Estimación del Potencial Eléctrico del Biogás Obtenido de Biomasa Residual Bovina y Porcina en ZNI de Colombia

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Resumen

This research presents an integrated point of view about the full process of biogas production, starting from livestock waste and its transformation to electricity. Also, it looks for the general way to stimate the maximum potential of the waste (Pr), the usable theoretical potential (Pteo) and the technical potential (Ptec) of biogas produced by the anaerobic digestion of bovine and porcine biomass waste. The analysis was mainly oriented to non-interconnected zones (ZNI) where the waste availability and the electricity supply needs force to find energetic alternatives. Biogas production is estimated using the Anaerobic Digestion Model No 1 (ADM1). While the energy potentials are calculated taking into account the operational parameters of the technologies involved in the biogas-electricity conversion process. These conversion technologies include fuel cells (CC), gas turbines (TG) and internal combustion engines (MCI), which are analyzed from a review of the literature and the application of different mathematical models. All models were implemented and integrated in a simulation environment developed in MATLAB/Simulink® that facilitate and expedite its use. Additionally, a methodology is formulated to estimate the Pr, the Pteo and the Ptec. At the same time, it identify the ZNI of Colombia where the power generation systems from biogas (SGEB) have better perspectives for its implementation. This methodology is also able to determine the amount of waste needed to supply a specific electrical demand. In order to present the functionality of the proposed methodology and the implemented models, two possible scenarios of application in the ZNI were simulated, one for anaerobic digestion of cattle slurry and the other for the swine manure. The maximum biogas potential generated by the anaerobic digestion of 100% of bovine and porcine biomass waste of all the ZNI is over to 32000 and 600 GJ/day, respectively. At the same time, the estimated theoretical potential, taking into account a residual biomass recovery factor of 12,5%, is around 3800 GJ / day for cattle slurry and 81 GJ/day for swine manure. Meanwhile, to determine the electrical potential, 40, 30 and 50% biogas-electricity conversion efficiencies were considered in conversion modules based on MCI, TG and CC, respectively. For the technology with the lowest efficiency (TG) the technical potential was 320,83 MWh/day for the bovine industry and 6,83 MWh/day for the swine industry. Assuming an average consumption per user of 5,06 kWh, cattle slurry from all the ZNI could supply 63400 households and 1348 households with swine manure.

Descripción

Esta investigación presenta una visión integrada sobre el proceso completo de producción de biogás a partir de residuos pecuarios y su posterior conversión a electricidad. Además, busca de manera general estimar el potencial máximo del residuo (Pr), el teórico aprovechable (Pteo) y el técnico (eléctrico - Ptec) del biogás que es producido por la digestión anaerobia (DA) de biomasa residual bovina y porcina. El análisis está orientado principalmente a las zonas no interconectadas (ZNI) de Colombia, donde la disponibilidad de residuos y las necesidades de abastecimiento eléctrico hacen necesario buscar alternativas energéticas sostenibles. La producción de biogás es estimada usando el Anaerobic Digestion Model No 1 (ADM1). Mientras que los potenciales energéticos son calculados teniendo en cuenta los parámetros operacionales de las tecnologías involucradas en el proceso de conversión de biogás-electricidad. Estas tecnologías de conversión incluyen celdas de combustible (CC), turbinas de gas (TG) y motores de combustión interna (MCI), las cuales son analizadas a partir de una revisión de la literatura y la aplicación de diferentes modelos matemáticos. Todos los modelos son implementados e integrados en un entorno de simulación desarrollado en MATLAB/Simulink®, con el fin de facilitar y agilizar su uso. Adicionalmente, se formula una metodología que permite estimar el Pr, el Pteo y el Ptec, y al mismo tiempo, identificar las ZNI de Colombia donde los sistemas de generación de energía eléctrica a partir de biogás (SGEB) tienen mejores perspectivas para su implementación. Esta metodología también es capaz de determinar la cantidad de residuo necesario para abastecer una demanda eléctrica específica. Para presentar la funcionalidad de la metodología propuesta y los modelos implementados, se simularon dos posibles escenarios de aplicación en las ZNI, uno para la biomasa residual bovina y el otro para la biomasa residual porcina. El potencial máximo del biogás generado por la descomposición anaerobia del 100% de los residuos bovinos y porcinos de todas las ZNI es superior a los 32000 y 600 GJ/día, respectivamente. A su vez, el potencial teórico estimado, tomando en cuenta un factor de recuperación de la biomasa residual del 12,5%, está alrededor de 3800 GJ/día para el residuo bovino y 81 GJ/día para el residuo porcino. Entre tanto, para determinar el potencial eléctrico se consideraron eficiencias de conversión biogás-electricidad del 40, 30 y 50 % en módulos de conversión basados en MCI, TG y CC respectivamente. Para la tecnología con menor eficiencia (TG) el potencial técnico fue de 320,83 MWh/día para la industria bovina y 6,83 MWh/día para la industria porcina. Si se asume un consumo promedio por usuario de 5,06 kWh, los residuos bovinos de todas las ZNI podrían abastecer 63400 hogares y los residuos porcinos 1348 hogares.

Palabras clave

Biogás, Desarrollo Sostenible, Digestión Anaerobia, Energía Renovable, Generación de Energía Eléctrica, Residuos Pecuarios

Materias

INGENIERÍA ELÉCTRICA - TESIS Y DISERTACIONES ACADÉMICAS , BIOGÁS , BIOMASA , GENERACIÓN DE ENERGÍA

Citación