y la independencia de la red eléctrica en las plantas de
tratamiento.
4.1 Generadores minieólicos
A la hora de plantear la generación de energía eléctrica a partir de la fuerza del viento en
centrales de tratamiento de residuos los aerogeneradores convencionales de eje horizontal
no son aplicables por su gran tamaño y coste. Se plantea entonces la revisión de otros
aerogeneradores más pequeños y aplicables: los de eje vertical y las cometas eólicas.
2.14 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
En ellos la energía eléctrica, al igual que en un aerogenerador convencional, se produce
gracias al giro de las aspas a causa de la incidencia del viento sobre ellas. Esta energía es
enviada tras ser regulada y automatizada a un banco de baterías donde se almacena para
disponer de ella en la instalación donde está instalada, una vez ha sido convertida en
corriente alterna a 220 V (como la suministrada por la red eléctrica) gracias a un inversor
de corriente. En los casos de instalaciones de conexión a red, la energía generada por el
aerogenerador es suministrada hacia la red eléctrica a través de un inversor que sincroniza
con la propia red.
Figura 9 – Esquema de la instalación de un generador eólico en una instalación doméstica.
4.1.1 Aerogeneradores minieólicos de eje vertical
Los generadores minieólicos son todos aquellos que producen energía a baja escala por
debajo de los 100 kW aprovechando la fuerza del viento y que normalmente se utilizan
en aplicaciones de autoabastecimiento y autogeneración de energía. En este tipo de usos
presentan una serie de ventajas respecto a otro tipo de tecnologías: menor tamaño, bajo
coste, seguridad de suministro para el consumidor, buen funcionamiento con vientos
moderados y reducción de pérdidas en el transporte de energía.
Las diferencias principales respecto a los generadores eólicos convencionales se exponen
a continuación:
La altura de los generadores: Un generador mini eólico, colocado en un tejado, no
necesita más de 2 metros de alto, mientras que en instalaciones aisladas no supera
los 20 metros. Por su parte, un gran aerogenerador puede alcanzar unos 120 metros
de altura.
El diámetro de las aspas: El de la mini eólica suele tener unos 3 metros de media,
mientras que los grandes molinos puede llegar a los 90 metros.
Potencia: Los pequeños generadores más comunes oscilan entre los 1,5 kW y los
3 kW. Por su parte, un gran aerogenerador puede producir entre 2000 y 3000 kW.
MW instalados: Aunque es difícil precisar este dato en el caso de la mini eólica,
se calcula que hay 7 MW instalados en España, mientras que su hermana mayor
supera ya los 11.500 MW totales.
Estos pequeños aerogeneradores se colocan en tejados o lugares elevados y pueden ser
complementados con otros sistemas de energía, como paneles solares. Suelen tener el eje
2.15 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
de las aspas de forma vertical, favoreciendo su correcto funcionamiento con vientos de
menor velocidad, más comunes en áreas urbanas.
Figura 10 – Tipos de mini-generadores eólicos de eje vertical más comunes en el mercado
Este tipo de generadores son cada vez más competitivos, siendo las propuestas y las
empresas muy diversas. La compañía holandesa Turby comercializa un modelo de tres
aletas helicoidales con mástiles de diferentes alturas. Cuentan con delegación en España
(Turby Ibérica) y la torre Sacyr de Madrid, el puerto deportivo de Barcelona o el barco
Sirius de Greenpeace tienen unidades suyas. La empresa cántabra BarcoWM propone un
molino de cuatro grandes aspas rectangulares con una serie de láminas verticales. Otras
empresas, como Windspire o Wind Harvest International destacan por sus originales
diseños.
También existen empresas especializadas en generadores minieólicos como la empresa
Quiet Revolution, cuyos productos apenas emiten ruido al operar, o la empresa de
minieólicas española Bornay.
4.1.2 Aerogeneradores voladores o cometas eólicas
Los diseños más futuristas proponen aerogeneradores volantes pensados para aprovechar
las corrientes de aire a mayor altura más potentes y constantes, produciendo una densidad
de potencia de 5 a 8 veces mayor que la producida a nivel de suelo. También se conocen
como cometas eólicas por su tener la turbina a grandes alturas y unidas al resto de la
instalación a nivel de suelo con cables que recuerdan a las cometas convencionales.
Existen varias empresas pioneras en este tipo de tecnologías que proponen iniciativas
diversas. La empresa canadiense Magenn Power propone a MARS, una turbina parecida
2.16 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
a un dirigible que gira sobre su eje horizontal y que está conectado al suelo con unos
cables de 300m conductores de la electricidad generada.
Figura 11 – Esquema de funcionamiento del aerogenerador volador MARS propuesto por la empresa canadiense
Magenn Power.
La empresa americana Selsam pretende aprovechar el viento de alta mar con unas turbinas
volantes ligeras, atadas a un cable flexible sujetado a una boya y elevadas gracias a un
dirigible. En Holanda, investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft y la
empresa Royal Dutch Shell and Nederlandse Gasunie trabajan en un sistema de cometas
con alas y timones.
4.2 Concentradores solares para evaporar agua
Un concentrador solar es un tipo de colector capaz de concentrar la energía solar en un
área reducida, aumentando la intensidad energética. Similar a una lupa enfocando su luz
en un punto, los concentradores reflejan la luz solar por medio de un arreglo
de espejos alineados hacia un objetivo capaz de captar dicha energía para su
aprovechamiento. Estos concentradores pueden generar energía eléctrica si en el foco se
sitúa una célula fotovoltaica de alta intensidad o también pueden evaporar agua y generar
vapor a altas temperaturas si se hace pasar un tubo con el fluido por el foco del
concentrador.
2.17 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
Figura 12 - Esquema de un concentrador solar utilizado para calentar una corriente de agua
Se plantea la inserción de este tipo de tecnología en plantas de tratamiento de residuos
para generar vapor a altas temperaturas que mediante intercambiadores supondrían una
fuente de energía térmica adicional para precalentar la carga de residuos en gasificadores
o incineradores o para generar energía eléctrica mediante una turbina de vapor.
2.18 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
Referencias
[1] M. Rodrigo, P. Cañizares, J. Lobato, C. Sáez and J. Linares, "Production of
electricity from the treatment of urban waste water using a microbial fuel cell,"
Journal of Power Sources, vol. 169, no. 1, pp. 198-204, 2007.
[2] S. Badwal, S. Giddey, C. Munnings, A. Bhatt and T. Hollenkamp, "Emerging
electrochemical energy conversion and storage technologies," Frontiers in
Chemistry, vol. 2, 2014.
[3] H. Liu and B. Logan, "Electricity generation using an air-cathode single chamber
microbial fuel cell in the presence and abscence of a proton exchange membrane,"
Environmental Sci. Technlogy, vol. 38, p. 4040, 2004.
[4] Y. Zeng, Y. Fung C, K. Byung-Hong y P. Wu, «Modelling and simulation of two-
chamber microbial fuel cell,» Journal of Power Sources, vol. 195, nº 1, pp. 79-89,
1 Enero 2010.
[5] B. Min and B. Logan, "Continuous electricity generation from domestic
wastewater and organic substrates in a flat plate microbial fuel cell,"
Environmental Science and Technology, pp. 5809-5814, 2004.
[6] Z. He, S. Minteer and L. Angenent, "Electricity generation from artificial
wastewater using an upflow microbial fuel cell," Environmental Science and
Technology, pp. 5262-5267, 2005.
[7] S. Chaudhuri and D. Lovley, "Electricity generation by direct oxidation of glucose
in mediatorless microbial fuel cells," Nat Biotechnology, pp. 1229-1232, 2003.
[8] D. M. Revelo, N. M. Hurtado y J. O. Ruiz, «Celdas de Combustible Microbianas
(CCM): Un reto para la remoción de materia orgánica y la generación de energía
eléctrica,» Información tecnológica, vol. 24, nº 6, 2013.
[9] B. Logan, B. Hamelers, K. Rabaey, R. Rozendal, U. Schroder, J. Keller, S. Freguia,
P. Aelterman and W. Verstraete, "Microbial fuel cells: methodology and
technology," Environmental Sci. Technology, vol. 40, no. 17, pp. 5181-5192, 2006.
[10] M. A. Calder, "Modelling of a Microbial Fuel Cell," Norwegian University of
Science and Technology Department of Energy and Process Engineering, pp. 4-
82, 2007.
[11] Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, "Acuamed.
Decontamination Flix," [Online]. Available:
http://www.decontaminationflix.com/.
2.19 Capítulo 2 - Estado del arte de las tecnologías LCE potencialmente aplicables
[12] S. Martín González, "Producción y recuperación del biogas en vertederos
controlados de residuos urbanos: análisis de variables y modelización,"
Universidad de Oviedo, Tesis Doctoral, pp. 1-40, 2008.
[13] A. Gendebien, M. Pauwels, M. Constant, M. Ledrut-Damanet, E. Nyns, H.
Willumsen, J. Butson, R. Fabry and G. Ferrero, "Landfill Biogás. From
Environment to Energy," Comission of the European Communities. Final report
EUR14017/1, 1992.
[14] T. Christensen, R. Cossu y R. Stegmann, «Landfilling of Waste: Biogas,» E&FN
Spon, 1996.
[15] European Biofuels Technology Platform, "Biogas/Biomethane for use as a
transport fuel," [Online]. Available: http://www.biofuelstp.eu/biogas.html.
[16] Textos científicos, "Usos del biogás," [Online]. Available:
http://www.textoscientificos.com/energia/biogas.
[17] B. G y P. J., «Producción de electricidad en celdas de combustible microbianas
utilizando agua residual: Efecto de la distancia entre los electrodos,» Tip Revista
especializada en Ciencias Químico-Biológicas, pp. 145-211, 2011.
[18] "Solacity," http://www.solacity.com/smallwindtruth.htm.
[19] "Quiet Revolution," http://www.quietrevolution.com/about-small-wind.htm.
[20] "Bornay," http://www.bornay.com/es/espana.
[21] M. Fernández, "Eroski Consumer," [Online]. Available:
http://www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/energia_y_ciencia/2007/07/14/
164960.php.
[22] "La nueva generación de la energía eólica: una central con cometas que iguala la
potencia de una planta nuclear," [Online]. Available:
http://www.elconfidencial.com/mercados/archivo/2008/07/01/51_nueva_generaci
on_energia_eolica_central_cometas.html.
Capítulo 3
Las celdas de combustible microbianas
(MFC)
3. 2 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
Capítulo 3
1. Las Celdas de Combustible Microbianas. ................................................................. 3
1.1. Descripción del proceso ..................................................................................... 3
1.1.1. Termodinámica ........................................................................................... 3
1.1.2. Reacciones en el ánodo y en el cátodo ....................................................... 4
1.1.3. Generación de energía eléctrica .................................................................. 6
1.1.4. Transporte de corriente ............................................................................... 7
1.1.5. Cinética y transporte de especies en una MFC ........................................... 8
1.2. Factores que afectan al funcionamiento de una MFC ........................................ 9
1.2.1. Sustrato ....................................................................................................... 9
1.2.2. Condiciones de operación ......................................................................... 11
1.2.3. Material y geometría de los electrodos ..................................................... 12
1.2.4. Diseño de la estructura ............................................................................. 12
1.3. Últimas tendencias de mejora en las MFC ...................................................... 13
3. 3 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
1. Las Celdas de Combustible Microbianas
Las celdas de combustible microbianas son dispositivos que utilizan una bacteria como
catalizador para oxidar el sustrato orgánico presente en el agua residual y generar así
corriente eléctrica.
A continuación se describe en detalle el proceso que ocurre en una celda de combustible
microbiana y los principales factores que afectan a su funcionamiento según anteriores
estudios.
1.1. Descripción del proceso
En la celda de combustible microbiana son cuatro los procesos que van a tener lugar: el
consumo de acetato en el ánodo, el consumo de oxígeno y protones en el cátodo, la
igualación de pH y transporte de especies a través de la PEM entre las cámaras anódica y
catódica [1].
De estos cuatro procesos, la reacción que controla la cinética del proceso completo es la
degradación del acetato en el ánodo, que depende del metabolismo de la bacteria. La
cinética es por tanto bastante impredecible, ya que al ser sustancias biológicas las que
controlan la química del proceso éstas van a responder de forma muy distinta dependiendo
del tipo de bacteria y de las condiciones en las que se encuentren.
1.1.1. Termodinámica
Al igual que en el resto de procesos electroquímicos, en una MFC la electricidad se genera
si la reacción global es termodinámicamente favorable. Evaluando la reacción en
3. 4 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
términos de energía libre de Gibbs (Gr), puede decirse que la reacción se producirá si la
variación de la energía libre de Gibbs total de la reacción es negativa (∆Gr<0).
Sin embargo, para una MFC es más conveniente evaluar la reacción en términos del
potencial electromotriz total de la celda (Eemf), que se define como la diferencia de
potencial entre el cátodo y el ánodo y puede relacionarse con el trabajo total producido
según la siguiente expresión:
𝐸𝑒𝑚𝑓 = 𝐸𝑐𝑎𝑡 − 𝐸𝑎𝑛 (V) 𝑊 = 𝐸𝑒𝑚𝑓 · 𝑄 = − ∆Gr (𝐽) (1)
Donde 𝑄 = 𝑛𝐹 (𝐶) es la carga total transferida en la reacción que depende de 𝑛 que es el
número de electrones transferidos por mol de reactante y 𝐹 es la constante de Faraday.
El valor del potencial electromotriz de la celda supone un máximo en el voltaje del
dispositivo: este valor es menor en el caso real debido a los sobrepotenciales que ocurren
en la MFC, originados por diversos fenómenos y que provocan pérdidas irreversibles de
energía:
𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙 = 𝐸𝑒𝑚𝑓 − 𝜂 [𝑉] (2)
Puede considerarse entonces los sobrepotenciales como una pérdida de energía en cierto
modo. Los sobrepotenciales en la cámara anódica y catódica se definen en las ecuaciones
(), en las que 𝜙𝑠 (V) corresponde al potencial eléctrico en la superficie de los electrodos
y 𝜙𝑙 (V) al potencial iónico dentro de los electrodos. Eeq es el voltaje de equilibrio.
𝜂𝑎 = 𝜙𝑠 − 𝜙𝑙 − 𝐸𝑒𝑞𝑎 (3)
𝜂𝑐 = 𝜙𝑠 − 𝜙𝑙 − 𝐸𝑒𝑞𝑐 (4)
Combinando las ecuaciones anteriores y considerando el potencial electromotriz de la
celda en condiciones estándar como 𝐸𝑒𝑚𝑓0 = −∆Gr0/𝑛𝐹 puede reescribirse el potencial
electromotriz de la celda como muestra la ecuación siguiente [2]
𝐸𝑒𝑚𝑓 = 𝐸𝑒𝑚𝑓
0 − (𝑅𝑇
𝑛𝐹) ln ∏ 𝑎𝑖
𝜈𝐵 (5)
1.1.2. Reacciones en el ánodo y en el cátodo
Como ya es sabido, las celdas de combustible microbianas utilizan como combustible
agua residual que contiene infinidad de compuestos, pero de ellos sólo unos servirán para
llevar a cabo el proceso en la MFC. La propia agua residual contiene los nutrientes
(normalmente ácido láctico) que consume la bacteria en su actividad metabólica. Este
proceso metabólico es el desencadenante del resto de reacciones químicas que se dan
durante el funcionamiento de la MFC, las fundamentales son la reacción anódica y la
reacción catódica.
3. 5 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
Figura 1 – Reacciones en la MFC. En el ánodo la bacteria toma el sustrato orgánico para producir CO2 y liberar
electrones e iones H+, bien de forma directa (A), creando una biocapa (B) o con ayuda de mediadores (C, D). En el
cátodo los electrones e iones se combinan con el oxígeno para crear agua, de forma directa (E), utilizando
catalizadores o biocatalizadores (F, G) u otros productos intermedios (H). [3]
Las especies consideradas en el proceso son: dos reactantes, el acetato (C2H4O2) y el
oxígeno presente en el aire de la cámara catódica (O2); dos productos, el dióxido de
carbono creado en la cámara anódica (CO2) y el agua formada en la catódica (H2O); y un
producto intermedio, los iones H+ que son transportados desde el ánodo al cátodo a través
de la membrana PEM. En ambas cámaras hay nitrógeno (N2), en la anódica se inyecta
para mantener una atmósfera inerte y en la catódica como componente del aire (ver Figura
1).
En primer lugar, en la cámara anódica tiene lugar la oxidación del ion acetato (C2H3O2-)
en presencia de agua durante la cual se liberan iones H+ y electrones y se produce CO2
[4]
𝐶2𝐻3𝑂2− + 2 𝐻2𝑂 → 2 𝐶𝑂2 + 7 𝐻+ + 8 𝑒− (6)
𝐶2𝐻4𝑂2 → 𝐶2𝐻3𝑂2− + 𝐻+ (7)
El ion acetato se forma por la oxidación del ácido acético (C2H4O2), proceso en el cual se
libera un protón H+ (Ecuación 2). Al ser el ácido la forma natural de encontrar el ion
acetato, es también común encontrar la reacción de oxidación de la cámara anódica escrita
como en la Ecuación 3, en la que el reactivo es directamente el ácido acético. De esta
forma se ve cómo en realidad el número de electrones liberados en la reacción coincide
con el número de protones, en este caso 8 en total por mol de reactante.
𝐶2𝐻4𝑂2 + 2 𝐻2𝑂 → 2 𝐶𝑂2 + 8 𝐻+ + 8 𝑒− (8)
El potencial electromotriz teórico de la oxidación del acetato en el ánodo de la ecuación
(11) puede calcularse utilizando la ecuación (5), asumiendo que las actividades de las
3. 6 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
especies en estado líquido son igual a sus concentraciones y las de las gaseosas a sus
presiones parciales:
𝐸𝑎𝑛 = 𝐸𝑎𝑛
0 −𝑅𝑇
8𝐹ln ([C2H3O2
−]/(𝑝𝐶𝑂2)2[H+]7) (9)
El ácido acético, a su vez, no se encuentra naturalmente en el agua residual sino que
proviene de ácido láctico presente en el medio y que es degradado por la bacteria. La
bacteria de una MFC depende del efluente de aguas del que se coge la muestra y no todas
son capaces de operar eficientemente en un dispositivo de este tipo.
La ausencia de oxígeno se consigue burbujeando nitrógeno puro en la cámara anódica [4]
creando así las condiciones anaeróbicas. Sólo se toma nitrógeno puro en los estudios de
laboratorio ya que éste no se encuentra puro en estado natural y requiere su purificación,
demasiado costosa en la práctica.
La reacción de la cámara catódica consiste en la reducción del oxígeno del aire que se
introduce burbujeado en agua, según la expresión (4). El oxígeno introducido en la cámara
anódica es suficiente como para mantener la solución en el cátodo saturada con aire
durante todo el proceso.
𝑂2 + 4𝑒− + 4𝐻+ → 2𝐻2𝑂 (10)
𝐸𝑐𝑎𝑡 = 𝐸𝑐𝑎𝑡
0 −𝑅𝑇
4𝐹ln (1/pO2[H+]4) (11)
El potencial teórico de la celda es entonces calculado como 𝐸𝑒𝑚𝑓 = 𝐸𝑐𝑎𝑡 − 𝐸𝑎𝑛 (V).
1.1.3. Generación de energía eléctrica
El desempeño eléctrico de una MFC se mide a partir de las mediciones de voltaje que se
realizan en la resistencia externa conectada entre el ánodo y el cátodo y los respectivos
cálculos que se derivan de ellas. Los parámetros que se analizan son la densidad de
potencia (Pa y Pv), la eficiencia de Coulomb (EC) y la resistencia interna (RI).
La potencia producida en una MFC se mide directamente con la diferencia de potencial
entre las dos cámaras (Ecell) y conociendo la resistencia del circuito eléctrico externo
(Rext). Se habla de densidad de potencia superficial (Pa) al referir este valor al área del
electrodo anódico (A, m2) y de densidad de potencia volumétrica (Pv) cuando se refiere
al volumen del sustrato en la cámara anódica (V, m3)
𝑃𝑎 =
𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙2
𝐴𝑅𝑒𝑥𝑡 [𝑊/𝑚2] (12)
𝑃𝑣 =
𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙2
𝑉𝑅𝑒𝑥𝑡 [𝑊/𝑚3] (13)
3. 7 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
La resistencia interna (Ri) es un parámetro muy importante para caracterizar todo
generador de corriente como lo es una MFC. Se puede obtener a partir del análisis de las
curvas de polarización que se derivan de las mediciones de voltaje en la resistencia
externa del circuito, como se recoge en estudios anteriores [5, 6]. De igual modo, la
resistencia interna es la diferencia externa medible y la resistencia total (Rt) que
correspondería al potencial máximo teórico en la celda (Emax).
𝑅𝑒𝑥𝑡 = 𝑅𝑡 − 𝑅𝑖 𝑅𝑡 =𝐸𝑚𝑎𝑥
𝐼 [Ω] (14)
𝑅𝑖 =
𝜂𝑎𝑐𝑡 + 𝜂𝑜ℎ𝑚 + 𝜂𝑐𝑜𝑛𝑐
𝐼= 𝑅𝑎𝑐𝑡 + 𝑅𝑜ℎ𝑚 + 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑐 (15)
En el estudio de Zhang y Liu, se define la resistencia interna en función de los
sobrepotenciales antes comentados (11 y 12) causados por los fenómenos de: perdidas de
activación de la resistencia interna (𝜂𝑎𝑐𝑡), pérdidas óhmicas (𝜂𝑜ℎ𝑚) y pérdidas de
concentración (𝜂𝑐𝑜𝑛𝑐).
La eficiencia de Coulomb (EC) es un parámetro que permite obtener la fracción de
energía eléctrica que se puede generar en la MFC a partir de un sustrato determinado. Su
medición es importante porque permite comparar diferentes celdas, y se define como la
relación entre la carga generada y la carga teórica presente en el sustrato de la cámara
anódica [7]:
𝐸𝐶 % = 100 ·
(∑ 𝑈𝑖𝑡𝑖𝑛𝑖 )
𝑅𝑒𝑥𝑡𝐹𝑏Δ𝑆𝑉𝑀 (16)
Donde Ui es el voltaje de la MFC en el tiempo ti, F es la constante de Faraday, b es el
número de electrones producidos por mol de demanda química de oxígeno (DQO) igual
a 8 mol de e-, ∆S es la concentración removida de DQO (g/L), V es el volumen del líquido
(L) y M el peso molecular del oxígeno (32g/mol).
La producción de energía eléctrica en las MFC va a ser distinta en cada caso porque
depende de muchos factores que se verán más adelante, aunque en líneas generales la
producción es baja, del orden de 300-600 mW por m2 de electrodo. Es por ello que las
aplicaciones de estos dispositivos son comúnmente asociadas a sistemas electrónicos de
bajo consumo [8].
1.1.4. Transporte de corriente
La continuidad de la corriente eléctrica en todo material conductor se define como:
∇ · 𝑖 = 0 (17)
3. 8 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
En una celda de combustible microbiana, los materiales conductores son los electrodos y
la membrana. La corriente se divide entonces en dos partes: la corriente iónica y la
corriente electrónica. Los protones viajan a través de la corriente iónica 𝑖𝑖 (membrana) y
los electrones con la electrónica 𝑖𝑒 (electrodos conectados). La ecuación de continuidad
de la corriente se convierte entonces en:
∇ · 𝑖 = ∇ · 𝑖𝑒 + ∇ · 𝑖𝑖 = 0 (18)
1.1.5. Cinética y transporte de especies en una MFC
En una celda de combustible microbiana real se dan tres procesos de transporte esenciales:
convección, difusión y conducción.
La convección es resultado de un gradiente de presiones dentro del dispositivo (𝑑𝑝
𝑑𝑥), en
el modelo ambas cámaras trabajan a presión ambiente y en ausencia de fuerzas de presión
externas (bombas), por lo que el gradiente de presiones será nulo y el fenómeno
convectivo despreciable. La difusión es resultado de un gradiente en las concentraciones
de las especies (𝑑𝐶𝑖
𝑑𝑥), y está relacionada al coeficiente de difusión D característico de cada
par de especies. Por último, la conducción viene dada por un gradiente de potencial (𝑑𝑉
𝑑𝑥)
y se relaciona con la conductividad eléctrica 𝜎 de cada material [9]. La conducción solo
se da entre especies cargadas.
Para describir el transporte de especies en las cámaras anódicas y catódicas se utiliza la
expresión de Maxwell-Stefan, que resuelve los flujos de especies en función de las
fracciones másicas:
𝜕
𝜕𝑡𝜌𝜔𝑖 + ∇ · [−𝜌𝜔𝑖 ∑ 𝐷𝑖𝑗{
𝑀
𝑀𝑗(∇𝜔𝑗
𝑁
𝑗=1
+ 𝜔𝑗
𝑀
𝑀𝑗
) +(𝑥𝑗 − 𝜔𝑗)𝑃
𝑃𝑗} + 𝜔𝑖𝜌𝑢]
= 𝑅𝑖
(19)
Donde 𝐷𝑖𝑗 es el coeficiente de difusión 𝑚2/𝑠; 𝑅𝑖 es la velocidad de reacción 𝑘𝑔/(𝑚3 ·
𝑠); x es la fracción molar; 𝜔 la fracción másica; 𝑀 la masa molecular 𝑔/𝑚𝑜𝑙. La densidad
de la mezcla 𝜌 es función de los componentes de mezcla, y distinta en ambas cámaras.
En la cámara anódica la densidad es aproximadamente la densidad del agua, mientras que
en la cámara catódica se calcula considerando la mezcla gaseosa como gas ideal:
𝜌 = (∑ 𝑥𝑖𝑀𝑖
𝑖
) 𝑃/𝑅𝑇 (20)
Donde R es la constante universal de los gases, 8.314 𝐽/𝑚𝑜𝑙 · 𝐾 y 𝑇 es la temperatura de
la celda en grados Kelvin 𝐾. El subíndice 𝑖 representa cada una de las especies de acetato
que se crean o se consumen en la cámara anódica y catódica. El cálculo de las fracciones
3. 9 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
másicas en el cátodo se resuelve para el oxígeno y el agua y en el ánodo para el acetato y
el dióxido de carbono. El resto se calcula del balance de masa:
𝜔𝑁2= 1 − 𝜔𝑂2
− 𝜔𝐻2𝑂
𝜔𝐻2𝑂 = 1 − 𝜔𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 − 𝜔𝐶𝑂2
(21)
Para describir el flujo de especies en cada una de las cámaras (no a través de la membrana)
se utiliza la Ley de Darcy, la cual define la velocidad de un fluido que pasa por un medio
poroso (u, en m2/s) como función de la permeabilidad del sólido (κ, en m2), la viscosidad
del fluído (µ, en Pa·s) y del gradiente del flujo de electrones entre la entrada y la salida:
𝑢 = −𝜅
𝜇∇𝑒 (22)
La ecuación de continuidad describe la suma de todas las especies involucradas en cada
cámara, donde Qm (kg/m3·s) corresponde al consumo y producción total de especies
durante las reacciones electroquímicas.
∇(𝜌𝑢) = 𝑄𝑚 (23)
2. Factores que afectan al funcionamiento de una
MFC
El principal reto de las celdas de combustible, como ya se dijo en apartados anteriores, es
mejorar la producción de potencia. Existen muchos factores que determinan el valor
máximo densidad de potencia que la MFC será capaz de producir, la mayoría de ellos
tienen que ver con la reacción de degradación de la materia orgánica presente en el agua
que lleva a cabo la bacteria, ya que este proceso es dominante en la cinética global del
dispositivo.
Fundamentalmente, la potencia producida depende de la velocidad de degradación de la
materia orgánica, la velocidad en la transferencia de electrones desde la bacteria al ánodo,
la difusión de los protones por el electrolito, la resistencia del circuito eléctrico, el
material del electrodo y las condiciones externas de operación [10].
2.1. Sustrato
El sustrato es uno de los elementos más importantes en las MFC ya que constituye el
combustible a partir del cual se genera la energía. En la literatura se emplean muy diversos
sustratos, desde compuestos puros hasta mezclas complejas [11, 12]. Los primeros años
de desarrollo se utilizaron sustratos simples como glucosa y acetato, mientras que los
estudios más recientes se centran en la utilización de sustratos menos convencionales con
3. 10 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
el fin de utilizar la biomasa presente en aguas residuales de diverso tipo y adicionalmente
depurarlas y generar energía.
Cuanto más puro es el sustrato, más simple es la degradación y por tanto mayor la
generación de energía [13]. Además a nivel experimental es más recomendable porque
facilita la evaluación de las condiciones operacionales de las MFC como son la eficiencia
culómbica, la resistencia interna y la densidad de potencia. Sin embargo, los sustratos
puros son más costosos que los sustratos complejos ya que estos últimos proceden de
desecho industrial o doméstico que se producen de forma abundante y son fáciles de
obtener, y por tanto económicos.
Otro factor a tener en cuenta en la elección del sustrato, aparte del costo, es la
concentración del mismo: cuanto mayor es la concentración del mismo en la solución
anódica mayor es la velocidad de reacción, lo que normalmente conduce a una mayor
producción de energía [14] excepto algunos casos ocasionales.
En el caso de MFC que tratan aguas residuales, la elección del sustrato depende de la
batería presente en el agua. En la tabla 1 se recogen una lista de las bacterias más comunes
en bibliografía y sus sustratos asociados.
Tabla 1 - Bacterias usadas en MFC y el sustrato que consumen [15]
Bacteria Sustrato Aplicación
Aeromonas hydrophila Acetato Mediator-less MFC
Geobacter metallireducens Acetato Mediator-less MFC
Geobacter sulfurreducens Acetato Mediator-less MFC
Rhodoferax ferrireducens Glucosa Mediator-less MFC
Shewanella oneidensis Lactato Mediator-less MFC
La bacteria más estudiada en la bibliografía es Schewanella oneidensis [16, 1] por las
ventajas operacionales de su uso en celdas de combustible microbianas. Esta bacteria
presenta un potencial extraordinario para utilizar el carbono del electrodo como aceptor
de electrones en ausencia de oxígeno y no necesita electrones mediadores para tal proceso
(es del tipo Mediator-Less). Es capaz de degradar el lactato del medio para crear acetato
y CO2, e incapaz de realizar la reacción inversa en condiciones anaeróbicas, lo que
simplifica mucho las reacciones bioquímicas del proceso.
3. 11 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
Ilustración 1 – La bacteria Shewanella oneidensis es capaz de digerir el lactato del medio en acetato tanto en
condiciones aeróbicas como anaeróbicas.
Este tipo de bacterias forman una biopelícula alrededor del electrodo en la que crecen y
realizan su actividad metabólica, lo que les permite reducir el grafito del electrodo sin
electrón mediador.
2.2. Condiciones de operación
En general, las celdas de combustible microbianas tienen la ventaja de poder operar
eficazmente en condiciones de temperatura, presión y pH normales. Para aguas residuales
normales con una DQO alrededor de 1700 mg/L [17], la temperatura suele ser inferior a
40ºC, a presión ambiente y el medio neutro con un pH alrededor de 7 [18].
Mantener el pH electrolítico en un valor neutro no es una tarea fácil en una MFC: la
acidificación de la cámara anódica (donde se producen protones) y la alcalinización de la
catódica (donde se consumen) produce gradientes de pH que dependen de la difusión de
los protones a través de la PEM. Si la transmisión es muy lenta, el pH de la cámara anódica
disminuye y por tanto la actividad bacteriana. Esto supone una disminución de protones
que llegan a la cámara catódica y el consecuente aumento del pH perjudicando la
generación de corriente en la MFC, concretamente en una pérdida de 59 mV por cada
cambio en una unidad de pH [14].
Puede decirse entonces que las condiciones de operación se fijan con el propósito de
garantizar la supervivencia de la bacteria que habita en el agua residual y su correcta
actividad metabólica. El tipo de bacteria es por tanto otro factor determinante a
considerar.
3. 12 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
2.3. Material y geometría de los electrodos
El material de los electrodos es determinante no sólo en la producción de potencia, pero
también en el precio final de la MFC, lo que influye directamente en el coste del
tratamiento de agua residual en el que se incluya. Es por tanto que normalmente se llega
a una situación de compromiso entre las ventajas operacionales y las limitaciones
económicas a la hora de decidir el material del electrodo.
Para el material del ánodo, hay que tener en cuenta que éste está en contacto directo con
la bacteria del agua residual, por lo que debe ser un material conductor, biocompatible y
químicamente estable. Puede utilizarse acero inoxidable, por su alta resistencia a la
corrosión, aunque generalmente son los materiales derivados del carbón los más
utilizados en los estudios de las MFC; éstos incluyen varillas, fieltros, escobillas y demás
tejidos de carbono y de grafito. Debido a su excelente conductividad eléctrica y a su
estabilidad química, las varillas de grafito son los electrodos más usados en aplicaciones
de celdas de combustible microbianas que trabajan con aguas residuales.
La elección del material del cátodo, en cambio, está influenciada por la presencia de
oxígeno en la cámara catódica. El gas actúa como aceptor de electrones por su alto
potencial de oxidación y presenta la ventaja de no formar productos contaminantes (sólo
forma agua). El problema de los cátodos de carbono es que presentan una reducción de
oxígeno muy lenta y normalmente requieren el uso de catalizadores para reducir la energía
de activación como el platino, en general muy caros. Es común dopar el cátodo con
recubrimiento de platino, con concentraciones entre 0.35 y 1.12 mg/cm2 [19].
No sólo es importante el material de los electrodos, pero también su posición relativa.
Estudios anteriores [20] demuestran cómo aumentando la distancia entre los electrodos
se puede aumentar la densidad de potencia por unidad de superficie de los mismos. Sin
embargo, también concluyen que la potencia volumétrica (por m3 de agua residual)
disminuye al separar los electrodos, por lo que es necesario optimizar la geometría de la
pila para alcanzar el máximo en la generación de electricidad.
2.4. Diseño de la estructura
La mayoría de diseños de celdas de combustible microbianas consisten en dos cámaras
diferenciadas y unidas por la membrana PEM que permite el paso de protones del ánodo
al cátodo para permitir al oxígeno formar agua, pero no el paso en sentido inverso.
La configuración en H es la más común para celdas de dos cámaras diferenciadas, en las
que la PEM se sitúa en el medio de un tubo que las conecta. La potencia producida en
estos sistemas depende del área relativa del cátodo respecto al ánodo y del área de paso
de la membrana [18] y está normalmente limitada por altas resistencias internas y pérdidas
en los electrodos.
3. 13 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
Ilustración 2 – Diseños de MFC utilizados en estudios. (A) Diseño simple utilizando un puente salino; (B) cuatro
MFC tipo reactor de mezcla perfecta separados por membrana sin tubo y atornilladas; (C) igual que en B pero de
tipo reactor continuo; (D) MFC de tipo heterótrofa; (E) celda unicámara donde el cátodo está en contacto directo
con el aire; (F) doble cámara y configuración en H
Una variante de la MFC de doble cámara se obtiene eliminando la cámara catódica y
exponiendo el cátodo directamente al aire, teniendo así un sistema más sencillo y de
menor costo [8]. También existen modelos que incluyen un separador en forma de una
capa de gas de difusión (GDL) que permite una difusión de oxígeno hacia la cámara
catódica [16].
Todos estos tipos de MFC que no disponen de membrana PEM son consecuentemente
más baratas pero tienen el inconveniente de presentar una más baja eficiencia de Coulomb
(ver apartado 1.1.3) [21].
3. Últimas tendencias de mejora en las MFC
La mayoría de los estudios en torno a las celdas de combustible microbianas se centran
en aumentar su densidad de potencia, cuyo bajo valor relativo representa el mayor
inconveniente de estos dispositivos.
Como ya se ha comentado, es común recubrir el cátodo con platino que actúa como
catalizador de la reacción catódica. Nuevos estudios demuestran que el uso de
ferrocianuro (C6FeN6) incrementa la potencia entre 1.5 y 1.8 veces más que las de
recubrimiento de platino, medido en una MFC de configuración en H y con membrana
Nafion [18, 22]. Esto se debe a que el ferrocianuro es un excelente aceptor de electrones
y proporciona al dispositivo una menor resistencia interna, aunque la necesidad de
regenerarlo químicamente lo hace más costoso e insostenible.
3. 14 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
En los últimos años se han desarrollado celdas de combustible microbianas de biocátodo
o de cátodo microbiano como recoge el estudio de Huang et al. (2011), en las que a
diferencia de los cátodos convencionales contienen microorganismos que actúan como
biocatalizadores para aceptar electrones a partir del cátodo. Esta tecnología permite así
sustituir los catalizadores químicos como el platino que se usan en las MFC para
incentivar la reacción catódica y que normalmente son muy costosos.
Los biocátodos son comúnmente de dos tipos: aeróbicos, que usan oxígeno como
oxidante y microorganismos que oxidan los metales del cátodo tales como Mn (II) y Fe
(II) [14]; y los anaeróbicos que usan otros compuestos como aceptor de electrones en
lugar de oxígeno, como nitratos, sulfatos y demás. La ventaja de los biocátodos sobre los
cátodos de platino es que son más baratos, tienen una gran capacidad autoregenerativa y
contribuyen a disminuir los altos potenciales catódicos [23].
3. 15 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
References
[1] A. Torrents, N. Godino, F. del Campo, M. FX y J. Mas, «Influence of pH and
Carbonate Buffering on the Performance of a,» Universitat Autònoma de
Barcelona, Spain, 2010.
[2] D. Singh, D. Pratap, Y. Baranwal, B. Kumar y R. Chaudhary, «Microbial fuel cells:
A green technology for power generation,» Scholars Research Library, vol. 1, nº 3,
pp. 128-138, 2010.
[3] O. Schaetzle, F. Barrière y U. Schröderb, «An improved microbial fuel cell with
laccase as the oxygen reduction catalyst,» Energy Environmental Science, vol. 2,
pp. 96-99, 2009.
[4] E. Dalak, «Evaluation of Unified Numerical and Experimental Methods for
Improving Microbial Electrochemical Technologies (MXCs),» University of
Toulouse III - Paul Sabatier Processes Engineering - Specialization of
Electrochemical Processes, pp. 35-66, 2012.
[5] B. A. Hoyos, A. I. Restrepo y C. M. Mesa, «Ánodos de PtRu y PtIr para celdas de
combustible alimentadas con metano y propano directo,» Información tecnológica,
vol. 18, nº 4, pp. 41-46, 2007.
[6] P.-Y. Zhang y Z.-L. Liu, «Experimental study of the microbial fuel cell internal
resistance,» Journal of Power Sources, vol. 195, nº 24, pp. 8013-8018, 2010.
[7] Y. Luo, R. Zhang, G. Liu, J. Li, M. Li y C. Zhang, «Electricity generation from
indole and microbial community analysis in the microbial fuel cell,» Journal of
Hazardous materials , vol. 176, nº 1-3, pp. 759-764, 2010.
[8] Z. Du, H. Li y T. Gu, «A state of the art review on microbial fuel cells: A promising
technology for wastewater treatment and bioenergy,» Biotechnology advances, vol.
25, pp. 464-482, 2007.
[9] M. A. Calder, «Modeling of a Microbial Fuel Cell,» Norwegian University of
Science and Technology, Department of Engineering and Process Engineering,
2007.
[10] H. Liu, S. Cheng y B. Logan, «Power generation in fed-batch microbial fuel cells
as a function of ionic strength, temperature, and reactor configuration,»
Environmental Science and Technology, vol. 39, nº 14, pp. 5488-5493, 2005.
[11] Z. Liu, J. Liu, S. Zhang y S. Su, «Study of operational performance and electrical
response on mediator-less microbial fuel cells fed with carbon- and protein-rich
substrates,» Biochemical Engineering Journal, vol. 45, nº 3, pp. 185-191, 2009.
3. 16 Capítulo 3 – Las Celdas de Combustible Microbianas (MFC)
[12] J. Cha, S. Choi, H. Yu, H. Kim y C. Kim, «Directly applicable microbial fuel cells
in aeration tank for wastewater,» Bioelectrochemistry Journal, vol. 78, nº 1, pp. 72-
79, 2010.
[13] D. Pant, G. Van Bogaert, L. Diels y K. Vanbroekhoven, «A review of the substrates
used in microbial fuel cells (MFCs) for sustainable energy production,» Biosource
Technology, vol. 101, nº 6, pp. 1533-1543, 2010.
[14] D. M. Revelo, N. M. Hurtado y J. O. Ruiz, «Celdas de Combustible Microbianas
(CCM): Un reto para la remoción de materia orgánica y la generación de energía
eléctrica,» Información tecnológica, vol. 24, nº 6, 2013.
[15] A. de Juan, «Technical evaluation of the Microbial Fuel Cell Technology in
wastewater applications,» Cork Institute of Technology, 2014.
[16] H. Liu y B. Logan, «Electricity generation using an air-cathode single chamber
microbial fuel cell in the presence and abscence of a proton exchange membrane,»
Environmental Sci. Technlogy, vol. 38, p. 4040, 2004.
[17] B. Him, I. Chang, G. Gil, H. Park y H. Kim, «Novel BOD (biological oxygen
demand) sensor using mediator-less microbial fuel cell,» Biotechnology Letters,
vol. 25, nº 7, pp. 541-545, 2003.
[18] B. Logan, B. Hamelers, K. Rabaey, R. Rozendal, U. Schroder, J. Keller, S. Freguia,
P. Aelterman y W. Verstraete, «Microbial fuel cells: methodology and technology,»
Environmental Sci. Technology, vol. 40, nº 17, pp. 5181-5192, 2006.
[19] M. Zhou, M. Chi, J. Luo, H. He y T. Jin, «An overview of electrode materials in
microbial fuel cells,» Journal of Power Sources, vol. 196, nº 10, p. 4427–4435,
2011.
[20] G. Bruitón y J. Pérez, «Producción de electricidad en celdas de combustible
microbianas utilizando agua residual: Efecto de la distancia entre los electrodos,»
Tip Revista especializada en Ciencias Químico-Biológicas, pp. 145-211, 2011.
[21] Y. Fan, H. Hu y L. Hong, «Enhanced Coulombic efficiency and power density of
air-cathode microbial fuel cells with an improved cell configuration,» Journal of
Power Sources, vol. 171, nº 2, pp. 348-354, 2007.
[22] A. J. Bard, R. Parsons y J. Jordan, «Standard Potentials in Aqueous Solution,» CRC
Press, 1985.
[23] M. Delgado Díaz, «Celdas de combustible microbianas con biocátodo,» CICY,
Proyectos de Posgrado, 2010.
Capítulo 4
Modelado y simulación de una MFC en
COMSOL Multiphysics
4. 2 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Capítulo 4
1 Modelado y simulación de una MFC en COMSOL Multiphysics ............................ 3
1.1 Revisión bibliográfica de modelos de MFC ...................................................... 3
1.2 Elección de la MFC experimental sujeta a estudio ............................................ 4
1.3 Modelado en COMSOL ..................................................................................... 5
1.3.1 Elección de las interfaces físicas ................................................................ 6
1.3.2 Geometría ................................................................................................... 6
1.3.3 Definiciones ................................................................................................ 8
1.3.4 Materiales ................................................................................................. 10
1.4 Hipótesis y simplificaciones ............................................................................ 11
2 Resultados de la simulación de la MFC .................................................................. 12
2.1 Densidad de corriente en el ánodo ................................................................... 12
2.2 Potencial en la membrana PEM y densidad de potencia generada .................. 13
2.3 Validación de los resultados ............................................................................ 14
2.4 Otros resultados ............................................................................................... 15
Referencias ..................................................................................................................... 18
4. 3 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
1 Modelado y simulación de una MFC en COMSOL
Multiphysics
Todo modelo matemático y físico se basa en una referencia real a imitar y que sirve como
referencia para probar los estudios y comprobar los resultados de la simulación de los
mismos. Los programas de simulación de fluidos y de procesos físicos como es COMSOL
Multiphysics son las herramientas idóneas para crear y estudiar un modelo de una celda
de combustible microbiana.
A continuación se exponen otros ejemplos de modelos de celdas de combustible
microbianas encontrados en literatura y se presenta el modelo físico a imitar en este
estudio y las simplificaciones asumidas para su simulación.
1.1 Revisión bibliográfica de modelos de MFC
En literatura son diversos los diseños de celdas que pueden encontrarse. La típica MFC
consta de una cámara anódica y otra catódica separadas por una membrana de intercambio
protónico. Las cámaras de un solo compartimento eliminan la necesidad de la cámara
catódica porque exponen el cátodo directamente al aire, mientras que las de dos cámaras
pueden funcionar tanto con un flujo continuo de agua residual como con una carga
constante de entrada.
Las MFC de dos compartimentos utilizan generalmente una membrana PEM que conecta
las cámaras y permite el paso de protones hacia el cátodo pero bloquea el reflujo de
oxígeno hacia el ánodo, aunque también pueden estar conectadas mediante un puente
salino. Los compartimentos pueden adoptar numerosas formas, los ejemplos más
comunes se muestran en la Figura 1. La mini-MFC de la Figura 1(C) aparece en el estudio
de (Ringeisen, et al., 2006) y presenta una mayor densidad de potencia volumétrica,
mientras que las de la Figura 1(D y E) están especialmente diseñadas para tratamiento de
aguas y presentan una menor densidad de potencia (He, et al., 2005; He, et al., 2006). El
diseño de Figura 1(E) presenta una muy baja resistencia interna de 4 Ω por tener una gran
superficie de contacto en la membrana PEM.
Las MFC de un solo compartimento tienen diseños más simples y por tanto menores
costes. Normalmente constan sólo de una cámara anódica; el cátodo va unido a la misma
y se encuentra en contacto directo con el aire o veces a través de una capa de difusión de
gas (GDL) que facilita la difusión del oxígeno en el cátodo. En la Figura 2 se muestran
prototipos en los que el cátodo está expuesto directamente al aire, sacados de diferentes
estudios (Liu & Logan, 2004; Park & Zeikus, 2000).
4. 4 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Figura 1 – Esquemas de MFC de dos
compartimentos. De geometría cilíndrica (A),
geometría rectangular (B), celda en miniatura con
diámetro de 2 cm (C), con flujo ascendente y
forma cilíndrica (D), y de geometría cilíndrica
pero con la cámara catódica en forma de U (E).
(Du, et al., 2007)
Figura 2 – Esquemas de MFC de
un solo compartimento. El
cátodo suele estar directamente
expuesto al aire, lo que simplifica
el diseño. (Du, et al., 2007)
1.2 Elección de la MFC experimental sujeta a estudio
La celda de combustible sujeta a estudio es una MFC del tipo Mediator-less y con dos
cámaras diferenciadas, la anódica y la catódica. La cámara anódica contiene el electrodo
negativo (ánodo) y la cámara catódica contiene el positivo (cátodo), ambas están unidas
por una membrana PEM que las conecta.
Las dos cámaras consisten en una botella de vidrio de la marca SCHOTT DURAN
(Alemania) con un volumen interior aproximado de 250 mL (Figura 3Error! Reference
source not found.). En la cámara negativa se encuentra el ánodo, que se escoge de grafito
por ser más barato y fácil de modelar en placas o barras. En este estudio se utilizará un
electrodo de fieltro de grafito (Graphite felt) de Electrosynthesis Company (Lancaster,
NY), inmerso en la cámara anódica.
4. 5 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Figura 3 - Modelo físico de una Microbial Fuel Cell a imitar. En él pueden distinguirse
las cámaras anódica y catódica, además del cilindro que las conecta que contiene la
membrana PEM (Pennsylvania State University, s.f.)
Por simplicidad, el cátodo será también de grafito y del mismo modelo que el ánodo,
aunque se plantea la posibilidad de aplicar un recubrimiento de platino como agente
catalizador.
Ambas cámaras están unidas por un cilindro soldado que sale desde el interior de la
cámara anódica para llegar a la catódica y que contiene la membrana de intercambio
protónico (PEM). Son membranas de polímero sólido, que operan a temperaturas
relativamente bajas y tienen una alta capacidad de respuesta. Las más usadas son las de
la marca Nafion® por ser las más experimentadas y por tanto fiables, aunque presentan
inconvenientes como un alto coste y filtraciones de oxígeno desde el ánodo al cátodo,
entre otros (Leong, et al., 2013). Otro tipo de membranas utilizadas es la Ultrex CMI -
700 que tiene una mejor relación coste-eficiencia teórica. Para este estudio se escoge la
Nafion-117, que tiene un grosor de 𝑑𝑀 = 0.183 𝑚𝑚 y un peso específico de 𝑚𝑀 =
360𝑔/𝑚2. (Dupont Fuel Cells, 2009).
1.3 Modelado en COMSOL
COMSOL Multiphysics, antes conocido como FEMLAB, es un software de análisis y
resolución por elementos finitos para resolver ecuaciones diferenciales parciales de
aplicaciones físicas y de ingeniería, especialmente fenómenos acoplados o multifísicos.
Fue iniciado con base en unos códigos desarrollados por varios estudiantes de la
Universidad Tecnológica Real (KTH) de Estocolmo, Suecia. Tiene numerosos módulos
de aplicación específicos.
A continuación se describe el procedimiento utilizado para modelar la celda de
combustible microbiana presentada en los apartados anteriores con COMSOL
Multiphysics. La sección incluye el flujo de trabajo y los detalles de cada etapa del
modelado.
4. 6 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
1.3.1 Elección de las interfaces físicas
Al ejecutar COMSOL, la función Model Wizard se abre por defecto para seleccionar los
elementos básicos del modelo tales como la dimensión espacial (en este caso es un
modelo 3D) y la física del modelo. Es aquí también donde se escoge la interfaz de la
distribución de corriente (primaria, secundaria o terciaria).
Se seleccionan de entre la librería de procesos físicos: Secondary Current Distribution,
Darcy’s Law, y dos interfaces para el transporte de especies concentradas, una para la
cámara anódica (Acetato C3H6O3 y agua H2O) y otra para la catódica (Agua H2O, oxígeno
O2 y nitrógeno N2).
La interfaz de la Secondary Current Distribution modela corrientes electroquímicas
considerando los potenciales eléctrico 𝜙𝑠 (V) e iónico 𝜙𝑙 (V). Las corrientes en los
electrodos van a depender de estos potenciales y también de las concentraciones de
especies locales en cada cámara (ver sobrepotenciales en apartado 3.1.2).
La interfaz de la Ley de Darcy modela flujos a través de un medio poroso, en este caso
de electrones que traspasan a través de la membrana PEM de la cámara anódica a la
cámara catódica.
1.3.2 Geometría
En esta sección se construye la geometría del modelo como una unión entre varios entes
geométricos. Cada bloque es creado con ciertas dimensiones y ocupando una cierta
posición en el espacio, definido por un eje de coordenadas XYZ.
El primer y original diseño de la MFC (más parecido a la celda experimental expuesta en
el apartado 1.2) puede verse en la Figura 4. Ésta consta de dos compartimentos cúbicos
con el ánodo y el cátodo de igual volumen (250 ml) y dimensiones 5 x 5 x 10 cm. Los
electrodos son dos piezas idénticas de 0.3 x 1.5 x 3 cm de separados una distancia 𝑑𝑐𝑒𝑙𝑙 y
situadas en el centro de cada compartimento.
Sin embargo, este diseño presentaba complicaciones a la hora de simular la producción
de electricidad de la MFC por presentar una geometría más compleja en tres dimensiones
y grandes pérdidas que no podían ser ignoradas. Es por ello que se busca un segundo
diseño de la MFC en 2D.
4. 7 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Figura 4 – Primer diseño de la MFC. Los bloques cúbicos son los compartimentos
anódicos (izquierda) y catódicos (derecha), que contienen los electrodos y que están
unidos por el cilindro que contiene la membrana PEM.
El segundo y definitivo diseño de la MFC puede verse en la Figura 5. El diseño se
simplifica a dos dimensiones para facilitar la simulación y obviar el estudio de partes no
relevantes. Ahora el estudio sólo se centra en el cilindro que unía las dos cámaras
independientes del diseño inicial, en el que la membrana PEM se sitúa en el medio del
cilindro y la diferencia de potencial se aplica a ambos lados de la membrana.
Se supone una membrana PEM en forma de disco y en el centro del cilindro, con un
diámetro de 𝑑𝑀 = 1.5 𝑐𝑚, que da un área específica de 𝐴𝑀 = 1.76 𝑐𝑚2. Se puede así
crear un cilindro que une los compartimentos del ánodo y del cátodo y que contendrá la
PEM.
Se definen los dominios de actuación de la siguiente forma: 1 Anode Chamber; 2 Cathode
chamber; 3 Membrana PEM; 4 Anode; 5 Cathode.
4. 8 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Figura 5 – Diseño definitivo de la MFC. El modelo se simplifica a 2D y sólo se modela
el cilindro que uniría las dos cámaras independientes en el diseño original.
1.3.3 Definiciones
Se definen los parámetros sobre la puesta en marcha y operación de la celda de
combustible microbiana, y todas las constantes necesarias en la siguiente tabla.
Simplificación
4. 9 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Tabla 1 – Parámetros elegidos y constantes requeridas para el modelado en COMSOL.
kappa_s 1000 [S/m] Conductivity, solid phase
kappa_m 9 [S/m] Conductivity, membrane
V_cell 0.7 [V] Cell voltage
T 353 [K] Temperature
kappa_p 1e-13 [m^2] GDL permeability
eta 2.1e-5 [Pa*s] Fluid viscosity
p_ref 1 [atm] Reference pressure
p_a_in 1.1*p_ref [atm] Anode inlet pressure
p_c_in 1.1*p_ref [atm] Cathode inlet pressure
drag 3 Proton-Water drag coefficeint through membrane
E_eq_a 0 [V] Equillibrium potential, anode
E_eq_c 1 [V] Equillibrium potential, cathode
i0_a 1e5 [A/m^2] Exhange current density, anode
i0_c 1[A/m^2] Exchange current density, cathode
S 1e7[m^2/m^3] Specific surface area
R_agg 0.1[um] Aggregate radius
eps_mic 0,2 Microscopic porosity inside agglomerates
eps_mac 0,4 Macroscopic porosity between agglomerates
width 1.5e-3[m] Width cylinder
height 4e-3[m] Height cylinder
c_AC 1.18[g/l] Acetate concentration in the anode chamber
wAC_in 1.18e-3 Inlet weight fraction Acetate
wO2_in 0.21*0.8 Inlet weight fraction O2
wH2Oc_in
0,2 Cathode inlet weight fraction, H2O
MAC 59[g/mol] Molar mass, Acetate
MO2 32[g/mol] Molar mass, O2
MH2O 18[g/mol] Molar mass, H2O
MN2 28[g/mol] Molar mass, N2
KO2 3.2e4[Pa*m^3/mol]
Henry's law constant, O2 in agglomerate
l_act 10 [um] Active layer thickness
d_m 0.183e-3[m] Thickness membrane
La solución anódica se asume como agua y acetato en concentración de 20 mol/m3, lo
cual en términos másicos equivale a 1180g/m3 o 1.18g/L.
Una vez fijados los parámetros, es necesario definir las variables en función de los
mismos y para cada interfaz de la geometría de la MFC. En la cámara anódica se definen
la densidad de la mezcla en función de las concentraciones considerando gas ideal (ρmix),
el potencial eléctrico (E), la fracción molar del lactato (xlac) y las fracciones másicas del
4. 10 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
agua y del reactante (wH2O y wLAC). Las mismas variables son definidas en la cámara
catódica pero referidas a las especies presentes en la misma. La membrana sólo tiene
como variable el potencial eléctrico (E).
Tabla 2 – Otras definiciones usadas en el modelo
D_agg 1.2e-10[m^2/s]*((1-eps_mac)*eps_mic)^1.5 Effective diffusion coefficient inside agglomerates
D_effAC_H2O
0.915e-4[m^2/s]*(T/307.1[K])^1.5*(eps_mac)^1.5 Effective binary diffusivity, LAC_H2O
D_effO2_N2
0.22e-4[m^2/s]*(T/293.2[K])^1.5*(eps_mac)^1.5 Effective binary diffusivity, O2_N2
D_effH2O_N2
0.256e -4[m^2/s]*(T/307.5[K])^1.5*(eps_mac)^1.5 Effective binary diffusivity, H2O_N2
D_effO2_H2O
0.282e-4[m^2/s]*(T/308.1[K])^1.5*(eps_mac)^1.5 Effective binary diffusivity, O2_H2O
xAC_in (wAC_in/MAC)/(wAC_in/MAC+(1-wAC_in)/MH2O) Inlet molar fraction, Acetate
cH2_ref xH2_in*p_ref/KH2 Reference concentration, H2
cO2_ref xO2_in*p_ref/KO2
xO2_in (wO2_in/MO2)/(wO2_in/MO2+wH2Oc_in/MH2O+(1-wO2_in-wH2Oc_in)/MN2)
Inlet molar fraction, O2
K -6*l_act*(1-eps_mac)*F_const*D_agg/R_agg^2 Agglomerate current density subexpression
1.3.4 Materiales
Una vez definida la geometría y los parámetros, es necesario definir el material de cada
dominio del modelo. COMSOL dispone de una vasta biblioteca de materiales ya
definidos y a disposición del usuario, que pueden seleccionarse de la lista para después
ser atribuidos a cada elemento del modelo.
Se asume para el modelo inicial que tanto el electrodo negativo como el positivo son de
fieltro de grafito (Graphite felt). En la literatura se plantea utilizar un cátodo de la misma
geometría y composición que el ánodo pero cubierto de una capa de platino que actuaría
como catalizador en la reacción de oxidación del oxígeno de la cámara catódica. La
concentración de platino en la superficie del cátodo sería de 0.3 𝑚𝑔/𝑐𝑚2 (Zeng, et al.,
2010).
Tabla 3 - Propiedades físicas y químicas del grafito más importantes para el modelo
(Entegris, INC, 2013)
Propiedades del grafito
Conductividad eléctrica 𝜎 = 7.41 𝑆/𝑚
Conductividad térmica 𝑘 = 96 𝑊/𝑚 ∙ 𝐾
Densidad 𝜌 = 1.83 𝑔/𝑐𝑚2
Porosidad 0.96
Coeficiente de difusividad 𝐷 = 0.11𝑐𝑚2/𝑠
4. 11 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
El coeficiente de difusividad no es único para cada especie, sino que depende del par de
especies que están en contacto. Para calcular el coeficiente del par agua-grafito se toma
la expresión de la agencia de protección medioambiental (US EPA) para calcular la
difusividad de las especies químicas en el agua.
𝐷𝑤,𝑖 =
22𝑥10−5
(𝑀𝑊𝑖)23
= 0.11 𝑐𝑚2/𝑠 (1)
Siendo 𝑀𝑊𝑖 la potencia intercambiada en el electrodo de grafito, a cual se define a partir
de la conductividad eléctrica, el espesor del electrodo y la temperatura del dispositivo:
𝑀𝑊𝑖 = 𝑘 [
𝑊
𝑚𝐾] ∙ 303𝐾 ∙ 0.003[𝑚, 𝑡ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠] ∙ 106 = 8.73 ∙ 10−5 𝑀𝑊 (2)
Por simplicidad, se toma como electrolito agua pura, seleccionándola de la biblioteca de
materiales y asociándola a los dominios 1,3 y 4 (las dos cámaras y la membrana que las
une).
1.4 Hipótesis y simplificaciones
A continuación se recogen detalladamente todas las hipótesis asumidas a lo largo del
apartado anterior a la hora de modelar la celda de combustible microbiana en COMSOL.
- Diseño en 2D y un orden de magnitud inferior al diseño real (en mm en lugar de
cm)
- Se asume que la cinética de la reacción anódica es dominante, es la actividad
bacteriana el factor limitante en la celda de combustible. Gracias a esto, la
atención del estudio se centra más en el compartimento anódico.
- Se asume que tanto el área superficial de la membrana como área del electrodo es
proporcional al producto de la MFC: duplicar el área supone duplicar el efecto
eléctrico.
- Se suponen las celdas como reactores de mezcla perfecta (Batch Reactor), donde
se harían repetidos ciclos para reemplazar el sustrato en intervalos de tiempo
determinados. Idealmente, la MFC trabajaría con un flujo constante.
- La concentración de acetato en la cámara anódica se supone constante e igual a
20 mol/m3. La solución contiene sólo agua y acetato.
- La densidad de la mezcla en la cámara anódica se supone igual al electrolito, el
cual es agua ρ=1000kg/ m3.
- Se asume que la MFC trabajando en condiciones estacionarias tiene los mismos
valores de corriente, voltaje y potencia que los máximos valores resultantes de
considerar el modo reactor de mezcla perfecta.
4. 12 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
- No existe gradiente de presión en el proceso: ambos compartimentos a presión
ambiente, la pequeña escala de la pila de combustible permite despreciar
variaciones de altura y no constan otras fuerzas fluidomecánicas externas
(bombas, por ejemplo). Por tanto se deprecia el fenómeno convectivo de
transporte de materia.
- Steady state: todas las partes de las ecuaciones que dependen del parámetro
tiempo son despreciadas.
- Flujo laminar en las celdas individuales
- Se asume el circuito que conecta el ánodo y el cátodo en cortocircuito (Resistencia
externa=0).
- No se considera el N2 burbujeado en la cámara anódica de la celda real, y se asume
agua pura como el electrolito del dispositivo.
2 Resultados de la simulación de la MFC
Aquí se recogen los resultados de la simulación. Son tres las variables a estudio: la
densidad de corriente en el ánodo, la diferencia de potencial electrostático a ambos lados
de la membrana PEM y la densidad de potencia superficial.
2.1 Densidad de corriente en el ánodo
La densidad de corriente 𝑖𝑎[𝐴/𝑚2] se definió ya en el Capítulo 3 como la corriente
eléctrica que circula en la celda de combustible microbiana por unidad de área del
electrodo, en este caso, anódico.
La Figura 6 muestra la evolución de dicho parámetro a lo largo de la longitud del electrodo
(coordenada y). El centro del electrodo está definido para 𝑦 = 0 por lo que barriendo un
rango de 𝑦 = (−7.5, 7.5) 𝑚𝑚 se alcanzan los 15 mm de altura total del electrodo. Puede
notarse que la densidad toma un valor máximo de 1761 𝐴/𝑚2 en la parte más alta del
electrodo ya que éste es el punto más cercano a la entrada de aire en la MFC en el caso
real. El valor mínimo toma 1695 A/m2.
4. 13 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Figura 6 – Densidad de corriente ia(A/m2) en el ánodo de la MFC. El valor máximo es
de 176 mA/cm2
Para tener un valor más representativo acorde con las dimensiones de la celda, a
continuación se expresa el valor de la densidad de corriente con otras unidades más
adecuadas:
𝑖𝑎 = 176
𝑚𝐴
𝑐𝑚2 (3)
Al ser la superficie transversal del ánodo igual a la de la membrana en el diseño, 𝐴𝑎 =
1.767 𝑐𝑚2 y puede concretarse la corriente que circula a través del electrodo como 𝑖𝑎 =
311 𝑚𝐴.
Corriente total que circula por el electrodo: 𝑖𝑎 = 0.311 𝐴
2.2 Potencial en la membrana PEM y densidad de potencia
generada
El potencial en la membrana, la cual hace el papel de electrolito conectando el ánodo y el
cátodo en el modelo descrito, presenta un potencial electrostático que varía desde un valor
negativo (en la zona cercana al ánodo) hasta un valor mayor (en las proximidades al
cátodo). Ambos valores extremos se expresan a continuación:
𝐸𝑐á𝑡𝑜𝑑𝑜 = −3.4 𝑚𝑉
𝐸á𝑛𝑜𝑑𝑜 = −40 𝑚𝑉 (4)
4. 14 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Figura 7 – Potencial electrostático en el interior de la membrana PEM. Como era de
esperar, el potencial aumenta desde el valor mínimo del ánodo hasta un valor superior
en las proximidades del cátodo.
La diferencia de potencial es por tanto 36.6 mV, un valor del orden de celdas de
combustible microbianas trabajando como reactor de mezcla perfecta encontradas en
literatura.
Potencial electrostático: 𝐸 = 36.6 𝑚𝑉
La densidad de potencia superficial puede computarse siguiendo los cálculos explicados
en la parte teórica de las MFC. En función de la superficie del electrodo la cual es 𝐴𝑎 =
1.767 𝑐𝑚2, toma un valor de:
Densidad de potencia superficial: 𝑃𝑎 = 645.2 𝑚𝑊/𝑚2
2.3 Validación de los resultados
Para comprobar que estos números están dentro del rango de otros experimentos de celdas
de combustible microbianas se enumera a continuación otros resultados encontrados en
literatura.
4. 15 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Tabla 4 – Comparación entre los resultados de experimentos encontrados en literatura.
Aquellos cuyas celdas funcionan como reactores continuos producen una densidad de
potencia considerablemente mayor.
Características de la MFC
Bacteria Sustrato Reactor 𝑷𝒂 (𝒎𝑾/𝒎𝟐 ) Referencia
Bicámara con electrón
mediador, de flujo
ascendente
Mezcla de bacterias
Glucosa Discontinuo 170 (He, et al.,
2005)
Unicámara con
membrana PEM
Shewanella Oneidensis
Acetato Discontinuo 506 (Liu, et al.,
2005)
Bicámara con puente salino
en lugar de membrana
PEM
Lodo anaeróbico
Acetato Discontinuo 236 (Mohan, et al., 2008)
Bicámara, con electrón
mediador
Shewanella Oneidensis
Acetato Discontinuo 1500
(Pennsylvania State
University, s.f.)
Bicámara Membrana Nafion 117
Geobacter Sulfurreducens
KN400 Acetato Continuo 3900
(Liang, et al., 2009)
Unicámara Nafion 115
Lodo de digestor
anaeróbico
Glucosa y
acetato Continuo 3650
(Borole, et al., 2009)
En comparación con otros experimentos similares, el valor de 644 𝑚𝑊/𝑚2 obtenido en
el presente estudio se encuentra dentro del rango de las celdas de reactor discontinuo por
lo que se considera como válido. Hay que comentar que en el modelo simplificado los
sobrepotenciales no han sido tenidos en cuenta a la hora de calcular la densidad de
potencia. Éstos afectan directamente a la resistencia interna de la celda y provoca una
caída considerable en el potencial y por tanto en la potencia eléctrica generada.
2.4 Otros resultados
Otro resultado obtenido en el modelo interesante de comentar es la distribución de
presiones en la MFC. Como hipótesis, se asumió que la presión en la celda era constante
e igual a la atmosférica. En la Figura 8 puede verse como la presión toma valores entre
(1.04 − 1.1105Pa) cercanos a la presión atmosférica (1 atm ó 101325 Pa).
4. 16 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Figura 8 – Distribución de presión en las cámaras anódicas y catódicas. Puede
comprobarse como la presión permanece cercana a la presión atmosférica, alrededor
de 101325 Pascales.
A continuación se inclyen el resto de gráficas creadas con el programa que, aunque no
son necesarios a la hora de calcular el valor de la potencia generada, forman prte de la
simulación. Son respectivamente las fracciones másicas en la celda anodica y catódica,
de acetato y de oxígeno.
Figura 9 – Fracciones másicas en la cámara anódica
4. 17 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Figura 10 – Fracciones másicas en la cámara catódica
4. 18 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Referencias
Bruitón, G. & Pérez, J., 2011. Producción de electricidad en celdas de combustible
microbianas utilizando agua residual: Efecto de la distancia entre los electrodos. Tip
Revista especializada en Ciencias Químico-Biológicas, pp. 145-211.
Calder, M. A., 2007. Modeling of a Microbial Fuel Cell. Norwegian University of Science
and Technology, Department of Engineering and Process Engineering.
Dalak, E., 2012. Evaluation of Unified Numerical and Experimental Methods for
Improving Microbial Electrochemical Technologies (MXCs). University of Toulouse III
- Paul Sabatier Processes Engineering - Specialization of Electrochemical Processes, pp.
35-66.
Dupont Fuel Cells, 2009. DuPont™ Nafion® PFSA Membranes. [En línea].
Du, Z., Li, H. & Gu, T., 2007. A state of the art review on microbial fuel cells: A
promising technology for wastewater treatment and biotechnology. Biotechnology
Advances, pp. 464-482.
Entegris, INC, 2013. Properties and characteristics of graphite, s.l.: s.n.
He, Z., Minteer, S. & Angenent, L., 2005. Electricity generation from artificial
wastewater using an upflow microbial fuel cell. Environmental Science and Technology,
pp. 5262-5267.
He, Z., Wagner, N., Minteer, S. & Angenent, L., 2006. An upflow microbial fuel cell with
an interior cathode: assessment of the internal resistance by impedance spectroscopy.
Environmental Science Technology, Volumen 40, pp. 5212-5217.
Leong, J. X. et al., 2013. Ion exchange membranes as separators in microbial fuel cells
for bioenergy conversion: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy
Reviews, Volume 28, pp. 575-587.
Liu, H., Cheng, S. & Logan, B., 2005. Power generation in fed-batch microbial fuel cells
as a function of ionic strength, temperature, and reactor configuration. Environmental
Science and Technology, 39(14), pp. 5488-5493.
Liu, H., Cheng, S. & Logan, B. E., 2005. Production of Electricity using Acetate or
Butyrate Using a Single-Chamber Microbial Fuel Cell. Environmental Science
Technology, Volume 39, pp. 658-662.
Liu, H. & Logan, B., 2004. Electricity generation using an air-cathode single chamber
microbial fuel cell in the presence and abscence of a proton exchange membrane.
Environmental Sci. Technlogy, Volume 38, p. 4040.
Mohan, Y., Manoj Muthu Kumar, S. & Das, D., 2008. Electricity generation using
microbial fuel cells. International Journey of Hydrogen Energy.
4. 19 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Park, D. & Zeikus, J., 2000. Electricity generation in microbial fuel cells using neutral
red as an electronophore. Applied Environmental Microbiology, pp. 1292-1297.
Pennsylvania State University, s.f. Pennsylvania State University. [En línea]
Available at: http://www.engr.psu.edu/
Picioreanu, C., Head, I. M., Katurib, K. P. & Van Loosdrechta, M. C., 2007. A
computational model for biofilm-based microbial. Water Research, Volumen 41, pp.
2921-2940.
Picioreanu, C., van Loosdrecht, M. C., Curtis, T. P. & Scott, K., 2010. Model based
evaluation of the effect of pH and electrode geometry on microbial fuel.
Bioelectrochemistry, Volumen 78, pp. 8-24.
Ringeisen, B. y otros, 2006. High power density from a miniature microbial fuel cell using
Shewanella oneidensis DSP10. Environmental Science Technology, Volumen 40, pp.
2629-2634.
Torrents, A. y otros, 2010. Influence of pH and Carbonate Buffering on the Performance
of a. Universitat Autònoma de Barcelona, Spain.
Zeng, Y., Fung C, Y., Byung-Hong, K. & Wu, P., 2010. Modelling and simulation of
two-chamber microbial fuel cell. Journal of Power Sources, 1 Enero, 195(1), pp. 79-89.
Zhou, M. et al., 2011. An overview of electrode materials in microbial fuel cells. Journal
of Power Sources, 196(10), p. 4427–4435.
4. 20 Capítulo 4 –Modelado y simulación de MFC en COMSOL
Capítulo 5
Análisis paramétrico del modelo de la
MFC simplificado
5. 2 Capítulo 5 – Análisis Paramétrico
Capítulo 5
1 Análisis paramétrico .................................................................................................. 3
1.1 Parámetros de operación .................................................................................... 3
1.2 Parámetros ambientales ..................................................................................... 5
1.3 Parámetros de diseño ......................................................................................... 8
1.4 Conclusión del análisis .................................................................................... 10
Referencias ..................................................................................................................... 11
5. 3 Capítulo 5 – Análisis Paramétrico
1 Análisis paramétrico
El modelo descrito en la sección anterior ha sido simulado en unas condiciones estándar
de operación elegidas según referencias encontradas en literatura. Sin embargo, a la hora
de plantear la adaptación de una celda de combustible microbiana funcionando en una
planta de tratamiento de residuos urbanos real es necesario determinar la flexibilidad del
modelo en condiciones adversas de operación y plantear posibles cambios en el diseño.
A continuación se recoge un análisis paramétrico del modelo de la MFC.
1.1 Parámetros de operación
Son parámetros de operación el flujo de sustrato introducido en la celda anódica, la
concentración de acetato en el agua o la cantidad de gas inerte burbujeado en la cámara
anódica. Como en el modelo se asumen las celdas como reactores de mezcla perfecta
(Batch Reactor) no hay un flujo real de fluido que entra y sale de la celda, y se considera
una sola inserción de sustrato (sólo un ciclo). Durante un ciclo, se asume la concentración
de la mezcla constante y se estudiarán valores discretos de concentración de acetato y
agua.
La celda de combustible microbiana real operaría con lixiviados creados en un vertedero
controlado (ver Capítulo 2). En el modelo se asumió que el sustrato principal era lactato,
el cual era oxidado en acetato tras la actividad metabólica de la bacteria contenida en el
agua residual. La solución anódica en el modelo simplificado consta de agua y acetato en
una concentración de 20 mol/m3 o 1.18 g/L.
El análisis paramétrico en la celda real se haría variando la DQO del agua de lixiviado.
Sin embargo, al utilizar un modelo simplificado para el análisis se modifica la
concentración de acetato en el agua en un rango de 0.5 a 1.7 g/L con un paso de 0.2 g/L.
El efecto de dicha variación se mide calculando la intensidad de corriente en el ánodo
𝑖𝑎 (𝐴), el potencial electrostático 𝐸 (𝑚𝑉) y la densidad de potencia superficial
𝑃𝑎 (𝑚𝑊/𝑚2).
La potencia generada es mayor a medida que la concentración de acetato en agua
incrementa. Sin embargo, al aumentar la concentración de sustrato en la solución anódica
por encima de un determinado la densidad de corriente y la potencia eléctrica generada
disminuyen considerablemente. Esto se debe a que por encima de la concentración óptima
queda mucho acetato sin reaccionar por estar en exceso y el intercambio se vuelve más
complicado.
5. 4 Capítulo 5 – Análisis Paramétrico
Figura 1 – Análisis Paramétrico en función de la concentración de acetato (g/L). La concentración óptima de
acetato resulta alrededor de 1.1 g/L de agua.
Los resultados numéricos se recogen en la siguiente Tabla 1.
Tabla 1 – Resultados numéricos del estudio paramétrico en función de la concentración
CAC (g/L) iamax (mA/cm2)
ia (mA)
Eanodo (V) Ecatodo (V) E (mW)
P (W)
Pa (W/m2)
Pa (mW/m2)
0,5 176,1 311,1687 3,50E-03 0,04 36,5 0,011358 0,642765 642,765
0,7 176,1 311,1687 3,43E-03 0,04 36,57 0,011379 0,643998 643,9977
0,9 176,1 311,1687 3,41E-03 0,04 36,59 0,011386 0,64435 644,3499
1,1 176,2 311,3454 3,40E-03 0,04 36,6 0,011395 0,644892 644,892
1,3 176 310,992 3,44E-03 0,04 36,56 0,01137 0,643456 643,456
1,5 175,5 310,1085 3,53E-03 0,04 36,47 0,01131 0,640049 640,0485
1,7 175 309,225 3,68E-03 0,04 36,32 0,011231 0,6356 635,6
10
30
50
70
90
110
130
150
170
634
636
638
640
642
644
646
0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
ia(mA/cm2)
E(mW)
Pa(mW/m2)
CAcetato (g/L)
Pa (mW/m2)
ia (mA/cm2) Densidad de corriente superficial en el ánodo
E (mW) Potencial electrostático
5. 5 Capítulo 5 – Análisis Paramétrico
Desde el punto de vista de la densidad de corriente (columna 3 de la Tabla 1), el valor de
concentración que proporciona la mayor 𝑖𝑎 (𝑚𝐴) es el caso de 1.1 g/L. Para valores
menores a esta concentración óptima la densidad apenas disminuye, pero para valores
mayores de concentración la densidad de corriente cae de forma un poco más notable. El
valor mínimo para el rango de concentraciones estudiado se obtiene para una
concentración de 1.7 g/L, el mayor valor del rango estudiado. Si comparamos
cuantitativamente, para un aumento de la concentración sobre la óptima de un 54.5% (de
1.1 g/L a 1.7 g/L) la densidad de corriente se desvía en un 0.68%.
Desde el punto de vista del potencial electrostático (columna 6 de la Tabla 1), el valor
máximo de diferencia de potencial se obtiene para un valor de concentración alrededor
de 1 g/L. Del mismo modo, la curva del potencial electrostático decrece cuando nos
alejamos de la concentración óptima en ambas direcciones. Sin embargo, en este caso la
curva decrece de forma casi simétrica en ambas direcciones, al contrario que en el caso
de la densidad de corriente donde un aumento de la concentración empeoraba en mayor
medida su valor. Cuantitativamente, el mayor desvío de la diferencia de potencial
electrostático se observa para un aumento de la concentración de nuevo de 54.5% (de 1.1
g/L a 1.7 g/L) y que supone una caída del potencial de 0.76%. Cuando se reduce la
concentración en un 45.5% desde la óptima (de 1.1 g/L a 0.5 g/L), el potencial cae en un
0.3%.
El resultado conjunto de la variación de la densidad de corriente y el potencial
electrostático puede verse más fácilmente con la curva de la densidad de potencia
superficial 𝑃𝑎 (𝑚𝑊/𝑚2). El máximo valor de 𝑃𝑎 igual a 644.892 g/L se obtiene para una
concentración de 1.1 g/L de solución anódica. El desvío de la concentración óptima hasta
los valores extremos del rango estudiado produce una caída de la densidad más notable
en la dirección en la que la concentración aumenta. Es por ello que la curva en la Figura
1 es asimétrica y cae con una mayor pendiente a medida que la concentración aumenta.
El valor mínimo de 635.6 mW/cm2 se obtiene para una concentración de 1.7 g/L.
Otra importante conclusión de este análisis es que, trabajando en un rango de 0.5-1.7 g
de acetato/L de solución, se asegura que la potencia generada siempre permanece superior
al 98.5% de su valor máximo.
1.2 Parámetros ambientales
Nos referimos a los parámetros ambientales como la presión y temperatura. Como la
presión en una MFC es generalmente constante y cercana a la presión atmosférica, el
análisis se centrará principalmente en estudiar la influencia de cambios en la temperatura.
El modelo original opera a T=353K, y sería interesante ver cómo un descenso de la
temperatura hasta la temperatura ambiente afecta al funcionamiento de la MFC. El rango
barrido es de 20 a 80ºC, con un paso de 10ºC y midiendo el efecto de la variación
observando los mismos parámetros que en el apartado anterior.
La Figura 2 muestra el funcionamiento de la celda ante cambios en la temperatura de
operación, mostrada en Kelvin. La línea continua representa la densidad de potencia
superficial 𝑃𝑎 (𝑚𝑊/𝑚2), la cual toma su valor máximo para 30ºC (303 K).
5. 6 Capítulo 5 – Análisis Paramétrico
La resistencia interna de la MFC es menor cuanto mayor es la temperatura de operación,
por lo que en un principio el resultado a esperar sería que la potencia producida aumentara
con la temperatura. Sin embargo, los resultados indican lo contrario: la potencia
producida es mayor en temperaturas cercanas a la temperatura ambiente. Esto ocurre
porque en el modelo elegido se asume que la reacción anódica fija la cinética del proceso,
y al ser ésta una reacción exotérmica se ve favorecida con temperaturas más bajas.
Se puede asumir entonces que las bajas temperaturas de operación favorecen la corriente
y el potencial electrostático en el modelo de la MFC. En el caso real, un descenso
pronunciado en la temperatura de operación empeoraría la eficiencia del proceso de
eliminación de la DQO del agua residual según se muestra en el estudio de (Jadhav &
Ghangrekar, 2009).
Figura 2 – Análisis Paramétrico en función de la Temperatura (K). Es notable como la producción de potencia en la
celda de combustible mejora al operar en condiciones de temperatura alrededor a los 300 K.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
290 300 310 320 330 340 350 360
ia (mA/cm2)
E(mW)
Pa(mW/m2)
T (K)
Pa [mW/m2] Densidad de Potencia Superficial
ia [mA/cm2] Densidad de corriente superficial en el ánodo
E (mW) Diferencia de Potencial Electrostático
5. 7 Capítulo 5 – Análisis Paramétrico
Los resultados numéricos para cada valor de temperatura y las gráficas de densidad de
corriente y diferencia de potencial se muestran a continuación.
Tabla 2 - Resultados numéricos del análisis paramétrico en función de la temperatura de operación.
T (K)
iamax (mA/cm2)
ia (mA)
Eanodo (V)
Ecatodo (V)
E (mW)
P (W)
Pa (W/m2)
Pa (mW/m2)
293 216 381,672 4,30E-03
0,05 45,7 0,017442 0,98712 987,12
303 217 383,439 4,13E-03
0,05 45,87 0,017588 0,995379 995,379
313 208 367,536 3,97E-03
0,05 46,03 0,016918 0,957424 957,424
323 201 355,167 3,82E-03
0,04 36,18 0,01285 0,727218 727,218
333 191,6 338,5572 3,67E-03
0,04 36,33 0,0123 0,6960828 696,0828
343 183,6 324,4212 3,53E-03
0,04 36,47 0,011832 0,6695892 669,5892
353 176,2 311,3454 3,40E-03
0,04 36,6 0,011395 0,644892 644,892
Comparando los resultados del análisis en función de la temperatura cuantitativamente,
también pueden concluirse algunos puntos importantes.
Desde el punto de vista de la densidad de corriente, puede verse como los valores
decrecen notablemente a medida que a temperatura aumenta. El desvío máximo de
densidad de corriente en el análisis respecto a la máximo valor es de 18.8%, que se da
cuando se aumenta la temperatura desde 30ºC hasta 80ºC. El valor mínimo es de 311.34
mA, y se puede asumir que la densidad de corriente permanece por encima del 81.2% del
valor máximo en el rango estudiado.
Desde el punto de vista del potencial electrostático, la variación no es tan lineal como en
el caso de la densidad de corriente. Entre los 293 y 313 K (20 y 40ºC) el potencial
permanece más o menos constante hasta que en los 323 K (50ºC) cae en un 21.4%
alcanzando el valor mínimo de 36.33 mV. Ésta resulta ser la mayor desviación respecto
al valor máximo.
En términos de densidad de potencia, a diferencia de lo que se pensó en un principio
acerca de que un aumento en la temperatura provocaría una mejora del funcionamiento
de la MFC, se comprueba analíticamente que la densidad de potencia producida es mayor
con valores cercanos a la temperatura ambiente. El valor máximo igual a 995.379 mW/m2
se obtiene para 303 K (30ºC) y el mínimo igual a 644.9 mW/m2 se obtiene para 353 K
(80ºC).
Puede concluirse que no es recomendable trabajar por encima de los 50ºC para este
modelo, y que trabajando en un rango de 15-35ºC se asegura una densidad de potencia
mínima de 730 mW/m2.
5. 8 Capítulo 5 – Análisis Paramétrico
1.3 Parámetros de diseño
Son parámetros de diseño el área, espesor, volumen o propiedad de los materiales del
modelo. En el modelo simplificado sólo se modeló el cilindro que conectaría las dos
celdas independientes en el modelo real y que contiene la membrana PEM. Es por ello
que un análisis paramétrico de las dimensiones o los volúmenes de las celdas no es aquí
relevante pues no se considera en el modelo. Estudiar cambios en los materiales con los
que están fabricados los electrodos sería interesante, probando las distintas opciones que
se enumeran en el Capítulo 3 pero por las mismas razones no se aplica en este estudio.
Se plantea entonces variar el espesor de la membrana PEM que separa las cámaras
anódicas y catódicas para estudiar el efecto en el desempeño de la celda, manteniendo el
resto de variables constantes. En el modelo se escogió la membrana Nafion 117 de
intercambio protónico de Dupont Co., una conocida empresa química especializada en
este tipo de membranas. Se estudia la adopción de otros modelos de membranas además
de la Nafion 117, cuyas propiedades se recogen en la siguiente tabla.
Tabla 3 – Propiedades de los distintos tipos de membranas Nafion comercializadas por Dupont Co. (Dupont Fuel
Cells, 2009)
Modelo de membrana Espesor (µm) Conductividad (S/cm)
Nafion 115 127 0.1
Nafion 117 183 0.1
Nafion R211 25.4 0.1
Nafion R212 50.8 0.1
La Figura 3 muestra los resultados de simular el modelo de la MFC en COMSOL para
cada uno de los modelos de membrana. Es notable ver como a medida que aumenta el
espesor, la densidad de corriente superficial es menor ya que la resistencia interna de la
celda se hace más notable. Sin embargo, la diferencia de potencial electrostático es toma
mayores valores a medida que se aumenta el espesor, resultando en una mayor densidad
de potencia para mayores espesores. Se reafirma así la decisión de adoptar la membrana
Nafion 117 para el diseño del estudio por ser la opción que conlleva una mayor densidad
de potencia en la celda.
5. 9 Capítulo 5 – Análisis Paramétrico
Figura 3 – Análisis paramétrico en función del espesor de la membrana. Se representan los cuatro modelos
comercializados por Dupont de espesores 25.4, 50.8, 127 y 183 µm.
Igualmente, se incluyen los resultados numéricos a continuación.
Tabla 4 - Resultados numéricos del análisis paramétrico en función de la concentración del espesor de la membrana
PEM.
em
(µm) iamax
(mA/cm2) ia
(mA) Eanodo
(V) Ecatodo
(V) E
(mW) P
(W) Pa
(W/m2) Pa
(mW/m2)
127 190,5 336,6135
3,70E-03
0,03 26,3 0,008853
0,501015
501,015
183 180,2 318,4134
3,47E-03
0,04 36,53 0,011632
0,658271
658,2706
25,4 211,5 373,7205
4,18E-03
9,61E-03
5,43 0,002029
0,114845
114,8445
50,8 205,9 363,8253
4,05E-03
0,01 5,95 0,002165
0,122511
122,5105
Comparando los resultados cuantitativamente, en términos de la densidad de corriente no
se nota un desvío considerable para los distintos modelos de membranas. El valor mínimo
se obtiene para la Nafion 117 de 183 µm de espesor, tomando un valor igual a 180.2
mA/cm2.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
100
200
300
400
500
600
700
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180
E (mV)
Pa(mW/cm2)
ia(mA/cm2)
eM (µm)
Pa (mW/m2) Densidad de potencia superficial
ia (mA/cm2) Densidad de corriente superficial en el ánodo
E (mV) Potencial electrostático
5. 10 Capítulo 5 – Análisis Paramétrico
Sin embargo, es este mismo modelo el que presenta una mayor diferencia de potencial
electrostático igual a 36.53 mV, en comparación a la membrana más fina de 25.4 µm que
sólo genera 5.43 mV (un 85.1% menor que la Nafion 117). Es necesario así encontrar una
situación de compromiso entre densidad de corriente y potencial electrostático para un
grosor determinado de la membrana.
La densidad de potencia superficial es el parámetro determinante en este caso. Al ser la
caída de potencial mucho más pronunciada al disminuir el espesor comparado con el
aumento de la densidad de corriente, resulta que la opción óptima es la Nafion 117, de
183 µm produciendo 658 mW/m2 de densidad de potencia superficial.
1.4 Conclusión del análisis
Como conclusión de este análisis paramétrico, resulta más interesante para el modelo de
la MFC operar en condiciones de temperatura ambiente, entre 25 y 30ºC, con una
concentración de acetato de alrededor de 1.1g/L de agua y utilizar el modelo Nafion 117
con un espesor de 183 µm.
Con estos valores fijados se produce la máxima densidad de potencia para el modelo
sujeto a estudio y bajo estas condiciones se estudia la posibilidad de integrar la tecnología
MFC a una planta de tratamiento de residuos sólidos real en el siguiente capítulo.
5. 11 Capítulo 5 – Análisis Paramétrico
Referencias
Dupont Fuel Cells. (2009). DuPont™ Nafion® PFSA Membranes.
Jadhav, G., & Ghangrekar, M. (2009). Performance of microbial fuel cell subjected to
variation in pH, temperature, external load and substrate concentration.
Bioresource Technology, 717-723.
Logan, B., Hamelers, B., Rabaey, K., Rozendal, R., Schroder, U., Keller, J., . . .
Verstraete, W. (2006). Microbial fuel cells: methodology and technology.
Environmental Sci. Technology, 40(17), 5181-5192.
Capítulo 6
Aplicación de MFCs a una planta de
tratamiento de residuos real
6. 2 Capítulo 6 – Aplicación del modelo a una planta real
Capítulo 6
1 Introducción .............................................................................................................. 3
2 Aplicabilidad de la MFC en una central de tratamiento de residuos urbanos ........... 3
2.1 Extrapolación del modelo a dimensiones reales ................................................ 3
2.2 Variación estacional de la producción de energía en la MFC ........................... 4
2.3 Estimación del número de unidades de MFC necesarias ................................... 8
2.4 Estimación de la producción de energía mensual ............................................ 11
3 Comentarios y propuesta de posibles aplicaciones para futuros desarrollos .......... 12
Referencias ..................................................................................................................... 13
6. 3 Capítulo 6 – Aplicación del modelo a una planta real
1 Introducción
El objetivo de este capítulo es caracterizar el desempeño de la celda de combustible y
evaluar la generación de electricidad con la celda descrita en términos de la eficiencia
energética y potencial costo de la energía, para así discutir la aplicabilidad tecnológica de
la operación en su proyección a procesos industriales: la inserción de MFCs en una planta
de tratamientos urbanos real.
2 Aplicabilidad de la MFC en una central de
tratamiento de residuos urbanos
En este apartado se estudia la inserción de un sistema de MFC en una planta de
tratamiento de residuos urbanos real. La central bajo estudio está situada en la provincia
de Sevilla, en Dos Hermanas y tiene las siguientes instalaciones: depósito controlado de
residuos (vertedero de residuos urbanos, tanto orgánicos como inorgánicos), colecta y
tratamiento de residuos, planta de aspiración y combustión del gas de vertedero o biogás,
sistema de extracción y tratamiento de lixiviados y oficinas.
Dicha central acumula una gran cantidad de residuos orgánicos en el depósito que generan
conjuntamente biogás y lixiviado. En el estudio de Ricardo Chacartegui en colaboración
con José Becerra y otros profesores de la Universidad de Paraíba (Brasil) se estudia la
posibilidad de instalar un sistema de motores de gas con los que quemar el gas de
vertedero generado y producir simultáneamente energía térmica y eléctrica. En dicho
estudio, asumen que la cantidad de lixiviado es evaporada dentro del motor,
convirtiéndose así en un residuo concentrado y solventando el problema de la recogida y
tratamiento de las aguas de lixiviado, altamente contaminantes.
En este contexto se propone la siguiente cuestión: ¿Sería posible utilizar el agua de
lixiviado que en dicho estudio se evapora dentro del motor como combustible para una
batería de celdas de combustible microbianas? ¿Cuánta electricidad sería posible generar
con las cantidades de lixiviado generadas en la planta de tratamiento de Sevilla?
2.1 Extrapolación del modelo a dimensiones reales
A lo largo de los Capítulos 4 y 5 se ha desarrollado y analizado un modelo de celda de
combustible microbiana de forma teórica y mediante un programa de simulación como
es COMSOL. Todos los resultados han sido obtenidos de forma adimensional, en A/m2
de electrodo en el caso de la densidad de corriente anódica, y en mW/m2 en el caso de la
densidad de potencia superficial.
El propósito de obtener los valores de las variables a estudio en función del área del
electrodo tiene aquí una utilidad práctica. El modelo desarrollado es un modelo teórico,
que se basa en estudios de laboratorio realizados por otros investigadores a lo largo de las
últimas décadas. Recordamos que el modelo consta de dos celdas de 250 ml ó 0.25 l
6. 4 Capítulo 6 – Aplicación del modelo a una planta real
unidas por un cilindro de 1.5 cm de diámetro que contiene la membrana. Dicho volumen
resulta muy pequeño comparado con los volúmenes de lixiviado que se producen en una
planta real, y además al funcionar el modelo como reactor discontinuo durante ciclos
definidos, el volumen que puede tratar cada MFC es mínimo. Sería incoherente aplicar
una celda de tales dimensiones para tratar cientos de metros cúbicos de agua de lixiviado.
Es por ello que se plantea la siguiente hipótesis:
Hipótesis:
Se asume que las tendencias estudiadas de la densidad de potencia superficial con el
modelo simplificado de la MFC presentan la misma tendencia en un modelo tres
órdenes de magnitud mayor (de mm a m)
De esta forma, pueden aplicarse los estudios paramétricos y las conclusiones obtenidas
en los capítulos anteriores a una celda de dimensiones mayores. Las dimensiones del
modelo extrapolado a escala 1:1000 toman los siguientes valores:
𝑣𝑀𝐹𝐶 = 250 𝑙 = 0.25 𝑚3
𝐴𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜 = 1.76 𝑚2
De los modelos de celdas de combustible microbianas cabe destacar que, al tratarse de
una tecnología relativamente nueva, no existen datos en literatura reales de su aplicación
en vertederos existentes: existen datos de densidad de potencia superficial sobre el
funcionamiento de modelos teóricos de laboratorio pero no del desempeño eléctrico real.
Sobre los modelos teóricos a escala pequeñas se optimiza y se estudian mejoras de diseño
pero su escala es demasiado pequeña para aplicaciones reales. Gracias a la hipótesis
asumida en este estudio se puede desarrollar un estudio teórico sobre la posibilidad de
integrar tecnologías MFC a un vertedero real.
2.2 Variación estacional de la producción de energía en la
MFC
A partir del análisis paramétrico realizado en el Capítulo 5 se deducen las condiciones
óptimas de funcionamiento de la celda de combustible microbiana: temperatura de 30ºC,
concentración de 1.1 g/L de acetato en agua y espesor de la membrana de 183µm (Nafion
117). Siguiendo la hipótesis del apartado 2.1, se aplican las mismas condiciones al modelo
extrapolado a escala 1:100.
Sin embargo, en el caso real los valores de los parámetros de operación pueden no ser
iguales a sus valores óptimos los cuales proporcionan el valor máximo de la densidad de
potencia. Se fijan los parámetros de diseño (una vez elegida la membrana, el espesor de
la misma no varía) y de operación (se asume una concentración de la parte del lixiviado
6. 5 Capítulo 6 – Aplicación del modelo a una planta real
aprovechable constante e igual a la del modelo). Se plantea entonces mostrar la
productividad en la planta de tratamiento para distintos valores de temperatura.
La temperatura de operación en la planta real sería la temperatura ambiente para el mes
bajo estudio. La variación estacional de la temperatura en Sevilla se muestra en la tabla
siguiente:
Tabla 1 – Temperaturas medias mensuales en la provincia de Sevilla. Fuente: Instituto Nacional de
Meteorología. Valores climatológicos normales en el período 1971-2000
Mes Temperatura Media
Mensual (ºC)
Temperatura
Media Mensual
(K)
Enero 10,6 283,6
Febrero 12,2 285,2
Marzo 14,7 287,7
Abril 16,4 289,4
Mayo 19,7 292,7
Junio 23,9 296,9
Julio 27,4 300,4
Agosto 27,2 300,2
Septiembre 24,5 297,5
Octubre 19,6 292,6
Noviembre 14,8 287,8
Diciembre 11,8 284,8
Se plantea entonces un estudio de la productividad en la planta real frente a la temperatura
de operación mensual. Se simula el modelo teórico en COMSOL cambiando el valor T
(K) y fijando la concentración de acetato en 1.1 g/L y la membrana del modelo Nafion
117. Al igual que el procedimiento seguido en el análisis paramétrico del Capítulo 5, se
obtienen los valores de densidad de corriente (mA/cm2) y la diferencia de potencial
electrostático a ambos lados de la membrana (mV) y se calcula la densidad de potencia
superficial.
Tabla 2 - Resultados numéricos de aplicar la variación estacional de temperatura en Sevilla al modelo de
la MFC
T (K)
iamax (mA/cm2)
ia (mA)
Eanodo (V)
Ecatodo (V)
E (mW)
P (W)
Pa (W/m2)
Pa (mW/m2)
283,6 212 374,604 4,27E-
03 0,05 45,73 0,017131 0,969476 969,476
285,2 214,2 378,4914 4,27E-
03 0,05 45,73 0,017308 0,979537 979,5366
287,7 214 378,138 4,26E-
03 0,05 45,74 0,017296 0,978836 978,836
289,4 214,8 379,5516 4,24E-
03 0,05 45,76 0,017368 0,982925 982,9248
292,7 216,1 381,8487 4,24E-
03 0,05 45,76 0,017473 0,988874 988,8736
296,9 219,2 392,6274 4,23E-
03 0,05 45,77 0,017971 1,017009 1017,009
300,4 220 388,74 4,18E-
03 0,05 45,82 0,017812 1,00804 1008,04
6. 6 Capítulo 6 – Aplicación del modelo a una planta real
300,2 219,6 388,0332 4,19E-
03 0,05 45,815 0,017778 1,006097 1006,097
297,5 217 383,439 4,24E-
03 0,05 45,76 0,017546 0,992992 992,992
292,6 216 381,672 4,24E-
03 0,05 45,76 0,017465 0,988416 988,416
287,8 213,9 377,9613 4,26E-
03 0,05 45,74 0,017288 0,978379 978,3786
284,8 213,6 377,4312 4,26E-
03 0,05 45,74 0,017264 0,977006 977,0064
Para mayor claridad, se representa gráficamente la variación estacional de las tres
variables a estudio.
La curva de la densidad de corriente (Figura 1) presenta un máximo en los meses de
verano cuando la temperatura es más alta y cercana a la temperatura óptima justificada
en el Capítulo 5 con los análisis paramétricos e igual a 30ºC. Cabe destacar, que al ser las
temperaturas medias de la localidad de Sevilla no muy bajas en los meses más fríos del
año (la temperatura más baja es para el mes de enero e igual a 10.6ºC) la densidad de
corriente no se sitúa nunca por debajo del 96.36% de su valor máximo. El valor más
representativo en los meses intermedios es alrededor de 215 mA/cm2.
Figura 1- Variación estacional de la densidad de corriente. Puede observarse como en los meses más
cálidos cuya temperatura es cercana a los 30ºC (valor óptimo) la corriente producida es mayor en la
MFC
La curva del potencial electrostático (Figura 2) presenta la misma forma pero con cambios
más bruscos con la temperatura: parece que es más sensible a este parámetro. Permanece
con valores bajos y parecidos para temperaturas menores a 20ºC y cambia más
notablemente en los meses de julio y agosto. Cabe destacar de la misma forma que la
variación es menor en número, para el rango de temperaturas estudiado se mantiene entre
los 45.73 y 45.83 mV.
208
210
212
214
216
218
220
222
mA/cm2
Meses del año
Densidad de corriente en el ánodo ia (mA/cm2)
6. 7 Capítulo 6 – Aplicación del modelo a una planta real
Figura 2 - Variación estacional del potencial electrostático
Por último, la curva de densidad de potencia (Figura 3) es una combinación de ambas
tendencias y de ahí su forma muy parecida a las curvas de densidad de corriente y
potencial electrostático. De nuevo los meses de Julio y Agosto presentan la mayor
productividad de potencia por el efecto conjunto de una mayor densidad de corriente y
diferencia de potencial electrostático.
Puede afirmarse que la densidad de potencia de unidad a lo largo de un año de operación
en la localidad de Sevilla permanece entre los valores 970 y 1008 mW/m2 lo que son
valores relativamente altos para una tecnología de este estilo (reactor discontinuo) y estas
condiciones en las que la densidad de potencia se encuentra entre los 200 y 1500 mW/m2
(ver apartado 2 del Capítulo 4).
Figura 3 - Variación estacional de la densidad de potencia producida en cada MFC por ciclo de
operación
45,68
45,7
45,72
45,74
45,76
45,78
45,8
45,82
45,84
mV
Meses del año
Potencial Electrostático E(mV)
950
960
970
980
990
1000
1010
1020
mW/m2
Meses del año
Densidad de potencia superficial Pa (mW/m2)
6. 8 Capítulo 6 – Aplicación del modelo a una planta real
Conociendo la densidad de potencia de cada MFC en cada mes, podemos calcular el total
de energía eléctrica generada por cada modelo de MFC en términos mensuales, teniendo
en cuenta las dimensiones del modelo extrapolado. En el siguiente apartado se utilizan
los datos de Pa (mW/m2) para estimar la producción mensual.
2.3 Estimación del número de unidades de MFC necesarias
El volumen de aguas de lixiviados que se producen mensualmente en la central de Sevilla
se recogen en la Tabla 3. Dichos valores pertenecen al pasado año 2014 y son
representativos de la producción de lixiviados a lo largo de un año. Se asume que la
concentración de las aguas de lixiviado es igual a la concentración del fluido de trabajo
en el modelo: acetato y agua.
Tabla 3 - Volumen de lixiviado producido mensualmente en la central de Sevilla
Mes Lixiviado
(m3/mes)
Cantidad de
materia orgánica
disuelta (55.41%
de los m3 totales)
Enero 340 188.39
Febrero 307 170.11
Marzo 340 188.39
Abril 329 182.30
Mayo 340 188.40
Junio 329 182.30
Julio 340 188.40
Agosto 340 188.40
Septiembre 329 182.30
Octubre 340 188.40
Noviembre 329 182.30
Diciembre 340 188.40
Total 4003 2218
Como ya se vio en el Capítulo 2 al introducir los lixiviados que se forman en los
vertederos controlados, sólo un 55.41% de dichas aguas contienen materia orgánica
disuelta útil para la generación de energía, siendo el resto sales, metales y nitrógeno
disuelto. La cantidad mensual de lixiviado producido que contiene materia orgánica
aparece en la tercera columna de la Tabla 3, siendo la cantidad anual igual a 2218 m3.
Sin embargo de esta cantidad de materia orgánica sólo un porcentaje será aprovechable
por la MFC. Este valor es desconocido a priori y puede variar ya que la concentración de
los lixiviados en una planta real no es constante durante la operación anual de la planta.
Para corregir el volumen aprovechable de lixiviados de la forma más cercana a la realidad
posible, se estudia un análisis paramétrico de la productividad variando el porcentaje de
lixiviado aprovechable. Se plantean los volúmenes de lixiviado de forma mensual y no
anual.
6. 9 Capítulo 6 – Aplicación del modelo a una planta real
𝑉′𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = 𝑥 ∗ 𝑉𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 [𝑚3] (1)
Donde 𝑥 es el factor de corrección del volumen de lixiviado aprovechable y toma valores
entre 0 y 1. Un valor muy bajo del factor de corrección por debajo del 0.35 o 0.4 denota
un lixiviado que contiene muchas sales, nitrógeno y minerales. Si el factor de corrección
toma el valor de 1 quiere decir que todo lo que está disuelto en el lixiviado es materia
orgánica biodegradable y todo es aprovechable en la MFC, lo que sería la situación ideal.
Es necesario en este punto recordar que el modelo se asume en régimen estacionario y
como reactor discontinuo, y se estudian valores discretos en el tiempo de intensidad y
potencial electrostático para distintas concentraciones de sustrato. La celda anódica que
funciona como un reactor discontinuo se llena cada cierto tiempo de solución nueva para
iniciar un nuevo ciclo de operación. El tiempo cada ciclo no puede determinarse
experimentalmente en este estudio por lo que se buscan referencias en literatura. En una
MFC bicámara consta normalmente de 6-8 días mientras que una MFC unicámara
requiere aproximadamente 5-7 días para completar un ciclo [1, 2]. Se toma un tiempo de
6 días para este estudio.
𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 6 𝑑í𝑎𝑠 (2)
Sabiendo que cada mes tiene 30 días, puede decirse que cada MFC completa 5 ciclos de
producción al mes. Considerando el volumen específico de solución tratado por cada
MFC en un ciclo podemos calcular el volumen tratado por celda mensualmente.
5 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠/ 𝑚𝑒𝑠
Pueden calcularse el número necesario de MFC para tratar todo el volumen de lixiviado
necesario conociendo la duración de los ciclos de producción de potencia de cada celda.
Se denota << V >> mayúscula para el volumen de lixiviados y << v >> minúscula cuando
nos referimos al volumen que alberga cada MFC.
𝑣𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = 𝑛º 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠/𝑚𝑒𝑠 ∗ 𝑣𝑀𝐹𝐶 = 1.25 𝑚3 (3)
La cantidad óptima de MFC para tratar el volumen de lixiviado aprovechable puede
expresarse entonces como:
𝑛 =
𝑉′𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 [𝑚3 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑥𝑖𝑣𝑖𝑎𝑑𝑜 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑏𝑙𝑒]
𝑣𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 [𝑚3 𝑡𝑟𝑎𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑀𝐹𝐶] (4)
Según esta expresión, el número necesario para tratar todo el volumen de lixiviado sería
diferente cada mes pues el volumen varía mensualmente. Si tomamos el número de celdas
mínimo 𝑛𝑚𝑖𝑛 considerando el límite inferior de lixiviado disponible mensual estaríamos
desaprovechando una valiosa cantidad de lixiviado en los meses donde la producción es
6. 10 Capítulo 6 – Aplicación del modelo a una planta real
mayor. Si tomáramos el número máximo considerando el límite superior de lixiviado
𝑛𝑚𝑎𝑥 quedarían celdas vacías en los meses de menor producción de lixiviado.
Se plantea contemplar todas las posibilidades, para cada mes y para cada factor de
corrección 𝑥(%) del lixiviado aprovechable (se toman valores entre 0.1 y 1). La matriz
siguiente recoge todos los resultados obtenidos utilizando el software matemático
MATLAB (ver código en Anexo).
Tabla 4 - Número estimado de celdas MFC por mes y por cantidad de lixiviado aprovechable x (%)
𝒙 (%) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Enero 15,07 30,143 45,214 60,286 75,357 90,429 105,50 120,57 135,64 150,71
Febrero 13,60 27,217 40,826 54,434 68,043 81,652 95,26 108,86 122,47 136,08
Marzo 15,07 30,143 45,214 60,286 75,357 90,429 105,50 120,57 135,64 150,71
Abril 14,583 29,167 43,751 58,335 72,919 87,503 102,08 116,67 131,25 145,83
Mayo 15,071 30,143 45,214 60,286 75,357 90,429 105,50 120,57 135,64 150,71
Junio 14,583 29,167 43,751 58,335 72,919 87,503 102,08 116,67 131,25 145,83
Julio 15,071 30,143 45,214 60,286 75,357 90,429 105,50 120,57 135,64 150,71
Agosto 15,071 30,143 45,214 60,286 75,357 90,429 105,50 120,57 135,64 150,71
Septiembre 14,583 29,167 43,751 58,335 72,919 87,503 102,08 116,67 131,25 145,83
Octubre 15,071 30,143 45,214 60,286 75,357 90,429 105,50 120,57 135,64 150,71
Noviembre 14,583 29,167 43,751 58,335 72,919 87,503 102,08 116,67 131,25 145,83
Diciembre 15,071 30,143 45,214 60,286 75,357 90,429 105,50 120,57 135,64 150,71
Para prescindir de resultados no relevantes, se considera que una fracción de lixiviado
aprovechable por debajo del 40% no es coherente con la realidad ya que supondría un
lixiviado con cantidades demasiado bajas de materia orgánica. Nos limitamos entonces
entre los valores de 40 y 100%.
Figura 4 - Representación gráfica del número de unidades de MFC necesarias por mes y por % de
lixiviado aprovechado
45
55
65
75
85
95
105
115
125
135
145
155
165
n
x=40%
x=50%
x=60%
x=70%
x=80%
x=90%
x=100%
6. 11 Capítulo 6 – Aplicación del modelo a una planta real
Los dos límites inferior y superior son para:
Límite inferior: 𝑛𝑚𝑖𝑛 = 54 MFCs, 40% aprovechado
Límite superior: 𝑛𝑚𝑎𝑥 = 151 MFCs, 100% aprovechado
Conociendo el número mínimo y máximo de MFCs estimamos ahora la producción de
energía eléctrica mensual para ambos casos límite.
2.4 Estimación de la producción de energía mensual
Para ambos límites superior e inferior 𝑛𝑚𝑖𝑛 = 54 MFCs y 𝑛𝑚𝑎𝑥 = 151 MFCs se
obtendrán valores límites de energía producida 𝐸𝑚𝑖𝑛 y 𝐸𝑚𝑎𝑥 mensualmente.
Con un simple cálculo utilizando de nuevo el software matemático MATLAB (ver código
en Anexo) se obtienen resultados de energía en kWh. Los resultados numéricos aparecen
en la Tabla 5. La variación estacional es más notable si se compara la producción durante
los meses de Enero (de 66 a 185 kWh) y Junio (de 70 a 194 kWh).
Recordar de nuevo que el valor mínimo corresponde a asumir un 40% de lixiviado
aprovechable y 54 unidades de MFC y el valor máximo corresponde a asumir el 100%
aprovechable y 151 unidades de MFC en funcionamiento.
Tabla 5 - Energía en kWh producida mensualmente en los casos límites
𝐸𝑚𝑖𝑛 (𝑘𝑊ℎ) 𝐸𝑚𝑎𝑥 (𝑘𝑊ℎ) Enero 66,34008 185,5065 Febrero 67,02851 187,4316 Marzo 66,98057 187,2975 Abril 67,26036 188,0799 Mayo 67,66743 189,2182 Junio 69,59271 194,6018 Julio 68,97897 192,8856 Agosto 68,84601 192,5138 Septiembre 67,94925 190,0062 Octubre 67,63612 189,1306 Noviembre 66,97715 187,288 Diciembre 66,85538 186,9474
Asumiendo que el precio de la electricidad producida se vende a la red eléctrica al mismo
precio que la tarifa de venta al consumidor (0.15 €/kWh [3]), se puede estimar el ahorro
en energía eléctrica que supondría instalar una batería de celdas de combustible de estas
características en una central. Como cabía esperar, el ahorro no es considerable: alrededor
de 30€/mes para el mejor de los casos.
6. 12 Capítulo 6 – Aplicación del modelo a una planta real
3 Comentarios y propuesta de posibles aplicaciones
para futuros desarrollos
En términos de ahorro de electricidad parece que la aplicación de la tecnología de las
MFC a una planta de tratamiento de residuos no produce resultados sobresalientes. Se
justifica con este estudio que las celdas de combustible microbianas tienen aún mucho
camino que recorrer para llegar a ser relevantes en la producción de energía eléctrica a
escala industrial. La mayor ventaja de las MFC es que generan una electricidad limpia, a
temperatura ambiente, en puntos sin la infraestructura eléctrica necesaria, pero en
pequeñas cantidades. Es una tecnología relativamente nueva y aún en desarrollo. Existen
múltiples experimentos actualmente de investigadores que buscan mejorar la densidad de
potencia de las MFC probando nuevos materiales, nuevas geometrías y nuevas
condiciones de operación.
Este estudio pretendía probar la posibilidad de instalar un modelo concreto de celda
microbiana en el proceso de tratamiento de residuos sólidos, operando con lixiviados. Sin
embargo, la densidad de potencia obtenida con este modelo (máximo valor de 1017
mW/m2 durante el mes de Julio, en el análisis estacional) resulta ser demasiado pequeña
para esta aplicación concreta. En el caso de haber modelado la celda como reactor
continuo en lugar de reactor discontinuo podría ocurrir que el modelo sería más adecuado
para la aplicación a una planta de tratamiento de residuos.
Existen nuevos estudios, como publicados recientemente en 2014 por varios
investigadores, en los que se llegan a densidades de potencia de 52.624 mW/m2 utilizando
electrodos de grafito con recubrimientos Pani o biocátodos [4].
En vistas a continuar este estudio de investigación, teniendo el modelo de celda de
combustible microbiana aquí desarrollado y habiendo analizado su funcionamiento para
distintas condiciones de operación, se plantea la posibilidad de ampliar su campo de
aplicación a nuevas iniciativas surgidas en los últimos meses.
Existe una iniciativa lanzada en Marzo de 2015 por la Universidad de Bristol sobre
generar electricidad a partir de los urinales instalados en campos de refugiados [5]. El
proyecto en colaboración con Oxfam está actualmente produciendo electricidad útil para
iluminar los aseos de la universidad, y el modelo consiste en una MFC unicámara de
reactor discontinuo como el modelo del presente estudio. Sin embargo la geometría y el
material de los electrodos están optimizados. El proyecto sostiene que cada unidad de
MFC cuesta alrededor de 1.4 € y la tecnología completa cuesta 845 € en ser instalada.
Se abre así una nueva de aplicación de este modelo teórico más de acorde a sus
dimensiones y con posibles buenos resultados, a desarrollar en futuros proyectos.
6. 13 Capítulo 6 – Aplicación del modelo a una planta real
Referencias
[1] B. Logan, B. Hamelers, K. Rabaey, R. Rozendal, U. Schroder, J. Keller, S. Freguia,
P. Aelterman y W. Verstraete, «Microbial fuel cells: methodology and technology,»
Environmental Sci. Technology, vol. 40, nº 17, pp. 5181-5192, 2006.
[2] G. Bruitón y J. Pérez, «Producción de electricidad en celdas de combustible
microbianas utilizando agua residual: Efecto de la distancia entre los electrodos,» Tip
Revista especializada en Ciencias Químico-Biológicas, pp. 145-211, 2011.
[3] Red Eléctrica de España, «Red Eléctrica de España,» [En línea]. Available:
http://www.ree.es/. [Último acceso: 1 Julio 2015].
[4] Wanga, Chuaa, Caia, Sivakumara, Zhangc, Kjelleberga, Caoa, J. Looa y Yang, «A
stable synergistic microbial consortium for simultaneous azo dye removal and
bioelectricity generation,» Bioresource Technology, pp. 71-76, 2014.
[5] UWE Bristol. University of the West of England, «UWE Bristol. University of the
West of England,» [En línea]. Disponible:
http://info.uwe.ac.uk/news/UWENews/news.aspx?id=3050. [Último acceso: 1 Julio
2015].
Capítulo 7
Conclusiones
7. 2 Capítulo 7 – Conclusiones
Conclusiones
1 Conclusiones sobre la tecnología de las MFC .......................................................... 3
2 Conclusiones sobre el modelo ................................................................................... 3
3 Conclusiones sobre el análisis paramétrico ............................................................... 4
4 Conclusiones sobre la aplicación a la planta de tratamiento de residuos real ........... 5
7. 3 Capítulo 7 – Conclusiones
1 Conclusiones sobre la tecnología de las MFC
La celda de combustible microbiana (MFC) es una tecnología prometedora para
propósitos de generación alternativa de energía y eliminación de materia orgánica;
sin embargo, para aplicaciones prácticas es necesario mejorar la eficiencia en los
procesos bioelectroquímicos y en el desempeño eléctrico, por lo que se requiere
investigar más en aspectos como diseño, comunidades microbianas, tipo y
concentración de sustratos.
La posibilidad de utilizar diversos sustratos y comunidades microbianas hacen de
las MFCs una tecnología factible de desarrollar en cualquier escenario porque
estos componentes se encuentran en forma abundante y son de fácil acceso (aguas
residuales, residuos agroindustriales, etc.).
La conversión directa de sustrato a energía en las MFC impide pérdidas,
aumentando así la eficiencia del proceso.
Operan de forma eficiente a temperatura ambiente y son una energía limpia.
Pueden ser implementadas en lugares aislados en los que no existe infraestructura
eléctrica, lo que ha favorecido el lanzamiento de proyectos para generar energía
en lugares remotos y con pocos medios mediante MFCs.
2 Conclusiones sobre el modelo
Son muy diversos los experimentos encontrados en literatura sobre MFC, usando
distintas bacterias, sustratos, disposición geométrica y tipo de membrana y muy
distintos los valores de densidad de potencia Pa (mW/m2) encontrados.
Se escoge simular una MFC sin electrón mediador, bicámara, con electrodos de
grafito y membrana PEM de intercambio protónico, por ser uno de los casos más
simples y más estudiados en literatura.
Se decide utilizar las siguientes interfaces físicas en COMSOL: Secondary
Current Distribution (Distribución Secundaria de Corriente), Darcy’s Law (La ley
de Darcy para medios porosos), y dos interfaces de Concentrated Species
(Especies Concentradas), una que modela la difusión de la solución anódica
(Acetato C3H6O3 y agua H2O) y otra para la solución catódica (Agua H2O y
oxígeno O2)
7. 4 Capítulo 7 – Conclusiones
El diseño geométrico en COMSOL se simplifica de 3D a 2D: en lugar de modelar
la celda completa se modela el cilindro que une la celda anódica y catódica y que
contiene la membrana PEM.
Los resultados de la simulación del modelo original proporcionan una densidad
de corriente anódica máxima de 176 mA/cm2 y una diferencia de potencial
electrostático de 36.6 mV.
El primer valor de densidad de potencia superficial (sin optimizar) es de 645.2
mW/m2 que se comprueba dentro de rango con otros resultados de experimentos
similares.
Igualmente se comprueba que la presión de la celda de combustible microbiana
permanece casi constante como consecuencia de suponer las celdas como
reactores discontinuos.
3 Conclusiones sobre el análisis paramétrico
Parámetros de operación
El análisis paramétrico en función de la concentración de sustrato en la solución
anódica muestra que la potencia de la MFC decrece al desviarnos de la
concentración óptima. La concentración óptima resulta ser 1.1 g/L.
La caída de potencia es mayor para valores crecientes de concentración pues
queda más sustrato sin reaccionar que dificulta la reacción y el flujo de electrones.
Trabajando en un rango de 0.5 a 1.7 g/L de acetato en la solución anódica se
asegura una densidad de potencia mínima de 636 mW/m2.
Parámetros ambientales
El análisis paramétrico en función de la temperatura muestra que trabajando con
valores entre 15 y 35 ºC el desempeño de la celda es mayor que trabajando a 70ºC
que es la temperatura que se escogió para el modelo originalmente.
Las bajas temperaturas favorecen la reacción anódica la cual es exotérmica y en
la celda real favorecerían el correcto comportamiento metabólico de la bacteria.
Si la temperatura permanece entre los 15-30ºC, se aseguran 730 mW/m2 de
densidad de potencia superficial. No se recomienda trabajar por encima de los
50ºC.
7. 5 Capítulo 7 – Conclusiones
Trabajando a la temperatura óptima de 30ºC se consigue un aumento de la
densidad de potencia en un 53.7% respecto al valor obtenido en la simulación
original.
Con la temperatura óptima, se obtienen 995.4 mW/m2 de densidad de potencia
superficial en función de área de electrodo.
Parámetros de diseño
El análisis paramétrico del desempeño de la celda en función del espesor de la
membrana PEM que separa los compartimentos anódicos queda limitado por los
modelos de membranas Nafion que comercializa la empresa Dupont Co.
Se comprueba que la corriente que circula por el ánodo decrece al aumentar el
espesor de la membrana debido al aumento de la resistencia interna.
El potencial electrostático en cambio aumenta para membranas de mayor espesor
y en mayor medida que el descenso de la corriente, por lo que el resultado final es
un aumento en la densidad de potencia superficial.
El modelo de membrana óptimo en términos de potencia total producida resulta
ser la Nafion 117 de 183 µm de espesor.
4 Conclusiones sobre la aplicación a la planta de
tratamiento de residuos real
Las dimensiones del modelo teórico simulado en COMSOL tienen dimensiones
de laboratorio no coherentes para tratar los volúmenes de lixiviado que se generan
en un vertedero real. Es necesario una extrapolación del modelo en una escala
1:1000.
Se asume la hipótesis que los datos de densidad de potencia, densidad de corriente
y diferencia de potencial electrostático por m2 (adimensionales) son válidos para
el modelo extrapolado.
El modelo con la nueva escala alberga un volumen de 𝑣 = 0.25 m3 por ciclo de
operación (5 ciclos al mes por MFC) y el área de electrodo es A=1.76m2. Con
estas nuevas dimensiones se calcula la productividad mensual de energía y el
número de unidades necesario para tratar el lixiviado total.
7. 6 Capítulo 7 – Conclusiones
En el vertedero de la planta de tratamiento de residuos sólidos se producen
anualmente 2218 m3 de lixiviado, del que 55.41% es materia orgánica
aprovechable y el resto sales, minerales y nitrógeno disuelto.
De la variación estacional en la producción de energía se deduce que la densidad
de potencia a lo largo de un año en Sevilla permanece entre los valores 970 y 1017
mW/m2 lo que son valores relativamente altos para una tecnología de este tipo que
normalmente presenta valores entre los 500 y 1500 mW/m2.
De la estimación del número de unidades de MFC en función del lixiviado
aprovechable se obtienen 54 unidades como límite inferior (40% aprovechado) y
151 como límite superior (100% aprovechado).
La energía mensual producida depende del porcentaje de lixiviado aprovechable
considerado. El valor mínimo considerado (54 unidades MFC operando) es de
aproximadamente 70 kWh y el valor máximo (151 unidades MFC operando) es
de 195 kWh.
Como futuras mejoras se plantea el cambio del diseño del modelo a reactor
continuo en lugar de reactor discontinuo, lo que incrementaría la densidad de
potencia superficial de la MFC.
Como aplicación alternativa a la integración de MFC en plantas de tratamiento de
residuos se plantean iniciativas novedosas como la producción de energía eléctrica
para iluminar aseos en campos de refugiados utilizando los desechos sanitarios
humanos directamente y pilas de celdas de combustible.
Anexos
2 Anexos
Anexos
Anexo 1 ............................................................................................................................ 3
Cálculos de cifras de generación de residuos ............................................................... 3
Anexo 2 ............................................................................................................................ 4
Resumen de directivas a Nivel Europeo sobre la gestión de residuos ......................... 4
Anexo 3 ............................................................................................................................ 8
Resultados gráficos de los análisis paramétricos .......................................................... 8
Anexo 4 .......................................................................................................................... 26
Códigos Matlab de los cálculos del Capítulo 6 .......................................................... 26
3 Anexos
Anexo 1
Cálculos de cifras de generación de residuos
El instituto Nacional de Estadística (INE) publicó a finales del año 2014 los resultados de
la generación de residuos anualmente durante el 2012 en el territorio español y por
comunidad autónoma, además de su composición y el porcentaje de los mismos que era
reciclado.
Se consideran las siguientes variables:
Población2012 = 46.727.890 habitantes
tanual = 365 días
Residuos2012 = 22.4 Mtoneladas/año
Figura 1 – Residuos urbanos generados por año y separados entre cantidad recogida mezclada y separada en
millones de toneladas (Mton). Es notable como la producción de residuos disminuye desde el 2009 hasta el 2012,
siendo siempre notablemente menor la cantidad de residuos recogidos separadamente.
Fuente: Instituto Nacional de Estadística (INE)
De los 22.4 millones de toneladas generadas, 18.3 provienen de la recogida mezclada y
sólo 4.1 de la recogida separada destinada al reciclaje. Para ofrecer una idea más concreta
sobre la generación de residuos en España, se calcula la generación de residuos por
habitante:
Residuos2012 = 479kg
año · habitante
4 Anexos
Anexo 2
Resumen de directivas a Nivel Europeo sobre la gestión de
residuos
I. Directiva 2008/98/CE
19 de noviembre de 2008 sobre los residuos y por la que se derogan determinadas
Directivas: las Directivas 75/439/CEE, 91/689/CEE y 2006/12/CE. La presente Directiva
establece un marco jurídico para el tratamiento de los residuos en la Unión Europea. Su
objetivo es proteger el medio ambiente y la salud humana mediante la prevención de los
efectos nocivos que suponen la producción y la gestión de residuos.
Se excluyen del ámbito de aplicación de la Directiva los siguientes residuos:
efluentes gaseosos;
residuos radiactivos;
explosivos desclasificados;
materias fecales;
aguas residuales;
subproductos animales;
cadáveres de animales que hayan muerto de forma diferente al sacrificio;
residuos procedentes de recursos minerales.
- Jerarquía de residuos
Con el fin de proteger mejor el medio ambiente, los Estados miembros deberán adoptar
medidas para tratar los residuos de conformidad con la siguiente jerarquía de prioridades:
prevención ;
preparación para la reutilización;
reciclado ;
otro tipo de valorización , por ejemplo, la valorización energética;
eliminación.
Los Estados miembros podrán poner en marcha medidas legislativas destinadas a reforzar
esta jerarquía en el tratamiento de los residuos. En todo caso, deberán garantizar que la
gestión de los residuos no ponga en peligro la salud humana ni perjudique el medio
ambiente.
- Gestión de residuos
5 Anexos
Cualquier productor o poseedor de residuos deberá realizar el tratamiento de los residuos
por sí mismo o encargar su realización a un negociante o a una entidad o empresa. Los
Estados miembros podrán cooperar, cuando sea necesario, para establecer una red de
instalaciones de eliminación de residuos. Dicha red estará concebida de tal manera que
permita a la Comunidad en su conjunto llegar a ser autosuficiente en materia de
eliminación de residuos.
Los residuos peligrosos deberán ser almacenados y tratados en unas condiciones que
aseguren la protección del medio ambiente y de la salud humana. Además, en ningún caso
deberán ser mezclados con otras categorías de residuos peligrosos y deberán estar
envasados o etiquetados conforme a las normas internacionales o comunitarias.
- Autorizaciones y registros
Toda aquella entidad o empresa que quiera tratar residuos deberá obtener una autorización
de las autoridades competentes, las cuales se encargarán de determinar la cantidad y el
tipo de residuos tratados, el método utilizado, así como las operaciones de seguimiento y
control. La incineración o coincineración con valorización energética sólo podrá
efectuarse si esta valorización de energía presenta un alto nivel de eficiencia energética.
- Planes y programas
Las autoridades competentes deberán establecer uno o varios planes de gestión de
residuos, de modo que cubran todo el territorio del Estado miembro correspondiente.
Estos planes deberán incluir, en particular, el tipo, la cantidad y la fuente de los residuos,
los sistemas existentes de recogida y los criterios de emplazamiento.
Asimismo, deberán elaborarse programas de prevención, cuya finalidad será romper el
vínculo entre el crecimiento económico y los impactos medioambientales asociados a la
generación de residuos. Los Estados miembros deberán notificar estos planes a la
Comisión Europea.
II. Directiva 2009/28/CE
La presente Directiva tiene por objeto establecer un marco común relativo a la producción
y el fomento de energía procedente de fuentes renovables.
Objetivos nacionales y medidas:
Cada Estado miembro tiene fijado un objetivo relativo a la cuota de energía obtenida de
fuentes renovables en el consumo final bruto de energía para 2020. Este objetivo se ajusta
al objetivo global «20-20-20» de la Comunidad.
Por otra parte, antes de 2020, la cuota de energía procedente de fuentes renovables en el
sector del transporte debe alcanzar al menos el 10 % del consumo final de energía en este
sector.
Planes de acción nacionales en materia de energía renovable:
6 Anexos
Los Estados miembros deben establecer un plan de acción nacional para 2020 que
determine la cuota de energía procedente de fuentes renovables consumida en el
transporte, la electricidad y la producción de calor. Estos planes de acción deben tener en
cuenta los efectos de otras medidas relativas a la eficiencia energética en el consumo final
de energía (lo más importante es la reducción del consumo de energía; para alcanzar este
objetivo sería necesario producir menos energía a partir de fuentes renovables). Estos
planes deben establecer, asimismo, modalidades para reformar las normativas de
planificación y tarificación así como el acceso a las redes de electricidad, en favor de
energías generadas a partir de fuentes renovables [12].
III. Directiva 2009/30/CE
23 de abril de 2009 por la que se modifica la Directiva 98/70/CE en relación con las
especificaciones de la gasolina, el diésel y el gasóleo, se introduce un mecanismo para
controlar y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, se modifica la Directiva
1999/32/CE del Consejo en relación con las especificaciones del combustible utilizado
por los buques de navegación interior y se deroga la Directiva 93/12/CEE
IV. Ley 22/2011
Publicada en el Boletín oficial del estado (BOE) el 29 de julio, Ley de residuos y suelos
contaminados.
Los puntos más destacados de esta Ley son:
1. Protección de la salud humana y del medio ambiente.
2. Formulación de una nueva jerarquía de residuos que explique el orden de prioridad en
las actuaciones en la política de residuos:
- Prevención (en la generación de residuos)
- Preparación para la reutilización, reciclado, otros tipos de valoración (incluida la
energética).
- Eliminación de los residuos.
3. Planificación de la gestión de los residuos.
4. Regulación del régimen jurídico de los suelos contaminados.
El ámbito de aplicación engloba a todo tipo de residuos excluyendo:
a) Las emisiones a la atmósfera reguladas en la Ley de calidad del aire y protección de
la atmósfera, así como el dióxido de carbono capturado y transportado con fines de
almacenamiento geológico y efectivamente almacenado en formaciones geológicas.
Tampoco se aplicará al almacenamiento geológico de dióxido de carbono realizado con
7 Anexos
fines de investigación, desarrollo o experimentación de nuevos productos y procesos,
siempre que la capacidad prevista de almacenamiento sea inferior a 100 kilotoneladas.
b) Los suelos no contaminados excavados y otros materiales naturales excavados durante
las actividades de construcción, cuando se tenga la certeza de que estos materiales se
utilizarán con fines de construcción en su estado natural en el lugar u obra donde fueron
extraídos.
c) Los residuos radiactivos.
d) Los explosivos desclasificados.
e) Las materias fecales, paja y otro material natural, agrícola o silvícola, no
peligroso, utilizado en explotaciones agrícolas y ganaderas, en la silvicultura o en la
producción de energía a base de esta biomasa, mediante procedimientos o métodos que
no pongan en peligro la salud humana o dañen el medio ambiente.
f) Las aguas residuales.
Las medidas fundamentales se enumeran a continuación:
- Competencias administrativas.
- Costes de la gestión de los residuos.
- Creación de Comisión de coordinación en materia de residuos.
- Lograr una mayor claridad y sistematización de las obligaciones de los
sujetos intervinientes en la cadena de producción y gestión de residuos, así
como una simplificación de las cargas administrativas.
- Responsabilidad, vigilancia, inspección, control y régimen sancionador.
- Sustitución de las bolsas de un solo uso.
8 Anexos
Anexo 3
Resultados gráficos de los análisis paramétricos
Se incluyen aquí las gráficas de los resultados de los tres análisis paramétricos realizados
al modelo simplificado de la MFC. Para cada caso se incluyen las gráficas de la densidad
de corriente en el ánodo (A/m2) y el potencial electrostático a ambos lados de la
membrana PEM (V).
I. Análisis paramétrico en función de la concentración de acetato en la solución anódica
CAC=0.5 g/L
9 Anexos
CAC=0.7 g/L
10 Anexos
CAC=0.9g/L
11 Anexos
CAC=1.1 g/L
12 Anexos
CAC=1.3 g/L
13 Anexos
CAC=1.5 g/L
14 Anexos
CAC=1.7 g/L
15 Anexos
II. Análisis paramétrico en función de la temperatura de operación
T = 293 K
16 Anexos
T = 303 K
17 Anexos
T = 313 K
18 Anexos
T = 323 K
19 Anexos
T = 333 K
20 Anexos
T = 343 K
21 Anexos
T = 353 K
22 Anexos
III. Análisis paramétrico en función del espesor de la membrana PEM
em = 25.4 µm
23 Anexos
em = 50.8 µm
24 Anexos
em = 127 µm
25 Anexos
em = 183 µm
26 Anexos
Anexo 4
Códigos Matlab de los cálculos del Capítulo 6
Estimación de n:
% n es el número de MFC necesarias para tratar el volumen mensual de lixiviado
% se asume modelo extrapolado donde las dimensiones son 3 órdenes de
% magnitud mayores y el volumen que alberga cada MFC es 0.25m3
clear
format short
%factor de corrección del lixiviado aprovechable
x=[0.1:0.1:1];
%Volumen mensual de lixiviado
V=[340 307 340 329 340 329 340 340 329 340 329 340];
V=0.5541*V; %Corrección Materia Orgánica
%volumen que alberga una MFC al mes, suponiendo 5 ciclos/mes
ciclos=5;
v=ciclos*0.25;
%Densidad de potencia mensual para cada T media en mW/m2
Pi=[969.476 979.5366 978.836 982.9248 988.8736 1017.009 1008.04 1006.097 992.992 988.416
978.786 977.0064];
for mes=1:12;
for i=1:10
%Se corrige el volumen de lixiviado mensual teórico
V_corr(mes,i)=V(mes)*x(i);
%El número de celdas es la división entre el volumen de lixiviado
%disponible y lo que trata cada unidad al mes
n(mes,i)=V_corr(mes,i)/v;
%La densidad de potencia total generada para todas las celdas
P(mes,i)=n(mes,i)*Pi(mes);
end
end
%Area del electrodo del modelo extrapolado (m2)
A=1.76;
%Potencia en W. Se multiplica por área del electrodo y se pasa a W
P=P/1000*A;
n
%Para guardar los resultados de n y exportarlos a Excel para crear tabla
%escribimos el siguiente comando:
% xlswrite('n.xlsx',n,'x1','B1')
27 Anexos
n =
Columns 1 through 7
15.0715 30.1430 45.2146 60.2861 75.3576 90.4291 105.5006
13.6087 27.2174 40.8261 54.4348 68.0435 81.6522 95.2609
15.0715 30.1430 45.2146 60.2861 75.3576 90.4291 105.5006
14.5839 29.1678 43.7517 58.3356 72.9196 87.5035 102.0874
15.0715 30.1430 45.2146 60.2861 75.3576 90.4291 105.5006
14.5839 29.1678 43.7517 58.3356 72.9196 87.5035 102.0874
15.0715 30.1430 45.2146 60.2861 75.3576 90.4291 105.5006
15.0715 30.1430 45.2146 60.2861 75.3576 90.4291 105.5006
14.5839 29.1678 43.7517 58.3356 72.9196 87.5035 102.0874
15.0715 30.1430 45.2146 60.2861 75.3576 90.4291 105.5006
14.5839 29.1678 43.7517 58.3356 72.9196 87.5035 102.0874
15.0715 30.1430 45.2146 60.2861 75.3576 90.4291 105.5006
Columns 8 through 10
120.5722 135.6437 150.7152
108.8696 122.4783 136.0870
120.5722 135.6437 150.7152
116.6713 131.2552 145.8391
120.5722 135.6437 150.7152
116.6713 131.2552 145.8391
120.5722 135.6437 150.7152
120.5722 135.6437 150.7152
116.6713 131.2552 145.8391
120.5722 135.6437 150.7152
116.6713 131.2552 145.8391
120.5722 135.6437 150.7152
Published with MATLAB® R2014a
28 Anexos
Cálculo de la energía producida mensualmente para n_min
% De nuevo se asume modelo extrapolado donde las dimensiones son 3 órdenes de
% magnitud mayores y el volumen que alberga cada MFC es 0.25m3
%Este codigo tiene el objetivo de calcular la energía mensual generada por n_min
%unidades de MFC en operación
clear
format short
n_min=54;
%v es el volumen que alberga una MFC al mes, suponiendo 5 ciclos/mes
ciclos=5;
v=ciclos*0.25;
%Al estar definido n=n_min el volumen total V de lixiviado a tratar está
%fijado y viene dado por:
V=n_min*v;
%Densidad de potencia mensual para cada T media en mW/m2
Pi=[969.476 979.5366 978.836 982.9248 988.8736 1017.009 1008.04 1006.097 992.992 988.416
978.786 977.0064];
P=[];
for i=1:12
P(i)=n_min*Pi(i);
end
%Area del electrodo del modelo extrapolado (m2)
A=1.76;
%Potencia en W. Se multiplica por área del electrodo y se pasa a W
P=P/1000*A;
%La energía producida en términos mensuales y en Wh se obtiene
%multiplicando por la dimensión tiempo
%1 mes=30 días=720 h
E=P*720;
%Expresados en kWh
E=E/1000
E =
Columns 1 through 7
66.3401 67.0285 66.9806 67.2604 67.6674 69.5927 68.9790
Columns 8 through 12
68.8460 67.9493 67.6361 66.9772 66.8554
Published with MATLAB® R2014a
29 Anexos
Cálculo de la energía producida para n_max
% De nuevo se asume modelo extrapolado donde las dimensiones son 3 órdenes de
% magnitud mayores y el volumen que alberga cada MFC es 0.25m3
%Este codigo tiene el objetivo de calcular la energía mensual generada por
%n_max unidades de MFC en operación
clear
format short
n_max=151;
%v es el volumen que alberga una MFC al mes, suponiendo 5 ciclos/mes
ciclos=5;
v=ciclos*0.25;
%Al estar definido n=n_min el volumen total V de lixiviado a tratar está
%fijado y viene dado por:
V=n_max*v;
%Densidad de potencia mensual para cada T media en mW/m2
Pi=[969.476 979.5366 978.836 982.9248 988.8736 1017.009 1008.04 1006.097 992.992 988.416
978.786 977.0064];
P=[];
for i=1:12
P(i)=n_max*Pi(i);
end
%Area del electrodo del modelo extrapolado (m2)
A=1.76;
%Potencia en W. Se multiplica por área del electrodo y se pasa a W
P=P/1000*A;
%La energía producida en términos mensuales y en Wh se obtiene
%multiplicando por la dimensión tiempo
%1 mes=30 días=720 h
E=P*720;
%Expresados en kWh
E=E/1000
E =
Columns 1 through 7
185.5065 187.4316 187.2975 188.0799 189.2182 194.6018 192.8856
Columns 8 through 12
192.5138 190.0062 189.1306 187.2880 186.9474
Published with MATLAB® R2014a
30 Anexos