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
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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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
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