Estado de generación de energía eléctrica a partir de biogas en la ciudad de Cuenca

Resumen

En este paper se va a tratar acerca el estado del arte del Generación de Energía Eléctrica a Partir del Biogás en la ciudad de Cuenca, se va a tratar acerca de cómo se genera a través de la producción del biogás desde un botadero de basura en la ciudad, además se recoge un compendio de la aplicación de esta tecnología, a nivel mundial, con el objetivo de mostrar su alta efectividad en el tratamiento de residuos sólidos biodegradables y ayudar a promover su empleo, principalmente en residuos poco aprovechados en Cuenca.

Índice de Términos—Biogás, Energía Eléctrica, Botadero de asura, Turbina.

Introducción

Según la Agencia Internacional de Energía [1] los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas) actualmente concentran el 80.3% de la matriz energética mundial y llegarían concentrar el 80% del total en 2035, cuando la matriz incluiría energía nuclear (6.4%), energías provenientes del petróleo (35.3%), gas natural (20.9%), carbón (24.1%), hidroelectricidad (2.1%) y energías renovables (11.2%). En el consumo de energía por fuentes, en el Ecuador, la electricidad es el 12% mientras que el gas licuado es el 10%.  La tercera parte de la electricidad se produce basada en térmicas. El 88% del consumo energético del Ecuador depende de los combustibles fósiles. En los ocho proyectos hidroeléctricos que este gobierno está construyendo se van a producir 2772 megavatios con una inversión de 4576 millones de dólares, sin considerar los costos de financiamiento, con excepción de Coca Codo. Esos son datos a septiembre del 2013 [2].

Fig. 1 Matriz energética Mundial

Fig.2 Matriz energética Ecuador

Generación de Energía Eléctrica a Partir del Biogás

Reciclaje

Según el Instituto Nacional de Estadísticas y Censos (INEC), en Ecuador el 15% de los hogares clasifican los desechos orgánicos, 17% plásticos y el 20% papel. Los resultados, también ubican a Cuenca (austro) como la urbe ecuatoriana que más recicla a escala nacional.

Después de siete años de aquel paso, Cuenca recicla mensualmente 170 toneladas de basura involucrando al 60% de los 505.585 habitantes de la ciudad. Este resultado coloca a la urbe como la primera en el país, la segunda es Quito con el 48% y Loja le sigue con el 45% de basura reciclada. [4]

Relleno Sanitario

El Relleno Sanitario es uno de los componentes del Complejo de Desarrollo Humano y Ambiental Pichacay  que está ubicado en la parroquia Santa Ana,  a 21 kilómetros de la ciudad de Cuenca.  Su operación inicio el 3 de septiembre de 2001 cumpliendo estrictas normas previstas para este tipo de equipamientos sanitarios.  El 14 de diciembre de 2002,  el Ministerio del Ambiente,  le otorgó la licencia ambiental.[6]

Por sus características técnicas,  ambientales, y de seguridad y salud ocupacional mantiene un sistema integrado de gestión en base a las normas internacionales ISO 9001,  ISO 14001 BSI OHSAS 18001. 

CARACTERISTICAS TECNICAS DEL RELLENO Cota de arranque del Relleno: 2619 msnm. Área total del equipamiento: 123 hectáreas. Peso promedio de desechos sólidos compactados: 480 toneladas/día.

CARACTERISTICAS TECNICAS DEL RELLENO 

Sistema de impermeabilización mixta: capa de arcilla de 20cm de espesor compactada (mínimo 90%  de prueba proctor estándar y geomembrana de polietileno de alta densidad de 150mm.  

Ductos de gas: construido con piedra y tubería perforada de polietileno de alta densidad de 150mm.  

Drenes de lixiviados: construidos con piedra,  tuberías perforadas de 160mm y geotextil no tejido 0,25 mm y permeabilidad de 45×10-2cm/s. 

Volumen promedio de generación de lixiviados: 100 m3dia 

Volumen de almacenamiento de lixiviados: fase 1: cuatro tanques de ferro cemento y tres tanques de tormentas,  capacidad total: 2550 m3/  fase 2: dos tanques de tormentas,  capacidad total: 2426m3.  

Sistema de operación del Relleno: mediante contrato con terceros. 

CERTIFICADOS INTERNACIONALES: Luego de las auditorías externas realizadas por parte de CONTEC, el Relleno Sanitario de Pichacay mantiene las siguientes Certificaciones internacional: ISO 14001:2004 Sistema de Gestión Ambiental.MONITOREO AMBIENTAL En forma permanente se realiza el monitoreo ambiental de:

Calidad de agua superficial (cinco puntos en el rio Quingeo y un punto en la quebrada Capelo).  

Calidad de agua subterránea (cuatro puntos de monitoreo).

Ruido Ambiental (frente de trabajo,  viviendas más cercanas al Relleno y en la comunidad El Chorro y Playa de los Ángeles).

Emisiones Gaseosas (biogás aire ambiente). [3].[4]

Biogás.

La calidad del gas será directamente proporcional a la calidad de basura que se obtenga del relleno sanitario, por eso se asegura que una parte fundamental del proceso está en las casas, donde se debe separar adecuadamente los desechos orgánicos e inorgánicos.

 Esto también incide en la potencia energética que produzca el moto generador. Pues mientras más puro el gas de los rellenos, es mejor.

Las bolsas de basura que se trasladan en los recolectores y se depositan en el relleno sanitario son el siguiente paso. Sin embargo aclara que para un mejor resultado la basura utilizada debe estar "madura". Esto significa que tenga un mínimo de cinco años bajo tierra para que el metano esté condensado. Por eso utilizan los desechos de la terraza del bloque uno, sellada hace cinco años.

Con las condiciones variables, causadas por un deficiente reciclaje, el metano que sale caliente de las terrazas es trasladado a una fosa por dos tuberías, donde inicia el proceso de purificación. En todo el proceso se evacuan gases como el dióxido de carbono, monóxido de carbono o sulfuro de hidrógeno.

Como el gas caliente no sirve porque está húmedo y sin condensar, desde las tuberías pasa a un proceso de enfriamiento y análisis completo de calidad y cantidad. Además se controla la presión, calidad y cantidad que finalmente pasará al motor electromecánico.[5]

Este motor tiene un sistema de bujías inteligentes que se encienden según la potencia de la chispa generada por la cantidad del metano. Es decir, si la cantidad de gas es muy buena, habrá necesidad de una pequeña chispa para dar esa explosión. Pero si es menor, habrá necesidad de una muy buena chispa para poder dar el mismo efecto.

La recomendación técnica es que el gas tenga un 35 por ciento de metano y un dos por ciento de oxígeno, pero las condiciones, al ser naturales, son difíciles de controlar. El penúltimo paso se da cuando, desde el motor, la energía obtenida del metano se va hacia la subestación eléctrica instalada en la parte exterior de la planta. Aquí se transforma la energía de 480 a 22.000 voltios, lo que a través de los postes va al Sistema Nacional Interconectado de Energía. [6], [7].

Generación de Energía Eléctrica con Gas

Las turbinas de gas son equipos capaces de transformar la energía química contenida en un combustible en energía mecánica, ya sea para su aprovechamiento energético o como fuerza de impulso de aviones, automóviles o barcos. En este artículo prestaremos atención a su papel como productor comercial de electricidad., ya sea de forma independiente, en cogeneración junto con turbinas de vapor, o en diseños híbridos con otras tecnologías renovables.

Pueden clasificarse según el origen de su desarrollo, por el diseño de su cámara de combustión y por su número de ejes. [8],[12].

Turbina de gas industrial: La evolución de su diseño se ha orientado siempre a la producción de electricidad, buscándose grandes potencias y largos periodos de operación a máxima carga sin paradas ni arranques continuos.[13]

Su potencia de diseño puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire a bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneración. Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamaño y peso, buscándose alargar lo más posible en el tiempo las revisiones completas del equipo. [8], [11], [13]

Fig.3. Turbina generadora de gas.

Ciclo de una Turbina de gas Simplemente con generador.

El rendimiento del ciclo de una turbina de gas, puede mejorarse con la adición de un regenerador. Se puede observar el ciclo en la gráfica siguiente:

Fig.4.Funcionamiento de la turbina.

Observe como el intercambiador de calor utiliza la energía en forma de calor de los gases de escape para calentar el aire de entrada a la cámara de combustión. [17]

Note que el ciclo 1-2×3-4-y -1, la temperatura de los gases que salen de la turbina en el estado 4, es más alta que la temperatura de los gases que salen del compresor: por lo tanto puede transmitirse calor de los gases de salida a los gases de alta presión que salen del compresor; si esto se realiza en un intercambiador de calor de contracorriente, conocido como regenerador, la temperatura de los gases que salen del regenerador Tx" pueden tener en el caso ideal, una temperatura igual a T4, es decir, la temperatura de los gases de salida de la turbina. En este caso la transmisión de calor de la fuente externa sólo es necesaria para elevar la temperatura desde Tx hasta T3 y esta transmisión de calor está representada por el área x-3-d-b-x; el área y-1-a-c-y y representa el calor cedido.

La influencia de la relación de presión en el ciclo simple de una turbina de gas con regenerador, se ve al considerar el ciclo 1-2"-3"-4-1; en este ciclo, la temperatura de los gases de salida de la turbina es exactamente igual a la temperatura de los gases que salen del compresor; por lo tanto, aquí no hay posibilidad de utilizar un regenerador. Esto puede verse mejor al determinar el rendimiento del ciclo de gas ideal de la turbina con regenerador.[18]

El rendimiento de este ciclo con regeneración se encuentra como sigue, donde los estados son:

Pero para el regenerador ideal, T4 = Tx y por lo tanto qH = wt; de donde,

Vemos, así, que para el ciclo ideal con regeneración el rendimiento térmico depende no sólo de la relación de presión, sino también de la relación de la mínima a la máxima temperaturas. También notamos que, en contraste con el ciclo de Brayton, el rendimiento disminuye al aumentar la relación de presión. El rendimiento térmico contra la relación de presión, para este ciclo. [19]

(7)

La efectividad o rendimiento de un regenerador está dada por el término rendimiento del regenerador; El estado x representa a los gases de alta presión que salen del regenerador. En el regenerador ideal habría una diferencia infinitesimal de temperaturas entre los dos flujos y los de alta presión saldrían del regenerador a la temperatura Tx" pero T3" = T4. En el regenerador real que debe operar a una diferencia de temperaturas finita Tx y, por lo tanto, la temperatura real que sale del regenerador, es menor que Tx". El rendimiento del regenerador se define Como, [20]

(8)

Si suponemos el calor que el calor específico es constante, el rendimiento del regenerador también está dado por la relación

(9)

Es bueno señalar que se puede alcanzar un rendimiento alto usando un regenerador con una gran área de transmisión de calor; sin embargo, esto también incrementa el descenso de presión, que representa una pérdida, y tanto el descenso de presión como el rendimiento del regenerador, deben considerarse para determinar que regenerador dará el máximo rendimiento térmico del ciclo. Desde el punto de vista económico, el costo del regenerador debe tomarse en cuenta para saber si justifica el ahorro que se obtendrá con su instalación y uso. [9], [10].

Arranque del Proyecto en Cuenca

Estado del Proyecto

Con la llegada del primer motor, entre junio y julio próximos, se prevé que la Planta de Biogás de la compañía de economía mixta EMAC-BGP ENERGY CEM (EBE), de la Empresa Municipal de Aseo (EMAC EP), produzca un megavatio de energía eléctrica.[11],[14]

La Planta de Biogás está ubicada en el Relleno Sanitario de Pichacay, en la parroquia Santa Ana y funcionará con el gas metano producido por los desechos.[14]

Ernesto Andrade, gerente de EBE, indicó que actualmente se realizan las obras civiles de la casa de máquinas, sitio donde se instalarán los generadores que producirán electricidad. El funcionario explicó que el gas se extraerá del relleno sanitario a través de tuberías de polietileno de alta densidad que llegarán a un colector.

Luego, por tuberías de mayor tamaño pasará a un bioprocesador, equipo que quitará el vapor del biogás para dejar un gas "seco". El combustible activará dos motores, pues la idea es generar dos megavatios de electricidad, que ingresará al Sistema Nacional Interconectado.

Santiago Vázquez, jefe de obra de la Planta de Biogás, dijo que una vez que llegue el motor iniciarán con las pruebas de funcionamiento y si todo sale según lo previsto, la producción de electricidad iniciaría en agosto de este año. Sostuvo también que el proyecto generará electricidad para abastecer a 8.000 familias, sin embargo, un motor "servirá para la mitad, es decir, 4.000", pero aclaró que no se trata de familias de la localidad puesto que la energía se distribuye mediante el Sistema Nacional Interconectado. [11]

Asimismo, señaló que EBE recibirá 11,08 centavos por cada kilovatio hora y estos recursos servirán para solventar la operatividad de la planta e invertir en más proyectos.

La Dra. Andrea Arteaga, gerente de la Empresa Municipal de Aseo (EMAC EP), informó que en abril se inaugurará la Planta de Esterilización de Desechos Infecciosos, en Pichacay. [11], [15], [16]

Conclusiones

Como se puede ver en este documento el arranque del proyecto se encuentra a pocos meses para ver la veracidad de la generación de energía a través del biogás además se debe tener en cuenta que este es un proyecto piloto para así poder tener una base para la implementación en los diferentes botaderos de basura además debemos tener en cuenta que este tipo de energía generado es limpia que quiere decir que no contamina ya que lo que se quema es gas metano que es un gas natural, esta implementación es importante porque nos ayuda a crecer en la generación de energía renovable y así cambiar la matriz de energía del país.[16]

Reconocimiento

Este trabajo está dedicado a las personas que trabajan constantemente para investigar e implementar la utilización de energías además de apoyar el reciclaje para así disminuir la contaminación ocasionada por botar los desechos de forma desordenada.

Referencias

• [1] Gas Natural (2015) visto ultima ves 2015-12-30. http://combustivelgasnatural.blogspot.com/2010/09/matriz-energetica-mundial.html.

• [2] Plan Investigación (2015) Ultima ves visto (30-12-2015) http://www.planv.com.ec/investigacion/investigacion/se-dice-el-milagro-y-el-santo/pagina/0/1

• [3] EMAC Cuenca (2015) Última visita (30-12-2015) http://www.emac.gob.ec/?q=content/relleno-sanitario-0

• [4] Noticias Andes (2015) Ultimas visto (30-12-2015). http://www.andes.info.ec/es/sociedad/cuenca-lidera-reciclaje-basura-ecuador-involucrando-60-sus-habitantes.html

• [5] El Tiempo (2015) Visto Ultima ves (30-12-2015) http://www.eltiempo.com.ec/noticias-cuenca/173899-inician-pruebas-en-planta-de-bioga-s/.

• [6] El Mercurio (2015) Visto Ultima ves (30-12-2015) http://www.elmercurio.com.ec/345680-electricidad-a-partir-del-biogas-de-los-desechos/.

• [7] El Tiempo (2015) Visto Ultima ves (30-12-2015) http://www.metroecuador.com.ec/noticias/en-agosto-iniciara-la-operacion-de-la-planta-de-biogas-en-cuenca/rUroen—Le6KsebfVxTU/

• [8] Turbinas de Gas (2015) Visto Ultima ves (30-12-2015). http://www.turbinasdegas.com/index.php/tipos-de-turbinas-de-gas

• [9] Energía Argentina (2015) Visto Ultima ves (30-12-2015). http://www.enarsa.com.ar/index.php/es/areasdenegocios/385-generaci%C3%B3n-de-energ%C3%ADa-el%C3%A9ctrica-a-partir-de-biog%C3%A1s

• [10] (2015) Visto Ultima ves (30-12-2015) Wikipedia https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_combinado

• [11]  General electric (2015) Visto Ultima ves (30-12-2015) http://www.ge-spark.com/spark/wuhan/es/ge-products/

• [12]  EMAC arranque de proyecto (2015) Visto Ultima ves (30-12-2015) http://www.emac.gob.ec/?q=content/la-planta-de-biog%C3%A1s-en-pichacay-iniciar%C3%A1-su-funcionamiento.

• [13] Revista ambiente (2015) Visto Ultima ves (06-01-2016) https://www.ambientum.com/revista/2002_05/TRBNSGAS1.asp

• [14]  El comercio (2015) Visto Ultima ves (06-01-2016) http://www.elcomercio.com/actualidad/cuenca-biogas-energiaelectrica-combustible-emac.html

• [15] Ministerio del ambiente (2015) Visto Ultima ves (06-01-2016) http://www.ambiente.gob.ec/cuenca-sera-la-primera-ciudad-del-pais-en-generar-electricidad-a-partir-de-sus-residuos/

• [16] La tarde (2015) Visto Ultima ves (06-01-2016) http://www.latarde.com.ec/2015/12/17/planta-de-biogas-inicio-quema-de-gases-toxicos-en-cuenca/

• [17] Opex Energy (2015) Visto Ultima ves (06-01-2016) http://opex-energy.com/ciclos/principios_de_Gas_CTCC.html

• [18] Turbinas de gas (2015) Visto Ultima ves (06-01-2016) http://www.turbinasdegas.com/index.php/principios-de-funcionamiento

• [19] Turbina de gas (2015) Visto Ultima ves (06-01-2016) http://www.edutecne.utn.edu.ar/maquinas_termicas/03-turbina_a_gas.pdf

• [20] Turbinas de gas http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/t-gas01.htm (1999) Visto Ultima ves (06-01-2016)

Autores

Marcos Xavier Peralta Verdugo.

Estudiante de Ingeniería Eléctrica, Técnico Electromecánico en Lácteos San Antonio.

Pedro José Rivera Quintero.

Estudiante de Ingeniería Eléctrica.

Universidad Politécnica Salesiana.