Luis Manuel Navas - España_Conferencia_LuisManuelNavas_Ecuador2012_02

PRIMER FORO IBEROAMERICANO DE CIENCIA PARA LA ENERGÍA

DESARROLLO DE FOTOBIORREACTORES PARA LA PRODUCCIÓN DE MICROALGAS CON FINES ENERGÉTICOS

LUIS MANUEL NAVAS GRACIA - UNIVERSIDAD DE VALLADOLID Avda. de Madrid 44, 34004 Palencia (ESPAÑA) (: +34 979 108360. 7: +34 979 108302. Email: lmnavas@iaf.uva.es

Luis Manuel Navas Gracia Dpto. Ingeniería Agrícola y Forestal ETS Ingenierías Agrarias Universidad de Valladolid Avda. de Madrid, 44 34004-PALENCIA (ESPANHA) Tel.: +34 979 108 360 Fax: +34 979 108 302 E-mail: lmnavas@iaf.uva.es

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RECTORADO PALACIO DE SANTA CRUZ

EDIFICIO HISTÓRICO FACULTAD DE DERECHO

CONSIDERACIONES PREVIAS

CONSIDERACIONES GENERALES

DESAFÍO ENERGÉTICO Y CLIMÁTICO MUNDIAL CAMBIO CLIMÁTICO EERR

BIOMASA

I+D+i

SOSTENIBILIDAD

EFICIENCIA ENERGÉTICA

GEI

CULTIVOS OLEAGINOSOS BIOCOMBUSTIBLES MAREOMOTRIZ ALGAS

EÓLICA

AGROENERGÍA CO2 / CH4 VII PM

ENERGÍAS RENOVABLES

UN VISTAZO AL MUNDO …

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA Y CAMBIO CLIMÁTICO

Núcleos urbanos Industrias

UN VISTAZO AL MUNDO …

PROBLEMAS DE SALUD

UN VISTAZO AL MUNDO …

CRISIS DE MATERIAS PRIMAS Y ALIMENTOS

UN VISTAZO AL MUNDO …

DEMANDA DE ALIMENTOS 9,0

8,30

billones

Variación % 2000-2025

Part.% 2025

China

13,2%

17,4%

Índia

36,6%

16,8%

África

68,9%

15,4%

Mundo

33,9%

100%

8,0

6,20

7,0 6,0

5,20

5,0

3,97

4,0 3,0

1,97

2,45

2,0 1,0

Demanda de alimentos

0,0

(2000 – 2025) 1990 Población Mundial

2000

2025

Demanda de Alimento (Tm)

+ 62,0% 11

UN VISTAZO AL MUNDO …

CRISIS ENERGÉTICA

UN VISTAZO AL MUNDO …

CONSUMO CRECIENTE DE ENERGÍA 12 Población mundial

Población (billones)

10

1000

8

800

6 Energía consumida en el mundo

4

Población de los paises industrializados

2 0 1900

1200

1950

2000

año

2050

600 400 200 0 2100

Consumo de energia (Qbtu/año)

1400

UN VISTAZO AL MUNDO …

¿UNA SOLUCIÓN? CONTAMINACION ATMOSFÉRICA

PROBLEMAS SALUD

NOx

CO2

O2 SOx

BIOMASA ALGAL CRISIS MATERIAS PRIMAS

CULTIVO SEGUNDA GENERACION PIENSOS ANIMALES SUPLEMENTOS PROTEICOS

CRISIS ENERGÉTICA

BIOCOMBUSTIBLES

CONSIDERACIONES GENERALES

CLASIFICACIÓN MICROALGAS Euglenofitas

Dinoflageladas

Crisofitas (Diatomeas)

Clorofitas

Feofitas

Rodofitas

Estructura

Unicelular

Unicelular

Unicelular

Unicelular / Pluricelular

Pluricelular

Unicelular / Pluricelular

Coloración

Verde

Pardo amarillento

Pardo

Verde

Pardo

Rojo o violeta

Pigmentos

Clorofila, carotenos y xantofilas

Clorofila, carotenos y xantofilas

Clorofila, carotenos y xantofilas

Clorofila y carotenos

Clorofila, carotenos, fucoxantina

Clorofila, carotenos, ficoeritrina, ficobilina

Pared celular

No presenta

Celulosa

Celulosa+sílice

Celulosa

Celulosa

Celulosa

Dos flagelos de distinto tamaño

Móviles, gracias a dos flagelos

Inmóviles, con caparazón duro de dos valvas

Unicelulares móviles.

Pluricelulares, los gametos

Móviles sólo los gametos

Sin movimiento

División

Imagen

Movimiento

CONSIDERACIONES GENERALES

ESPECIES DE ALGAS MICROSCĂ“PICAS

1. Spirulina 2. Hidrodiction 3. Dunaliella 4. Haematococcus 5. Nostoc

6. Cylindrotheca 7. Anabaena 8. Synechocistis 9. Chlamydomonas 10. Scenedesmus

11. Porphiridium 12. Haematococcus 13. Botryococcus 14. Phaeodactylum 15. Thalassiosira

CONSIDERACIONES GENERALES

PROPIEDADES DE LAS MICROALGAS • • • • • • • • • •

Microorganismos (µm) Incluye Procariotas y Eucariotas Más de 30,000 especies Clorofila + carotenoides Diversidad de formas, tamaños y colores Fotoautótrofos: CO2 ($) / O2 (h) Ocupan hábitats muy diversos Productividad primaria global (50 %) Junto con las Metafitas soportan la vida Producción potencial de bienes y servicios

CONSIDERACIONES GENERALES

MICROALGAS PARA BIOCOMBUSTIBLES 1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Fijan CO2 à Kyoto y Rio+20 No transpiran à Sin riego Radiación solar à Abundante Sistema cerrado à No contamina Producción à Continua Sin “plagas” à Sin fitosanitarios Torta à Proteína Biotecnología à Posible

CONSIDERACIONES GENERALES

FOTOSÍNTESIS

6 CO2 + 6 H2O

Luz Cloroplastos

C6O6H12 + 6 O2

264 g

108 g

180 g

192 g

1.47 kg

0.60 kg

1 kg

1.07 kg

TRANSPIRACIÓN: 1 kg de biomasa è 1,000 L H2O

CONSIDERACIONES GENERALES

EFICIENCIA FOTOSINTÉTICA BIOMASA (Mg·ha-1·año-1)

FOTOSÍNTESIS (%)

Ecosistema natural

4

0.10

Ecosistema terrestre

6

0.15

Ecosistema acuático

3

0.07

Sabana

10

0.25

Pradera

20

0.50

Bosque

10 – 40

0.25 – 1.00

Cultivo agrícola

20

0.50

Maíz grano

15

0.40

Maíz planta

50

1.20

Caña común

30

0.70

Caña azúcar

60

1.50

> 80 100

>2.00 2.50

SISTEMA

Jacinto de agua Microalgas

CONSIDERACIONES GENERALES

COMPOSICIÓN EN ACEITE DE LAS ALGAS ESPECIE

ACEITE (1,2)

Botryococcus braunii

25 – 75

Chlorella sp.

28 – 32

Crypthecodinium cohnii Cylindrotheca sp.

Dunaliella primolecta Isochrysis sp.

Monallanthus salina

20 16 – 37 23 25 – 33 20

Nannochloris sp.

20 – 35

Nannochloropsis sp.

31 – 68

Neochloris oleoabundans

35 – 54

Nitzschia sp.

45 – 47

Phaeodactylum tricornutum

20 – 30

Schizochytrium sp.

50 – 77

Tetraselmis suecica

15 – 23

(1) (2)

Porcentaje de aceite / grasa sobre materia seca Alto contenido en aceite cuando no crecen

CONSIDERACIONES GENERALES

MATERIAS PRIMAS VEGETALES

CONSIDERACIONES GENERALES

PRODUCCIÓN DE ACEITE PARA BIOCOMBUSTIBLE CULTIVO Soja Sésamo Girasol Colza Ricino Coco Palma Algas

BIODIÉSEL

L·ha-1·año-1 400 800 900 1,200 1,500 3.000 6,000 > 10,000

CONSIDERACIONES GENERALES

PROCESOS DE CONVERSIÓN EN BIOCOMBUSTIBLES

CONSIDERACIONES GENERALES

TRABAJOS DE LABORATORIO Y PRODUCCIÓN COMERCIAL

Central eléctrica de Redhawk Phoenix (Arizona, USA)

CONSIDERACIONES GENERALES

COSTES DE COMBUSTIBLES (2010) Gasolina: 0.55 – 0.60 €·L-1 Diesel: 0.65 – 0.70 €·L-1

Cultivos: 0.95 – 1.15 €·L-1

Algas:

2.00 – 20.00 €·L-1

MICROALGAS: • Raceway: 10 €·kg-1 (biomasa seca) • Fotorreactor cerrado: 35 €·kg-1 (biomasa seca) MACROALGAS: • Costa: 0.05 €·kg-1 (biomasa seca) • Mar abierto: 0.40 €·kg-1 (biomasa seca)

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

BIORREACTORES EN CANALES ■ El estanque de recirculación suele estar sustituido por el propio canal de cultivo (cubierto o no). Recirculación constante ■ Ocupan grandes superficies de terreno con poca profundidad ■ Tipología tradicional de depuración de efluentes con altas concentraciones de formas nítricas y fosfóricas ■ Tipología tradicionalmente utilizada para producir microalgas para las industrias cosmética, farmacéutica y la piscifactoría ■ Normalmente sin inyección de CO2

BIORREACTOR RACEWAY

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

BIORREACTORES EN CANALES ■ El estanque de recirculación suele estar sustituido por el propio canal de cultivo (cubierto o no). Recirculación constante ■ Ocupan grandes superficies de terreno con poca profundidad ■ Tipología tradicional de depuración de efluentes con altas concentraciones de formas nítricas y fosfóricas ■ Tipología tradicionalmente utilizada para producir microalgas para las industrias cosmética, farmacéutica y la piscifactoría ■ Normalmente sin inyección de CO2

BIORREACTOR RACEWAY

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

FOTOBIORREACTORES DE CONDUCCIONES y/o RECIPIENTES ■ Existe un deposito de recirculación donde se suelen centralizar las operaciones de adicción de nutrientes y dosificación de CO2, así como de trasferencia de calor ■ Poco espesor para mejorar la captación radiativa ■ La inyección de CO2 puede estar localizada dentro de los biorreactores o en el depósito de recirculación ■ Tienen mayor rendimiento por unidad de superficie que los biorreactores en canal

FOTOBIORREACTOR DE PLACA PLANA

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

FOTOBIORREACTORES DE CONDUCCIONES y/o RECIPIENTES ■ Existe un deposito de recirculación donde se suelen centralizar las operaciones de adicción de nutrientes y dosificación de CO2, así como de trasferencia de calor ■ Poco espesor para mejorar la captación radiativa ■ La inyección de CO2 puede estar localizada dentro de los biorreactores o en el depósito de recirculación ■ Tienen mayor rendimiento por unidad de superficie que los biorreactores en canal

FOTOBIORREACTOR EN TUBO Y V

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

FOTOBIORREACTORES EN MEDIO POROSO ■ Tipología que ofrece mayor rendimiento por superficie ocupada ■ Depósito de recirculación en el que se centralizan el control de temperatura del medio de cultivo y la dosificación de nutrientes ■ La inyección de CO2 se realiza en el interior del panel de cultivo ■ El recolectado de biomasa algal presenta un alto contenido en materia seca respecto a las demás tipologías

FOTOBIORREACTOR LAMINAR

FOTOBIORREACTOR LAMINAR (PBRL)

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

Título: Fotobiorreactor laminar para la producción de microalgas Número de publicación: ES 2 347 515 A1

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

VENTAJAS DEL NUEVO FOTOBIORREACTOR PBRL 1. Aplicable a gran escala (decenas o centenares de ha) a bajo coste 2. Alta eficiencia en la iluminación de las microalgas inmovilizadas en el panel 3. Fácil intercambio de gases (CO2 y O2 principalmente) entre el aire y el medio de cultivo 4. Refrigeración pasiva del medio por evaporación natural del agua tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura 5. Cosecha de las algas concentradas ya sea del medio líquido, por decantación o centrifugación, o del propio panel por raspado

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

Cosecha de la biomasa inmovilizada

Efecto del CO2

CONTROL FOTOBIORREACTOR PBRL

DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN

Gasómetro

Modulo

Bomba recirculación

Electroválvula

Compresor

Panel fotobiorreactor

Resistencia

Deposito recirculación

CONTROL FOTOBIORREACTOR PBRL

ESTRUCTURA DEL SISTEMA DE CONTROL Controlador

CompactRIO (NI) Hardware Sistema de adquisición de datos Ejecutor de algoritmos de control Conexión de entradas/salidas digitales o analógicas (sondas, contactores, relés)

LabVIEW (NI)

Servidor

Cliente Base de Datos: parámetros de configuración, variables de medida, valores de cálculos.

Acceso a configuración del sistema Consulta de históricos Control / Acción a sistema de control.

CONTROL FOTOBIORREACTOR PBRL

APLICACIÓN SCADA

INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS

PROCESO DE SECADO DE BIOMASA DE ALGAS ■ Solicitud de patente P201230037 ■ Desarrollado dentro del Proyecto de Desarrollo de Actividades de Transferencia de Conocimiento desde la Universidad de Valladolid (TCUE3).

Marco de la Estrategia Universidad-Empresa de Castilla y León 2008-2011

FOTOBIORREACTORES DE MICROALGAS PARA PARAMENTOS VERTICALES PROYECTO URBAN-ALGAE

PROYECTO URBAN-ALGAE

INTEGRACIÓN EN LAS EDIFICACIONES

PROYECTO URBAN-ALGAE

EL PROBLEMA ■ Superficie horizontal comprometida para ampliaciones o ausencia ■ Grandes superficies en paramentos verticales ■ Efluentes gaseosos: concentración de GEIs y de energía térmica

PROYECTO URBAN-ALGAE

LA SOLUCIÓN ■ Superficie horizontal comprometida para ampliaciones o ausencia ■ Grandes superficies en paramentos verticales ■ Efluentes gaseosos: concentración de GEIs y de energía térmica PANELES DE MICROALGAS EN PARAMENTOS VERTICALES

MADAME CURIE (1867-1934)

Física y Química Primera mujer Doctora en Europa Primera mujer en ganar el Premio Nobel Dos Premios Nobel: 1903 en Física y 1911 en Química

MADAME CURIE (1867-1934)

Nada en la vida debe ser temido, solamente comprendido. Ahora es la hora de comprender mรกs para temer menos

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍAS AGRARIAS

MUCHAS GRACIAS

Luis Manuel Navas Gracia Dpto. Ingeniería Agrícola y Forestal ETS Ingenierías Agrarias Universidad de Valladolid Avda. de Madrid, 44 34004-PALENCIA (ESPAÑA) Tel.: +34 979 108 360 Fax: +34 979 108 302 E-mail: lmnavas@iaf.uva.es