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Generación de energía eléctrica a partir de desechos
orgánicos utilizando el sistema de biodigestión
Solar-Termofílico.
WHA Costa Rica Project Team
Setiembre, 2013
Biosystems & Agricultural Engineering, Michigan State University
Escuela de Ingeniería Agrícola y Biosistemas, Universidad de Costa Rica
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AGENDA
EL
CONCEPTO
SOLAR-BIO
OBJETIVOS DEL PROYECTO
1. Optimizar la
poblacion
microbiana
anaeróbica
termofílica local
2. Implementar
el sistema de
generación
eléctrica solarbio
3. Evaluar el
comportamiento
técnico y
económico
4. Establecer un
programa de
divulgación del
proyecto
EL CONCEPTO SOLAR-BIO
La energía solar
Central America
• Teóricamente: 1.76 x 105 TW
incide sobre la Tierra,
Practical: 600 TW
Ventajas
• Es la fuente de energía más
limpia en la Tierra.
• No es consistente.
Desventajas
• Es una fuente difusa.
• Es difícil de colectar, convertir y
almacenar.
• La energía solar que llega a la
tierra es abundante.
From: http://www.global-greenhouse-warming.com/solar.html
EL CONCEPTO SOLAR-BIO
Algunos residuos agrícolas en Cost Rica
RESIDUOS
CANTIDADES TOTALES (TM SECA/AÑO)
2012*
PRÁCTICAS DE TRATAMIENTO/USO
Excreta G lechero
1.614.837
Compostaje, biogas,
Excreta G. Porcino
78.220
Fertilización, biogas, alimento animal
27.479 (pinzote)
No es utilizado
Banano
33.326 (banano rechazo)
Café
Caña de azúcar
52.036 (pulp)
Pulpa: compostaje
19.513(mucílago)
Mucilago: fertilizante, biogas
25.195 (husk)
Cascarilla; combustión
500.719 Bagazo
Generación eléctrica / energía mecánica
301.738 (cachaza)
301.738 (melaza)
Piña
815.826 (rastrojo)
No es utilizado
1.603 (corona)
* Coto, O. (2013)
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EL CONCEPTO
• Integrando la utilización de los residuos con las tecnologías
solar y biológica se creará un novedoso sistema
autosuficiente de generación de energía para operación a
pequeña y mediana escala.
Bioenergía
Excretas
animales
Otros desechos
organicos
Energía
Solar
Disgestión
Anaeróbica
Posttratamiento
Fertilizantes
Reducción GEI
Agua limpia
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Flujo de energía
inestable para la
generación (energía
solar)
Superar las
desventajas de cada
tecnología
La baja eficiencia de la
digestión anaeróbica
mesófila
Mayor necesidad de
energía de la digestión
aeróbica termofílica
Beneficios del
sistema
integrado
Utilización de la energía
solar y su
almacenamiento
Proporcionar energía a
comunidades rurales y
pequeña-mediana
agroindustria
Mejora de la eficiencia
de la digestión
anaerobia
El biogas como una
forma novedosa de
almacenamiento
bioquímico de la
energía solar.
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DIAGRAMA DE FLUJO DEL SISTEMA
Power unit
Solar unit
bioreactor
Post-treatment
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OBJETIVO 1
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Objetivo 1. Optimización de la población microbiana anaeróbica termofílica local.
Montaje experimental en laboratorio
1 L bioreactores anaeróbicos
Cámara anaeróbica para alimentación y muestreo
AD se realizó para la TRM de 20 días tanto a 35 y 50 ° C. Las proporciones de estiércol y los residuos de
alimentos se fijaron a 100:0, 90:10, 80:20 (w / w). La carga total de sólidos fue del 5%. Dos gramo de lodo
anaeróbico por gramo de ST en la mezcla de digestión inicial fue inoculado. El pH de cada digestor se ajustó a 7
en la mezcla de digestión de puesta en marcha y después se ajustó a diario después de que la digestión comenzó
hasta que el pH se estabilizó en 6.5-7. El pH de la carga de alimentación se ajustó en 7-8 antes de introducirlo en
los digestores. El biogás se midió utilizando un contador de gas de desplazamiento de agua.
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Objetivo 1. Optimización de la población microbiana anaeróbica termofílica local.
Población microbiana en el digestor anaeróbico
 Primers for PCR amplification 16S rRNA
gene:
Universal bacterial primers 357f (5’CCTACGGGAGGCAGCAG-3’) and 926r
(5’-CCGTCAATTCMTTTRAGT-3’)
 Primers for 454 sequencing:
Human Microbiome Project (HMP) primers
targeting the V3-V5 region of 16S rRNA
gene
GT 454 FLX sequencer
Cultures under 35C
Readings from the sequencer
Cultures under 50C
Abundances
of bacterial
community
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Objetivo 1. Optimización de la población microbiana anaeróbica termofílica local.
Produccion de Biogas en sustratos mezclados
En la relación de 80:20, la producción de biogás se incrementa un 37% a 50 °C en comparación con 35 °C.
El cultivo termófilo fue el que mejor funcionó en América Central.
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OBJETIVO 2
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Objective 2. Diseño e implementación del sistema de generación eléctrica solar-bio con
mezcla de sustratos
• Dieciocho paneles solares de
2x1 m con estructura de
soporte
Principales
componentes
• Un biodigestor anaeróbicco de
20 m3 con una bolsa de gas
de 60 m3
• Dos generadores eléctricos de
10 KVA cada uno
Solar-bioreactor
• Cuatro celdas de
humedales/filtros de arena de
144 m2 cada uno
Localizado en la Estación Experimental Fabio
Baudrit Moreno, UCR
Wetland/sandfilters
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Objective 2. Diseño e implementación del sistema de generación eléctrica solar-bio con
mezcla de sustratos
Paneles solares
Generadores
Solar-bioreactor
Bolsa de almacenamiento de gas
Quemador
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Objective 2. Diseño e implementación del sistema de generación eléctrica solar-bio con
mezcla de sustratos
Sandfilter/wetland
Filtro de arena
Humedal 1
Humedal vertical
Humedal 2
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OBJETIVO 3
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Objective 3. Evaluación técnica y económica
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Aproximadamente un 40%
de incremento en la
producción de gas
Objective 3. Evaluación técnica y económica
Balance de masa
Balance de masa para el sistema Solar-bio sobre 1,000 kg de mezcla estiércol y gallinaza
Biogas production from
anaerobic treatment
Methane: 18,000 L/day
Mixture of feedstocks:
Thermophilic CSTR
Total amount: 1,000 kg/day
Total solid: 10%
COD: 90 g/kg
Reaction temp.: 50°C
Retention time: 15 days
COD reduction: 50%
Total solid reduction:40%
Boiler
Bioenergy
Amount: 684 MJ/day
Generator
Liquid effluent
Amount: 595 kg/day
Total solid: 10 g/kg effluent
COD: 45 g/kg effluent
To wetland
Solid residue accumulated
from the CSTR
Amount: 360 kg/day wet solid
Dry matter: 15%
Generación de 66 kWh de electricidad por día
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Objective 3. Evaluación técnica y económica
Balance de energía
Energía generada sobre la base de 1,000 kg de mezcla de influente por día
Energía neta máxima generada diariamente
Salida de aproximadamente un 150% más de energía neta (máximo) generada por el
sistema solar – bioenergía; con el sistema en las condiciones óptimas.
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Objective 3. Evaluación técnica y económica
Reciclaje del agua
Desecho
orgánico
Condición
original
Digestor
anaeróbico
Efluente del
bidigestor
Filtro de
arena
Hemedal
vertical
Agua de la
primera celda
de
postratamiento
Agua
reciclada
Agua de la
segunda celda
de
postratamiento
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Objective 3. Evaluación técnica y económica
Analisis Económico del sistema propuesto (en desarrollo)
Generación de electricidad (Tarifa residencial)
Periodo recuperación inversión (años)
Solo bioreactor
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Sistema solar-bioreactor sin humedales
7
Sistema solar-bioreactor con humedales
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Generación de electricidad (Tarifa General)
Periodo recuperación inversión (años)
Solo bioreactor
6
Sistema solar-bioreactor sin humedales
4.5
Sistema solar-bioreactor con humedales
7
*: La temperatura del reactor es de 50°C. El costo de capital de un reactor solar-bio de 22 m3 es
de $ 30.000. el costo de capital para un tratamiento de 200 m2 humedal es de $ 15.000. La
generación de electricidad es de 66 kWh / día. El costo de la electricidad es de $ 0.17 para Tarifa
Residencial y de $ 0.26 para Tarifa General..
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Objective 3. Evaluación técnica y económica
UNIDAD PORTATIL
Unidad portatil de 500 L
Incluye: un reactor de 500 L , un panel solar de 2x1 m y un tanque de agua de 150 L
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OBJETIVO 4
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•1 taller (miembros del equipo de Costa Rica, Panamá, Nicaragua asistió) se
ha celebrado en la MSU a finales de 2011
•1 conferencia seminario se ha celebrado en la UCR en marzo, 2012
Objective 4.
Establecimiento de
un programa de
divulgación en
Centroamérica
•Una reunión con el sector industrial y la universidad se llevó a cabo durante la
visita de mayo a Nicaragua (2012)
•2 UCR estudiantes universitarios hicieron prácticas en MSU en 2012
•Una unidad digestor demostración a pequeña escala se ha fabricado en la
UNAN-León (Nicaragua).
•Un grupo de 13 estudiantes, tanto de MSU y UCR visitará la planta piloto en la
estación Fabio Baudrit como parte de un estudio multi-institucional en el
extranjero programa ofrecido por MSU y URC
Study abroad
Fabio Baudrit station, 2013
The first project conference
Costa Rica, 2012
Visiting UNAN-Leon
Nicaragua, 2012
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Equipo del proyecto.
Universidad Estatal de Michigan
Dr. Wei Liao
Dr. Dana Kirk,
Dr. Ajit Srivastava,
Dr. Dawn Reinhold
UNIVERSIDAD DE COSTA RICA.
Lorena Uribe Lorio, MSc
Dra Lidieth Uribe Lorio,
Ing Daniel Baudrit Ruiz, MSc.
Ing. Jose Alberto Miranda Chavarria MBA.
Ing. Jose Francisco Aguilar Pereira MSc
Financial Supports
The U.S. Department of State;
MUCHAS GRACIAS