Generación de energía eléctrica con plantas nativas del Valle del Mantaro mediante fotosíntesis en la ciudad de Huancayo en el año 2019 Electricity generation with native plants of the Mantaro Valley through photosynthesis in the city of Huancayo in 2019 _____________________________________________________________________ Nuñez Baca, E.1* ; Chilcce Pucuhuanca, P.1 y ; Fernández Martínez, O.2 1
Universidad Continental. Facultad de Ingeniería. Carrera Profesional de Ingeniería Eléctrica
2
Universidad Continental. Facultad de Ingeniería. Carrera Profesional de Ingeniería Ambiental
San Carlos N° 1980, Huancayo, Perú *
70296572@continental.edu.pe __________________________________________________________________
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RESUMEN Introducción: Debido a que el servicio de electricidad demanda una gran inversión para el país, una gran parte de la población alto andina del valle del Mantaro no cuenta con este servicio. Este trabajo se propuso crear un módulo que genere energía eléctrica mediante fotosíntesis cambiando la membrana de intercambio catiónico por un diodo, de este modo se anularían los demás beneficios que ofrece la membrana de intercambio catiónico pero no se dejaría generar energía eléctrica, así se reduciría el costo del prototipo. Materiales y métodos: Se utilizó 3 módulos que generan energía eléctrica mediante fotosíntesis con tres plantas distintas (la chamana, el marco y la chilca negra), cada módulo fue construido uniendo los electrodos de grafito en serie y conectando en un extremo un conductor de cobre y en el extremo opuesto un diodo y un conductor de cobre, por último se conectó la batería recargable con los extremos de los conductores de cobre y el circuito con toma de corriente para celulares en paralelo. La obtención de los datos fue durante una semana cada 12 horas, por día se realizó dos mediciones de voltaje, la primera medición fue a las 6:00 am y la segunda medición fue a las 6:00 pm. Resultados: La variación entre cada medición por día en cada módulo es de 0.05 voltios aproximadamente y el mayor voltaje obtenido fue de la planta Marco siendo 0.77 voltios. Conclusiones: La planta más eficiente en nuestra investigación fue Ambrosia peruviana (Marco)la cual tuvo un promedio de 0.775 de voltaje producido. Palabras clave: fotosíntesis, membrana de intercambio catiónico, electrodo, diodo, voltaje
ABSTRACT Introduction: Because the electricity service demands a large investment for the country, a large part of the high Andean population of the Mantaro Valley does not have this service. This work was proposed to create a module that generates electrical energy through photosynthesis by changing the cation exchange membrane for a diode, in this way the other benefits offered by the cation exchange membrane would be annulled but it would not be allowed to generate electrical energy, thus reducing the prototype cost. Materials and methods: 3 modules were used that generate electricity through photosynthesis with three different plants (the shaman, the frame and the black chilca), each module was built by joining the graphite electrodes in series and connecting at one end a copper conductor and at the opposite end a diode and a copper conductor, finally the rechargeable battery was connected to the ends of the copper conductors and the circuit with power socket for parallel cell phones. The data was obtained for one week every 12 hours, two voltage measurements were made per day, the first measurement was at 6:00 am and the second measurement was at 6:00 pm. Results: The variation between each measurement per day in each module is approximately 0.05 volts and the highest voltage obtained was from the Marco plant being 0.77 volts. Conclusions: The most efficient plant in our investigation was Ambrosia peruviana (Marco) which had an average of 0.775 voltage produced. Keywords: photosynthesis, cation exchange membrane, electrode, diode, voltage
Introducción En la actualidad gran parte de la población alto andina del valle del Mantaro son personas de bajos recursos que viven en zonas pocas habitadas y no cuenta con energía eléctrica, debido a que demanda una gran inversión por parte del sector público o privado para brindar este servicio. Una gran opción para generar electricidad son las energías renovables, debido a que no requieren de una gran inversión, su instalación es sencilla y no contaminan el medio ambiente. Para que El Perú logre ser un país desarrollado, debe brindar energía a estos lugares alejados, cuando estas personas cuenten con energía eléctrica se les abrirá muchas posibilidades de desarrollo. En el Perú la fuentes de energía eléctrica utilizadas son fuentes renovables y no renovables, debido a que la demanda de energía eléctrica supera a la generación por fuentes renovables como la hidráulica, solar y eólica se utiliza fuentes no renovales, según Akella, Saini, y Sharma (2009) el petróleo, el carbón y gas son fuentes no renovables de energía que impulsan la economía al desarrollo efectivamente, pero a la vez perjudican la salud humana y el medio ambiente. Considerando los efectos sociales, económicos y ambientales producidos se ha llegado a la conclusión que es conveniente el uso de fuentes de energía renovable, en lugar de fuentes de energía convencional, para mitigar los problemas sociales, económicos y ambientales. La generación de energía eléctrica con fuentes renovables debe seguir creciendo para disminuir la contaminación producida por las fuentes no renovables para poder asegurar una calidad de vida a las generaciones futuras. En esta última década el avance tecnológico ha crecido rápidamente, brindando más opciones de desarrollo al planeta e impulsando a las personas a investigar y desarrollar soluciones a los problemas que surgen en la sociedad actual, Según Raffo y Mayta (2015):
La ciencia económica está dedicada a establecer métodos de valoración monetaria, para cuantificar el deterioro ambiental. El objetivo de estas herramientas de análisis es valorar el medio ambiente evidenciando su “valor” como bien público. Dicho valor se mediría, en principio, por la voluntad de las personas a pagar por él. Se trata de precisar qué es lo que la una persona realmente desea antes que simplemente ignorar sus preferencias. El cálculo de la disponibilidad para pagar de las personas por un bien es observable cuando hacen sus compras; no existen mercados donde se compren o vendan unidades de activos ambientales. No hay un “mercado del ruido” o un “mercado de calidad del aire”, se hace necesario utilizar los métodos desarrollados por la Economía Ambiental para medir los beneficios de una mejora en la calidad ambiental (p. 61). Es evidente la repercusión que tiene la contaminación ambiental en el planeta, por ese motivo en este último siglo se ha buscado reducir el impacto que genera la contaminación, una forma de reducir la contaminación es utilizando fuentes de energía renovable, según Helder et al. (2010) existe un sistema que produce bioelectricidad con las plantas mediante la materia orgánica y es la célula de combustible microbiana de la planta (PMFC). Las raíces de las plantas excretan Rhizodepositos estos son convertidos en electrones protones y CO2 por microorganismos que están presentes alrededor de las raíces y son electroquímicamente activos. Se ha descubierto que un electrodo de grafito en condiciones anaeróbicas puede captar electrones de estos microorganismos. Este electrodo (ánodo) está unido a un segundo electrodo (cátodo) divididos por una membrana, los electrones del cátodo son utilizados para reducir oxigeno u otro compuesto junto con los protones que atraviesan la membrana hasta el compartimiento del cátodo. El compartimento donde crece la planta y esta
el ánodo, debe de sumergir la raíz y el ánodo para crear un ambiente anaeróbico. Mediante la fotosíntesis tipo C3 se llega a generar energía eléctrica, según Mata, Dimas, Machuca y Medina (2017) : Se le llaman así debido a que el bióxido de carbono se incorpora en un carbono-3, lo que permite que las estomas permanezcan abiertas durante el día, es por eso que la fotosíntesis se lleva a cabo a través de la hoja, es más eficiente que la fotosíntesis C4 Y CAM en condiciones frías y con una luz normal, ya que requiere menos enzimas y no requiere que la anatomía de la planta sea especializada. Y este tipo de fotosíntesis es realizada por la mayoría de plantas. Se lleva a cabo mediante dos etapas: la lumínica, en la que se utiliza la energía de la luz para sintetizar ATP y NADPH, y la fijadora de carbono, que utiliza los productos de la primera etapa para la producción de azúcares (p. 6). En el trabajo Mata et al. (2017) obtuvieron como resultados de la sábila un voltaje que está dentro de los 0.40 v hasta los 0.80v, asimismo se pudo obtener de la planta lengua de tigre un voltaje de 0.21 v hasta 0.53 v, por último, el voltaje obtenido de la planta Citronela fue de 0.67 v hasta 0.74 v. Estos datos obtenidos muestran la variación de los voltajes debido a que cada planta tiene una morfología distinta. Springer, Zawodzinski, y Gottesfeld (1991) en su investigación presentaron un modelo isotérmico, unidimensional, de estado estacionario para una pila de combustible de electrolito polimérico completo (PEFC) con una membrana 117 Nafion. En este modelo, se empleó coeficientes de difusión de agua, coeficientes de arrastre electro osmóticos, isotermas de sorción de agua y conductividades de membrana, todos medidos en laboratorio como funciones del contenido de agua de membrana. El modelo predice una relación de flujo neto de agua por protón de 0.2 Fórmula en condiciones de operación típicas, que es mucho menor que
el coeficiente de resistencia electro osmótica medido para una membrana completamente hidratada. También predice un aumento en la resistencia de la membrana con una mayor densidad de corriente y demuestra la gran ventaja de una membrana más delgada para aliviar este problema de resistencia. Todas la investigaciones propuesta están basadas en el mismo principio de generación de energía eléctrica mediante fotosíntesis, recrear este proceso es costoso debido al precio de los materiales por eso en este trabajo se busca crear un módulo que genere energía eléctrica mediante fotosíntesis cambiando la membrana de intercambio catiónico por un diodo, de este modo se anularían los demás beneficios que ofrece la membrana de intercambio catiónico (purificación de agua residuales y generación de biogás) pero no se dejaría generar energía eléctrica, así se reduciría el costo del prototipo propuesto en el diseño anterior. Materiales y métodos Se utilizó 3 módulos que generan energía eléctrica mediante fotosíntesis, cada módulo tenía una planta distinta, las plantas utilizadas fueron Dodonaea viscosa (Chamana), Ambrosia peruviana (Marco), Fluorencia macrophylla (Chilca Negra). Para la construcción de un módulo se utilizó los siguientes materiales: varillas de grafito, diodo 1N4001, conductor de cobre, batería recargable de 4V 3Ah y un circuito con toma de corriente para celular. El proceso de construcción fue: primero se conectó en paralelo las varillas de grafito, después a un extremo de las varillas de grafito se conectó el conductor de cobre y al extremo opuesto se conectó el diodo, seguidamente se conectó el conductor de cobre al otro extremo del diodo, por último se conectó la batería recargable con los extremos de los conductores de cobre y el circuito con toma de corriente para celulares se conectó en paralelo a la pila. Para las mediciones de voltaje y corriente que genero cada módulo se utilizó un multímetro digital (Multímetro
Resultados Las muestras se obtuvieron con plantas nativas del valle del Mantaro. Las mediciones se realizaron con tres diferentes plantas, para observar la variación en el voltaje generado por cada planta. Los voltajes promedio obtenidos durante una semana en cada módulo utilizando las plantas Chamana, Marco y Chilca Negra se muestran en las tablas 1,2 y 3 y figuras 1,2 y 3. La variación entre cada medición por día en cada módulo es de 0.05 voltios aproximadamente y el mayor voltaje obtenido fue de la planta Marco siendo 0.77 voltios. Tabla 1 Voltajes obtenidos de la planta la Chamana N° de medición 1er día 2do día 3er día 4to día 5to día 6to día 7mo día
1° medición 6:00 am 0.67 V 0.68 V 0.68 V 0.7 V 0.71 V 0.7 V 0.69 V
2° medición 6:00 pm 0.68 V 0.69 V 0.7 V 0.71 V 0.71 V 0.7 V 0.71 V
Voltaje(V)
Nota: Experimentación con Dodonaea viscosa (Chamana) (Elaboración propia) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
0.7
0.69
Tabla 2 Voltajes obtenidos de la planta el Marco N° de medición 1er día 2do día 3er día 4to día 5to día 6to día 7mo día
1° medición 6:00 am 0.75 0.76 0.76 0.78 0.79 0.78 0.77
2° medición 6:00 pm 0.76 0.77 0.78 0.79 0.79 0.78 0.79
Nota: Experimentación con Ambrosia peruviana (Marco) (Elaboración propia) 1
0.78
0.77
0.8
Voltaje(V)
Digital Prasek Premium Pr-85), también se halló la conductividad (conductivity meter CD-4301) y el pH (pH-meter 110Series Oakton). La obtención de los datos fue durante una semana cada 12 horas, por día se realizó dos mediciones, la primera medición fue a las 6:00 am y la segunda medición fue a las 6:00 pm.
0.6 0.4 0.2 0 1° medición 6:00 am 2° medición 6:00 pm
Tiempo Figura 2 Voltaje promedio de la planta Ambrosia peruviana (Marco)
Tabla 3 Voltajes obtenidos de la planta Chilca negra N° de medición 1er día 2do día 3er día 4to día 5to día 6to día 7mo día
1° medición 6:00 am 0.61 0.62 0.62 0.64 0.65 0.64 0.63
2° medición 6:00 pm 0.63 0.64 0.65 0.66 0.66 0.65 0.66
Nota: Experimentación con Fluorencia macrophylla (Chilca Negra) (Elaboración propia) 1° medición 6:00 am 2° medición 6:00 pm
Tiempo Figura 1 Voltaje promedio de la planta Dodonaea viscosa (Chamana)
Voltaje(V)
1 0.8
0.65
0.63
0.6 0.4 0.2
(Marco)la cual tuvo un promedio de 0.775 de voltaje producido en un día, en si aumentamos el ritmo de cultivo de esta planta podemos aumentar la generación de energía eléctrica a gran escala y sería muy beneficioso económicamente.
0 1° medición 6:00 am 2° medición 6:00 pm
Tiempo Figura 3 Voltaje promedio de la planta Fluorencia macrophylla (Chilca Negra)
Discusión Según Mata et al. (2017) los resultados de la sábila; también puede producir energía eléctrica en cantidades de voltaje iguales o mayores a las de conseguidas en nuestros resultados con la planta Ambrosia peruviana (Marco) que cabe resaltar es la que más produce energía eléctrica en nuestro trabajo. Según Mata et al. (2017) de la planta lengua de tigre se obtuvo un voltaje de 0.21 v hasta 0.53 v, en comparación con la planta chilca negra los voltajes obtenidos fuero de 0.63 v hasta 0.65 v, se puedo notar que los resultados de la planta chilca es superior a la planta lengua de tigre y que la variación es menor.
Por último, el voltaje promedio obtenido de la planta chamana fue menor al voltaje de la planta citronela, Según Mata et al. (2017) el voltaje de esta planta fue de 0.705 v, la variación de voltaje la planta chamana fue menor. Podemos afirmar que la obtención de voltaje de esta planta es más estable. Conclusiones Para obtener los resultados se realizaron diferentes pruebas durante una semana; si bien es cierto dichas pruebas arrojaron valores muy variados por cada planta; para tener una certeza de cuan eficiente puede ser cada una de las plantas sacamos un promedio para estimar cuál de ellas sería más conveniente usar en un futuro si se llegara a utilizar en una industria eléctrica. La planta más eficiente en nuestra investigación fue Ambrosia peruviana
Para finalizar quedamos satisfechos con la investigación con esto concluimos que se debe continuar con esta investigación más profunda y aportaciones mayores en el desarrollo de un prototipo mejorado y así poder continuar con los avances que se están buscando al rededor del mundo para la generación de energías limpias y espacios verdes. Referencias Akella, A., Saini, R., & Sharma, M. (2009). Social, economical and environmental impacts of renewable energy systems. Renewable Energy, 34(2), 390-396. Helder, M., Strik, D., Hamelers, H., Kuhn, A., Blok, C., & Buisman, C. (2010). Concurrent bio-electricity and biomass production in three PlantMicrobial Fuel Cells using Spartina anglica, Arundinella anomala and Arundo donax. Bioresource technology, 101, 3541-7 Mata, M., Dimas, A., Machuca, L., & Medina, M. (2017). Generación de Electricidad a Base de Fotosíntesis. Revista de Ciencias Naturales y Agropecuarias, 4(12), 5-11. Raffo , E., & Mayta, R. (2015). Valoración ecónomica ambiental: el problema del costo social. Producción y Gestión, 18(2), 61-71. Springer, T., Zawodzinski, T., & Gottesfeld, S. (1991). Polymer Electrolyte Fuel Cell Model. J. Electrochem. Soc., 138(8), 23342342.