Tesis / 0039 / I.M. by MAOSABO

ESTUDIO DE LA IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS CON HIDRÓGENO, PRODUCIDO A PARTIR DE BIOMASA, PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN ZONAS NO INTERCONECTADAS.

MONOGRAFÍA PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO MECATRÓNICO

AUTORES: JUAN CARLOS PATIÑO VEGA JUAN CAMILO MANCERA DIAZ

Director. MsC. ING. GLORIA JIDITH PALACIO OSORIO

FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD MECATRONICA BOGOTA D.C 2015

ESTUDIO DE LA IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS CON HIDRÓGENO, PRODUCIDO A PARTIR DE BIOMASA, PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN ZONAS NO INTERCONECTADAS.

MONOGRAFÍA PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO MECATRÓNICO

AUTORES: JUAN CARLOS PATIÑO VEGA JUAN CAMILO MANCERA DIAZ

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO MECATRONICO.

DIRECTOR DE MONOGRAFIA: GLORIA JUDITH PALACIO OSORIO

FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD MECATRONICA BOGOTA D.C 2015

NOTA DE ACEPTACIÓN: _________________________ __________________________ _________________________

_________________________ Firma de jurado

__________________________ ING. GLORIA JUDITH PALACIO OSORIO Director.

CONTENIDO TABLA DE FIGURAS ............................................................................................ 11 TABLA DE CUADROS .......................................................................................... 12 RESUMEN ............................................................................................................ 13 INTRODUCCION .................................................................................................. 14 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................... 15 OBJETIVOS .......................................................................................................... 16 OBJETIVO GENERAL ....................................................................................... 16 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................. 16 JUSTIFICACION ................................................................................................... 17 1

ZONAS NO INTERCONECTADAS (ZNI) EN COLOMBIA............................. 18 1.1

Ubicación geografía. ................................................................................. 18

1.2

Zona 1. Chocó – atrato: ............................................................................ 20

1.2.1

Clima .................................................................................................. 20

1.2.2

Situación eléctrica .............................................................................. 20

1.3

Zona 2. Litoral pacífico choco: .................................................................. 21

1.3.1

Clima .................................................................................................. 21

1.3.2

Situación eléctrica .............................................................................. 21

1.4

Zona 3. Litoral pacífico (nariño/cauca): ..................................................... 21

1.4.1

Clima .................................................................................................. 21

1.4.2

Situación eléctrica .............................................................................. 21

1.5

Zona 4. Rió meta casanare (meta, casanare, arauca, vichada): .............. 22

1.5.1

Clima .................................................................................................. 22

1.5.2

Situación eléctrica .............................................................................. 22

1.6

Zona 5. Rió guaviare (meta, guaviare, vichada, guainia): ......................... 22

1.6.1

Clima .................................................................................................. 22

1.6.2

Situación eléctrica .............................................................................. 22

1.7

Zona 6. Ríos caquetá y caguán: ............................................................... 23

1.7.1

Clima .................................................................................................. 23

1.7.2

Situación eléctrica .............................................................................. 23

1.8

Zona 7. Rio putumayo (putumayo, amazonas): ........................................ 23

1.8.1

Clima .................................................................................................. 23

1.8.2

Situación eléctrica .............................................................................. 23

1.9

Zona 8. Amazonas: ................................................................................... 23

1.9.1

Clima .................................................................................................. 23

1.9.2

Situación eléctrica .............................................................................. 24

1.10

Zona 9, 10, 11. Vaupés, Guainía y Vichada: ......................................... 24

1.10.1

Clima ............................................................................................... 24

1.10.2

Situación eléctrica ........................................................................... 24

1.11

Zona 13. San Andrés y providencia: ...................................................... 25

1.11.1

Clima ............................................................................................... 25

1.11.2

Situación eléctrica ........................................................................... 25

PRODUCCIÓN DE BIOMASA EN COLOMBIA ............................................. 25

3 UBICACION GEOGRAFICA EN COLOMBIA DE LOS RECURSO RENOVABLES...................................................................................................... 27 3.1 4

Viento y Radiación solar global promedia anual en Colombia .................. 27

PROCESOS PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDROGENO. ........................... 28 4.1

Características del Hidrógeno ................................................................... 30

4.2

Electrolisis de agua. .................................................................................. 31

4.3

Descomposición de gas natural por arco de plasma ................................ 33

4.4

Reformado de hidrocarburos y metanol. ................................................... 33

4.5

Biohidrógeno a partir de residuos. ............................................................ 36

4.5.1

Descripción del proceso. .................................................................... 36

4.6

Descomposición de gas natural por arco de plasma ................................ 39

4.7

Energía térmica ........................................................................................ 41

5 SISTEMAS DE ENERGÍAS RENOVABLE UTILIZADO EN LA PRODUCCION DE HIDROGENO. ................................................................................................. 43 5.1

Energía Eólica .......................................................................................... 43

5.1.1

Energía Eólica en Colombia ............................................................... 43

5.2

Funcionamiento ........................................................................................ 43

5.3

Energía Solar ............................................................................................ 44

5.3.1

Energía Fotovoltaica en Colombia. .................................................... 45

5.3.2

Centrales Fotovoltaicas ...................................................................... 45

5.3.2.1 5.3.3

Central fototermica ............................................................................. 47

5.3.3.1 5.4

Funcionamiento ........................................................................... 46 Funcionamiento ........................................................................... 48

Energía Mareomotriz ................................................................................ 49

6 SISTEMAS HÍBRIDOS EN LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON HIDRÓGENO O “SHGEE”. ................................................................................... 51 6.1

Funcionamiento. ....................................................................................... 51

6.2

Clasificación. ............................................................................................. 52

6.2.1

Estructura Serie.................................................................................. 52

6.2.1.1

Sistema tradicional. ..................................................................... 52

6.2.1.2

Sistema con generador de hidrogeno .......................................... 53

6.2.1.3

Celda microbiana por biomasa. .................................................. 54

6.2.1.4

Eficiencia de la celda ................................................................... 55

6.2.1.5

Almacenamiento de hidrogeno .................................................... 56

6.2.1.6

Inversor ........................................................................................ 57

6.2.2

Estructura Paralelo ............................................................................. 57

Sistemas tradicionales ventajas y desventajas. ............................................. 59

Sistemas híbridos. ......................................................................................... 65

Conclusiones ................................................................................................. 68

Glosario ...................................................................................................... 69

Bibliografía ............................................................................................................ 70

TABLA DE FIGURAS

Figura 1: ZNI en Colombia ..................................................................................... 19 Figura 2. ZNI por grupos ........................................................................................ 20 Figura 3: Mapa radiación solar y velocidad media del viento. ................................ 28 Figura 4. Producción de hidrogeno ........................................................................ 29 Figura 5. Se clasifican los métodos de producción de hidrogeno en tres procesos globales de los cuales solo dos de ellos convergen hacia la producción de energía eléctrica-electrolisis. ............................................................................................... 30 Figura 6. Celada de Hidrogeno .............................................................................. 32 Figura 7. Producción de hidrogeno por plasma ..................................................... 33 Figura 8. Producción de hidrogeno por hidrocarburos ........................................... 34 Figura 9. Sensor de ph/ORP .................................................................................. 37 Figura 10. Producción de hidrogeno por residuos orgánicos ................................. 39 Figura 11. Proceso de gasificación por plasma en cinco etapas. .......................... 40 Figura 12. Central Eólica ....................................................................................... 44 Figura 13. Central Fotovoltaica .............................................................................. 47 Figura 14. Central solar térmica ............................................................................. 48 Figura 15. Modelo Mareomotriz ............................................................................. 50 Figura 16. Modelo Mareomotriz ............................................................................. 50 Figura 17. Estructura Serie .................................................................................... 52 Figura 18. Estructura Serie con hidrogeno ............................................................ 54 Figura 19. Celda de combustible microbiana. ........................................................ 56 Figura 20. Estructura Paralelo ............................................................................... 58

TABLA DE CUADROS Cuadro 1. Rango de potencia de plantas en ZNI .................................................. 19 Cuadro 2. Producción de biomasa residual en Colombia. ..................................... 26 Cuadro 3. Propiedades físicas. .............................................................................. 31 Cuadro 4. Rango de temperatura del sensor ........................................................ 37 Cuadro 5. Clases de termólisis .............................................................................. 42 Cuadro 6. Radiación Solar en las regiones de Colombia. ...................................... 45 Cuadro 7. Tipos de Celdas Microbianas y sus productos. ..................................... 54 Cuadro 8. Ventajas y desventajas Energía Geotérmica. ....................................... 59 Cuadro 9. Ventajas y desventajas Energía Solar................................................... 60 Cuadro 10. Ventajas y desventajas Energía Biomasa. .......................................... 61 Cuadro 11. Ventajas y desventajas Energía Mareomotriz. .................................... 63 Cuadro 12. Ventajas y desventajas Energía Nuclear............................................. 64 Cuadro 13. Ventajas y desventajas Usos del hidrogeno. ....................................... 65 Cuadro 14. Mecanismos de producción de biohidrógeno. ..................................... 66 Cuadro 15 Ventajas y desventajas de los sistemas híbridos. ................................ 67

RESUMEN Las zonas No Interconectadas en Colombia, son los Municipios, corregimientos, localidades y caserios no conectados al Sistema Interconectado Nacional de Energía Eléctrica. Los recursos encontrados en estas zonas son ilimitados, Colombia, por su posición geoespacial, presenta enormes potenciales de recursos energéticos alternativos renovables y no renovables, como son: Sol, viento, recursos hídricos, biomasa, energía de los océanos y geotermia Los recursos energéticos alternativos son especialmente adecuados para las aplicaciones descentralizadas e innovadoras al tratarse de recursos dispersos. Por otra parte, promover este tipo de recursos a nivel mundial, es una de las soluciones al problema de la diversificación e independencia energética de cada comunidad, ha dado lugar en Colombia a una preocupación de las distintas entidades relacionadas con la energía, empresas y profesionales del sector, por conocer los recursos renovables para incluirlos en las planificaciones energéticas o en los estudios futuros. La producción de hidrogeno abarca muchos métodos entre ellos está el reformado por vapor, electrolisis del agua, descomposición por arco de plasma, por celdas microbianas. Son procesos que dependiendo de la facilidad de materia prima, herramientas y equipos se pueden ser desarrollados en las zonas no interconectadas Integrando la iniciativa de energías renovables, junto con la producción de hidrogeno nacen los sistemas híbridos para la producción de energía eléctrica partir de residuos orgánicos. Tomar un desecho y convertirlo en energía para calentar una casa, suplir las necesidades básicas energéticas, de una comunidad que no cuenta con un servicio de red eléctrica como el resto del país. Para los sistemas hibrido se tienen diferentes configuraciones, dependiendo de la zona interconectas en la que se encuentren, del recurso energético domínate y de la cantidad de población que allí habite. Este sistema puede funcionar con varios tipos de desechos, orgánicos, animales hasta con aguas residuales. Pero se ha escogido la biomasa, como fuente central, debido a que su fácil manejo, se encuentra en cualquier lugar y los pocos residuos que resultan al final del proceso, se pueden reutilizar en el campo.

INTRODUCCION

Se puede llamar: “híbrido” a un sistema de generación que se compone por fuentes convencionales y no convencionales, también se le puede decir híbrido al sistema integrado por más de una fuente, renovable o no. En éste sentido, se puede hallar sistemas híbridos renovables. Por tanto, el estudio de la temática a tratar en ésta monografía se refiere como híbrido al sistema conformado por fuentes de energía no convencionales, incluyendo fuentes de energía convencionales. Los sistemas de desarrollo limpio, se dan a conocer como unidades de generación totalmente renovables y no contaminantes, por lo tanto para éste estudio, no se incluyen sistemas convencionales de generación como pueden ser los grupos electrógenos, plantas diésel o a gas natural. Por consiguiente, es posible reemplazar tecnologías contaminantes con esta idea, sin embargo, para algunas regiones no cubiertas por los sistemas de conexión eléctrica, se puede lograr un equilibrio que permita hacer viable y sustentable la operación de un esquema conjunto de generación hibrida, que aproveche los recursos energéticos disponibles del medio en el que se encuentran y cuente con un soporte como el ya disponible en gran cantidad en las ZNI.

Los costos individuales de propuestas de generación no convencional al momento de implementar el sistema, pueden ser mayores a diferencia de una conexión de energía eléctrica de la red. Sin embargo, la propuesta consiste en mezclar las ventajas de varias fuentes, y gracias a la reducción de la fuente al consumidor, que de hecho para ZNI es muy alto por eso no se ha implementado, proporcionar una solución a un costo viable y técnicamente posible. Además al reducir cargos como el costo de combustible en plantas diésel o a gas natural, éste tipo de generadores se convierten en reserva del sistema de manera que solo se utiliza en casos de alta demanda, durante pocas horas y cada dos o tres semanas. Así mismo hay disminución en el costo de operación, mantenimiento y de emisiones contaminantes de la máquina.

Las tecnologías de generación no convencional, son cada vez más eficientes y de menor costo, pueden competir con los costos del sistema interconectado y siguen siendo objeto de estudio y desarrollo. Los sistemas más promisorios y con mejores resultados ya implementados a nivel mundial son el eólico y el fotovoltaico. 14

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Los sistemas ya implementados de generación de energía no disponen de un cubrimiento total, por el contrario es posible evidenciar que hay problemas de calidad y confiabilidad en las instalaciones eléctricas actuales. Las zonas que no pertenecen a los sistemas de cableado eléctrico, son casi siempre de bajo consumo eléctrico, o de difícil acceso para la instalación a la red. Lo anterior resulta en una situación tanto económica como técnicamente inviable. Es así como en las poblaciones alejadas de la red, es muy posible encontrar un suministro intermitente y con parámetros de calidad muy bajos. Estas zonas de difícil acceso y lugares de baja calidad de servicio, son el objetivo de estudio para el suministro de energía utilizando sistemas híbridos, que consisten en la utilización de varias fuentes de energía alternativas para convertirlas en energía eléctrica según la disponibilidad de recursos y la demanda de una región.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL Investigar los diferentes sistemas híbridos con hidrógeno para la generación de energía eléctrica Zonas No Interconectadas, teniendo en cuenta las condiciones climáticas que allí intervienen y la materia prima para su generación.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Examinar los métodos para generar energía eléctrica a partir de sistemas híbridos que empleen Hidrógeno como combustible



Investigar las tecnologías existentes para originar energía eléctrica a partir del hidrogeno.



Analizar la producción energía eléctrica mediante sistemas tradicionales y sistemas híbridos con Hidrógeno



Reconocer las ventajas y desventajas de la producción de Hidrógeno con los sistemas híbridos.

JUSTIFICACION

El cambio o la implementación de nuevos sistemas de potencia en las zonas no interconectadas – ZNI, surge de las necesidades para generar energía eléctrica. Por lo tanto, se da lugar a equipos cada vez más compactos, eficientes y amigables con el medio ambiente. Estos sistemas traen consigo un beneficio el cual implica una reducción de las distancias entre la fuente y el usuario de la energía eléctrica; pero también es una oportunidad para aprovechar las pequeñas fuentes de energía con las que cuentan las regiones, incluso haciendo parte de un sistema interconectado. Es decir, se pueden tomar sistemas ya implementados en actual funcionamiento, poco rentables, perjudiciales para el medio ambiente e incorporarlos con sistemas renovables. En éste orden de ideas se pueden estudiar sistemas, que a partir de desechos que generen hidrogeno, se pueda emplear como fuente de energía, para luego ser utilizado en momentos de alta demanda. Sin embargo, para la generación del hidrogeno se necesita cierta cantidad de energía eléctrica, es allí en donde convergen la fuentes renovables con los sistemas de producción de hidrogeno. En este sentido, el estudio realizado en ésta monografía permite conocer el valor energético del hidrogeno y sus múltiples formas para ser almacenado y empleado como fuente de energía eléctrica renovable y amigable con el medio ambiente en ZNI.

ZONAS NO INTERCONECTADAS (ZNI) EN COLOMBIA.

Las zonas No Interconectadas en Colombia, son los Municipios, corregimientos, localidades y caserios no conectados al Sistema Interconectado Nacional de Energía Eléctrica. Según el (Artículo 1 de la ley 855 de 2003) algunas de estas zonas son San Andres, Providencia, Santa Catalina, Leticia, Capurgana entre otras. En estas zonas donde se observa la necesidad de buscar soluciones mediante servicios asequibles a un grupo determinado de personas, es vital aprovechar al máximo los recursos naturales que la zona geográfica ofrezca permitiendo soluciones sostenibles a corto y largo plazo, Las ZNI se encuentran aisladas de un territorio por lo que no cuentan con una infraestructura determinada que permita un fácil acceso de abastecimiento, requieren alternativas viables que causen el menor impacto sobre el ecosistema, aportando al desarrollo autónomo de grandes regiones, creando un valor sociocultural respecto a uso de los recursos naturales. Para definir una ZNI, se define su ubicación geográfica las diferentes rutas de acceso, el costo para conectarla a la red principal de acuerdo a las restricciones, índice de pérdida o disponibilidad de servicio [1].

En Colombia se empezaron a tomar decisiones respecto a las ZNI mediante la oficina para la mitigación del cambio climático, donde se expuso un plan de trabajo cuyo objetivo primordial se fundamenta en satisfacer las necesidades de pueblos marginados, al promover programas y subprogramas de investigación y desarrollo para innovar con proyectos tecnológicos sin dejar de lado la efectividad respecto a la menor cantidad de emisión de gases.

1.1

Ubicación geografía.

La Ley 143 de 1994 (Ley Eléctrica), define en su Artículo 11º como Zona No Interconectada, aquellas áreas geográficas en donde no se presta el servicio público de electricidad a través del Sistema Interconectado Nacional. Esta zona se subdivide en la Continental y la Insular como se puede ver en la Figura 1. La primera comprende Zonas No Interconectadas ubicadas en los siguientes departamentos: Amazonas, Antioquia, Arauca, Caquetá, Casanare, Cauca, Chocó, Guainía, Guaviare, Meta, Nariño, Putumayo, Vaupés y Vichada y la segunda, las islas de San

Andrés y Providencia. A continuación se muestra la distribución geográfica correspondiente a la Zona Interconectada (SIN) y a la Zona No Interconectada (ZNI). Figura 1: ZNI en Colombia

Fuente: [2]. En las ZNI se encuentran localizadas 1075 plantas de generación diésel que suman un total de 199,629,3 kW . A continuación el cuadro 1 presenta el total de plantas localizadas en las Zonas No Interconectadas clasificadas de acuerdo con el rango de potencia. Cuadro 1. Rango de potencia de plantas en ZNI RANGO DE POTENCIA (kW) 0-20 21-40 41-60 61-80 81-100

4,4 4,7 5,8 4,6 7,8

# DE PLANTA S 307 293 172 59 31

101-120 121-140 141-160 161-180 181-200

7,9 8,9 9,3 7 7,8

45 21 16 5 6

Fuente: [3]. Según el Instituto de planificación y promoción de soluciones energéticas para las zonas no interconectadas “IPSE” en el 2011 clasifico las ZNI en 13 grupos en el territorio nacional de la siguiente manera mostrada en la Figura 2: Figura 2. ZNI por grupos

Fuente: [3]. 1.2 Zona 1. Chocó – atrato: 1.2.1 Clima Clima intertropical lluvioso. Junto con el área de Cherrapunji, en el noreste de la India, es la zona de más alta pluviosidad en todo el planeta con más de 9.000 mm de precipitaciones anuales. Temperatura promedio 27 grados Celsius [4]. 1.2.2 Situación eléctrica El Sistema Interconectado Nacional (SIN) se ha extendido hasta el departamento del Chocó con las siguientes líneas de subtransmisión a alto voltaje de 110 kV. BOLOMBOLO -QUIBDÓ 110 kV, QUIBDÓ- CERTEGUI -ITSMINA 110 kV, 20

VIRGINIA- CERTEGUI 115 kV; Las dos subestaciones más importantes del Chocó son la de Quibdó y la de Certegui [5].

1.3 Zona 2. Litoral pacífico choco: 1.3.1 Clima En toda la región impera el clima tropical húmedo de selva, con temperaturas mayores de 24 grados todo el año y lluvias permanentes, en Lloró, una de las zonas más lluviosas del mundo. La región está recorrida por caudalosos y profundos ríos. 1.3.2 Situación eléctrica Sólo algunos poblados disponen de unas horas de luz eléctrica, por medio de una planta que a menudo no funciona por falta de combustible o de un prepuesto de mantenimiento. Carece de instalaciones sanitarias, servicio de agua y defensa contra los insectos, alumbrado eléctrico y el menaje es reducido al mínimo [2]. 1.4 Zona 3. Litoral pacífico (nariño/cauca): 1.4.1 Clima NARIÑO El clima es tropical. La clasificación del clima de Köppen-Geiger es Aw. Se encuentra una temperatura media anual en Nariño se encuentra a 27.8 °C. La precipitación es de 1232 mm al año [6]. CAUCA Es variado debido a que el departamento es atravesado por la cordillera oriental, por lo tanto se cuenta hacia el norte y zonas costeras con clima caliente de entre 22 y 35 grados centígrados, el centro del departamento incluido el municipio de Popayán cuenta con clima templado de entre 12 y 18 grados centígrados, con mañanas de calor y noches frías, en los departamentos del sur de cauca la temperatura es fría debido a la zona de cordillera, con temperatura de entre 9 y 12 grados centígrados [7].

1.4.2 Situación eléctrica El gobernador del Cauca, Temístocles Ortega Narváez, informó que el proyecto de interconexión eléctrica del Litoral ha avanzado en un 90 por ciento, sin embargo no se ha podido finalizar porque algunas comunidades de El Patía, se oponen a la instalación de las torres conductoras de las fibras [2].

1.5 Zona 4. Rió meta casanare (meta, casanare, arauca, vichada): 1.5.1 Clima CASANARE La temperatura varía de 22 a 27 °C. El clima cambia de húmedo en la zona del piedemonte llanero, a frío en la zona andina (18 a 20 °C), pasando por un clima tropical en la zona de sabana (unos 27 °C, lluvioso en invierno, seco en verano) [8]. ARAUCA Se encuentran vientos alisios del noreste y del sureste, el desplazamiento de la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT) y la cordillera Oriental. El régimen de lluvias es básicamente monomodal. En Arauca se encuentran los pisos térmicos cálido, templado, frío y nival. 1.5.2 Situación eléctrica Tomando como fuente el censo DANE se calculó que el 91.6% de las viviendas tiene energía eléctrica [2]. 1.6 Zona 5. Rió guaviare (meta, guaviare, vichada, guainia): 1.6.1 Clima META Las precipitaciones varían desde 2.000 mm, en las partes altas de la cordillera, hasta los 6.000 mm Entre diciembre y marzo se presenta el período más seco, debido a que los vientos alisios del noreste son los dominantes en esta época del año y desplazan hacia el sur la ZCIT. La temperatura del departamento varía desde un promedio de 6°C, en el páramo, hasta temperaturas promedio de más de 24°C en la llanura. De acuerdo con la variación de altura que hay en el departamento, el 1,44% de su superficie es páramo, 4,47% está en el piso climático frío, 5,06% en el medio, y 89,03% en el cálido [8]. GUAVIARE Presentan el piso térmico cálido y su clima es de transición entre el de la sabana periódicamente húmeda de la Orinoquía y el súper húmedo de la selva ecuatorial del Amazonas. La precipitación anual oscila entre los 2.000 y los 3.500 mm. La temperatura en el día alcanza 25° a 30 °C, bajando en las noches inclusive a los 12 °C [9]. 1.6.2 Situación eléctrica Esta zona tiene una cobertura con energía eléctrica del 59,39% [2].

1.7 Zona 6. Ríos caquetá y caguán: 1.7.1 Clima CAQUETA Los vientos alisios del sureste traen la humedad de la cuenca amazónica entre junio y agosto y dan lugar a un régimen de lluvias monomodal, es decir, a una sola estación pluviosa durante todo el año. Se encuentra en mayor proporción en el piso térmico cálido húmedo (91,3%), el resto del territorio se localiza en los pisos templado (5,6%), frío (2,8%) y muy frío a extremadamente frío (0,3%) [11]. 1.7.2 Situación eléctrica En esta zona 11 de los 16 municipios del departamento de Caquetá se encuentran con una cobertura de energía eléctrica del 100% en la cabecera municipal. 1.8 Zona 7. Rio putumayo (putumayo, amazonas): 1.8.1 Clima PUTUMAYO Las precipitaciones inicialmente están entre los 2.300 y 3.500 mm. La llanura se caracteriza por las altas temperaturas superiores a los 27 °C, con una precipitación promedio anual de 3.900 mm. Sus tierras se distribuyen en los pisos térmicos cálido, templado y bioclimático páramo [12]. 1.8.2 Situación eléctrica Esta zona tiene una cobertura con energía eléctrica del 61,11% [2]. 1.9 Zona 8. Amazonas: 1.9.1 Clima El clima de esta zona está influenciado por tres grandes sistemas de circulación atmosférica, debido a su localización sobre la línea ecuatorial en la que actúan la franja tropical de los vientos alisios. Las precipitaciones son superiores a los 3.000 mm anuales, alcanzando valores cercanos a 5.500 mm/año en la parte andina al nor-occidente de la región, a alturas aproximadas a los 2.100 m sobre el nivel medio del mar. Para las bajas temperaturas se puede determinar un período “ecológicamente frío”, que, corresponde a los meses de junio a agosto; así mismo, se identifica un período “ecológicamente cálido” que se presenta groso modo, durante los meses de noviembre a marzo. Los demás meses presentan temperaturas dentro del intervalo de la media.

La temperatura en la región presenta valores promedios entre 22°C y 24°C con valores extremos entre 10°C en la parte andina, al nor-occidente de la región, y 28°C en la llanura amazónica al sur-oriente de la misma. En síntesis, el clima predominante en la región corresponde al tipo megatérmico per-húmedo presentando alguna variación al megatérmico húmedo [10]. 1.9.2 Situación eléctrica Esta zona tiene una cobertura con energía eléctrica del 51,11% [2].

1.10 Zona 9, 10, 11. Vaupés, Guainía y Vichada: 1.10.1 Clima GUAINIA Se puede encontrar condiciones climáticas de transición entre el tipo de sabana tropical, alternada húmeda y seca. Las temperaturas son altas durante todo el año, con promedios superiores a los 27°C. Las lluvias en el sur, donde se inicia la selva amazónica, son abundantes y sobrepasan los 3.000 mm anuales. Sus tierras están comprendidas en el piso térmico cálido [11]. VAUPES Presenta el piso térmico cálido, con temperaturas que oscilan entre los 27 y los 30° C, dependiendo de la época del año. Sus lluvias son abundantes, superando los 3.000 milímetros anuales [12]. Vichada Se encuentran vientos alisios del noreste y sureste y por la Zona de Convergencia Intertropical. Se encuentra precipitaciones promedio anual menor de 1.500 mm; una franja intermedia, al centro y norte del territorio, presenta lluvias anuales entre 1.500 y 2.000 mm; la más lluviosa, al sur, registra promedios anuales superiores a 2.000 mm. El régimen de lluvias es básicamente monomodal, con una temporada húmeda que comprende los meses de abril a octubre. Sus tierras están comprendidas en el piso térmico cálido, donde la temperatura media anual sobrepasa los 25°C [13]. 1.10.2 Situación eléctrica Esta zona tiene una cobertura con energía eléctrica del 21,11% [2].

1.11 Zona 13. San Andrés y providencia: 1.11.1 Clima Por su localización en la zona intertropical, el archipiélago se caracteriza por las altas temperaturas que registran un promedio anual de 27,3°C. La influencia de los vientos alisios, que soplan del noreste, determina en parte las épocas lluviosas que comienzan en el mes de mayo, y alcanzan su máximo en los meses de octubre y noviembre prolongándose hasta diciembre; durante estos meses se registra el 80% de la lluvia anual, que en promedio es de 1.700 mm. Las altas temperaturas y los vientos se conjugan en un clima cálido semihúmedo [1]. 1.11.2 Situación eléctrica Esta zona tiene una cobertura con energía eléctrica del 82,4% [2].

PRODUCCIÓN DE BIOMASA EN COLOMBIA

Los usos potenciales de la biomasa como fuente alternativa de energía y sus posibles esquemas tecnológicos de aprovechamiento, exigen que se profundice en el conocimiento de los aspectos específicos relacionados con su oferta, composición y potencial energético, la ventaja de esta fuente energética es la gran producción a nivel nacional, está presente en todos los departamentos del país, ahora para el estudio, solo se toma el potencial de la biomasa en Colombia Figura 3, el sistema también puede funcionar, con otro tipo de residuos no mencionados en el estudio.

Cuadro 2. Producci贸n de biomasa residual en Colombia.

Fuente [14]

UBICACION GEOGRAFICA EN COLOMBIA DE LOS RECURSO RENOVABLES

Los recursos de petróleo y carboníferos en Colombia son insignificantes a nivel mundial y aún al propio nivel latinoamericano, frente a México y a Venezuela. A excepción de los descubrimientos de nuevos campos y una explotación menos precipitada que la de Caño Limón, para el año 2020 de nuevo se observa la necesidad de importar petróleo para suplir las necesidades energéticas y de transporte aumentado así mucho más los costos operación [15]. Las energías alternativas, también llamadas renovables, donde se aprovecha al máximo los recursos naturales, cero contaminantes, son aquellas que emplean directamente los recursos considerados inagotables como el sol, el viento, los cuerpos de agua, la vegetación o el calor interior de la tierra. Colombia tiene un gran potencial en la generación de este tipo de energías por su posición geográfica y su gran variedad de micro climas. [16]. LEY 1715 DE 2014, La presente ley tiene por objeto promover el desarrollo y la utilización de las fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable, en el sistema energético nacional, mediante su integración al mercado eléctrico, su participación en las zonas no interconectadas y en otros usos energéticos como medio necesario para el desarrollo económico sostenible, la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y la seguridad del abastecimiento energético. Con los mismos propósitos se busca promover la gestión eficiente de la energía, que comprende tanto la eficiencia energética como la respuesta de la demanda.

3.1

Viento y Radiación solar global promedia anual en Colombia

El método utilizado para la generación del Atlas de Viento Figura 3 le dio un tratamiento vectorial a la información y se diseñó un método de corrección por orografía idealizado en algoritmos que usan los modelos meteorológicos regionales. Los resultados obtenidos fueron validados mediante comparaciones entre el punto de grilla más cercano del modelo diseñado con la estación más cercana de la red de referencia, de tal forma que la interpolación fue aceptada cuando la diferencia entre ellos no superó los +0.5 m/s. Con fines de estudios de energía eólica, vientos con intensidades iguales o superiores a 5 m/s proporcionan una buena alternativa de uso de este tipo de recurso natural para la generación de energía [17].

Figura 3: Mapa radiación solar y velocidad media del viento. a.

Fuente: [17, 18]

PROCESOS PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDROGENO.

En los últimos años, tanto el consumo como el costo de los derivados del petróleo ha aumentado notablemente, al igual que los contaminantes que se generan, el aumento en la demanda ha hecho que las reservas de petróleo disminuyan considerablemente en los últimos años. Las emisiones causadas por la combustión de los combustibles fósiles son nocivas para la salud y el medio ambiente, el dióxido de carbono es el mayor responsable del efecto de invernadero, entonces surge la necesidad de implementar nuevos sistemas, que sean amigables con el medio ambiente, tal como el uso de fuentes de energía alternativas y de estrategias de ahorro energético. En la Figura 5 se puede apreciar un mapa conceptual sobre las producción de hidrogeno con fuentes alternativas [19].

El hidrógeno es la energía del futuro ya que su combustión no es contaminante, sin embargo no se encuentra en estado libre en la naturaleza, entonces de ahí las múltiples implementaciones para su producción. El hidrógeno, cuando reacciona con el oxígeno del aire, libera una gran cantidad de energía química almacenada en el enlace H-H, dejando como residuo vapor de agua como producto de la combustión. Este se puede utilizar como combustible en vehículos convencionales, como el gas natural vehicular. Adicionalmente se puede almacenar como gas a presión o como líquido y distribuirse mediante gasoductos, este podrá reemplazar al gas natural en un futuro no muy lejano [20]. Ya que no produce ningún tipo de gas efecto invernadero durante su combustión su residuo es agua únicamente, el hidrógeno ofrece una gran potencia, además reduce las emisiones de CO2 que se generan durante la combustión de sus precursores de origen fósil [21]. La electricidad y el hidrógeno tienen en común que son excelentes conductores de energía, ya que se produce a partir de diferentes métodos, tales como gas natural, carbón, agua y energías renovables. Al utilizar el hidrógeno en celdas de combustible para reemplazar el combustible fósil, el sector del transporte se puede beneficiar tanto en costo como en cumplimiento de normas ambientales, permitirá en el futuro diversificar el suministro energético, aprovechar los recursos domésticos y reducir la dependencia de la importación de petróleo [20]. El primero de los segmentos agrupa los métodos de producción de hidrogeno mediante procesos de descomposición química de otros productos y está encerrado en la Figura 5 con el recuadro azul. Figura 4. Producción de hidrogeno

Fuente: [5].

El segundo de los segmentos corresponde a los procesos relacionados con la producción de hidrogeno a partir de biomasa. El tercer grupo corresponde a métodos de producción de hidrogeno relacionados con generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables de energía como la luz solar o los movimientos de masa aprovechables como lo son el viento y el agua, este último grupo está identificado en la Figura 6 [22] .

Figura 5. Se clasifican los métodos de producción de hidrogeno en tres procesos globales de los cuales solo dos de ellos convergen hacia la producción de energía eléctrica-electrolisis.

4.1

Características del Hidrógeno

El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido, no presenta toxicidad y es altamente inflamable y reactivo; es el elemento de menor masa atómica y es más liviano que el aire. Además es el elemento químico más abundante en el universo. [23] El hidrógeno puro se presentan en forma de moléculas diatómicas (H2) en el

cuadro 3 se pueden apreciar a fondo las propiedades físicas; sin embargo, en la naturaleza se encuentra principalmente en forma combinada debido a su gran reactividad, formando una gran cantidad de compuestos que incluyen el agua, hidrocarburos, proteínas, ácidos, etc.

Cuadro 3. Propiedades físicas.

Fuente: [24].

4.2

Electrolisis de agua.

Es un proceso mediante el cual se hace pasar una corriente eléctrica entre electrodos inertes sumergidos en agua, y así separar sus moléculas en sus elementos constitutivos: hidrógeno y oxígeno. Cuando el volumen de hidrógeno requerido no es elevado, el hidrógeno se obtiene mediante electrolisis de agua. La reacción electrolítica se realiza en medio alcalino ya que en este medio se busca incrementa la conductividad eléctrica. El hidrógeno que se produce en el cátodo debe ser purificado ya que contiene impurezas de oxígeno y un grado de humedad considerable. La corriente de hidrógeno se seca mediante un adsorbente y las impurezas de oxígeno se eliminan con un convertidor DeOxo [25]. Además, en el ánodo del electrolizador se produce oxígeno, cuyo volumen es la mitad del volumen de hidrógeno, tal como corresponde a la composición de la molécula de agua. La mayor parte de los electrolizadores incorporan un tanque con los electrodos dispuestos en paralelo. El calor que allí se genera es disipado recirculando el agua caliente alrededor de la celda Figura (6) o de un intercambiador de calor. [26]

Figura 6. Celada de Hidrogeno

Fuente: [27]. Algunos aspectos importantes a tener en cuenta son: 



Nunca deben unirse los electrodos, ya que la corriente eléctrica no va a realizar el recorrido correcto y por lo tanto la batería se sobrecalentará y quemará. Siempre debe utilizarse corriente continua como por ejemplo energía de baterías o de adaptadores de corriente, nunca corriente alterna como la energía obtenida del enchufe de la red. La electrólisis debe hacerse de tal manera que los dos gases desprendidos no entren en contacto, de lo contrario producirían una mezcla peligrosamente explosiva ya que el oxígeno y el hidrógeno resultantes se encuentran en proporción estequiometria. Una manera de producir agua otra vez, es mediante la exposición a un catalizador. El más común es el calor, aunque existen otros como el platino en forma de lana fina o polvo, en este caso debe hacerse con mucho cuidado, incorporando cantidades pequeñas de hidrógeno en presencia de oxígeno y el catalizador, de manera que el hidrógeno se queme suavemente, produciendo una llama tenue, de lo contrario podría ocurrir un accidente. El parámetro para ingresar a un catálogo y seleccionar el electrolizador adecuado es únicamente el flujo volumétrico de hidrógeno deseado a la salida del sistema. [28]

4.3

Descomposición de gas natural por arco de plasma

Para este método se utiliza un reactor el cual está compuesto de 1 electrodo y plasma inyectado, el plasma se utiliza en estado ionizado, en donde sus electrones se encuentran en estado excitado y es utilizado como medio de alto voltaje para la descarga de corriente eléctrica. Se utiliza como fuente de hidrógeno al gas natural Figura 7a, el cual está compuesto básicamente por metano, cuando se hace fluir el metano a través del arco de plasma ionizado Figura 7b, debido a la excitación de los electrones, este se disocia en hidrógeno y carbono negro, el hidrógeno permanece en su estado gaseoso Figura 7d mientras que el carbono se solidifica en forma de hollín Figura 7c [27]. Figura 7. Producción de hidrogeno por plasma

Fuente: [29]. 4.4

Reformado de hidrocarburos y metanol.

El reformado de metano (CH4) con vapor es un proceso utilizado a lo largo de varias décadas para producir H2. Por tratarse de la tecnología más económica, este proceso es el que se utiliza en la actualidad en la producción industrial del hidrógeno. La reacción es:

CH4 + H2O → CO + 3H2 (1)

El gas natural reacciona con vapor de agua sobre un catalizador de níquel colocado en el reformador primario como se puede apreciar en la Figura 8 a temperaturas de 1.200 ºK y presión total de 20-30 bar. Puesto que el gas natural contiene impurezas de azufre, se requiere una etapa previa de eliminación de este contaminante para evitar el deterioro de la actividad catalítica. La corriente limpia de metano se hace reaccionar después en un reactor al que se incorpora un catalizador de níquel. El gas de salida es rico en hidrógeno pero contiene una cierta proporción de monóxido de carbono, que a su vez se transforma en otro reactor, o incluso en dos, en hidrogeno adicional mediante reacción con vapor de agua. El gas resultante tiene un contenido elevado de hidrógeno, junto a dióxido de carbono y cantidades mucho más bajas de metano no convertido y monóxido de carbono remanente, usualmente 1% en volumen. En las plantas modernas de producción de H2 se incorporan unidades de purificación mediante compresión, adsorción, desorción que permiten alcanzar un hidrógeno muy puro (99,999% volumen) [30]. Figura 8. Producción de hidrogeno por hidrocarburos

Fuente: [31]. Como el gas natural contiene una pequeña proporción de otros hidrocarburos tales como etano, propano y butano, que se descomponen con facilidad y generan residuos carbonosos en las condiciones de reformado del metano, componente mayoritario, se requiere una etapa previa de reformado (pre-reformado) para transformar una parte de los hidrocarburos presentes en el gas natural en una mezcla de CO/H2. Este proceso se incorpora antes de la unidad de reformado y permite operar con una variedad de alimentaciones asegurando que la alimentación es constante en todas las unidades de reformado. El pre-reformado tiene un fuerte efecto sobre la composición gaseosa que alimenta la unidad de reformado con vapor. Así, los hidrocarburos de cadena más larga se eliminan completamente al

mismo tiempo que se convierte una fracción del metano. Dado que estos hidrocarburos de cadena larga tienen tendencia a formar carbono, este proceso de pre-reformado minimiza la formación de residuos de carbón durante el propio proceso de reformado del metano, lo que redunda en un tiempo de vida largo de los sistemas catalíticos utilizados [32].

Las ventajas del reformado con vapor frente a otras tecnologías de producción de hidrógeno son las siguientes [33]:  



  



Mayor concentración de hidrógeno en el producto (70-80 % en el proceso de reformado con vapor frente a 40-50 % en el los procesos de oxidación parcial Menores emisiones de CO2 por mol de H2 producido (0.3 en el proceso de reformado con vapor frente a 1 y 1.3 para los procesos de reformado auto térmico. No hay necesidad de instalación de un compresor para el oxígeno o aire comprimido, y estas instalaciones son las de mayor inversión en una instalación. Menor peligro de explosión. A corto y medio plazo se beneficia de las instalaciones ya existentes para la distribución de hidrocarburos. También es la forma más barata de producción de hidrógeno a gran escala, y de la que se conocen muchos datos (acerca del proceso, reformador, termodinámica, cinética, mecanismo, catalizador) puesto que se lleva a cabo a escala industrial desde los años 30. Por todas estas ventajas el reformado de hidrocarburos con vapor de agua es el proceso de obtención de hidrógeno más interesante.

La ventaja de usar el H como fuente de combustible, de acuerdo a la seguridad en su suministro o en cuanto a las emisiones de gases responsables del efecto invernadero, dependerá de qué tipo de método de producción se va implementar. En un futuro, un sistema de energía, empleando hidrógeno tendría que utilizar fuentes de energía renovables para alcanzar las metas como sistema de energía amigable con el medio ambiente. Llegar a esta situación requerirá un costo significativo y además, mejorar el funcionamiento de las nuevas tecnologías de producción, conversión, almacenamiento, transporte, distribución y uso final. La transición de una economía totalmente dependiente del petróleo a una economía completamente desarrollada basada en hidrógeno necesitará muchos cambios estructurales, que se deberán ir introduciendo con el tiempo [34].

4.5

Biohidrógeno a partir de residuos.

El tratamiento de residuos, tanto industriales como municipales, es un área que hasta hace poco tiempo era vista únicamente con el objetivo de reducir el nivel de contaminación. Sin embargo, al objetivo anterior se le puede agregar el de valorizar el residuo recuperando la energía en él contenida. En ese marco, la producción biológica de hidrógeno a partir de residuos orgánicos es una alternativa interesante ya que presenta bajos costos de operación y materia prima ya que se está utilizando un residuo que de cualquier manera deberíamos tratar previo a su disposición final [19]. El desarrollo de la tecnología del hidrógeno ha sido limitado debido a la baja disponibilidad de hidrógeno. Aunque el hidrógeno es un elemento muy abundante en la naturaleza, que no se encuentra aislado. Su producción tradicional se hace con costosos procesos químicos (hidrocarburos reformistas) o con procesos con un balance energético negativo, como la electrólisis [35]. Apareció entonces en los años 90, las celdas orgánicas híbridas por investigación, como un enfoque de alto potencial para la conversión de energía. Una de sus principales ventajas es la reducción del coste de la electricidad utilizada en el proceso convencional. Para entrar en el mercado, deben presentar los rendimientos de al menos 10% y una vida útil de varios años, al tiempo que proporciona los costes de fabricación muy inferiores a los de las células a base de silicio convencionales [36]. En los últimos años, se ha demostrado que es posible generar hidrógeno a través de la fermentación anaeróbica de residuos orgánicos (biohidrógeno). El proceso se caracteriza por ser compleja, dinámica y altamente dependiente de múltiples factores, incluyendo el tipo de sustrato, temperatura, pH, contenido de nutrientes, agitación, tiempo de retención de agua, la población bacteriana, y bioreactor, entre otros [37]. Sin embargo, se puede decir que los altos rendimientos en la producción y en la composición de biohidrógeno (entre 50% y 60% de hidrógeno) se consiguen cuando los sustratos que son ricos en azúcares se utilizan en condiciones termófilas (temperaturas entre 45 y 70o C) y un pH de alrededor de 6,0 [38].

4.5.1 Descripción del proceso. Este proceso empieza por la recepción, trituración de los desechos en depósitos especialmente diseñados para su almacenamiento para evitar así malos olores y posibles contaminante al medio ambiente. El material allí obtenido funciona como inóculo adecuado de generadores de hidrógeno. Se expondrían a un pre tratamiento

térmico a alta temperatura entre 80 y 100 °C, para eliminar las cepas de microorganismos consumidores de hidrógeno o hidrogenó filos [39, 40]. Después entran al fermentador, las variables más importantes a controlar allí son la temperatura, el pH y el mezclado se debe fijar la velocidad de este último para no a perder la mezcla, [41]. El volumen del fermentador deberá estar de acuerdo a la cantidad de residuos orgánicos que se quiera trabajar, de forma cilíndrica, con un diámetro y altura de 8.71 m y 4.35 m, respectivamente. La fermentación oscura operaría a condiciones termofílicas [42]. Se utilizará un sistema de mezclado mecánico, con variador de velocidad de mezclado que no exceda las 120 rpm [24]. El intervalo de pH variará de 5.0 a 6.0, en la Figura 9 se pueden apreciar diferentes tipo de sensores y sus rangos de temperatura en el cuadro 4, la variación gradual del pH podría ocasionar el cese de la producción de hidrógeno [43] así que es muy importante que la central de control pueda estar al tanto de este parámetro, para tener una lectura adecuada, este sistema puede disponer de los siguientes sensores de ph.

Figura 9. Sensor de ph/ORP

Fuente: [44].

Cuadro 4. Rango de temperatura del sensor Rango de Temperatura Cuerpo con preamplificador

32 a 158ºF (0 a 70ºC)

Cuerpo sin preamplificador

32 a 212ºF (0 a 100ºC)

PHF, MVF, MVR & PHLI

50 a 212ºF (10 a 100ºC)

Cartuchos PHB

32 a 212ºF (0 a 100ºC)

Cartuchos PHH 32 a 122ºF

(0 a 50ºC)

Fuente: [25]. Conforme la concentración de hidrógeno crece, la síntesis de hidrógeno decrece; sin embargo, a medida que la temperatura se incrementa, el proceso es menos vulnerable a la concentración de hidrógeno. La síntesis continua de hidrógeno a una temperatura de 60 °C requiere una presión parcial < 50 kPa; a 70 °C, < 20 kPa [45], y a 98 °C, < 2 kPa. El biogás generado en el fermentador deberá extraerse con regularidad. La síntesis de hidrógeno alcanza un ritmo de hasta de 77 mmol H2/h por litro de cultivo [46]. Para la cantidad de residuos orgánicos disponibles de 14.2678 kgH2/día se tendrá un volumen de cultivo (LC) de 3 829.71 L. El periodo apropiado es de cinco días, dado que permitiría obtener el mayor volumen de hidrógeno sin que la concentración de alcoholes que inhiben la producción alcance niveles críticos [47] . Sistema de separación Figura 10, purificación y almacenamiento de hidrógeno. La tecnología de purificación conocida como PSA (Pressure Swing Adsorption, por sus siglas en inglés) es la que mejor calificaría para este propósito. El costo por almacenamiento en estado líquido es elevado. Se propone el sistema de compresión y que se depositó en un tanque de almacenamiento con una capacidad de 70 kg y una presión de operación de alrededor de 24 MPa [48]. El sistema para el suministro del combustible utilizaría un segundo compresor, que aprovecharía la presión del hidrógeno contenido en el tanque de almacenamiento de la planta (24 MPa) para recargar con facilidad los depósitos presurizados de los vehículos a su presión nominal de 41.3678 MPa.

Figura 10. Producción de hidrogeno por residuos orgánicos

Fuente: [49] Adicional a la producción de hidrogeno, en este proceso se obtiene liquido fertilizante de primera calidad, que puede ser utilizado para los cultivos de la región y compostaje. La verificación continua de los elementos mecánicos, eléctricos y electrónicos garantizará la máxima producción de hidrogeno y su calidad.

4.6

Descomposición de gas natural por arco de plasma

Para este método se utiliza un reactor el cual está compuesto de 3 electrodos y plasma inyectado, el plasma se utiliza en estado ionizado, en donde sus electrones

se encuentran en estado excitado y es utilizado como medio de alto voltaje para la descarga de corriente eléctrica. Se utiliza como fuente de hidrógeno al gas natural, el cual está compuesto básicamente por metano, cuando se hace fluir el metano a través del arco de plasma ionizado, debido a la excitación de los electrones, este se disocia en hidrógeno y carbono negro, el hidrógeno permanece en su estado gaseoso mientras que el carbono se solidifica en forma de hollín. El proceso de gasificación por plasma tiene tres características importantes: La disociación. Debido a altas temperaturas que se alcanzan durante el proceso, los compuestos que se introducen se desintegran dando lugar a mezcla de H2 y CO y materia inorgánica vitrificada, por tanto no se forman cenizas. La destrucción. Se consigue la destrucción de compuestos tóxicos, tanto sólidos como volátiles. La fusión. Las moléculas inorgánicas se fusionan y se transforman en una lava que al enfriarse forma un vidrio basáltico inerte y no toxico que puede usarse como material valorizable. La formación de monóxido de carbono y de hidrógeno aumenta a medida que se incrementa la temperatura en el reactor. En la Figura (9) se puede apreciar más detalladamente el proceso. Figura 11. Proceso de gasificación por plasma en cinco etapas.

Fuente: [50]. El proceso de gasificación por plasma o Sistema Convertidor de Plasma (PCS) se organiza en cinco etapas:

 



4.7

Sistema de Alimentación: Sé que introduce los residuos en el reactor Disociación: La función es separar o romper los enlaces de las moléculas, por medio de antorchas de plasma que transfiere la corriente eléctrica que atravesara a ionizara el gas. Enfriamiento: Consiste en enfriar el gas, ya que sale con una temperatura de más o menos 1 500°C y tiene que ser enfriado para proteger los equipos empleados. Filtrar: El objetivo es quitarle las partículas sólidas que pueden provocar la erosión y abrasión y evitar la liberación de ciertos contaminantes en la atmósfera. Neutralización: Se lavan los gases y se acondicionan para que en la combustión o utilización posterior que se haga de este gas no se liberen sustancias contaminantes [50].

Energía térmica

La termólisis es la descomposición del agua por procesos puramente térmicos. Se deben alcázar temperaturas altas pero es muy complicado, por lo cual se recurre a ciclos químicos cuadro 5 lo cual reducen las temperaturas del proceso. [51]. Es la extracción del hidrógeno mediante la aplicación de calor. [52] Este sistema presenta dos graves inconvenientes que dificultan su desarrollo. Por un lado, las elevadas temperaturas, generan problemas de materiales y un aumento de las pérdidas por re-radiación, disminuyendo la eficiencia de absorción. Otro problema es encontrar una forma eficiente para la separación del hidrógeno y el oxígeno, tratando de evitar su mezcla [53]. Se habla de procesos de termólisis cuando el calor procede de una fuente externa, como la energía solar o la energía nuclear de alta temperatura. [52]

Cuadro 5. Clases de term贸lisis

Fuente [52]

5 5.1

SISTEMAS DE ENERGÍAS RENOVABLE UTILIZADO EN LA PRODUCCION DE HIDROGENO. Energía Eólica

El término “eólico” proviene del latín Aeolicus, perteneciente o relativo a Eolo, Dios de los vientos en la mitología griega. La energía eólica es la energía obtenida del movimiento del viento. Es uno de los recursos energéticos más antiguos explotados por el ser humano, lo podemos ver en molinos de viento antiguos, cuya función era bobear agua a cultivos, aparatos de medición en la aeronáutica, etc. Actualmente corresponde a la energía más madura y eficiente de todas las energías renovables dependiendo de la ubicación geográfica en la que se esté implementando este sistema. [54] La energía eólica es una fuente de energía renovable, no contamina, es inagotable y reduce el uso de combustibles fósiles, origen de las emisiones de efecto invernadero que causan el calentamiento global. Además, la energía eólica es una energía autóctona, disponible en la prácticamente en todo el planeta, lo que contribuye a reducir las importaciones energéticas y a crear riqueza y empleo de forma local. 5.1.1 Energía Eólica en Colombia Son tres proyectos de parques eólicos, propuestos por la empresa Jemeiwaa Ka’i S.A.S: Casa Eléctrica, Irraipa y Carrizal. Estos tres proyectos están ubicados en Uribia, municipio de La Guajira. Los tres están en primera fase, lo que significa que aunque no se ha definido la factibilidad económica del proyecto. El parque eólico Carrizal, es el que tendría mayor capacidad, se estima que podría generar 195 megavatios. De acuerdo con un concepto del Ministerio del Interior, este proyecto cobijaría unas 3.741 hectáreas.

5.2

Funcionamiento

Apreciando la Figura 11, sobre una torre soporte (3) se coloca una góndola (2), que aloja en su interior un generador, el cual está conectado, mediante una multiplicadora, a un conjunto de palas (1). La energía eléctrica producida por el giro del generador es transportada mediante cables conductores (4) a un centro de control (6) desde donde, una vez elevada su tensión por los transformadores (8), es enviada a la red general mediante las líneas de transporte de alta tensión (9). 43

Dado el carácter aleatorio de la producción de energía eléctrica por vía eólica, las centrales de este tipo deben disponer de una fuente auxiliar (7) para tener garantizado en todo momento el suministro de energía eléctrica. Debido a la altura en la que se encuentra el generador y al rozamiento que el aire produce sobre éste, es conveniente que el equipo tenga una toma a tierra (5), para evitar la electricidad estática. Asimismo, para el control de la velocidad del generador existen tecnologías que permiten regular, dentro de unos límites, las revoluciones de las palas, independientemente de la velocidad del viento [55].

Figura 12. Central Eólica

Fuente: [55] 5.3

Energía Solar

La energía solar tiene su origen en la fusión nuclear que se lleva a cabo en el sol, manifestándose en radiación solar, siendo así un recurso inagotable gratis para todo el mundo [56]. El sol irradia una cantidad considerable de energía, la energía que irradia el sol a la Tierra en 1 día, es suficiente para cubrir las necesidades de toda la humanidad durante 50 años. Las instalaciones solares fotovoltaicas funcionan de acuerdo con un sencillo principio: constan de paneles solares (módulos 44

fotovoltaicos) individuales, que a su vez contienen células solares individuales hechas de materiales semiconductores como el silicio (cristalino y amorfo). Cuando brilla el sol, una célula solar se comporta casi como una batería, la luz solar recibida separa los electrones de modo que forman una capa de carga positiva y una de carga negativa en la célula solar; esta diferencia de potencial genera una corriente eléctrica [57]. En cuanto más está expuesta la célula, más será la potencia de corriente eléctrica que será generada; para aumentar dicha potencia, se combinan varias células y se conectan formando un panel solar; estos paneles a su vez se pueden integrar para aumentar aún más la potencia formando una planta fotovoltaica. 5.3.1 Energía Fotovoltaica en Colombia. La evaluación del potencial solar de Colombia se ha realizado empleando principalmente información de estaciones meteorológicas del IDEAM (Instituto de Estudios Ambientales). La energía solar se ha evaluado en cada una de las regiones del país cuadro 6. Posteriormente, se publicaron varios estudios que completaron la información sobre radiación solar en el país. El más reciente es el Atlas de Radiación Solar en Colombia. [58] Cuadro 6. Radiación Solar en las regiones de Colombia. Región del País Guajira Costa Atlántica Orinoquía – Amazonía Andina Costa Pacífica

Radiación Solar (kWh/m2/año) 2.000 – 2.100 1.730 – 2.000 1.550 – 1.900 1.550 – 1.750 1.450 – 1.550

5.3.2 Centrales Fotovoltaicas Los dispositivos que generan energía solar fotovoltaica utilizan la célula fotovoltaica y transforman la radiación proveniente del sol en energía eléctrica de corriente continua sin ningún subproceso adicional de conversión. Este efecto fotovoltaico es el encargado de producir una fuerza electromotriz en un material semiconductor como consecuencia de la absorción de radiación luminosa, en el cual se han creado

artificialmente dos regiones, la tipo P que contiene “huecos” cargados positivamente y la tipo N, que contiene electrones adicionales. La unión de estos materiales P y N al ser expuesta a la luz genera un campo electrostático constante, lo que produce una movimiento de electrones (corriente continua) que fluyen al cerrar el circuito con una carga externa. Normalmente, las celdas fotovoltaicas que se producen en el mundo se fabrican a base de silicio principalmente. [59] Una central solar, es aquella que aprovecha dicha radiación para generar energía eléctrica. Existen dos tipos de centrales solares: las fotovoltaicas y las fototérmicas.

5.3.2.1 Funcionamiento El elemento básico de una central fotovoltaica es el conjunto de células fotovoltaicas Figura 13, que captan la energía solar, transformándola en corriente eléctrica continúa mediante el efecto fotoeléctrico. Están integradas, primero, en módulos y luego se forman con ellos los paneles fotovoltaicos (1).Lógicamente, la producción de electricidad de dichas células depende de las condiciones meteorológicas existentes en cada momento, —fundamentalmente de la insolación—. Dichas condiciones son medidas y analizadas con la ayuda de una torre meteorológica (2).

Como la energía eléctrica que circula por la red de transporte lo hace en forma de corriente alterna, la corriente continua generada en los paneles solares debe ser transformada a corriente alterna. Es conducida, entonces, primeramente a un armario de corriente continua (4), para ser convertida en corriente alterna por medio de un inversor (5) y ser finalmente transportada a un armario de corriente alterna (6).

Posteriormente, la energía eléctrica producida pasa por un centro de transformación (7) donde se adapta a las condiciones de intensidad y tensión de las líneas de transporte (8) para su utilización en los centros de consumo.

El funcionamiento de todos los equipos de la central se supervisa desde la sala de control (3), en la que se recibe información de los distintos sistemas de la instalación: torre meteorológica, inversor, armarios de corriente continua y alterna, centro de transformación, etc [60].

Figura 13. Central Fotovoltaica

Fuente: [55].

5.3.3 Central fototermica Una Central Termosolar es una instalación que permite el aprovechamiento de la energía del sol para la producción de electricidad. Tiene un ciclo térmico semejante al de las centrales termoeléctricas convencionales: la energía calorífica que se produce en un determinado foco es transformada en energía mecánica mediante una turbina y, posteriormente, en energía eléctrica mediante un alternador.

La única diferencia es que mientras en las centrales termoeléctricas convencionales el foco calorífico se consigue por medio de la combustión de una fuente fósil de energía (carbón, gas, fuelóleo), en las solares, el foco calorífico se obtiene mediante la acción de la radiación solar que incide sobre un fluido.

5.3.3.1 Funcionamiento Una central de este tipo Figura (13), está formada por un campo de heliostatos (1) o espejos direccionales de grandes dimensiones, que reflejan la luz del sol y concentran los haces reflejados en una caldera (2) situada sobre una torre (3) de gran altura.

En la caldera, el aporte calorífico de la radiación solar reflejada es absorbido por un fluido térmico (sales fundidas, agua u otros). Dicho fluido es conducido hacia un generador de vapor (5), donde transfiere su calor a un segundo fluido, generalmente agua, el cual es convertido así en vapor. A partir de este momento el funcionamiento de la central es análogo al de una central térmica convencional. Por tanto, este vapor es conducido a una turbina (6) donde la energía del vapor es convertida en energía mecánica rotatoria que permite al generador (7) producir electricidad. El fluido es posteriormente licuado en un condensador (8) para repetir el ciclo. Figura 14. Central solar térmica

Fuente: [55]

5.4

Energía Mareomotriz

La luna y la Tierra ejercen una fuerza que atrae a los cuerpos hacia ellas: esta fuerza de gravedad hace que la Luna y la Tierra se atraigan mutuamente y permanezcan unidas. Como la fuerza de gravedad es mayor cuanto más cerca se encuentren las masas, la fuerza de atracción que ejerce la Luna sobre la Tierra es más fuerte en las zonas más cercanas que en las que están más lejos. Esta desigual atracción que produce la Luna sobre la Tierra es la que provoca las Mareas en el mar. Como la Tierra es sólida, la atracción de la Luna afecta más a las aguas que a los continentes, y por ello son las aguas las que sufren variaciones notorias de acuerdo a la cercanía de la Luna [61]. La energía mareomotriz tiene su campo de acción en el mar se produce gracias al movimiento generado por las olas y mareas Figura 15, esta energía es aprovechada por turbinas parecidas a las utilizadas para obtener la energía del viento, las cuales a su vez mueven un elemento mecánico que se encarga de subir las rpms de un alternador que genera energía eléctrica alterna, finalmente este último está conectado con una central en tierra que distribuye la energía hacia la comunidad y las industrias, tiene un impacto negativo a la hora de su construcción, ya que afecta una parte de vida marina los arrecifes y corales, también el mantenimiento de su red de tendido eléctrico es un poco dispendiosa. Pero aun así al no consumir elementos fósiles ni tampoco producir gases que ayudan al efecto invernadero. Se le considera una energía limpia y renovable. Dentro de sus ventajas el ser predecible a tener información por parte de una entidad climatológica y tener un suministro seguro con potencial que no varía de forma trascendental anualmente, solo se limita a los ciclos de marea y corrientes. Este tipo de instalación se realiza en ríos profundos, desembocaduras (estuarios) de río hacia el océano y debajo de este último aprovechando las corrientes marinas. Participante de este efecto son el sol, la luna y la tierra. Siendo la más importante en esta acción la luna, por su cercanía [62]. Este sistema tiene una presa, la cual se encargara de separar una determinada área el mar Figura 15, entonces este volumen de agua atrapado se llamara embalse y la otra parte será mar abierto, cuando el mar alcanza su máxima altura las compuertas de la presa estarán abiertas, exponiendo así a que el embalse alcance su máxima altura, cuando la marea empieza a descender, se cierran las compuertas de la presa dejando entonces el nivel máximo en el embalse, mientras que el mar abierto desciende [63].

Figura 15. Modelo Mareomotriz

Fuente: [64].

Cuando el nivel mínimo alcanzo por el mar abierto llega, se puede apreciar la diferencia de nivel entre el embalse y el mar abierto figura 16, entonces en este punto se abre el ducto donde se canaliza el agua a la turbina, provocando así el movimiento de esta. La turbina se encuentra acoplada a un generador, que se encargara de trasformar este movimiento en electricidad. La electricidad generada dependerá del caudal dirigido a la turbina, esta corriente eléctrica ya se encuentra disponible para suplir las necesidades de la red eléctrica y llegar a cada usuario conectado al sistema [63]. Figura 16. Modelo Mareomotriz

Fuente: [64].

SISTEMAS HÍBRIDOS EN LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON HIDRÓGENO O “SHGEE”.

Los SHGEE históricamente surgieron como alternativas de respaldo a la generación con combustibles fósiles, hoy se han popularizado, en parte, a la adecuada valoración del recurso energético y a la masificación de las tecnologías de transformación de estos recursos naturales si dañar el medio ambiente. Prácticamente hoy día existen muchos SHGEE que producen electricidad, calor o fuerza motriz solamente a partir de recursos energéticos alternativos lo que ha permitido evitar la emisión de gases de efecto invernadero y aprovechar al máximo los recursos energéticos locales evitando la dependencia y el monopolio sobre la generación de energía eléctrica [65].

6.1

Funcionamiento.

Sistemas basados principalmente sobre recurso energético no alternativo (por ejemplo combustible diésel), con suministro suplementario de energía a través de recursos energéticos alternativos (eólico, solar, hidráulico, biomasa, etc.). Estos últimos aportan la energía base durante periodos de baja demanda, cuando no allá demanda de energía, esta se va almacenar en baterías. Generalmente, el banco de baterías es llevado a un alto estado de carga (State Of Charge en inglés) para optimizar la operación del generador diésel. La energía generada por el sistema es considerablemente menor que los requerimientos diarios de carga y el banco de baterías se diseña para ser ciclado periódicamente. [66] Los sistemas basados principalmente en recursos energéticos alternativos, tiene al mismo tiempo un generador de respaldo mediante un generador diésel cuyo suministro se establece para periodos de alta demanda o cuando no existan condiciones de generación suficientes para atender la demanda. Para la atención de un alto porcentaje de la demanda diaria de energía, tanto el banco de baterías como los equipos de transformación de los recursos energéticos y el generador diésel deben interactuar conjuntamente para garantizar energía eléctrica a cualquier hora del día [67].

6.2

Clasificación.

Se pueden clasificar de diferentes maneras un Sistema Híbrido de Generación de Energía Eléctrica. Entre ellos podemos encontrar divisiones que se centran en los recursos energéticos utilizados, otras que clasifican de acuerdo a su funcionalidad o modo de almacenar la energía y como se va a disponer cuando la vamos a utilizar en momentos de alta demanda entonces podemos tener una clasificación por carga de baterías, bombeo de agua, interconexión a redes, etc. Para nuestro caso de estudio vamos a clasificarlo utilizando estructura de conexión bajo la cual se vinculan los módulos componentes del sistema estructura serie y paralelo.

6.2.1 Estructura Serie. Toda la energía pasa a través de un banco de baterías y la energía eléctrica de A.C. es entregada a la carga mediante la inclusión de un inversor, ciclo convertidor o una unidad motor-generador como se muestra en la Figura 17. El sistema puede operar en modo manual o automático, con la inclusión de un adecuado sensor de nivel de voltaje de la batería y un control de arranque/parada del generador diésel.

6.2.1.1 Sistema tradicional. Figura 17. Estructura Serie

Fuente: [13].

Estructura Conmutada. Esta tiene sus limitaciones, la constante carga y descarga de las baterías, llega en un punto en que el sistema esté totalmente cargado. El uso del generador diésel en momentos de alta demanda es obligatorio. La estructura conmutada anteriormente mostrada en la figura 17 actualmente continúa siendo una de las instalaciones más comunes. Esta estructura permite operar, ya sea con el generador diésel, los recursos energéticos alternativos o el inversor como fuente de energía, pero no permite la operación en paralelo de los recursos y equipos de generación. La operación conmutada de los recursos de generación permite en algún momento reducir el ciclado del banco de baterías lo que redunda en una mayor vida útil del sistema. Esta estructura puede ser operada en modo manual, sin embargo la complejidad del manejo de las fuentes de generación hace deseable la inclusión de un sistema de control que complete las tareas de censado del nivel de tensión del banco de baterías y la marcha/parada del generador diésel [68]. 6.2.1.2 Sistema con generador de hidrogeno Este sistema tiene el mismo esquema que el anterior. El factor innovador está en que el generador diésel es reemplazado por un generador de hidrogeno, que alimentara las baterías de hidrogeno, que reemplazan las baterías convencionales en el sistema anterior. Entonces el hidrogeno producido en el generador a partir de biomasa, es almacenado en un tanque en condiciones ideales de temperatura y presión controladas, que va estar alimentando constantemente a las baterías de hidrogeno generando así Voltaje DC, en donde el inversor se encargara de convertirlo en carga A.C. Suministrando así el voltaje para cualquier necesidad, aprovechando un desecho que contaminaría el medio ambiente como lo podemos apreciar en la figura 18 también posee un elemento de control. Estos son sistemas compuestos por múltiples mecanismos, para conocer su funcionamiento más de cerca describiremos cada uno con sus principales características.

Figura 18. Estructura Serie con hidrogeno

Fuente: [13]. A continuación describiéremos cada elemento del sistema: 6.2.1.3 Celda microbiana por biomasa. Para la celda microbiana vamos a tomar la biomasa como fuente de energía, ya que los datos suministrados por parte de las entidades públicas, presentan un informe más cercano a la fecha de estudio de esta monografía. Más no se quiere decir que la biomasa sea la única fuente de energía para este proceso, ya que este tipo de celdas funciona, con aguas residuales, desechos bovinos, piscicultura, avícola entre otros. La célula de combustible microbiana (MFC) funciona como una celda de combustible normal, utiliza biomasa como combustible (en lugar etanol), y especialmente diseñados bacterias actuar como un catalizador (en lugar de platino). En el caso de esta célula de combustible, el agua residual, desechos orgánicos, entra en la célula de combustible (en el ánodo), y bacterias oxida los compuestos orgánicos como se puede apreciar en la Figura 6, produciendo electrones de repuesto que fluyen hacia el cátodo - la creación de electricidad. El ánodo y el cátodo están separados por una membrana que sólo el agua limpia puede pasar a través de, la purificación del agua residual [69]. Cuadro 7. Tipos de Celdas Microbianas y sus productos. Tipo de celda de combustible

Producto

Celda microbiana de combustible (MFC) Electricidad Celda microbiana por electrolisis (MEC)

H2, H2O2, NaOH,

Celda microbiana química

CH4, C2H4O2

Celda microbiana remediación (MRC)

Reducción químicos

Celda microbiana desalinización (MDC)

Agua desalinizada

productos

tóxicos

Fuente: [70] 6.2.1.4 Eficiencia de la celda Las células microbianas de electrólisis (MEC) Figura 19, es una célula ligeramente modificada microbianas de combustible (MFC) donde se aplica una pequeña cantidad de electricidad a la cámara del ánodo al suprimir la producción de metano la clave en este proceso es optimizar la producción de gas biohidrógeno, al seleccionar la corriente óptima y controlar la tensión aplicada en el MEC utilizando reactor discontinuo. El oxígeno se mantiene fuera de la cámara de cátodo para ayudar a la oxidación bacteriana de la materia orgánica presente en las aguas residuales o en los desechos orgánicos para producir hidrógeno, un gas que es el convertirse en la fuente de energía más atractivo. Mientras MEC tiene un enorme potencial, el desarrollo de esta técnica es todavía en su infancia. El modelo matemático de los MECs se basa en balances de materia con la integración de las reacciones bio-electroquímico que describen el efecto de la tensión aplicada sobre el rendimiento del reactor por lotes MECs. El comportamiento del sistema difiere significativamente a medida que se cambia el valor de la tensión aplicada y da una influencia significativa en la tasa de producción de hidrógeno. Por último, este estudio puede ampliarse en el futuro para mejorar la optimización en el modelo MEC y desarrollar avanzado sistema de control de estudio [71].

Una medida común de la eficiencia de cualquier celda es la eficiencia coulombica, es una medida del número de coulombs recuperados como corriente eléctrica en comparación con el número máximo teórico de coulombs recuperables del sustrato orgánico añadido al sistema. La eficiencia coulombica de la CMB depende, en parte, de los microorganismos que están llevando a cabo la oxidación y del sustrato, del cual los electrones se derivan. Este tipo Microorganismos electrógenos que consumen una fuente de energía (por ejemplo, ácido acético) liberan electrones y protones, creando un potencial eléctrico de hasta 0,3 voltios. En un MFC convencional, este voltaje se utiliza para generar energía eléctrica. En un MEC, un voltaje adicional se suministra a la célula a partir de una fuente externa. La tensión combinada es suficiente para reducir protones, 55

produciendo gas de hidrógeno. Como parte de la energía para esta reducción se deriva de la actividad bacteriana, la energía eléctrica total que tiene que ser suministrado es menor que para la electrólisis del agua en ausencia de microbios. Producción de hidrógeno ha alcanzado hasta 3,12 m 3 H 2 / m 3 d con una tensión de entrada de 0,8 voltios. La eficiencia de la producción de hidrógeno depende de que se utilizan sustancias orgánicas. Láctico y ácido acético a alcanzar 82% de eficiencia, mientras que los valores para la celulosa unpretreated o glucosa están cerca de 63%. La eficiencia de la electrólisis de agua normal es de 60 a 70 por ciento. Como convertir la biomasa inutilizable del MEC en hidrógeno utilizable, que pueden producir energía 144% más utilizable de la que consumen como energía eléctrica. Dependiendo de los organismos presentes en el cátodo, de MEC también se puede producir metano por un mecanismo relacionado. [72]

Figura 19. Celda de combustible microbiana.

Fuente: [73].

6.2.1.5 Almacenamiento de hidrogeno El hidrógeno en grandes cantidades y moderadamente presurizado se almacena en forma estacionaria en tanques esféricos (por ejemplo un volumen de 10.000 Nm3 a presión entre 1 y 1.5 MPa o un volumen de 15.000 Nm3 a presión entre 1.2 y 1.6 MPa). Pero para los grandes volúmenes que involucran una amplia utilización del hidrógeno no es factible, aunque una alternativa es el almacenamiento subterráneo, 56

incluso mayores cantidades (varios millones de Nm3 a presiones entre 3-6 MPa) pueden almacenarse en pozos de petróleo o de gas agotados, o en cavernas porosas de acuíferos subterráneos con pérdidas entre el 1 y el 3%. Para algunas aplicaciones industriales el hidrógeno se almacena en pequeñas botellas a alta presión (0.05 Nm3 / 20 MPa) o en tanques cilíndricos de tamaño medio a mayor presión (10-20Nm3/>20MPa) [74].

6.2.1.6 Inversor Los inversores son los convertidores estáticos que se encargan de transformar energía eléctrica DC, almacenada en baterías o de una celda de combustible, para obtener CA. Los inversores se clasifican según sus etapas de funcionamiento o conmutación de sus elementos semiconductores, para la gran mayoría, transistores de potencia [75]. El funcionamiento de un inversor está basado en la apertura y cierre sincronizados de semiconductores de potencia, de acuerdo a los tiempos de operación y a la ganancia de los transistores, la señal de salida tendrá la forma deseada. Principalmente la señal o señales de salida acostumbran a ser senoidales, aunque en ocasiones únicamente es necesario que sea alterna. De esta manera podemos encontrar salidas como trenes de señales escalón. Estas señales cuadradas introducen muchas perturbaciones sobre las cargas que el inversor alimenta. Se pueden reducir estas perturbaciones haciendo que la señal de salida tenga una forma mucho más suave aproximándose lo más posible a la senoidal. Una de las principales ventajas de hacer un inversor con más de una etapa o nivel es la reducción de perturbaciones sobre la carga tanto en tensión como en corriente [76].

6.2.2 Estructura Paralelo Cada aplicación en general, independiente del sistema de energía alternativa que incorpore, presentara esta estructura general de acuerdo a los tipos de subsistemas de generación y almacenamiento, ya sea con baterías o con un tanque acumulador de hidrogeno, al tipo de carga y a los fines específicos buscados. Para este sistema incorporará buses colectores y cada módulo de generación se dispone de convertidores estáticos de energía garantizando energía inmediatamente a cualquier disposición del sistema. Estos no sólo permiten adaptar las características de la energía suministrada, sino que también se los utiliza como medio para controlar el punto de operación de los módulos generadores.

Estructuralmente la topolog铆a presentada en la figura (19) describe la ventaja de la modularidad y disposici贸n de carga de estos sistemas. Es decir, nuevos recursos de generaci贸n, de igual o diversa naturaleza, pueden ser integrados al sistema sobre el bus de CA o sobre el de CC. De esta manera, la potencia nominal del sistema puede ser incrementada a pasos discretos con el fin de adaptarse a nuevos requisitos de carga.

Figura 20. Estructura Paralelo

Fuente: [77].

Sistemas tradicionales ventajas y desventajas.

Se sabe que las energías renovables son aquellas que producen energía partir de una fuente natural inagotable, como el sol, el viento y el agua. Todas estas se plantean como alternativas a las tradicionales, como los combustibles fósiles. Sin embargo las energías alternativas no necesariamente tienen que considerarse inagotables o provenir de un recurso natural a continuación se menciona las ventajas y desventajas de estos tipos de energías. Cuadro 8. Ventajas y desventajas Energía Geotérmica. Ventajas Su coste es bajo y no implica riesgos. Es una fuente que evitaría a muchos países la dependencia energética del exterior. Los residuos que produce son mínimos y ocasionan menor impacto ambiental que los originados por el petróleo, carbón… Energía Desventajas Geotérmica Emisión de ácido sulfhídrico y de CO2. Posible contaminación de aguas próximas con sustancias como arsénico, amoniaco… Contaminación térmica. Deterioro del paisaje. Fuente: [Autores].

Cuadro 9. Ventajas y desventajas Energía Solar Ventajas Es energía no contaminante. Proviene de una fuente de energía inagotable. Es un sistema de aprovechamiento de energía idóneo para zonas donde el tendido eléctrico no llega (campo, islas), o es dificultoso y costoso su traslado (conviene a mas de 5 Km). Los sistemas de captación solar son de fácil mantenimiento. El costo disminuye a medida que la tecnología va avanzando (el costo de los combustibles aumenta con el paso del tiempo porque cada vez hay menos). Energía Solar Desventajas El nivel de radiación fluctúa de una zona a otra y de una estación del año a otra, en nuestra zona varía un 20% de verano a invierno). Para recolectar energía solar a gran escala se requieren grandes extensiones de terreno. Requiere gran inversión inicial. Se debe complementar este método de convertir energía con otros. Los lugares donde hay mayor radiación, son lugares desérticos y alejados, (energía que no se aprovechara para desarrollar actividad agrícola o industrial, etc.). Fuente: [Autores].

Cuadro 10. Ventajas y desventajas Energía Biomasa.

VENTAJAS:

Energía de la Biomasa

Ayuda a la economía de los sectores rurales: Ya en la biomasa se basa de los residuos orgánicos vegetales que se trabajan en los sectores rurales. Es abundante: A diferencia de otras energías, la biomasa es abundante y puede ser muy aprovechada. Beneficios ambientales: Es muy buena para el medio ambiente ya que esta energía es renovable y no proporciona contaminaciones al ecosistema. Prometedora: Se la ve con un gran futuro ya que como mencionamos antes arriba, esta energía es abundante y a la vez no es contaminante. Puede solucionar: Acumulación de los desechos Contaminación por combustión incontrolada Eliminar focos infecciosos y liberar olores desagradables que provocan los excrementos de los animales Del uso de estos biocombustibles: No son tóxicos. Son biodegradables No producen tantas las emisiones y polución Mejorará los problemas ambientales en el uso de vehículos Del uso de sistemas modulares (biodigestor + generador eléctrico): Gran flexibilidad Bajo impacto ambiental

Simplicidad con la que operan Ventajas económicas Tiene un campo de uso muy amplio y se puede usar igual que el gas natural. Puede quemarse para producir calor y vapor o puede alimentar para generar electricidad. Produce muchos residuos lo que dificulta su uso en turbinas Producción cara (hornos especiales) Fácil control de la producción adecuándola a cada momento a la demanda Producción barata Puede quemarse para producir calor y vapor o puede alimentar para generar electricidad. DESVENTAJAS La utilización energética de la biomasa presenta, debido a sus características, pequeños inconvenientes con relación a los combustibles fósiles: Los rendimientos de las calderas de biomasa son algo inferiores a los de las que usan un combustible fósil líquido o gaseoso. La biomasa posee menor densidad energética, o lo que es lo mismo, para conseguir la misma cantidad de energía es necesario utilizar más cantidad de recurso. Esto hace que los sistemas de almacenamiento sean, en general, mayores. Los sistemas de alimentación de combustible y eliminación de cenizas son más complejos y requieren unos mayores costes de operación y mantenimiento (respecto a las que usan un combustible fósil líquido o gaseoso). No obstante, cada vez existen en el mercado sistemas más automatizados que van minimizando este inconveniente. Los canales de distribución de la biomasa no están tan desarrollados como los de los combustibles fósiles (sólo aplicable en el caso de que los recursos no sean propios). Fuente: [Autores].

Cuadro 11. Ventajas y desventajas Energía Mareomotriz.

Ventajas

Energía mareomotriz

Auto renovable No contaminante Silenciosa Bajo costo de materia prima No concentra población Disponible en cualquier clima y época del año Desventajas Impacto visual y estructural sobre el paisaje costero Localización puntual Dependiente de la amplitud de mareas Traslado de energía muy costoso Efecto negativo sobre la flora y la fauna Limitada

Fuente: [Autores].

Cuadro 12. Ventajas y desventajas Energía Nuclear. VENTAJAS Se puede sintetizar una mayor producción de energía por toneladas de combustible respecto al carbón o al gas natural y en una reacción sin emisiones una vez alcanza la estabilidad, la fusión nuclear, siempre y cuando éste llegue a construirse y operar en condiciones comerciales algún día. Según el proyecto original, el tiempo estimado entre el inicio de la construcción y la puesta en marcha es de 96 meses- es preciso transportar los combustibles de un modo regular, en itinerarios de entrada y salida de las instalaciones.

Energía Nuclear

No obstante, para que la reacción no se detenga, periódicamente deberá añadirse combustible al sistema. La energía requerida para iniciar la reacción no es nada insignificante, y equivale a la producida por una central térmica de 500 MW más otros 100 MW para refrigerar los súper-magnetos. DESVENTAJAS La energía nuclear no es renovable. A fin de cuentas, los recursos de uranio son finitos, y cuando se terminen las reservas no se podrá usar más este tipo de energía. Pero, de momento, estas reservas son grandes. Las centrales nucleares actuales son muy fiables, pero se deben destinar importantes cantidades de dinero para garantizar su seguridad. Y si, por cualquier motivo, sucediese algo, el accidente nuclear sería un desastre. El principal problema de las centrales nucleares lo constituyen los residuos radiactivos. No generan gran cantidad de basura o residuos. Hay desarrolladas técnicas que permiten recuperar más energía del uranio utilizado, con lo que cada vez se genera menos basura nuclear. Pero ese poquito que generan es extraordinariamente peligroso dado que para que se reduzca la radiactividad que emite la basura radiactiva hacen falta años y más años, aún no saben qué hacer con ella.

Fuente: [Autores]. 8 Sistemas híbridos. Cuadro 13. Ventajas y desventajas Usos del hidrogeno. VENTAJAS El hidrógeno es un combustible extraído del agua, la cual es un recurso muy abundante e inagotable en el mundo. La combustión del hidrógeno con el aire es limpia, evitando así la contaminación del medio ambiente. Los productos de la combustión son en su mayoría vapores de agua, los cuales son productos no contaminantes. Las razones por las cuales se considera la combustión del hidrógeno como una combustión limpia, son las siguientes: Uso del Los productos de la combustión del hidrógeno con aire son: vapor de agua y residuos insignificantes hidrogeno donde la máxima temperatura es limitada. Algunos óxidos de nitrógeno son creados a muy altas temperaturas de combustión (2000 °C), afortunadamente, la temperatura de auto ignición del hidrógeno es solamente de 585 °C. Una máquina de combustión interna que utiliza hidrógeno como combustible puede ser ajustada para que la emisión de NO sea 200 veces menor que la de los vehículos actuales. Una forma práctica para controlar la temperatura de combustión consiste en inducir agua a la mezcla hidrógeno - aire. DESVENTAJAS Como no es un combustible primario entonces se incurre en un gasto para su obtención. Requiere de sistemas de almacenamientos costosos y aun poco desarrollados. Elevado gasto de energía en la licuefacción del hidrógeno.

Fuente: [Autores].

Cuadro 14. Mecanismos de producción de biohidrógeno. MICRO GASES MECANISMO ORGANISMOS PRODUCIDOS VENTAJAS Alta producción de hidrogeno. BACTERIAS Fermentación Uso de residuos ANAEROBICA H2 Y CO2 oscura orgánicos. S Uso de consorcios microbianos No hay generación de BACTERIAS bioproductos Foto PURPURAS H2 Y CO2 fermentación NO DEL AZUFRE Uso de luz solar No genera gases de MICROALGAS efecto invernadero Y Biofotolisis H2 Y O2 CIANOBACTER H2 producido a partir IAS de agua y luz Alta eficiencia Fuente: [Autores].

DESVENTAJAS Bajo rendimiento de hidrogeno por fermentación incompleta. Pre tratamiento a la biomasa presencia de microorganismos metano génicos Alta demanda de enzimas nitrogenesa Diseño de reactores para incrementar el uso de luz Sensibilidad al O2 Cambio en el diseño de reactores para maximizar el uso de luz Baja productividad

Cuadro 15 Ventajas y desventajas de los sistemas híbridos. VENTAJAS No es requerida una conmutación entre las diferentes fuentes de generación del sistema, lo cual Simplifica la tarea de control. La potencia suministrada a la carga no se ve interrumpida cuando el generador diésel entra a operar. Los productos de la combustión son en su mayoría vapores de agua, los cuales son productos no contaminantes. El generador diésel puede ser diseñado para entregar toda su potencia útil aun cuando carga el banco de baterías, hasta alcanzar para este un estado de carga del 75 al 85%.

Sistemas híbridos Puede utilizar cualquier tipo de desecho orgánico, ya se animal o vegetal. producción de Puede proveer de electricidad las 24 horas del día, generando así gran confiabilidad. energía eléctrica Puede almacenar gran cantidad de energía, su limitante sería el depósito de hidrogeno. DESVENTAJAS

El inversor debe estar seleccionado para suministrar en todo momento el pico de carga del sistema (un inversor de mayor potencia es más costoso). El banco de baterías es ciclado frecuentemente lo que acorta su vida útil. El alto costos de equipos y la dificultad para hacerlos llegar a las ZNI. Educar a la gente para separar las basuras de los desechos orgánicos. El ciclado frecuente requiere de un banco de baterías mayor. Fuente: [Autores].

Conclusiones

Es importante identificar en las Zonas No Interconectadas, que requieren una solución de energización local, los factores climáticos de la zona para implementar un óptimo sistema que ofrezca un servicio constante y confiable, cuyos costos de generación sean asequibles a la población y que pueda ser utilizado un desecho como fuente de energía. Debido a la abundancia de recursos naturales en estas zonas, los sistemas híbridos de producción de energía eléctrica representan una alternativa que puede cumplir con estas condiciones, además contribuyen a la disminución de emisiones de gases de efecto invernadero y al uso eficiente de los recursos naturales. Se recomienda ubicar las ZNI posteriormente, verificar en la base de datos del clima los recursos predominantes en dichas zonas, escoger una ubicación estratégica para centralizar la red y hacer campañas con la comunidad beneficiada para seleccionar correctamente sus residuos orgánicos La biomasa presenta un gran potencial de desarrollo, frente a los demás tipos de materias primas como las aguas residuales, residuos bovinos, porcinos, avícolas; ya que no requieren de un pre tratado, prácticamente es del usuario al sistema hibrido, no requiere de ningún tipo de proceso para poder ser utilizado. En todas las zonas del país las sociedades tienen la necesidad de alimentarse y consecuencia de esto son los residuos orgánicos, los proceso agroindustriales así entonces se puede generar mecanismos de desarrollo económico y social, el gran reto para el óptimo desarrollo de esta fuente energética, es la educación de la población, incentivar a la población a reciclar, separar los residuos orgánicos de los demás desechos para el óptimo desempeño del sistema. Los proceso para la producción de hidrogeno hoy en día, en nuestro país, están estancados por el consumo de combustibles fósiles. Pero hay nuevos estudios para producción de hidrogeno, la electrolisis es un método que se está desarrollando y apuntan a que el hidrogeno será el combustible del futuro, es por eso que un pequeño número del parque automotor en Colombia, ya empiezan a utilizar pequeñas celdas de combustible para su funcionamiento no son muy efectivas, pero es un proceso que se estará desarrollando. Los recursos que proviene de energías alternativa en la producción de electricidad mediante la producción de hidrogeno en los Sistemas Híbridos, son ilimitados libres de contaminación, los esquemas que se utilizaron proponen múltiples

configuraciones que dependiendo del lugar que se vaya a implementar, podrán tener un óptimo desempeño. Un claro ejemplo es la energía solar con la tecnología fotovoltaica, debido a que dentro del abanico de opciones actuales que se poseen a nivel mundial, sería ideal implementarlo en zonas costeras en donde la radiación solar es predominante. 10 Glosario CASERIOS: reunión de un número de viviendas no mayores a las de un corregimiento IPSE: Instituto de planificación y promoción de soluciones energéticas para zonas no interconectadas HIBRIDO: Interacción de dos o más sistemas ya sea alternativos o tradicionales. PHF = Superficie plana, pH PHB = Bulbo, pH PHH = Resistente HF, pH MVF = Superficie plana, ORP MVR = Estilo eje, ORP PHLI = Plano pH, si la muestra es entre 10 y 100µS/cm REACTOR DISCONTINUO: Los reactores discontinuos se utilizan principalmente para determinar parámetros de la ley de velocidad para reacciones homogéneas. La determinación se realiza normalmente midiendo la concentración como función del tiempo y después se utiliza o el método diferencial o el integral de análisis de datos para determinar el orden de reacción, a, y la constante de velocidad, k. En algunas ocasiones se puede seguir también la evolución de algún parámetro de reacción, como por ejemplo la presión, y el balance molar se reescribirse en función de la variable medida (en este caso de la presión). ZONA NO INTERCONECTADA: aquellas áreas geográficas en donde no se presta el servicio público de electricidad a través del Sistema Interconectado Nacional

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