II Congreso Argentino de Ingeniería - CADI 2014 VIII Congreso Argentino de Enseñanza de la Ingeniería - CAEDI 2014 Cap 4: Ingeniería Sostenible. Energía, Medio Ambiente y Cambio Climático

Los residuos sólidos urbanos en el proceso de biodigestión Jorge Machalec1, Rubén Francisco Gil1, María Celeste Dopazo1, Ignacio José Domingo Rimoldi1, Javier Moretton1 y Ariel Alejandro Risso1 Departamento de Ingeniería Química, Facultad Regional Avellaneda, Universidad Tecnológica Nacional, Av Ramón Franco 5050, (1874) Villa Domínico, Provincia de Buenos Aires 1

[email protected]

Resumen. Los residuos sólidos urbanos se constituyen como un problema de proecupación tanto por el volumen de producción como por su disposición final. La reutilización de los mismos en procesos de biodigestión surge como alternativa a la metodología de disposición tradicional con la opción de recuperar el biogás y el abono producido. Es importante para ello, conocer la composición de la fracción orgánica como asi también las variables que resultan determinantes en la optimización del proceso de biodigestión. La presente investigación indaga sobre la composición de la alimentación y el estudio de dos variables de proceso: humedad y relación carbono/nitrógeno en la producción de biogás para excperiencias de escala laboratorio, con el objetivo de realizar aportes que permitan enriquecer la información disponible en el tema. Los avances realizados en la investigación muestran dos condiciones de proceso seleccionables para la realización de un cambio de escala. Palabras clave: residuos sólidos urbanos, composición, biodigestión

1- Introducción El desarrollo de las sociedades modernas trae aparejado conflictos de diversa índole, desde el punto de vista ambiental cuenta como tema central el incremento de los volúmenes de residuos domiciliarios [1] que se constituyen en un problema en todas las fases de gestión. El tratamiento convencional de disposición final en rellenos sanitarios se presenta como un factor de presión sobre el medio ambiente y de allí emerge el estudio de tecnologías alternativas que en forma individual o integrada conforman las posibles soluciones a adoptar en torno al problema presentado. En el conjunto de posibles soluciones tecnológicas se encuentran los procesos de biodigestión para las fracción orgánica. Los procesos de biodigestión para la reducción de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (RSU), ofrecen diferentes posibilidades asociadas a la

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generación de recursos energéticos como el caso de biogás [2], así como también la producción de fertilizantes [3], además de ofrecer la posibilidad de realizar la reducción de los RSU en tiempos muchísimo más cortos que a través de su disposición en rellenos sanitarios. Sin embargo esta alternativa tecnológica necesita ser desarrollada en forma adecuada al medio de aplicación considerando las características particulares de la materia prima, su composición y sus propiedades, elementos determinantes del funcionamiento y rendimiento del proceso [4]. Existen numerosas aplicaciones de biodigestores para la reducción de los RSU, a pesar de ello estos no contemplan la amplia heterogeniedad en la composición de la alimentación, existiendo escasa información en este sentido.

2- Objetivos Los objetivos del presente trabajo son: generar información sobre la composición de la alimentación típica de un biodigestor y el análisis de dos variables del proceso de biodigestión de los componentes orgánicos de los RSU, humedad y relación C/N, determinando las condiciones óptimas para una escala de laboratorio.

3- Materiales y métodos El trabajo de investigación enfocado en la determinación de la composición de la fracción no reciclable implicó el análisis, en dos oportunidades, de distintas muestras de residuos sólidos urbanos, de ellos se separaron los reciclables y luego se procedió a desagregar la matriz orgánica estableciendo las siguientes categorías de productos: vegetales, farináceos, grasos, lácteos y cárnicos, y luego se determinaron las fracciones porcentules de cada una de las clases indicadas, Figura 1. Establecida la composición de la fracción orgánica se procedió a determinar, por medio de técnicas analíticas homologadas, en el laboratorio de ensayos especiales del Departamento de Ingeniería Química de la UTN-FRA, los parámetros analíticos de la mezcla que se detallan en la Tabla 1: Tabla 1. Parámetros y técnicas analíticas empleadas Parámetro Técnica analítica Humedad Standar methods 2540 B Nitrógeno Hacha 8075 Fósforo Standar methods 4500C modificado DBO Manométrico Standar methods Merck DQO Standar methods 5220 D Con los resultados obtenidos se determinó el contenido de carbono orgánico, hierro y calcio [5] por medio de correlaciones que se describen en la Tabla 2:

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Tabla 2. Correlaciones utilizadas Elemento Correlación utilizada Carbono Calcio Hierro Donde: (COT) Carbono orgánico total (g/Kg) MS: Materia seca (% P/P) Ca: calcio (mg/kg) Fe: hierro (mg/kg) Se acondicionaron recipientes de vidrio con trampas de gases, dotadas de sello hidráulico, para ser usados como biodigestores anaeróbicos. Los recipientes disponen de un volumen útil de 600 ml y un especio libre de 100 ml, el cuerpo de los recipientes fue cubierto con recubrimiento sintético a fin de evitar el ingreso de luz, Figura 2. Se establecieron dos condiciones operativas fijando la relación porcentual en peso de la relación carbono/nitrógeno (C/N), en 16 y 30 [6], en tanto se establecieron dos condiciones para la concentración de sólidos: base húmeda (BH) y base seca (BS) con 10% y 30% de sólidos respectivamente. Con estas cuatro condiciones operativas se procedió a la realización de las pruebas de laboratorio, fijando una temperatura en 37°C, fase mesófila, para la realización de las diversas experiencias, esta condición de temperatura se alcanzó en un baño termostatizado marca Vicking modelo Masson. La producción de biogas se analizó registrando la perdida de peso de cada uno de los frascos, utilizando para ello una balanza granataria OHAUS modelo PA 3102. En este sentido se estableció un plan de control de peso de frascos con intervalo de 3 días entre las mediciones.

Figura 1. Fracción orgánica

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Figura 2. Equipo utilizado

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4- Resultados De las muestras de residuos relevadas se pudieron obtener los siguientes resultados que se muestran en la Tabla 3 . Se destaca la amplia proporción de restos vegetales, superior al 86%. Tabla 3. Composición de los residuos no reciclables Composición de los RSU Porcentaje Vegetales 86,35% Farináceos 12,45% Grasos 0,93% Lácteos 0,26%

Las determinaciones analíticas realizads sobre la muestra típica de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos, se muestran en la Tabla 4. Los resultados obtenidos reflejan valores próximos en contenido de humedad, fósforo y DQO, sin embargo existe una importante diferencia en los valores de nitrógeno y DBO. Tabla 4. Resultados de los análisis de laboratorio Determinaciones analíticas Parámetro 1° Análisis 2° Análisis Humedad 77,8% 71,7% Nitrógeno 1,89 g/kg 2,953 g/kg Fósforo 1,17 g/kg 1,15 g/kg DBO 5000 mg/l 2750 mg/l DQO 11000 mg/l 11960 mg/l

Los valores estimados de los componentes del sistema, de acuerdo a las correlaciones empleadas se muestran en la Tabla 5. Tabla 5. Valores obtenidos de las correlaciones aplicadas En base al En base al UNIDAD 1° Análisis 2° Análisis Materia Seca 22,2 28,3 % log (Materia Seca) 1,3 1,5 log (COT) 0,9 1,0 COT 7,5 10,0 g/kg Contenido Ca 0,8 1,2 mg/kg Contenido Fe 71,5 102,0 mg/kg Los enriquecimientos de la alimentación, a fin de mantener las condiciones operativas definidas para las relaciones C/N, demandaron el agregado de sacarosa en cantidades que se expresan en la Tabla 6.

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Tabla 6. Enriquecimientos realizados 1° Experiencia 2° Experiencia Enriquecimiento con sacarosa: (g) (g) Base seca: 11,3 15,9 Relación C/N = 16 Base húmeda: 3,8 5,3 Relación C/N = 30

Base seca:

24,6

33,6

Base húmeda:

8,2

11,2

Se muestran los resultados, Tabla 7 y Figura 3, correspondientes al descenso de peso porcentual para un tiempo de retención hidráulica de 24 días. Tabla7. Valores registrados DÍA

BS - C/N = 16

BS - C/N = 30

BH - C/N = 16

BH - C/N = 30

0

0,00%

0,00%

0,00%

0,00%

2

-0,03%

0,13%

0,08%

0,15%

7

0,12%

0,51%

0,42%

0,23%

10

0,25%

0,63%

0,54%

0,25%

14

0,34%

0,80%

0,69%

0,29%

17

0,40%

0,92%

0,89%

0,33%

21

0,45%

1,00%

1,15%

0,39%

24

0,47%

1,07%

1,33%

0,45%

1,40% BS - C/N = 16 BH - C/N = 16

Pérdida de peso (%)

1,20%

BS - C/N = 30 BH - C/N = 30

1,00% 0,80% 0,60% 0,40% 0,20% 0,00% -0,20%

0

3

6

9

12 15 Tiempo (días)

18

21

24

Figura 3. Evolución en la pérdida de peso de los biodigestores

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5- Comentarios y conclusiones Se pudo determinar la composición de la fracción orgánica de los RSU, que permite caracterizar una muestra típica. A pesar de la variabilidad en la composición de cada una de las fracciones establecidas, se vislumbran ciertas similitudes reflejadas en los resultados de los análisis de laboratorio que será necesario verificar en próximas determinaciones. Se aprecia un elevado contenido de humedad en las muestras, que encuentra sustento en el alto contenido de vegetales, superior al 86%. Esta condición justifica el uso de la fracción orgánica de los RSU en procesos de biodigestión, ya que su degradación por medio de procesos termoquímicos implicaría la utilización de gran cantidad de energía. La composición de los RSU indica que la concentración de N en niveles de 0,19% y 0,29% respectivamente para los ensayos realizados se encuentren asociados , presumiblemente, a la presencia de restos de productos lácteos como cáscara de quesos que se evidenciaron en las muestras de residuos. Ello demandó el enriquecimiento con sacarosa a fin de mantener las relaciones C/N indicadas para la realización de las experiencias. El análisis en la evolución de la pérdida de peso de los biodigestores por producción de biogás, muestra diversas variantes para las cuatro experiencias realizadas. Transcurridos 24 días se observa que la producción de biogás en la experiencia de base seca, para la relación C/N 16, comienza a producirse un descenso paulatino en la pérdida de peso que estaría vinculado con el acercamiento al máximo de producción de biogás. El comportamiento del resto de las experiencias muestra una evolución que se sostiene en el tiempo. Las dos experiencias en base húmeda presentan comportamiento comparable con los de base seca, sin embargo los resultados de acuerdo al tipo de enriquecimiento presenta resultados contrarios, siendo el descenso de peso para la base húmeda y para la relación C/N 16 significativamente superior a la relación C/N 30. Las condiciones indicadas como BH C/N 16 y BS C/N 30 muestran las mayores producciones de biogás, y de verificar esta condición en nuevas experiencias deberán ser consideradas como las condiciones de proceso para un cambio de escala del equipo a fin de comprobar similar comportamiento con vistas a la conformación de un proceso en escala piloto,.

Referencias 1.

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Tchobanoglous, G., Theissen, H., Eliassen, R. “Desechos sólidos. Principios de ingeniería y administración”. Ambiente y los Recursos Naturales Renovables AR-16. 1982.

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2.

Cuesta Santianes, M., J., Sánchez, F., M., Crespo, G., V., Villar Fernández, S., “Informe de vigilancia tecnológica. Situación actual de la producción de biogás y su aprovechamiento”. Fundación madrid para el Conocimiento. ISBN: 978-84-612-9487-9.

3.

Burkman, M.1; Butti, M.2; Cardozo, F. 3, Huerga I.R.3, Venturelli L.. “Construcción participativa de biodigestores familiares en Escuelas Agrarias.”. I Congreso Santafesino de Agroecología “La agroecología como propuesta de política pública para el desarrollo” Rosario - 4,5 y 6 de julio – 2012. Forster-Carneiro, T., Fernández, L.A., Pérez García, M., Romero García, L.I., Álvarez Gallego C.J., Sales, D. “Biometanización de la fracción orgánica del residuos sólido urbano: proceso Sebac”. Dept. de Ingeniería Química, Tecnología de Alimentos, y Tecnologías del Medio Ambiente, Facultad de Ciencias del Mar y Ambientales. Universidad de Cádiz. Bernal Calderón, M.P., Alburquerque Méndez, J.A., Bustamante Muñoz, M.A., Carrillo, R.C. “Guía de utilización agrícola de los materiales digeridos por biometanización”.CSIC 2011 Silva Vinasco, J.P.,”Tecnología del biogás”. Universidad del Valle-Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente

4.

5.

6.

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METODOLOGIA PARA CERTIFICAR REDUCCION DE GEIs EN LA INDUSTRIA CITRICA

METODOLOGÍA PARA CERTIFICAR REDUCCION DE EMISIONES DE GASES DE EFECTO INVERNADERO EN LA INDUSTRIA CÍTRICA Julieta Migliavacca1, Nancy Alves2 Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología Universidad Nacional de Tucuman Av. Independencia 1800 – San Miguel de Tucumán, Argentina [email protected] Resumen. El presente trabajo describe la implementación de un proyecto de tratamiento de efluentes industriales alineado a los requisitos establecidos por la Junta Ejecutiva de Naciones Unidas para registrar el mismo como Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL), uno de los tres mecanismos de flexibilidad vigentes en el Protocolo de Kyoto, que permite registrar reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Las conclusiones del trabajo son que es posible contribuir al desarrollo sustentable de la región y del país a través del tratamiento de efluentes cítricos, reduciendo gases de efecto invernadero a través de un sistema de tratamiento anaeróbico de efluentes cítricos con su posterior captura de biogás y certificando reducciones de emisiones. Palabras Clave: Mecanismo de Desarrollo Limpio, Cambio climático, efluente cítrico, Contaminación en Tucumán.

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1 Introducción Argentina es el primer productor mundial de limón, exporta fruta fresca, jugos cítricos y aceites esenciales desde el año 1970. La producción de citrus en Argentina alcanzó en el año 2007 a 3.367.045 millones de toneladas. En correspondencia con la Tabla N°1, en Argentina existen 19 plantas industrializadores de cítricos, que procesan 1.632.779 toneladas de limón, mandarina, naranja y pomelo por año, de las cuales 1.058.418 toneladas corresponden al limón. Esto significa que el 65% del total de la fruta cítrica industrializada del país es limón. Consumo Fruta Fresca de Total interno Exportación Limón 1,058,418 t 54,519 t 358,526 t 1,516,972 t Mandarina 141,933 t 197,109 t 99,239 t 486,979 t Naranja 306,661 t 483,313 t 198,351 t 1,098,139 t Pomelo 125,767 t 83,506 t 29,187 t 264,955 t Total 1,632,779 t 818,447 t 685,303 t 3,367,045 t Tabla 1. Suministro y distribución del citrus argentino año 2007 Fuente: Federcitrus, 2007 Industrialización

En estas industrias es donde se generan los conocidos efluentes cítricos que deben ser tratados para reducir su carga orgánica antes de ser descargados para riego o a cauces naturales. En lo vinculado directamente al Tratamiento de los Efluentes Cítricos, la tecnología que se utiliza para tratar los efluentes del limón es de tipo anaerobia, lo cual trae aparejada la generación de olores y emisión de gases de efecto invernadero, originando nuevos problemas ambientales y sociales. Por ello, se evaluó la posibilidad de Implementar un Proyecto de Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) ante la Organización de Naciones Unidas (ONU). En Tucumán no existía ningún proyecto presentado ante Naciones Unidas, por lo que la metodología y el proceso de certificación MDL desarrollado en este trabajo se considera inédito. Asimismo, se espera que con sus resultados pueda ser utilizada como guía para cualquier tipo de proyecto que califique como MDL. Con esto último el problema del Tratamiento de los Efluentes Cítricos en Argentina y el mundo estaría solucionado, ya que se tendría una solución integral, debidamente certificada. El campo de aplicación de este tipo de proyecto MDL son las agroindustrias, cuyos efluentes se caracterizan por tener elevados valores de carga orgánica biodegradable que pueden ser tratados de manera anaeróbica generando de esta manera biogás. Las industrias de Tucumán están mayoritariamente dentro de la categoría de Agroindustrias, por ello se considera que este tipo de proyectos contribuirá al desarrollo sustentable de la región. Por lo mencionado anteriormente, y dado que en la actualidad el cambio climático es, sin duda, el problema ambiental más importante al que se ha enfrentado hasta el presente la humanidad . Además, esta problemática es de carácter de global, la captura de Gases de Efecto Invernadero que genera el tratamiento de efluentes anaeróbicos, como así también la sustitución de un combustible fósil son consideradas

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temáticas cada día más importantes a tener en cuenta y a utilizar por las industrias, si lo que se busca como principal finalidad es contribuir al desarrollo sostenible de la región.

2. Marco Teórico El Mecanismo de Desarrollo Limpio surge en la Conferencia de las Partes 3 (Kyoto, 1997) y es un instrumento legalmente vinculante que establece compromisos más estrictos de reducción y limitación de emisiones de GEIs para los países desarrollados. El Protocolo de Kyoto es un mecanismo de Reducción conjunta — en al menos un 5% — de las emisiones de GEIs para el período 2008-2012, comparadas con los niveles de 1990 (expresadas como emisiones de CO2 equivalente), en cuotas específicas para cada país desarrollado. Este Protocolo rige el 16 de febrero de 2005. Dentro del Protocolo de Kyoto se establecen tres mecanismos de flexibilización: – Comercio de Emisiones – Implementación Conjunta – Mecanismo de Desarrollo Limpio tiene como objetivo:  ayudar a los países en desarrollo a lograr un desarrollo sostenible.  ayudar a los países desarrollados a dar cumplimiento a sus compromisos cuantificados de limitación y reducción de emisiones contraídos en Protocolo de Kyoto, a través de la transacción de certificados de reducción de emisiones.  permite el comercio de emisiones entre países anexo I y países en desarrollo. Dentro del Protocolo de Kyoto se establecen tres mecanismos de flexibilización, uno es el Comercio de Emisiones, el segundo, la Implementación Conjunta y el tercero el Mecanismo de Desarrollo Limpio que tiene como objetivos, ayudar a los países en desarrollo a lograr un desarrollo sostenible, ayudar a los países desarrollados a dar cumplimiento a sus compromisos cuantificados de limitación y reducción de emisiones contraídos en Protocolo de Kyoto, a través de la transacción de certificados de reducción de emisiones y permitir el comercio de emisiones entre países desarrollados y países en desarrollo.

3. Recopilación y análisis de datos Los efluentes cítricos son producidos principalmente en los proceso de lavado, zaranda y prensado de cascara; centrifugas del proceso de extracción de aceite esencial y jugo concentrados; pre-secador y secador; del proceso de extracción de jugo de limón (turbio y clarificado); procesos de lavados de columnas, filtros y planta en general cuando se termina la producción diaria; recambio de aguas de lavado. La información base para el proyecto está presentada en la Tabla Nº 2 y consta de las variables más relevantes para diagnosticar rápidamente el sistema tratamiento. Esta información se tabuló con los datos promedios de tres años consecutivos de una

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citrícola en estudio, tomándose los datos promediados de producción y horas efectivas de molienda. Tabla N° 2: Información base para proyecto Caracterización del Efluente Parámetros Valor obtenido pH 4,35 DQO mg/L 11,700 DBO mg/L 6,000 ST mg/L 15,764 SV mg/L 13,957 AGV mg/L 5,865 SV / ST 89 % AGV / DQO 54 % El procesamiento de fruta arranca en un periodo de descenso de temperatura y baja pluviosidad con pruebas de molienda de fábrica en el mes de marzo y con colas de producción en el mes de octubre, pero los meses de producción plena son seis (abril a septiembre). En la caracterización del efluente cítrico se identificó una producción de 4,0 m3/tFF, lo que equivale a 480 m3/hora (120 tFF/h x 4 m3/tFF) y una producción diaria de 9.600 m3. El efluente se caracteriza por tener pH bajos (3,5) y picos muy altos (12) por efecto de lavados de fábrica. Estos pH son producto de los lavados que se producen cuando se termina la jornada de producción con una duración de dos y media (2,5) horas diarias en cada Planta. La concentración orgánica se expresa en: - Demanda Química de Oxigeno ( DQO) con valores promedios encontrados de 11.700 mg/L y, - Demanda Biológica de Oxigeno (DBO) de 6.000 mg/L. El efluente de cítrico presenta una biodegradabilidad aceptable con un indicador de DBO/DQO de 0,51. Metodología de planta piloto: La escasa información y experiencia a nivel mundial con el tratamiento de efluentes de obligó a realizar una investigación piloto previa a la construcción y montaje del sistema definitivo de tratamiento de efluentes. Para el proceso de arranque se utilizó un lodo abandonado, al cual se le realizaron pruebas de laboratorio (Actividad Metanogénica -AME) y otras utilizando un botellón de 20 litros para identificar su potencialidad en la producción de biogás. La planta piloto comenzó con cargas pequeñas hasta llegar a una carga de 1,7 a 2,0 kg DQO/m3 de reactor por día y un promedio de 0,5 m3 biogas/kg DQO removida. Para llegar a esta situación se debió realizar el montaje de un tanque de homogenización para mejorar las condiciones de pH y carga orgánica durante la jornada diaria de producción. El tanque de homogenización se montó con una capacidad de retención hidráulica de 10 a 20 horas; este cambio logró mejorar la calidad de efluente para su tratamiento. De la planta piloto se definieron los siguientes parámetros: Carga orgánica: La carga orgánica se normalizó en 1,7 kg DQO/m3 x día.

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Estabilización de pH del efluente de alimentación: Se identificó la necesidad de un mayor contacto del lodo con el efluente para el mejoramiento de la remoción orgánica. Para esto se recirculó el lodo a una tasa del 30% del efluente y se logró homogenizar el pH de alimentación al reactor de contacto a un pH 5,0 – 6,0 mediante un tanque con TRH de 20 horas y la recirculación de lodos al tanque directamente. Sedimentabilidad: Los sólidos suspendidos del efluente crudo se agrupan inicialmente en la zona media y los sólidos del lodo del piloto se dividen en dos zonas: una parte sedimenta en el fondo y otra parte flota en la superficie. Producción y Composición biogás: Para la medición de biogás se construyó un gasómetro con electroválvula y un medidor de gas. Se midió en promedio 0,5 m 3 biogás/kg DQO removida. De acuerdo a las medidas in situ se definieron los siguientes valores de composición de biogás: Metano - CH4 de 60%, gas sulfhídrico H2S de 0,6% y dióxido de carbono - CO2 de 38,5%. Inhibidores: El Limoneno es un monoterpeno, compuesto de dos unidades de isopropeno. Es comúnmente encontrado en las cortezas de cítricos, como pomelo, limón y, en particular, naranjas. Esto constituye el 98 % (en peso) del aceite esencial obtenido de la cáscara de naranja. Se piensa que su alta abundancia en esta parte de la fruta está conectada con el hecho que es un bactericida.

3. Discusión de resultados y propuestas al sistema de tratamiento Luego de un análisis de los resultados obtenidos en el piloto, y de evaluar las características del efluente en cuanto a la concentración orgánica y a la biodegradabilidad se concluye que el sistema de tratamiento más eficiente y de menor costo para esta situación es un tratamiento combinado: anaerobio en una primera fase para remover la mayor parte de la DQO (aprox. 75%) y aerobio en una segunda fase para pulir la remoción. El sistema de manejo del efluente queda implementado de la siguiente manera: Pre-tratamiento - Rejilla mecánica: Rejilla mecánica con un espacio entre ranuras de 20 mm para retener sólidos gruesos. - Tamizado: Instalación de dos filtros rotativos para retener la pulpa fina. - Sistema de Homogenización: Que permite regular las variaciones puntuales de pH, caudal y DQO (el pH de las aguas de lavado puede variar de 3,5 a 12). Para esto se construyó una laguna impermeabilizada de 10.000 m3 para un tiempo de retención hidráulica – TRH de 24 horas. Lagunas anaerobias Se construyeron dos unidades anaerobias nuevas de 40.000 m3 cada una. Este sistema de lagunas está dotado de componentes anexos que permiten la agitación y recirculación interna y externa de la laguna anaerobia, con lo cual se optimiza el proceso biológico del reactor y permitir su operación durante los periodos de no producción de efluentes de las fábricas. Las lagunas anaerobias se dividen cada una en tres compartimientos, que se constituyen por tabiques separadores en geomembrana, que obligan a la generación de un flujo vertical dentro del reactor, adicional al flujo horizontal, y favorece las condiciones de mezcla interna (contacto

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lodo-alimento). Para la captura del biogás (como proyecto MDL, se considera línea de base de proyecto las lagunas sin cubrir) ambas lagunas anaerobias serán cubiertas con geomembrana.

4. Mecanismo de Desarrollo Limpio Para que un proyecto califique como Mecanismo de Desarrollo Limpio debe cumplir los siguientes considerandos:  Cumplir con la legislación aplicable  Demostrar reducción de emisiones de gases de efecto invernadero  Contribuir al desarrollo sustentable de la región  Demostrar el cálculo de una línea base  Ser adicional y estar monitoreado A continuacion se justificará el cumplimiento de cada uno de los requisitos para que un proyecto califique como Mecanismo de Desarrollo Limpio. Para alcanzar el cumplimiento legal se realizó el sistema de tratamiento descripto en el punto Nº3 que permite remover aproximadamente el 75% de la materia orgánica en el tratamiento anaeróbico, o sea la DQO pasa de 11.700 mg/L a unos 3.000 mg/L ; y el sistema aeróbico natural permite alcanzar los 500 mg/L de DQO requeridos para riego (Res. 030/09 SEMA). La adicionalidad del proyecto quedó demostrada por ser el “primer proyecto de su tipo”. No existía en Argentina ninguna empresa del sector citrícola en ese momento con un sistema de recuperación y aprovechamiento del biogás producido. Se recibieron notas que demostraban que el proyecto era el primero en su tipo de diferentes organismos como: Secretaría de Medio Ambiente de Tucumán, Secretaría de Medio Ambiente de Entre Ríos, Dirección de Saneamiento Ambiental, Ecología y Medio Ambiente de Corrientes, Punto Focal Provincial de Cambio Climático, Asociación Tucumana del Citrus, Estación Experimental Agroindustrial Obispo Colombres, Industrias cítricas del país respondieron 9 empresas. Para complementar esta información se realizó un estudio de mercado del sector citrícola, del que se obtiene que Argentina es el primer productor mundial de industrializados de limón, posee 19 plantas industriales de citrus, procesa 1.700.000 toneladas de cítricos por año (65% corresponde al limón), el 87% de industrializados se realiza en Tucumán. Las barreras que debió sobrepasar el proyecto que se vinculan con la adicionalidad del mismo son: – Barreras a la inversión: El proyecto de recuperación y aprovechamiento del biogás requirió una inversión adicional al tratamiento de efluentes convencional. – Barrera a la Práctica usual: La práctica usual del sector citrícola era tratar sus efluentes en lagunas anaeróbicas abiertas sin recuperación del metano. – Barrera tecnológica: No existe en Argentina un proveedor local de tecnología para recuperación del biogás.

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METODOLOGIA PARA CERTIFICAR REDUCCION DE GEIs EN LA INDUSTRIA CITRICA

La actividad de proyecto MDL fue más allá de la legislación aplicable y de las prácticas usuales en Argentina. A continuación se muestra un esquema de lo que corresponde a la Linea de base del proyecto para realizar el cálculo de la misma:

Imagen Nº3: Representación de la línea de base Las metodologías utilizadas para calcular las emisiones de la línea de base son las establecidas por la Junta Ejecutiva de Naciones Unidas, consideradas como AMS (Approval Methodology Small Scale): AMS III.H. “Recuperación de metano en Tratamiento de efluentes”, versión 10 y AMS I.C. “Energía térmica para el usuario con o sin generación de electricidad”, versión 13. El cálculo de las emisiones de la línea de base: se realizó utilizando la siguiente ecuación: BEy = BErecup metanoy + BE energía térmicay,. donde: BEy: Emisiones de la línea de base en el año “y” en tCO 2 BErecup metano, y: Emisiones resultantes de la digestión anaeróbica de efluentes en el año “y” en tCO2. Emisiones de línea de base por la recuperación de metano en el tratamiento de efluentes BE energía térmica,y: Emisiones en la línea de base debidas al desplazamiento de gas natural para producción de energía térmica en el año “y” en tCO 2 Donde, BErecup metano,y = BEelectricidad,y + BEtratam efluente,y + BEtratam lodo,y + BEdescarga efluente,y + BEfinal lodo,y. El análisis de la situación del proyecto reduce la ecuación a: BErecup metano,y = BEelectricidad,y + BEtratam efluente,y Emisiones en la línea de base por el consumo de electricidad (BEelectricidad,y). El consumo de energía incluyó todos los equipos/instrumentos en los sistemas de tratamiento de efluentes (no incluyó el consumo de electricidad relacionado con la captura de biogás y su aprovechamiento en las calderas). Por lo tanto, BEelectricidad,y = 90,24 tCO2/año

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METODOLOGIA PARA CERTIFICAR REDUCCION DE GEIs EN LA INDUSTRIA CITRICA

Las emisiones de metano de los sistemas de tratamiento de efluentes en la línea de base afectados por la actividad de proyecto (BEtratamiento efluentes,y) son determinadas usando el potencial de generación de metano del sistema de tratamiento de efluentes: BEtratam efluentes,y = Σ Qefluentes,i,y x DQOremovido,i,y x MCFtratam efluentes,BL,i x Bo,efluente x UFBL x GWPCH4

BEtratam efluentes,y = 47.971,23 t CO2e/año Para la producción de vapor/calor usando combustibles fósiles las emisiones de línea de base se calculan de la siguiente manera: BEenergía térmica,y = HGy * EFCO2 /ηth Donde:

BEenergia térmica,2010 = 7.626 tCO2/año Estimación ex-ante de las emisiones de línea de base para el primer período de crédito: 55.687 tCO2/año Para demostrar la contribución al desarrollo sustentable de la región se fundamentaron tres pilares: Crecimiento económico: Requiere inversión adicional, reduce el consumo de gas natural (combustible fósil), mejora en su medida la disponibilidad de gas natural para la región, utiliza tecnología de avanzada. Primero en su tipo, desarrollo de proveedores locales, contribuye al desarrollo general de la economía, producto de una mayor utilización de mano de obra y transferencia de tecnología. Protección al Medio Ambiente: Se alinea a la política de desarrollo sustentable por reducir el consumo de combustibles fósiles, mejora el balance energético de la región con lo que contribuye a la sustentabilidad ambiental nacional, promueve la utilización de residuos industriales como fuente de energía, impacta positivamente en el medio

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METODOLOGIA PARA CERTIFICAR REDUCCION DE GEIs EN LA INDUSTRIA CITRICA

ambiente porque evita que se libere metano a la atmósfera, reduciendo las emisiones de GEIs, y evita emisiones de GEIs asociadas al consumo de gas natural. Desarrollo Social: Mejoras en la calidad de vida de los vecinos al disminuir los olores, minimiza la proliferación de vectores, disminuye emisiones de GEIs, genera nuevos puestos de trabajo y califica al personal que desarrolla tareas en el sistema de tratamiento de efluentes.

5. Conclusiones – – – – – –

Tucumán, primer productor mundial de industrializados de limón obtuvo el registro del primer proyecto MDL del mundo para el tratamiento de los efluentes cítricos ante la Junta Ejecutiva de Naciones Unidas. Existe factibilidad técnica para que los efluentes cítricos alcancen el cumplimiento de la normativa legal vigente. Es posible contribuir al desarrollo sustentable de la región y del país a través del tratamiento de efluentes cítricos. Es posible reducir gases de efecto invernadero a través de un sistema de tratamiento anaeróbico de efluentes cítricos con su posterior captura de biogás. Es posible aprovechar el biogás, generado a través de un sistema anaeróbico de efluentes, como combustible alternativo en calderas. Es posible comercializar los certificados de reducción de emisiones.

6. Referencias     

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AMS-I.C.: “Energía térmica para el usuario con o sin electricidad”. Versión 13. Fuente: http://cdm.unfccc.int/methodologies/approved. AMS-I.D.: “Generación de electricidad a partir de una fuente renovable conectada a la red”. Versión 13. Fuente: http://cdm.unfccc.int/methodologies/approved. AMS-III.H.: “Recuperación de metano en tratamiento de efluentes”. Versión 10. Fuente: http://cdm.unfccc.int/methodologies/approved. Annex 13. Methodological “Tool to determine project emissions from flaring gases containing methane” UNFCCC. Fuente: http://cdm.unfccc.int/methodologies/approved. BLOBEL, D. (2006)-Ohlendorf del Ecologic – Manual de la Convención Marco de Cambio Climático Vol I. Institute for International and European Environmental Policy (Berlín), Páginas: 17, 24 y 82. Editado: Dependencia de Asuntos Intergubernamentales y Jurídicos de Cambio Climático. Alemania. BOER ,Y. (2007) de, Secretario Ejecutivo Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, Unidos por el Clima. Páginas: 10, 14, 28, 29, 32. Editado: Ministerio de Medio Ambiente Español. Alemania. Herramienta para determinar las emisiones propias por la combustión en antorcha de gases que contienen metano. Fuente: http://cdm.unfccc.int/methodologies/approved. Hunter, W. (2003)Cambio climático, carpeta de información. Páginas: 2., 3, 17. Editado: PNUMA. Alemania. IPCC (2006) Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. Wastewater treatment and dischrages Chapter 6. Alemania KYOTO PROTOCOL REFERENCE (2008) Manual on accounting of emissions and assined amount . Página 47. Alemania.

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Aplicación de redes de intercambio de calor a la producción de biodiesel a partir de aceites vegetales usados María Fernanda Laborde1, Laura Ivana Orifici1,Alejandra Marisa Manzur1, Ana María Pagano1 y María Cristina Gely1 Núcleo TECSE, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires (UNICEN), Argentina, [email protected]

1

Resumen. Teniendo en cuenta las necesidades actuales de las industrias, particularmente de aquellas que producen biocombustibles, que deben orientarse hacia el desarrollo sustentable, este trabajo se enfoca a minimizar los requerimientos energéticos del proceso de obtención de biodiesel a partir de aceites vegetales usados (AVUs) como materia prima. Para lograr este objetivo se presenta la aplicación de redes de intercambio de calor al pre-tratamiento de AVUs mediante catálisis ácida homogénea. Se proponen dos métodos para optimizar los requerimientos energéticos para una planta que procesa 680 kg/hde AVUs: el Diagrama de Bloques y el Método de Curvas Compuestas. Al incorporar redes de intercambio de calor al proceso disminuyen en un77% y en un 63% los servicios externos de calentamiento y enfriamiento, respectivamente, respecto del proceso sin redes, cumpliéndose entonces significativamente los objetivos de optimización basada en la reducción en el consumo energético respecto del proceso original. Palabras Clave: Biodiesel, Redes de intercambio de calor, Aceites vegetales usados (AVUs), Optimización.

1. Introducción La escasez de los combustibles fósiles en el futuro próximo, combinada con la preocupación por las consecuencias de la dependencia de este tipo de fuente de energía en términos de los cambios climáticos, ha obligado al mundo a encontrar alternativas menos perjudiciales para el medio ambiente. El combustible vegetal ha aparecido como una opción importante, mediante la síntesis de biodiesel. La ASTM (American Society for Testing and Materials) [1] define al biodiesel como el éster mono alquílico de cadena larga de ácidos grasos derivados de recursos renovables, como por ejemplo aceites vegetales o grasas animales, para utilizarlos en motores Diesel[2]. La transesterificación consiste en la reacción entre el aceite vegetal u otra grasa con un alcohol de cadena corta (generalmente metanol o etanol) en presencia de un álcali o en medio ácido. Los aceites vegetales usados (AVUs) pueden emplearse como materias primas alternativas para la producción de este biocombustible, propiciando un beneficio ambiental ya que se estima que un litro de AVUs contamina 1000 litros de agua [3]. El aceite reutilizado de origen vegetal puede

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ser de soja, palma, maíz, girasol o mezcla de ellos, y debe cumplir ciertos requisitos para poder ingresar al reactor de transesterificación tales como un contenido de humedad inferior a 0.1%, porcentaje despreciable de impurezas y un grado de acidez inferior al 0.5%[3]. Los AVUs suelen superar este valor de acidez como resultado de haber sido sometidos a elevadas temperaturas (p.e. en la cocción de alimentos), por lo cual se hace imprescindible someterlos a un pre-tratamiento de esterificación, a fin evitar una posible reacción de saponificación en la posterior transesterificación catalítica dificultando la separación de los ésteres de la glicerina y reduciendo el rendimiento del biodiesel [4]. En los últimos años, los elevados consumos energéticos son los principales responsables de altos costos de producción. Frente a esto, un uso eficiente de la energía representa un incentivo para el desarrollo y/o la re-ingeniería de los procesos industriales, contribuyendo a una mayor competitividad, además de orientarse hacia la línea del desarrollo sostenible. En sintonía con esta tendencia de mejorar la eficiencia energética, es posible implementar en lo procesos la aplicación de Redes de Intercambio de Calor (RIC) para la recuperación energética disminuyendo los consumos externos correspondientes a los servicios de calentamiento y enfriamiento [4]. Los Diagramas de Bloques de contenido de calor proporcionan una metodología para la asignación de los intercambios de entalpía que generan una red de recuperación de energía. El enfoque es heurístico, no garantizando una solución óptima, aunque proporciona una manera bastante clara de entender la lógica para una buena solución del problema. Otra alternativa de estudio es la construcción de las Curvas Compuestas, a partir de las cuales se puede determinar el punto de pinzamiento, es decir el punto en el cual no existiría transferencia de calor, punto a partir del que se puede encontrar una Red de Intercambio de Calor óptima [5]. El objetivo de este trabajo es aplicar una metodología de optimización energética utilizando RIC a partir de los Diagramas de Bloques de contenido de calor y Curvas Compuestas, a un proceso de pre-tratamiento de AVUs para la producción de biodiesel. Este proceso de esterificación [6] fue desarrollado en Aspen HYSYS® por Capdevila et al. (2012) [3] para planta con una capacidad de procesamiento de 680 kg/h de materia grasa localizada en el centro de la Provincia de Buenos Aires, Argentina. El proceso simulado consta de seis equipos de intercambio de calor con servicios externos de vapor y agua de enfriamiento, siendo los requerimientos de 75931 kJ/h y de 95511 kJ/h, respectivamente. Este trabajo está fundado en la aplicación de una metodología de enseñanza de la Ingeniería basada en estudio de casos como una herramienta educativa, aplicada a un modelo de simulación de un proceso industrial particular a fin de verificar la disminución de consumos energéticos. Esta metodología de enseñanza se aplica en asignaturas de cuarto y quinto año de la currícula de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, a partir de la cual los alumnos pueden realizar una aplicación a un caso real y atender a la necesidad actual de optimizar la eficiencia energética en los procesos industriales, conjuntamente con la reutilización de desechos de la industria alimenticia.

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2. Materiales y Métodos Uno de los métodos utilizados para construir la RIC es el Diagrama de Bloques de Contenido de Calor, basado en una regla heurística [5,7]. A partir de la representación de las temperaturas del proceso y del flujo másico por la capacidad calorífica (WCp) se establecen los flujos calóricos, donde el área de los bloques se corresponde con la cantidad de calor a ser retirado o añadido a la corriente a fin de obtener la temperatura deseada de salida. Los intercambios sugeridos se realizan de acuerdo a las reglas heurísticas definidas en la bibliografía [5, 8]. Mediante las Curvas Compuestas se obtienen los requerimientos mínimos de servicios externos de calentamiento (Qh) y refrigeración (Qc) necesarios en la instalación. En el diagrama de Curvas Compuestas (temperatura, T vs. entalpía, H) se representa cada línea térmica, mostrando la totalidad de las necesidades térmicas; se realiza una curva para las necesidades de refrigeración (Curva Compuesta Caliente) y otra para las necesidades de calentamiento (Curva Compuesta Fría) [9-11]. De las Curvas Compuestas se pueden deducir también las temperaturas de pinzamiento (fijadas por la temperatura de aproximación en cada línea compuesta) y el máximo intercambio térmico que se puede realizar entre ambas curvas (solapamiento vertical de ambas curvas) [9].

3. Resultados y Discusión A partir del diagrama de flujo[3] desarrollado en Aspen HYSYS® (Fig. 1), se toman en cuenta las corrientes que requieren de servicios de calentamiento y enfriamiento (señaladas con negritas en el diagrama de flujo) y se aplican los métodos de Diagrama de Contenido de Calor para la construcción de la RIC y las Curvas Compuestas, como herramientas para determinar los requerimientos mínimos de servicios externos. En la Tabla 1 se presentan los datos correspondientes a cada una de esas corrientes. 3.1. Diagrama de Bloques La información de la Tabla 1 se vuelca en el Diagrama de Bloques representando las temperaturas de entrada/salida vs. el valor de WCp de cada corriente, considerando una mínima diferencia entre las Corrientes Caliente y Fría (ΔT min = 10°C) (Fig. 2).

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Tabla 1.Características y propiedades de corrientes del proceso de pre-tratamiento de AVUs. Tentrada (°C)

Tsalida (°C)

Cp (kJ/kg °C)

W (kg/h)

c1: AVUs1

24.8

70

1.502

680.66

c2: Metanol-H2SO4

28.1

70

5.019

141.33

h1: AVUs sin FFA

70

46

2.229

821.99

h2: Mezcla

70.6

48

5.133

217.85

h3: Out

35.6

25

5.119

80.43

h4: AVUs pretratados

45.4

25

1.573

682.64

Corriente

El análisis de esta información permite inferir los requerimientos de calentamiento en 75931 kJ/h y de enfriamiento en 95511 kJ/h. La aplicación de las diferentes reglas del método genera los intercambios mostrados en las Figs. 2 y 3. El primer intercambio realizado (A) es entre las corrientes h2 y c1 donde merced a los 25272.9 kJ/h aportados por la corriente h2 es posible realizar un calentamiento parcial de la corriente c1 hasta 49.5°C. El segundo intercambio (B) se realiza entre las corrientes h1 y c2 y, debido a que la temperatura de entrada de la corriente caliente es igual a la temperatura objetivo de salida de la corriente fría, a fin de no violar los límites de temperatura que termodinámicamente se pueden lograr mediante integración de energía, la corriente c2 no podrá calentarse más allá de los 60°C. Esto implica un calor intercambiado de 22628 kJ/h que no logra enfriar la corriente h1 más allá de los 57.65°C. La RIC obtenida (Fig. 3) requiere la utilización de dos calentadores a fin de aportar los 20958 kJ/h y 7093 kJ/h requeridos para elevar las temperaturas de las corrientes c1 y c2 hasta los 70°C finales, debido a que no es posible realizar intercambios adicionales con las corrientes h3 y h4 ya que los rangos de temperaturas alcanzados por las corrientes frías no permiten cumplir las reglas termodinámicas que asegurarían la posibilidad de transferencia de calor. Al mismo tiempo se requieren tres enfriadores que deberán cada uno quitar 21346 kJ/h de la corriente h1 para disminuir su temperatura hasta los 46°C (4357.78 kJ/h de la corriente h3 para cumplir su requerimiento energético y 21927.51 kJ/h de la corriente h4 para lograr su enfriamiento deseado, respectivamente).

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Fig. 1. Diagrama de flujo del proceso de producción de biodiesel a partir de AVUs[3].

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Fig. 2. Diagrama de Bloques de contenido de calor WCp vs. T.

Fig. 3. RCI generada a partir de la utilización del Diagrama de Bloques de contenido de calor (H: calentador; C: enfriador).

.

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3.2. Curvas Compuestas. A partir del ordenamiento de las temperaturas calientes y frías del proceso en un rango decreciente de temperatura, se pueden calcular las Curvas Compuestas Caliente y Fría, luego del cálculo de la variación de entalpía por intervalo de temperatura, y representarlas en un mismo diagrama de T vs. H. Dado que el eje de entalpías es relativo, las Curvas Compuestas se pueden posicionar en cualquier lugar del eje, pero siempre la Curva Caliente por encima de la Curva Fría, con una mínima diferencia de temperatura entre ambas curvas correspondiente al ΔT min. En dicha representación se determinan los valores Qh (calor de calentamiento) de 17235kJ/h y Qc (calor de enfriamiento) de 35500 kJ/h, como la diferencia de calor entre los extremos fríos y calientes de las CC, respectivamente (Fig. 4).

Fig. 4. Curvas Compuestas Calientes (CCC) y Frías (CCF) generadas a partir de las necesidades térmicas detectadas en el proceso mostrado en la Fig. 1.

Comparando los requerimientos calóricos para los procesos con y sin RIC, con ambos métodos (Método de Diagrama de Bloques y Método de Curvas Compuestas), en la Tabla 2 se puede observar una disminución de los requerimientos de calentamiento y enfriamiento que se reflejarán en los costos operativos del proceso. Tabla 2. Comparación con respecto a las cantidades de servicios externos requeridos. Diagrama de Bloques

Curvas Compuestas

Sin RIC

Enfriamiento (kJ/h)

47631.5

35500

95499

Calentamiento (kJ/h)

28051.5

17235

75927

Requerimiento energético

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Conclusiones

A partir de los resultados de las entalpías de las corrientes involucradas en el proceso de esterificación de AVUs para la producción de biodiesel, obtenidas a partir del ® modelo de simulación Aspen-Hysys de la planta, se aplicaron los métodos de Diagrama de Bloques y Curvas Compuestas para determinar los requerimientos energéticos que surgirían de la utilización de RIC con vistas a la optimización energética. En ambos casos se obtuvo una disminución de las necesidades energéticas que se traducirían directamente en una importante reducción de los costos operativos.

Referencias 1. International, A., Testing, A.S.f., Materials. Annual book of ASTM Standards. 2004. American Society for Testing & Materials 2. Santana, G.C.S., Martins, P.F., de Lima da Silva, N., Batistella, C.B., Maciel Filho, R., Wolf Maciel, M.R.: Simulation and cost estimate for biodiesel production using castor oil. Chemical Engineering Research and Design, Vol. 88 (2010) 626-632 3. Capdevila, V., Orifici, L., Gely, M.C., Pagano, A. Biodiesel a partir de Aceites Vegetales Usados (AVUs): Congreso Latinoamericano de Ingeniería y Ciencias Aplicadas CLICAP 2012, San Rafael, Mendoza, Argentina 4. Talebian-Kiakalaieh, A., Amin, N.A.S., Mazaheri, H.: A review on novel processes of biodiesel production from waste cooking oil. Applied Energy, Vol. 104 (2013) 683-710 5. Nishida, N., Liu, Y.A., Lapidus, L.: Studies in Chemical Process Design and Synthesis: III. A Simple and Practical Approach to the Optimal Synthesis of Heat Exchanger Networks. AlChE Journal, Vol. 23 (1977) 77-93 6. Zhang, Y., Dubé, M.A., McLean, D.D., Kates, M.: Biodiesel production from waste cooking oil: 1. Process design and technological assessment. Bioresource Technology, Vol. 89 (2003) 1-16 7. Masso, A.H., Rudd, D.F.: The synthesis of system designs. II. Heuristic structuring. AIChE Journal. Vol. 15 (1969) 10-17 8. Jimenez Gutierrez, A.: Diseño de Procesos en Ingeniería Química: Editorial Reverte, (2003) 9. Renedo Estébanez, C.J., Fernández Díez, P.: Tecnología pinch para el diseño de redes de intercambiadores (I). Principios, reglas básicas, suministros. Ingeniería Química, Vol. (2003) 111-120 10. Seider, W.D., Seader, J.D., Lewin, D.R.: Product & Process Design Principles: Synthesis, Analysis And Evaluation, (With CD) Wiley.com (2004) 11. Kemp, I.C.: Pinch analysis and process integration: a user guide on process integration for the efficient use of energy. Butterworth-Heinemann (2007)

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Purificación de Biodiesel mediante destilación molecular a escala laboratorio Natalia E. Rodríguez, Miriam A. Martinello Departamento de Tecnología Química-Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Río Cuarto. Ruta 8 km. 601 – 5800 Río Cuarto – Argentina. [email protected]

Resumen. La forma comercial más común para producir biodiesel es por transesterificación de aceites con un alcohol de cadena corta en presencia de un catalizador, para formar biodiesel y glicerol. El proceso de purificación convencional (decantación, destilación, lavado) tiene desventajas que afectan al costo y al consumo de energía del proceso. La etapa de lavado implica la generación de aguas residuales que deben ser tratadas antes de la descarga, aumentando los costos de producción. En este trabajó se aplicó la destilación molecular a escala laboratorio para la purificación de biodiesel obtenido por transesterificación de aceite semirefinado de soja y etanol 99,5% con hidróxido de sodio como catalizador. El contenido de glicerol libre fue disminuido de 0,0589% p/p a 0,0028% p/p. Estos resultados muestran que la destilación molecular es una solución tecnológica sustentable para la purificación de biodiesel de bajo impacto ambiental, con mínima producción de efluentes y sin agregado de agua. Palabras Clave: Biodiesel – Destilación molecular – Glicerol.

1 Introducción El biodiesel es un combustible renovable que puede ser usado puro (B100) o mezclado con gasoil de petróleo (B7, B10, etc.) en motores diésel. El biodiesel tiene numerosas ventajas comparado con el diesel obtenido del petróleo. Por ejemplo, genera menos emisión de humo, material particulado, monóxido de carbono, dióxido de azufre e hidrocarburos, tiene mejor número de cetano y lubricidad, baja toxicidad y alta biodegradabilidad. [1]. Por estas razones, el biodiesel tiene potencial y ha sido considerado como una alternativa para la sustitución parcial y/o total del gasoil de petróleo. [2]. La forma comercial más común para producir biodiesel es por transesterificación alcalina de aceites: una reacción química catalizada por una base (como hidróxido de sodio) entre un alcohol de cadena corta (típicamente metanol), y un aceite vegetal (triglicéridos) para producir biodiesel (metil ésteres de ácidos grasos) y glicerol, siendo productos intermedios de reacción los diglicéridos y monoglicéridos. También puede emplearse etanol en la reacción, obteniéndose en este caso etil ésteres de ácidos grasos. El etanol es un buen candidato para reemplazar al metanol debido a sus

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ventajas: es un combustible renovable y consecuentemente mejora la sustentabilidad del proceso, los etil ésteres tienen mayor número de cetano, mayor poder de calefacción y mejores propiedades en frío. Desde el punto de vista ambiental, los etil ésteres conducen a menores emisiones de óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, material particulado y tienen mayor biodegradabilidad en comparación con los metil ésteres [3], [4]. El biodiesel está ganando aceptación gradualmente como un combustible alternativo basado en su materia prima renovable. Sin embargo para que sea realmente un combustible sustentable, se deben examinar y superar varios aspectos, entre los que se encuentran la mejora en la eficiencia del proceso de producción (especialmente en lo que concierne a la producción limpia y de bajo impacto ambiental), el empleo de materias primas de bajo costo y el mayor desarrollo en el uso de los subproductos [5]. Las investigaciones para la mejora en la eficiencia del proceso de producción contribuyen a continuar con el proceso de maduración del biodiesel en el mercado y generar una mayor aceptación del combustible como sustentable. En este sentido se debe superar principalmente un obstáculo que puede afectar el costo y el consumo de energía en la producción: la eliminación por lavado de los mono, di y triglicéridos glicéridos residuales, el glicerol, los remanentes de alcohol y de catalizador. El lavado tiene varios inconvenientes como el costo del agua, la posible formación de emulsiones, la necesidad de secado del biodiesel y el tratamiento de las aguas de desecho [4]. Esto conlleva a un mayor costo, consumos apreciables de energía y tiempo, pérdida de producto y bajos rendimientos de biodiesel [6]. Estos problemas podrían ser superados mediante el uso de la destilación molecular, logrando una producción de biodiesel de bajo impacto ambiental, con mínima producción de efluentes y sin agregado de agua. La destilación molecular aparece como una tecnología innovadora y ventajosa, permite llevar a cabo la separación física eficiente de los productos de reacción, evitando el uso de agua y la generación de corrientes secundarias de difícil tratamiento. La destilación molecular (molecular distillation) ó destilación de camino corto (short path distillation) se caracteriza por los bajos tiempos de residencia (del orden de segundos) y el alto vacío (0,1-100Pa) que permite reducir considerablemente la temperatura de trabajo [7], por lo que es generalmente aceptada como el método más adecuado para la separación y purificación de compuestos termo-sensibles y de alto peso molecular [8]. Esta técnica posee ventajas respecto de otras técnicas convencionales que usan solventes como agente de separación [9]. A pesar de las múltiples ventajas de la destilación molecular, la limitación relacionada con la falta de datos acerca de la factibilidad de su aplicación y el insuficiente desarrollo en la fabricación y mantenimiento del equipamiento a nivel nacional, ha limitado su desarrollo y la ampliación de sus aplicaciones. Se han publicado numerosos trabajos relativos a la aplicación de la destilación molecular en la separación de mezclas de componentes térmicamente inestables y de alto peso molecular, tales como la recuperación de octacosanol a partir de aceite de arroz [10], la extracción de compuestos bioactivos a partir del subproducto principal de la desodorización de aceites vegetales [9], [11], [12], la concentración de monoglicéridos [13], la purificación de diacilgliceroles obtenidos como producto de la hidrólisis enzimática de aceites [14], [15], la refinación de aceites [16] y la concentración de aceites esenciales [17], [18]. Hay estudios preliminares acerca de la

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aplicación de la destilación molecular para la obtención de biodiesel a partir de borras de refinación [19] y para la purificación del biodiesel y de la glicerina obtenidos en la reacción de transesterificación alcalina de aceites [8]. Nezihe Azcan y col. (2013) examinaron la eficiencia de la destilación molecular para eliminar las impurezas del biodiesel obtenido por transesterificación de desechos de aceite de freír con metanol y metóxido como catalizador y evaluaron las condiciones óptimas de destilación tales como temperatura y caudal de alimentación. Lograron enriquecer el contenido de metil ésteres del biodiesel de 90.04% a 97.66%, lo cual indica que existe un potencial en la destilación molecular para ser aplicada al proceso de purificación del biodiesel, aunque se requiere profundizar el estudio para otros casos y distintas condiciones operativas. Químicamente los triglicéridos (TG), diglicéridos (DG) y monoglicéridos (MG), contienen una molécula de glicerol (se contabilizan junto con el glicerol libre en el glicerol total). El combustible con excesiva cantidad de glicerol libre puede obstruir los filtros de combustible y causar problemas de combustión en el motor diesel. Por lo tanto, la norma ASTM D6751 requiere que el glicerol total en el producto final de biodiésel sea menor a 0,240% p/p, y que el glicerol libre sea menor a 0,020% p/p [6]. El objetivo de este trabajo es aplicar la destilación molecular en la purificación de biodiesel obtenido por transesterificación de aceite de soja y etanol, y encontrar las condiciones de operación adecuadas a fin de que el biodiesel obtenido cumpla con las especificaciones de glicerol libre y total establecidas por la norma internacional ASTM D6751.

2 Materiales y métodos 2.1 Materiales El aceite usado en la producción de biodiesel por reacción de transesterificación es aceite de soja semirrefinada, provisto por una industria aceitera de la región. El alcohol es etanol anhidro al 99,5% de la marca Biopack y como catalizador se emplea hidróxido de sodio en lentejas de Cicarelli. Para la medición de glicerol por espectroscopia UV-visible se emplearon los siguientes materiales: ácido acético glacial, acetato de amonio, acetilacetona 99%v/v, metaperiodato de sodio, agua destilada, ácido clorhídrico (36,5% v/v), hidróxido de potasio (98% p/p), etanol 95% v/v y hexano. 2.2 Equipamiento En la obtención de biodiesel se utilizó un sistema compuesto por un erlenmeyer , una platina calefactora con agitación y un tubo refrigerante, para disolver el catalizador en el alcohol, luego para llevar a cabo la reacción de transesterificación se empleó un reactor agitado de reflujo con control de temperatura, armado con material de laboratorio: una platina calefactora con agitación magnética y vaina termostática, un tubo refrigerante y un balón de dos bocas (en una boca se conecta el tubo refrigerante para evitar pérdidas de componentes volátiles y en la otra una vaina termostática para

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mantener la temperatura en el valor seteado). El producto de reacción se separa en una ampolla de decantación, para obtener biodiesel crudo. Para la extracción del alcohol excedente en el biodiesel crudo se empleó un equipo de evaporación rotativo. En la purificación del biodiesel (separación del glicerol libre) se utilizó un equipo de destilación molecular KDL4, fabricado por UIC GmbH (Alemania). Un esquema del equipo se muestra en la Figura 1. El mismo está compuesto de un evaporador de película descendente (área: 4 dm2) y un condensador interno (área: 2 dm2). Para la alimentación cuenta con un recipiente con camisa calefactora provisto con una válvula manual de regulación de caudal. La recolección del destilado y del residuo se realiza en balones de vidrio. El sistema de vacío se compone de una bomba mecánica y una bomba difusora, aunque para las experiencias desarrolladas en este trabajo sólo se utilizó la bomba mecánica. Para la medición del contenido de glicerol libre y total en el biodiesel se usó una técnica basada en espectroscopia UV-Visible, para ello se empleó un baño termostático, una centrífuga (3000 rpm), un espectrofotómetro UV-Visible, una balanza de precisión, tubos de ensayo de PVC para centrífuga, micropipetas, pipetas y otros elementos básicos de laboratorio.

Fig. 1. Esquema del equipo de destilación molecular.

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2.3 Procedimiento experimental

Reacción de transesterificación. Se coloca el aceite en el balón y se calienta hasta la temperatura de reacción. Por otro lado en un erlenmeyer se disuelve el hidróxido de sodio en etanol, una vez disuelto se incorpora esta mezcla al balón con el aceite precalentado y comienza la reacción. Las condiciones de reacción empleadas se fijaron mediante el análisis del trabajo realizado por Mendow, G. (2011) [2], siendo la temperatura de 55ºC, el tiempo de reacción de 3 horas y las cantidades de materia prima empleadas 25% v/v de etanol (relación molar aceite-etanol 1:5), 1% p/p de hidróxido de sodio (referido al peso de aceite). Una vez terminada la reacción, la mezcla se coloca en una ampolla de decantación y se la deja por un día, finalmente se separa la fase inferior: glicerina, de la superior: biodiesel crudo. Se realizaron cuatro síntesis de 250g de aceite cada una, con lo que se obtuvo en total 1035 ml. de biodiesel. Purificación de biodiesel mediante destilación molecular. El biodiesel crudo contiene además de los etil ésteres, restos de etanol, glicerol, y glicéridos (TG, DG y MG) que no reaccionaron. Las temperaturas de ebullición de estos componentes son: biodiesel (esteres etílicos del aceite de soja), 355ºC [20]; glicerol, 290ºC; TG (aceite de soja), del orden de los 400ºC; etanol 78,4ºC y la de los MG y DG es intermedia entre el biodiesel y los triglicéridos. El etanol, de bajo punto de ebullición, se separa en el evaporador rotativo. Para separar el glicerol se propone una primera etapa de destilación molecular. Trabajos preliminares muestran que las variables de operación más influyentes en la cantidad y composición de los productos obtenidos por destilación molecular son en primer lugar la temperatura del evaporador y en segundo lugar el caudal de alimentación [13]. Teniendo en cuenta esto se eligió como variable independiente la temperatura del evaporador (TE). Las variables dependientes estudiadas fueron la masa total y la concentración de glicerol libre (GL) y glicerol total (GT) en las corrientes de destilado y residuo. Se realizaron experiencias a tres niveles de la variable independiente, TE1= 150ºC, TE2= 100ºC y TE3= 70ºC. El resto de las variables operativas fueron las mismas en todas las experiencias: flujo de alimentación: 1,5 ml/min; temperatura de alimentación: 60ºC; temperatura de condensación: 20ºC; presión de trabajo: 0,4 mbar y velocidad del rotor: 1500 rpm. Se realiza en este trabajo un análisis preliminar a fin de encontrar un rango de temperaturas conveniente para la eliminación de glicerol, luego se profundizará el análisis mediante un diseño de experiencia adecuado a los resultados obtenidos. Determinación del contenido de glicerol libre y total. El contenido de glicerol se determinó por espectroscopia UV-Visible [21]. Se optó por este método ya que el método AOCS Ca 14-56, para la determinación de glicerol libre, total y combinado de aceites y grasas no dio resultados confiables, debido probablemente a que el error de la técnica es muy grande para los bajos valores de concentración medidos en las experiencias. Algunos de los valores obtenidos por el método de espectroscopia UVVisible fueron comparados con los obtenidos por cromatografía gaseosa para validar la técnica, obteniéndose resultados aceptables. Para la construcción de la curva de calibración se prepararon 15 muestras por duplicado con concentraciones que van

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desde 1x10-4 % p/p hasta 6,3x10-4 % p/p. La distribución de concentraciones se realizó en forma logarítmica a fin de dar mayor importancia a los valores de concentración más bajos, ya que se espera medir concentraciones pequeñas. En la Figura 2 se muestra la curva de calibración obtenida, el ajuste da un coeficiente de determinación R2 de 0,99577, lo cual indica una buena precisión del método. Resultados de ajuste Valor Ordenada -3,57E-05 Pendiente 0,0011

DE 6,41E-06 1,91E-05

Fig. 2. Curva de calibración de glicerol para el método de espectroscopia UV-Visible.

Las mediciones de concentración de glicerol en las muestras fueron realizadas por duplicado, estableciéndose como aceptable aquellas mediciones cuyo desvío estándar no supere el 8%.

3 Análisis de resultados 3.1 Destilación molecular En la Tabla 1 se muestran los resultados obtenidos en masa de destilado y residuo, y en la Tabla 2 y 3 las concentraciones de glicerol libre, total y combinado, tanto en la mezcla alimentada como en el destilado y residuo, para cada una de las experiencias de destilación molecular realizadas. Tabla 1. Masa de residuo y destilado con sus correspondientes desvíos estándar. Exp. Nº 1 2 3

Temperatura [ºC] 150 100 70

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Residuo [g] 4,46 63,32 71,34

Desvío estándar 3,02% 1,96% 2,12%

Destilado [g] 71,28 11,12 5,42

Desvío estándar 2,67% 2,18% 2,44%

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Tabla 2. Concentraciones de glicerol libre (GL), glicerol total (GT) y glicerol combinado (GC) en la alimentación, con sus correspondientes intervalos de confianza del 95%.

GL [%p/p] 0,0589 +/0,0203

Alimentación GT [%p/p] 0,2948 +/0,0686

GC [%p/p] 0,2359 +/0,0242

Tabla 3. Concentraciones de glicerol libre (GL), glicerol total (GT) y glicerol combinado (GC) en el residuo y en el destilado, con sus correspondientes intervalos de confianza del 95%. Exp. Nº Temperatura [ºC] 1

150

2

100

3

70

GL [%p/p] 0,0564 +/0,0178 0,0030 +/0,0013 0,0028 +/0,0013

Residuo GT [%p/p] 5,1200 +/1,4561 0,5732 +/0,3881 0,4957 +/0,0247

GC [%p/p] 5,0636 +/0,4931 0,5702 +/0,1314 0,4929 +/0,0084

GL [%p/p] 0,0246 +/0,0076 0,0337 +/0,0108 0,0262 +/0,0070

Destilado GT [%p/p] 0,2043 +/0,0337 0,4443 +/0,1442 0,5420 +/0,2465

GC [%p/p] 0,1797 +/0,0117 0,4106 +/0,04897 0,5158 +/0,0835

Analizando la Tabla 1 vemos que en la exp. Nº 1 la masa de destilado es mucho mayor a la de residuo, por lo que se esperaría un residuo concentrado en los componentes más pesados (TG, DG y MG, de mayor a menor peso molecular). Esto concuerda con los datos de las Tablas 2 y 3, que muestran como el residuo se concentró en GT, la mayor parte del cual corresponde a GC. Mientras que en el destilado se observa una disminución de la concentración de GT y GC con respecto a las de la alimentación. En la exp. Nº 2 la masa de residuo es mucho mayor que la de destilado, por lo que se esperaría que el componente más liviano (GL) se concentre en el destilado, bajando su concentración en el residuo. Nuevamente esto concuerda con los resultados mostrados en las Tablas 2 y 3, en las que se observa que la concentración de GL en el residuo es mucho menor que en la alimentación. Las diferencias entre las medias de las concentraciones señaladas fueron corroboradas mediante test de hipótesis, lo que confirmó que dichas diferencias son estadísticamente significativas. La exp. Nº 3 es semejante a la Nº 2, en el sentido que también se espera destilar el componente liviano (GL) y obtener un residuo con bajo contenido de GL. Las concentraciones de GL y GT en ambas experiencias no muestran diferencias estadísticamente significativas (corroborado mediante test de hipótesis), aunque la exp. 3 es más efectiva, ya que la masa de destilado, que es la fracción de pérdida, es menor que en la exp. 2, por lo que el rendimiento de la destilación en este caso es mayor. La concentración de GL en el residuo, que es la fracción de interés, en este caso es de 0,0028 +/- 0,0013 [0,0015; 0,0041] % p/p GL, valor que se encuentra por debajo del valor máximo admitido por la norma. Las exp. Nº 2 y 3 son adecuadas para la eliminación de componentes livianos (GL), el biodiesel obtenido (fracción residuo) en ambas experiencias cumple con las especificaciones de GL pero no de GT. Las condiciones de la exp. 1 son adecuadas para la eliminación de componentes pesados (TG, DG y MG, representados en GC)

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aquí el biodiesel obtenido (fracción destilado) cumple con las especificaciones de GT pero no con las de GL. Estos resultados se deben a que el biodiesel tiene una temperatura de ebullición intermedia entre las impurezas livianas y las pesadas, por lo que se concluye que son necesarias dos etapas de destilación molecular para lograr que el producto cumpla con las especificaciones tanto de GL como de GT. Conclusiones. Los resultados demuestran que la destilación molecular es efectiva para separar el glicerol libre y que la temperatura óptima de evaporación en el rango estudiado es de 70ºC. Se obtiene un producto (residuo) con una concentración de GL de 0,0028 +/- 0,0013 [0,0015, 0,0041] % p/p GL, valor menor al máximo establecido por la norma ASTM D6751 (menor a 0,020% p/p). Aunque la concentración de GT de 0,4957 +/- 0,0247 [0,4710, 0,5204] % p/p es mayor que el valor máximo establecido por la norma ASTM D6751 (menor a 0,240% p/p). Se requiere entonces una segunda etapa de destilación molecular para separar los glicéridos del residuo de la primera etapa. Referencias 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

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13. 14. 15. 16.

17. 18. 19. 20. 21.

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Obtención de sales de potasio mediante electrocoagulación de vinaza Clara Yelén Fonio Mermet1, Sergio Jorrat1, Ricardo Ferrari1, Julio Aguirre1, Alejandro Alvarez1 1 Dpto. de Ing. de Procesos y Gestion Ind., Facultad de Ciencias Exactas y Tec., UNT, Avda. Independencia 1900, S.M. de Tucumán.

Resumen. El incremento en el precio del petróleo ha revalorizado la importancia del bioetanol. La principal fuente renovable de producción de etanol es la caña de azúcar, siendo la vinaza el efluente de la destilación de etanol.Los tratamientos biológicos convencionales han resultados poco satisfactorios para degradar la vinaza, ya que es necesario efectuar grandes diluciones para superar el efecto inhibitorio que la alta carga orgánica e inorgánica producen sobre el crecimiento microbiano. Los métodos electrolíticos han probado ser eficientes en el tratamiento de estos efluentes y producen la floculación de solidos. El objetivo de este trabajo es determinar la composición mineral de sólidos obtenidos mediante la electrofloculación de vinaza. Se determinó el contenido de sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro, sulfato, solidos totales y cenizas. La remoción de solidos por efecto de la electrofloculacion generaron un efluente con mayor biodegradabilidad, debido a la menor carga inorgánica y organica, a la vez que se obtuvo un floculo rico en potasio y materia organica que puede emplearse como fertilizantes de suelos. Palabras clave: vinaza – electro floculación – fertilizantes - potasio

1 Introducción El notable incremento en el precio del petróleo ha revalorizado la importancia de los combustibles alternativos, y dentro de éstos, el bioetanol es uno de los más utilizados. A partir de 2010 todos los combustibles de Argentina contienen un 5% de bioetanol o biodiesel. Una de las fuentes renovables de producción de etanol es la caña de azúcar, siendo la vinaza el principal efluente de la destilación de etanol a partir de mostos fermentados de melazas de caña de azúcar. Por cada litro de alcohol se producen de 10 a 12 litros de vinaza. La provincia de Tucumán es una de las principales productoras en Argentina de etanol a partir de la caña de azúcar, y la carencia de plantas de tratamiento de vinaza adecuadas ha provocado una importante contaminación en la cuenca del río Salí-Dulce, donde la mayor parte de las destilerías vuelcan sus efluentes con elevada carga orgánica, sin tratamiento previo.

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Los tratamientos biológicos convencionales han resultados poco satisfactorios para degradar la vinaza, ya que es necesario efectuar grandes diluciones para superar el efecto inhibitorio que la alta carga orgánica e inorgánica producen sobre el crecimiento microbiano. Sólo los tratamientos anaeróbicos con reactores de manto de lodos de flujo ascendente (UASB) han demostrado ser adecuados para este tipo de efluentes, con la desventaja del elevado costo de los mismos. Los métodos electrolíticos han probado ser eficientes en el tratamiento de efluentes difíciles de biodegradar debido a su alta carga orgánica (Régis, 2005; Mackay y col., 2013). El tratamiento electrolítico es útil para reducir la carga orgánica de la vinaza (Alvarez y col., 2006, 2007 y 2009), y produce la floculación de sólidos (Zayas y col., 2007; Davila, 2009). El objetivo de este trabajo es determinar la composición mineral de los sólidos obtenidos mediante la electrofloculación de vinaza y evaluar su potencial aprovechamiento como fertilizante de suelos.

2 Materiales y métodos 2.1 Muestras Se trabajó con tres muestras de vinaza proveniente de dos destilerías de la Provincia de Tucumán, correspondientes a las zafras 2012 y 2013. 2.2 Tratamiento de las muestras Se llevó a cabo la electrolisis de cada muestra de vinaza a escala de laboratorio, por triplicado, empleando un volumen de 400 ml vinaza en cada ensayo. Se utilizó una fuente de corriente continua con dos electrodos cilíndricos y concentricos de acero inoxidable, de 20 cm de altura, con 10 cm de diámetro el cilindro mayor y 5 cm el menor, sometiendo las muestras a un voltaje de 5.2 V que origino una corriente eléctrica de 0.5 A. Cada tratamiento se prolongó durante 5 horas. 2.3 Determinaciones analíticas En las muestras de vinaza sin tratar, electrolizada y en el flóculo obtenido, se determinó el contenido de sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro, sulfato, solidos totales y cenizas. La determinación de sodio y potasio se realizó por fotometría de emisión atómica de llama a partir de una solución preparada con las cenizas obtenidas por calcinación de las muestras de vinaza y flóculo (AOAC, 2012).

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La determinación de calcio y magnesio se realizó por volumetría complexometrica con EDTA, empleando cianuro de potasio para acomplejar las interferencias de hierro y otros metales presentes (AOAC, 2012). Carnicería La determinación de sulfato se realizó por turbidimetría (AOAC, 2012), empleando cloruro de bario como reactivo precipitante. La determinación de hierro se realizó por espectrofotometría visible con sulfocianuro de potasio (AOAC, 2012). La determinación de solidos totales se realizó por desecación en estufa a 105°C hasta peso constante. La determinación de cenizas se realizó mediante mineralización en mufla a 600°C hasta destrucción total de la materia orgánica y peso constante.

3 Resultados Tabla 1. La composición de las muestras de vinaza sin tratamiento muestra el siguiente resultado Parámetro

Media

Desv. Est.

Calcio [mg CaCO3 /kg]

3375

330

Magnesio [mg CaCO3/kg]

620

38

Sodio [mg/ kg]

775

124

Potasio [mg/ kg]

4150

180

Sulfatos [mg/ kg]

4897

767

Hierro [mg/ kg]

91

Solidos totales [% p/p]

6,10

Cenizas [% p/p]

2,12

Proporción minerales/solidos totales [%]

34,82

Tabla 2. Las muestras de vinaza electrolizadas y el floculo obtenido mostraron los siguientes resultados Parámetro Calcio [mg CaCO3 / kg]

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Vinaza electrolizada 2253

Floculo < 0.1

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Magnesio [mg CaCO3/ kg]

876

< 0.1

Sodio [mg/ kg]

508

986

Potasio [mg/ kg]

6875

13739

Sulfatos [mg/ kg]

7707

20328

Hierro [mg/ kg]

1350

2721

Solidos totales [% p/p]

7,56

17,59

Cenizas [% p/p]

2,37

8,28

Proporción minerales/solidos totales [%]

31,36

47,07

Reducción de peso de los electrodos: 0.95%

4 Discusión Se observa que el floculo obtenido tiene un elevado contenido de sulfato y de potasio, y en menor medida de hierro y sodio, y como tal podría tratarse de un sulfato doble de hierro y potasio. En este solido el contenido mineral es un 47% aproximadamente y la materia orgánica un 53%, que surge de la relación entre el contenido de cenizas y de solidos totales del flóculo, mientras que en la vinaza no tratada la proporción mineral de los sólidos es 35%. A su vez, la vinaza después del tratamiento electrolítico reduce la proporción mineral de los sólidos a 31%, lo que demuestra que el floculo en gran parte está formado por sales minerales. Se observa también una mayor concentración de todos los iones en la vinaza después del tratamiento electrolítico, como así también de los sólidos totales, debido a un efecto de concentración producido por el calentamiento debido a la corriente eléctrica, y a la reducción del volumen total de la solución de vinaza por la formación del precipitado semisólido. La remoción de solidos orgánicos e inorgánicos de la vinaza por efecto de la electro floculación generan un efluente con mayor biodegradabilidad, debido a la menor carga inorgánica y orgánica de la misma, a la vez que se separan sales ricas en potasio que pueden emplearse como fertilizantes de suelos. Se observó además una ligera disminución del peso de los electrodos (menor al 1%), por el ataque corrosivo de la vinaza, y el consecuente aumento del contenido de hierro en la solución electrolizada.

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5 Conclusiones El elevado contenido de potasio y de materia orgánica de los flóculos obtenidos a partir del tratamiento electrolítico de vinaza indica que los mismos pueden ser empleados como fertilizante de suelos. Además, la reducción de la carga inorgánica y orgánica de la vinaza producida durante el tratamiento electrolítico, debido a la electrofloculación de solidos como así también a la oxidación química producida por el Oxigeno generado electrolíticamente, mejorará los posteriores tratamientos biológicos para reducir su carga orgánica, al generar un medio más favorables para el desarrollo de los microorganismos. Agradecimientos. Se agradece al Consejo de Investigaciones de la Universidad Nacional de Tucumán por el financiamiento recibido para realizar este trabajo.

Referencias 1. Álvarez A., Jorrat S. y Aguirre J., “Tratamiento electrolítico de vinaza”, Actas del XXII Congreso Interamericano de Ingeniería Química y V Congreso Argentino de Ingeniería Química, pág. 371-372, Buenos Aires, Octubre de 2006. ISSN 1850-3527. 2. Alvarez Alejandro R., Nadia P. Barbieri, Mariana E. Urquiola y Sergio L. Jorrat, “Efecto de la corriente en el tratamiento electrolítico de la vinaza”, Investigaciones en Facultades de Ingeniería del NOA, 2007, págs V-7 a V-9. ISBN 978-987-23950-0-1. 3. Alvarez Alejandro R., Nadia P. Barbieri, Mariana E. Urquiola y Sergio L. Jorrat, “Optimización del tratamiento electrolítico de la vinaza” V Jornadas de Investigaciones en Facultades de Ingeniería del NOA, Salta, Setiembre de 2009. 4. AOAC, Association of Official Analytical Chemists, Official Methods of Analysis, 19th edition, 2012. 5. Davila Rincon, Javier; Marriaga Cabrales, Nilson; Machuca Martinez, Fideran Remoción de Solidos Totales de Vinazas por Electrocoagulación - Electroflotación, Revista Dyna, Vol. 76, Núm. 158, junio, 2009, pp. 41-47, http://redalyc.uaemex.mx/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=49612069005 6. Mackay, S. Jorrat, R. Ferrari y A. Alvarez, Tratamiento Electrolítico y por Ozonización de Efluentes Cítricos, L. M. S. Olivera, M. A, Revista de la Facultad de Ciencias Exactas y Tec., 36: 1-7 (2013), www.herrera.unt.edu.ar/revistacet/avances/avance36_01.pdf. 7. Régis G., D. Ederio & B. Bidoia, Electrolytic treatment applied to the industrial effluent containing persistent wastes monitored by Bartha respirometric assays, Brazilian Archives of Biology and Technology, 48:2, 55-60, 2005. 8. Zayas, T., Rómero, V., Salgado L., Meraz, M., Morales, U., Applicability of coagulation/flocculation and electrochemical processes to the purification of biologically treated vinasse effluent., Separation and Purification Technology, 57, 2007, pp. 268–274.

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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN INICIAL DE UNA LÍNEA DE ENERGÍA SOLAR CONCENTRADA (LESC) Vidal, C. Daniel; Gutiérrez Moreno, Federico G; Fonseca, José M.; Guerrero, Pablo A. y Britch, Javier CIQA (Centro de Investigación y Transferencia en Ingeniería Química y Ambiental) Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Córdoba Maestro Marcelo López esq. Av. Cruz Roja Argentina Ciudad Universitaria – (X5016ZAA) Córdoba

Resumen: Este trabajo consiste en el diseño de un dispositivo de concentración solar basado en los principios fundamentales de la óptica geométrica, conformado por un arreglo matricial de lentes que permiten concentrar los rayos del sol en un mazo de fibras ópticas para su transporte hacia el interior de un laboratorio, y su posterior construcción y caracterización de funcionamiento de colección. El mismo cuenta con un sistema de seguimiento solar que permite incrementar su eficiencia. Con este dispositivo se estudian y desarrollan distintas aplicaciones de la energía solar, una fuente de amplia disponibilidad, limpia y de fácil acceso. Palabras Clave: Concentración solar, fibras ópticas, sistema de seguimiento, energías renovables, lentes.

1

Introducción El constante crecimiento demográfico y el desarrollo industrial a nivel mundial, ha generado un marcado incremento en el consumo energético y esto repercute directamente en el consumo de combustibles. En la actualidad los combustibles más utilizados son los de origen fósil y los nucleares. Ambos representan fuentes limitadas de energía y por lo tanto se genera un incremento en los costos. A su vez su utilización genera un elevado impacto ambiental desde su extracción y transporte hasta su utilización. El desarrollo de las energías renovables surge entonces como paliativo a estos problemas. Una de ellas es la solar, ya que como fuente de vida del planeta se la considera como origen de los demás. El sol, constituye una fuente de energía limpia llegando a la superficie terrestre con una densidad de potencia de aproximadamente 1000 W/m2 [1]. Así su aprovechamiento permite no sólo un ahorro en el consumo de las energías tradicionales, sino que representa un desafío en el desarrollo y optimización de las tecnologías que no generan impactos ambientales. La concentración solar se presenta como una de las alternativas de aprovechamiento. Este trabajo consiste en el diseño de un dispositivo de concentración solar basado en los principios fundamentales de la óptica geométrica, conformado por un arreglo matricial de lentes que permiten concentrar los rayos del sol en un mazo de fibras ópticas para su transporte hacia el interior de un laboratorio. Este diseño fue llevado a la práctica mediante su construcción para lo cual debieron de seleccionarse materiales, métodos de concreción y optarse por soluciones de compromiso de índole técnica y práctica. Finalmente el funcionamiento del dispositivo (LESC) fue evaluado por su eficiencia de transporte, su potencia y característica espectrales. El mismo cuenta con un sistema de seguimiento solar que permite incrementar su eficiencia.

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2 Objetivos  Lograr mediante el diseño y construcción de la LESC, altas densidades de energía solar dentro del laboratorio. 

Caracterizar la energía concentrada y transmitirla por la LESC.

3 Modelado de trazado de rayos En el desarrollo del trazado analítico de rayos en dos dimensiones (considerando simetría cilíndrica alrededor del eje óptico), se utilizó una herramienta de programación del software matemático Mathcad donde a través de las ecuaciones basadas en la ley de Snell [2], y considerando la aproximación paraxial se logró generar un modelo gráfico de vectores que permite determinar la trayectoria de rayos y las interacciones con distintos objetos, como pueden ser una lente y una fibra óptica. Con esta programación se puede definir el paquete de rayos incidentes teniendo en cuenta su densidad y su ángulo con respecto a la normal; también permite definir interfaces considerando el cambio de índice de refracción, el radio de curvatura de la superficie y el área de incidencia. Se generó un modelo de trazado de rayos con una lente plano-convexa de diámetro D, radio de curvatura R, y una fibra óptica de diámetro d; suponiendo que los rayos que provienen del sol llegan a la superficie de la tierra en forma paralela e inciden perpendicularmente en la superficie plana de la lente (Fig. 1).

Fig. 1. Modelo de trazado de rayos con una lente plano-convexa de 6 cm de diámetro y 18 cm de radio de curvatura.

4 Materiales seleccionados para construcción del dispositivo LENTES. Se seleccionaron lentes del tipo plano – convexa de Polimetil Metacrilato (PMMA), este material posee un índice de refracción de 1,49 y una gran calidad óptica, permitiendo el paso de la energía con un filtrado espectral teórico (Ver Tabla 1). Estos modelos, junto a pruebas de control permitieron seleccionar el diámetro de cada lente y su distancia focal.

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El diámetro seleccionado fue el mayor que, mediante diafragmado de una lente del mismo material y mayor diámetro, no alteró las propiedades físicas de la fibra óptica por elevación de su temperatura. En las tablas 1 y 2 se observan los resultados de estos ensayos. Lentes Material

Características observadas Tamaño

General

Concentración de energía en FIBRA OPTICA ACRILICA marca ESKA

Opticas

Muy alta concentración. Descomposición del material de la fibra

Diámetro 100 mm

Vidrio

Con diafragma de 80 mm

Alto peso especifico, fragilidad

Buena Transmisibilidad en pequeños Muy alta concentración. Descomposición espesores. Alta atenuación de rayos UV del material de la fibra Alta concentración, sin descomposición del material de la fibra

Con diafragma de 50 mm

PMMA (marca Vitolen)

Diámetro 60 mm Diámetro 50 mm

Resina cristal Diámetro 60 mm

Bajo peso especifico, disponible comercialmente

Muy buena transmisibilidad inclusive en grandes espesores

Mala calidad superficial, baja dureza

Alta opacidad y dispersión de rayos

Alta concentración, peligro de descomposición del material de la fibra Alta concentración, sin descomposición del material de la fibra

Baja concentración

Tabla 1. Resultados de ensayos con lentes La distancia focal de cada lente debe permitir que el ángulo de ingreso máximo garantice la reflexión total en el interior de la fibra óptica. Dado el índice de refracción de la fibra óptica (ȠF.O ≈ 1,49), de la Ec. 1, no hay restricciones sobre el ángulo máximo de apertura, puesto que, la condición teórica de reflexión total en el interior de la fibra se cumple para ángulos cercanos a los 90º (ver ecuación 1) [2]. (1) =índice de refracción de la fibra óptica Por este motivo la distancia focal está limitada por la construcción del dispositivo en lo atinente a la inclinación (Tilt) de la lente respecto del eje óptico. Mecánicamente, por construcción, se puede garantizar 0,5º y de acuerdo a esto, una lente de distancia focal es apta y a su vez presenta una potencia de baja aberración [2]. Las lentes seleccionadas de acuerdo a la tabla 2 y a la criticidad de inclinación fueron de un diámetro de 5 cm, con una distancia focal de 20cm (5 dioptrías). Estas características además obedecen las consideraciones empíricas y compromisos de disponibilidad comercial. FIBRAS. Luego de realizar ensayos con distintos tipos de materiales; como vidrio, polipropileno y PMMA (acrílico); y distintas formas de conducción, se decidió seleccionar fibras ópticas de PMMA de diámetro , sin revestimiento exterior. Estas fibras poseen una atenuación máxima de 0.2 dB/m para (ver figura 2)

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Fig. 2. Espectro de atenuación típica para fibras ópticas marca ESKA Características observadas Fibra Optica

Transmisibilidad

Estabilidad térmica

Flexibilidad longitudinal

Fibra de vidrio maciza. Diámetro 5 mm.

Baja

Alta

Baja

Fibra de vidrio maciza. Diámetro 2 mm.

Moderada

Alta

Intermedia

Fibra de vidrio hueca. Diámetro 3 mm

Baja. Mala transmisión debida a altas pérdidas

Alta

Baja

Baja. Espejado deficiente

Alta

Baja

Fibra de acrilico maciza. Diámetro 5 mm.

Alta

Baja. Acumulación de calor y descomposición

Baja

Fibra de acrílico maciza. Diámetro 2,5 mmmaciza. Fibra de acrílico

Alta

Alta, pero sin superar la temperatura de descomposición

Alta

Diámetro 3 mm. Marca ESKA

Muy alta

Alta, pero sin superar la temperatura de descomposición

Alta

Fibra de nylon maciza. Diámetro 1 mm

Muy baja

Baja

Muy alta

Fibra de vidrio hueca y espejada. Diámetro 3 mm

Tabla 2. Resultados de aplicación de criterios de transmisibilidad (calidad óptica), estabilidad térmica y flexibilidad longitudinal.

Fig. 3. Salida del dispositivo

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ESTRUCTURA. Se adoptó una estructura tipo caja de forma triangular. En una de las caras se dispuso un arreglo de lentes cuyos focos se ubican en cada una de las respectivas caras de ingreso de las fibras ópticas sujetas en la cara opuesta. La misma se soporta en tres puntos por brazos roscados y se acciona con servomotores encargados de la orientación (Ver Figuras 4 y 5)

Fig. 4. Vista lateral de la estructura

Fig. 5. Vista superior de la estructura La carcasa es de acrílico transparente para facilitar el armado y mantenimiento del dispositivo colector. SISTEMA ORIENTADOR. El sistema orientador se basa en dos servomotores (Fig. 6) acoplados mediante brazos roscados a la estructura que soporta los lentes, los mismos son accionados mediante un controlador conectado a un sensor LDR (Light Dependent Resistor) (Fig. 6) que mide la máxima radiación solar para ubicar el dispositivo. Este sistema de control guía el dispositivo siguiendo el sol en todas sus posiciones, logrando que los rayos incidan perpendicularmente en las lentes (Fig. 7).

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Fig. 6. Servomotor MR8, izquierda. Sensor LDR, derecha.

Fig. 7. Trayectoria del dispositivo.

5 RESULTADOS Y CONCLUSIONES Las determinaciones sobre cada fibra óptica se realizaron aislando el extremo de luz ambiental. Se realizaron mediciones de la radiación solar directa, sin concentrar, y en el extremo aislado de la fibra determinando la radiación solar concentrada por el dispositivo y emitida por la punta de la fibra mediante un LDR. Las lecturas de la resistencia en este dispositivo fueron estables y repetitivas y se consideran inversamente proporcionales a la potencia lumínica. Según los resultados obtenidos, se calcula que el dispositivo tiene una eficiencia de transmitancia integral total del 65% (en todo el espectro transmitido). Esto es 0,86 dB/m. (Ver ec. 2).  ln(Isalida /Ientrada) =ln(Rentrada /Rsalida) (2) Donde  = coef. de atenuación lineal Isalida, Ientrada Intensidades de radiación de salida y entrada al sistema Rentrada = (15 ± 1)  (lectura de la resistencia del LDR baja irradiación entrante) Rsalida = (23 ± 2)  (lectura de la resistencia del LDR baja irradiación saliente) Los espectros de ingreso y salida de las fibras ópticas se observan en la Figura 8, Los mismos fueron obtenidos mediante un arreglo con red de difracción en configuración de transmisión de 600 líneas/mm. La relación entre áreas de estos espectros coincide con la lectura integral del LDR.

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Fig. 8. Espectros de ingreso y salida de F.O. Finalmente y de acuerdo a nuestras mediciones y a la relación entre diámetros de lente y fibra óptica podemos concluir que este dispositivo aumenta en un factor de aproximadamente 180 la densidad de energía solar (Ver ecuación 3). FC = (Rentrada /Rsalida)(Dlente/dfibra)2 (3) Donde: FC es el Factor de concentración y Dlente y dfibra son los diámetros de la lente de ingreso al sistema y de cada fibra óptica respectivamente. En el presente diseño las F.O. presentan una cara de ingreso plana, sin embargo el modelado indica que una cara de ingreso cóncava podría aumentar el paralelismo de los rayos en el interior. Por ello una mejora del sistema será la de pulir las F.O. en su cara de ingreso para darle esta geometría. Actualmente se está diseñando el mecanismo de pulido y tallado de la cara de ingreso con lo que se podría reducir la atenuación (Ver Figura 9).

Fig. 9. Modelado de ingreso de rayos a la fibra.

Las posibles aplicaciones de esta alta densidad de potencia, disponible dentro de un laboratorio, son muy variadas, y algunas vinculadas a la óptica no lineal como ser en reacciones fotocatalizadas, dispositivos de esterilización, dispositivos láser, iluminación, etc. [3].

Referencias 1.

Dr. Tony Phillips, Portal de Internet de Science@NASA, http://ciencia.nasa.gov/science-at-nasa/2010/05feb_sdo/ 2. Hetch, Eugene – ÓPTICA – ADDISSON WESLEY IBEROAMERICANA, Madrid, 2000. 3. C. Kandilli, K. Ulgen – Review and modelling the systems of transmission concentrated solar energy via optical fibres – Solar Energy Institute, Ege University 35100 Bornova/Izmir, Turkey – 31 May 2007.

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Ingeniería Sostenible: aspectos económico-financieros de la generación de Energía Solar Fotovoltaica

Ingeniería Sostenible: aspectos económico-financieros de la generación de Energía Solar Fotovoltaica. Manuela Pendón, Eduardo Williams, Natalia Cibeira, Belén Filippetti, Maite Granada, Romina Couselo Unidad de Investigación, Desarrollo, Extensión y Transferencia de Formulación y Evaluación de Proyectos (UIDET FyEVP) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de La Plata (UNLP). Av. 1 y 47, La Plata, Buenos Aires, Argentina. [email protected],ar; [email protected]

Resumen. En el presente trabajo se identifican las variables involucradas en la formulación y evaluación económico-financiera de proyectos de energía solar fotovoltaica según la normativa vigente en Argentina. Se obtienen, a partir de la valorización de un caso teórico, escenarios que permiten realizar una primera aproximación a la incidencia que las componentes involucradas tienen en la Tasa Interna de Retorno (TIR) y período de recupero de proyectos de energía solar fotovoltaica en Argentina, utilizando conceptos de matemática financiera, herramientas de formulación y evaluación de proyectos e información de costos y precios de fuentes nacionales e internacionales en la materia. Palabras Clave: energía solar fotovoltaica, costos, energías renovables

1 Introducción1 La energía solar fotovoltaica es, dentro de las energías renovables, aquella que presenta el crecimiento más rápido y para la cual se proyecta un rol preponderante en la producción de energía a nivel mundial en el futuro. La capacidad instalada global de energía solar fotovoltaica se ha incrementado treinta y siete veces en diez años, a un ritmo de 44% anual, con la consecuente reducción de costos de la tecnología, lo cual se presentaba como su principal limitación para implementar proyectos de este tipo. Sin embargo, a pesar de su rápido crecimiento, menos del 0.2%2 de la energía mundial generada corresponde a energía solar fotovoltaica, aún cuando ha alcanzado madurez tecnológica y se está acercando rápidamente al grid parity3. En Argentina, se encuentran instalados dos parques en la provincia de San Juan: uno pertenece a la empresa provincial de energía (EPSE), con una potencia de 1,2 MW; el otro, adjudicado mediante el Programa de Provisión de Energía Eléctrica de Fuentes 1

[7] y [8] [9] 3 El término “grid parity” en este trabajo se interpreta como el punto donde el costo nivelado de la energía (LCOE), sin subsidios, es igual o menor que el precio de la electricidad residencial, excluyendo impuestos. 2

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Renovables (GENREN), se convertirá en el más grande de América Latina, con 20 MW de potencia, 5 de los cuales ya se encuentran en funcionamiento. La ley 26.190 es el principal instrumento vigente en relación a la promoción de fuentes renovables de energía. Establece como meta una contribución de las fuentes de energía renovables del 8% del consumo de energía nacional para el año 2016, y una serie de incentivos tributarios y remuneraciones adicionales como mecanismos de promoción de estas energías. Si bien la capacidad instalada en el país no es relevante aún, posee un importante potencial de crecimiento que debe acompañarse de los instrumentos que permitan la evaluación económico-financiera de proyectos de energía solar fotovoltaica por parte de los inversores interesados y agentes del mercado eléctrico y el diseño de políticas e incentivos que favorezcan su desarrollo. Contar con esta información facilita la toma de decisiones por parte de gobiernos, creadores de políticas, investigadores, y empresarios.

2 Definición de caso teórico Se considera un caso de estudio de 25.000 paneles de silicio policristalino montados en piso, de posición fija que, bajo una dada configuración, condiciones climáticas y de irradiación, válidas para diferentes lugares de Argentina 4 puede generar 10 GWh de energía anual (6MWp) a la red5.

3 Formulación del Proyecto: identificación y cuantificación de variables clave De forma general las componentes que deben formularse en cualquier tipo de proyectos para realizar una evaluación económico-financiera son: horizonte de evaluación, inversiones iniciales (costos iniciales o presentes), ingresos y egresos durante el horizonte de evaluación (ingresos y costos operativos) y el valor de recupero del proyecto.

3.1 Horizonte de Evaluación

Según la normativa vigente, Res. SE 108/2011 (Art. 4), la duración de los contratos de generación a través de fuentes renovables es de quince años. Por este motivo el horizonte de evaluación se define en quince años.

4 5

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Por ejemplo Mendoza, San Luis, y San Juan Sistema conectado a red

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3.2 Inversiones Iniciales El mayor componente del costo de inversión de los sistemas fotovoltaicos es el costo del panel o módulo fotovoltaico, seguido del costo de balance del sistema (BOS)6 y el costo de instalación. El promedio global de los precios mundiales de paneles fotovoltaicos se redujo de alrededor de 22 USD/W en 1980 a menos de 1,5 USD/W en 2010 y, en la actualidad, pueden encontrarse módulos policristalinos provenientes de China y EEUU con un precio FOB de entre 0,62 y 1,2 USD/Wp. La mayoría de los estudios sobre la curva de aprendizaje de energía fotovoltaica se enfocan en los paneles FV, ya que representan el ítem con mayor costo por unidad dentro de un sistema fotovoltaico. Los montos de las inversiones son difíciles de estimar ya que, en Argentina la capacidad instalada de generación de energía solar fotovoltaica, aún no es relevante. A los efectos de la estimación, el costo de los paneles e inversor se calcula en función de presupuestos y luego se calculan porcentajes de participación del resto de las componentes a partir de citas bibliográficas 7 ajustadas teniendo en cuenta aspectos prácticos actuales tales como que el costo de los paneles junto con el de los inversores tienen una participación de aproximadamente el 50% de la inversión inicial y lo referente a estructura, soportes y montajes puede estimarse en un 30% de la misma. En el rubro de Gastos Generales se contemplan los correspondientes a diseño del sistema, la gestión, los gastos generales de instalación, permisos y costos de desarrollo del proyecto, la compra de un terreno de dimensiones acordes al proyecto, mejora de caminos para garantizar la accesibilidad al lugar. En cableado y varios se contempla la transformación. Las principales componentes de la inversión inicial pueden estimarse: Tabla 1. Estimación Inversión Inicial. Elaboración propia. Componente

% Participación

Monto USD

Paneles

30% USD

6.000.000

Gastos Generales

18% USD

3.500.000

Inversor y medida

18% USD

3.500.000

Estructura y Soporte

20% USD

4.000.000

Montaje

10% USD

2.000.000

5% USD

1.000.000

Cableado y varios Total

100% USD 20.000.000

3.3 Ingresos Ingresos por Venta de Energía - Valorización de Energía Eléctrica Se calculan como producto de la energía eléctrica disponible para el contrato y el precio de venta en USD/MWh.

6 Todas las piezas de un sistema solar fotovoltaico con excepción de los módulos solares fotovoltaicos: inversores, sistemas de montaje y estructuras, componentes eléctricas, costo de preparación del lugar, diseño del sistema 7 [9]

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Dado que en este tipo de proyectos la energía producida es altamente dependiente de la degradación de los paneles es prudente considerar un deterioro promedio de 1% por año, contado a partir de su Potencia Nominal Inicial [2]. Fondo Fiduciario de Energías Renovables Según lo establecido en la Ley 26.190 de Régimen de Fomento Nacional para el uso de fuentes renovables de energía destinada a la producción de energía eléctrica donde se establece remunerar los proyectos de este tipo en hasta cero coma nueve pesos por kilovatio hora (0,9 $/kWh) efectivamente generados. Dicho valor, según la normativa citada es actualizable por el Coeficiente de Adecuación Trimestral CAT. Ingresos por Bonos CO2 En el marco del Protocolo de Kioto presentado por la Convención Marco de las Naciones Unidas (CMNUCC) para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) que provocan el calentamiento global, se implementaron tres mecanismos internacionales con el fin de aplicarlo: el comercio internacional de los derechos de emisión de GEI (Transacción de Emisiones); la Implementación Conjunta (IC) y el Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) [3]. La actividad de un proyecto de este tipo reduce las emisiones de gases de efecto invernadero por cuanto genera energía a través de una fuente renovable. Sin embargo, actualmente8, no hay posibilidad de ingresar en el MDL, solo en el Mercado Voluntario de bonos y los valores de los bonos de este mercado no son significativos. 3.4 Costos y Gastos Costos de O&M y Administración Mientras que las inversiones iniciales en proyectos de generación de energía solar fotovoltaica son altas en comparación con otras fuentes de energía, los costos de operación y mantenimiento de sistemas fotovoltaicos de generación de electricidad son bajos, y pueden estimarse aproximadamente en 0,5% a 1,5% anual de los costos de inversión inicial [4]. A estos últimos debe adicionarse un 1% correspondiente al gerenciamiento y administración. Dentro de estos costos se contempla: ● ● ●

Costos de Operación y Mantenimiento Costos de Mantenimiento y Limpieza de Paneles Repuestos y materiales de mantenimiento

8

La enmienda de Doha (2012) al protocolo de Kyoto fue firmada solo por la Unión Europea, quien se convirtió en la única potencial compradora de CERs y ha decidido que para este segundo período de compromiso (2013-2020) solo aceptará CERs que provengan de los Países Menos Desarrollados, una lista de 49 países de África y Asia, entre los que no se encuentra ningún país latinoamericano.

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● ●

Gastos de Administración Gastos de Higiene y Seguridad en el Trabajo, seguros y vigilancia

En este tipo de proyectos los costos de operación y mantenimiento están concentrados fundamentalmente en la mano de obra y en menor proporción en insumos y repuestos pero sí deben tenerse en cuenta los seguros que protegen estas instalaciones ante inclemencias del tiempo, actos vandálicos y robos. A continuación se muestra una tabla que resume los costos para el caso teórico, calculados a partir de su relación con la inversión inicial: Tabla 2. Estimación de costos. Elaboración propia. Costos de O&M

300.000

%/Inversión Inicial 1,5%

Costos de Gerenciamiento

200.000

1,0%

USD

3.5 Valor de Recupero del Proyecto Este concepto hace referencia al valor que tendrá el proyecto en el último año del horizonte de evaluación por cuanto dicho período de tiempo puede no coincidir con la vida útil tecnológica del proyecto. A los efectos del presente se calcula el valor de recupero del proyecto a través de la valorización de los activos según su vida útil tecnológica. Para ello es necesario estimar la vida útil tecnológica de la inversión inicial, discriminando sus rubros principales. La vida útil de un panel fotovoltaico puede llegar hasta 30 años, y los fabricantes generalmente otorgan garantías de 20 o más años. El mantenimiento del panel consiste en la limpieza del vidrio para que las celdas fotovoltaicas capturen de forma correcta la radiación solar [5] y [6]. En función de consultas realizadas a especialistas y teniendo en cuenta que se prevén los costos de operación y mantenimiento adecuados, resulta prudente considerar las siguientes vidas útiles para los rubros de la inversión inicial: Tabla 3. Estimación del valor remanente de la inversión inicial al fin del contrato. Elaboración propia. Total

Valor Remanente de la Inversión al fin del contrato

Vida Útil Tecnológica

Equipamiento

$

9.500.000

30

4.750.000

Obra Civil

$

4.000.000

50

2.800.000

Obra ElectroMecanica

$

3.000.000

30

Inversion Inicial

$

20.000.000

1.500.000 9.050.000

El valor remanente, calculado de esta forma, es igual al 45% de la inversión inicial.

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4 Evaluación del Proyecto: definición de escenarios y presentación de resultados 4.1 Beneficios Fiscales La ley 25.924 de Promoción de Inversiones en Bienes de Capital y Obras de Infraestructura prevé dos beneficios fiscales que pueden aplicarse a este tipo de proyectos: Amortización Acelerada: en las obras de infraestructura como mínimo en la cantidad de cuotas anuales, iguales y consecutivas que surjan de considerar su vida útil reducida al 50% de la estimada. Devolución anticipada de IVA: el impuesto al valor agregado que por la compra, fabricación, elaboración o importación definitiva de bienes de capital o la realización de obras de infraestructura les hubiera sido facturado a los responsables del gravamen, luego de transcurridos como mínimo tres (3) períodos fiscales contados a partir de aquél en el que se hayan realizado las respectivas inversiones, les será acreditado contra otros impuestos a cargo de la Administración Federal de Ingresos Públicos o, en su defecto, les será devuelto. 4.2 Definición de Escenarios Se definen tres escenarios a partir de la combinación de las siguientes variables relevantes para el estudio: Precio de la Energía USD/MWh Energía generada MWh anual Remuneración Adicional (Ley 26.190)9 Costos Anuales Inversión Inicial (sin IVA) Financiamiento Externo con las siguientes características Tabla 4. Características del Financiamiento. Elaboración propia.

9

Remuneración prevista en la Ley 26.190 a través del Fondo Fiduciario de Energías Renovables

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Ingeniería Sostenible: aspectos económico-financieros de la generación de Energía Solar Fotovoltaica

Tabla 5. Definición de Escenarios. Elaboración propia. Variable Precio de la Energía [USD/MWh] Energía generada anual [MWh] Remuneración Adicional (Ley 26.190) Costos Anuales [USD] Inversión Inicial (sin IVA) [USD]

Neutro 320 10.500 SI (el valor máximo previsto en la Ley 26.190) -368.125 20.000.000

Escenario Pesimista 320 9.500

Optimista 320 10.500 SI (el valor máximo NO previsto en la Ley 26.190) -406.875 -368.125 21.000.000 19.000.000

4.3 Presentación de Resultados Tabla 6. Resultados. Elaboración propia. Resumen de escenario Neutro Pesimista Optimista Celdas cambiantes: Precio de la Energía [USD/MWh]

320,00

320,00

320,00

0%

-5%

5%

SI

NO

SI

Variación Costos Anuales [% ]

0%

5%

-5%

Variación Inversión Inicial (sin IVA) [% ]

0%

5%

-5%

TIR sin beneficios fiscales

11,75%

4,20%

13,69%

TIR Devolución Anticipada de IVA

12,03%

4,32%

13,95%

TIR Amortización Acelerada

12,58%

4,76%

14,63%

6

13

5

TIR sin beneficios fiscales

16,09%

-

21,48%

TIR Devolución Anticipada de IVA

17,24%

-

22,60%

TIR Amortización Acelerada

18,92%

-

24,74%

4

-

4

Energía generada anual [% ] Remuneración Adicional (Ley 26.190) [% ]

Celdas de resultado:

Proyecto

Período de Recupero Amortización Acelerada (años)

Accionista

Período de Recupero Amortización Acelerada (años)

5 Conclusiones En un escenario neutro el proyecto permite obtener una rentabilidad cercana al 12.6%, y un período de recupero de 6 años, considerando el beneficio de Amortización Acelerada prevista en la normativa vigente. Si se miden los indicadores con la estructura de financiamiento definida, la rentabilidad al capital propio es de 18.9% y se recupera en 4 años. En un escenario optimista, que contempla una disminución de los costos y el monto de la inversión inicial en 5% y un aumento de la energía vendida en igual porcentaje, se obtendría una rentabilidad de 14.6% y la inversión se recuperaría en 5 años. El capital propio en este caso rendiría casi 25% y se recuperaría en 4 años. Un escenario pesimista quedaría descripto con un aumento del 5% de la inversión inicial y los costos de O&M y Gerenciamiento, una energía generada anual menor en

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5% y sin remuneración adicional. En este caso, la TIR no alcanzaría el 5% y la inversión se recupera al final del horizonte de evaluación. El escenario pesimista no permitiría cubrir la estructura de financiamiento detallada. Si se considera que una tasa de rentabilidad esperada en este tipo de proyectos es de 10% en dólares, resulta conveniente el proyecto analizado si se accede a la remuneración adicional prevista en la ley o se define un mejor precio de venta de energía en el contrato. En los tres escenarios, para este caso particular, contar con el beneficio de amortización acelerada permitiría obtener la mayor rentabilidad. Se observa una alta incidencia en los resultados de la remuneración adicional prevista en la ley de promoción de energías renovables. No acceder a dicho beneficio, implicaría la necesidad de negociar un precio más alto de energía para que el proyecto resulte rentable con las características del caso bajo estudio. El análisis permite concluir acerca de un caso teórico realizado a partir de referencias bibliográficas. Cada proyecto debe ser evaluado de forma particular para poder concluir acerca de su conveniencia. Sin embargo, en el presente se identificaron las variables relevantes para este tipo de proyectos y una metodología que puede ser utilizada para evaluar cada proyecto particular. Dada la dificultad de encontrar precios y costos nacionales, se utilizaron valores internacionales, los cuales podrían dar lugar a mejores resultados que los que quizás se obtendrían en Argentina donde aún la generación de energía renovable se encuentra en sus inicios.

Referencias 1.

2. 3. 4.

5. 6. 7. 8. 9.

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Centro de investigación de recursos y consumos energéticos (CIRCE). Energías Renovables en Aragón. Capítulo 7: Análisis de la viabilidad de las instalaciones de energías renovables. (2008). Luque, A., & Willey, S. H.: Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. (2003). ProChile: Estudio de Mercado de Bonos de Carbono. ProChile. (2012). Breyer, C., Gerlach, A., Mueller, J., Behacker, H., & Millner, A.: Grid parity analysis for EU and US regions and market segments. Dynamics of grid parity and dependence on solar irradiance, local electricity prices an PV progress ratio. Alemania: Proceedings of the 24th European photovoltaic solar energy conference. (2009). Perpiñan Lamigueiro, O.: Energía Solar. Fotovoltaica. España: Creative Commons. (2013). Colegio Oficial Ingenieros Telecomunicación: Energía Solar Fotovoltaica. Madrid: Colegio Oficial Ingenieros Telecomunicación.(2002) Energy Consulting Services: Datos sobre instalaciones de energía renovable y potencial de los recursos de energía en Argentina. Observatorio de Energías Renovables en América Latina y el Caribe. (2013). Subsecretaria de Desarrollo de Inversiones y Promoción Comercial. Ministerio de Relaciones Exteriores y Culto. República Argentina. El sector de energías renovables en Argentina. (2012). International Renewable Energy Agency: Renewable Energy Technologies: Cost Analysis Series. Volume 1: Power Sector. Issue 4/5Solar Photovoltaics. (2012).

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Producción de biodiesel en condiciones supercríticas Mariana Isabel De Lucca1, Maria Cristina Gely1, y Ana María Pagano1 1

Núcleo TECSE, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, Olavarría, Argentina, [email protected]

Resumen. El presente trabajo analiza la factibilidad de una planta de producción de biodiesel a partir de aceites vegetales. Se estudiaron diversas materias primas y rutas de reacción, seleccionándose el aceite vegetal de soja y la transesterificación supercrítica en una etapa como el proceso de producción óptimo. El proceso productivo propuesto consiste en la reacción bajo condiciones supercríticas de metanol y aceite vegetal, obteniéndose como producto primario biodiesel y glicerol como producto secundario. Luego de la reacción principal se realizan una serie de etapas de purificación del biodiesel, entre las que se incluyen evaporación para eliminar metanol del producto y decantación para separar el biodiesel del glicerol. Palabras Clave: biodiesel, supercrítico, simulación, factibilidad.

1

Introducción

El panorama actual de agotamiento de los combustibles fósiles tradicionales, se traduce en una situación en la cual la producción de petróleo no puede seguir a la demanda asociada al crecimiento económico [1]. Debido a cuestiones ambientales, económicas, sociales, y estratégicas, los biocombustibles combustibles producidos a partir de la biomasa y por tanto una energía renovable- han adquirido una importancia y valoración creciente. Ambientales, a razón de las implicancias de su uso en la reducción de las emisiones de carbono; económicas, por las perspectivas de agotamiento de combustibles fósiles frente al crecimiento continuo de la demanda, la potencialidad del sector agropecuario para posicionarse como fuente de energía, generando inversión, trabajo y valor agregado a la cadena; sociales, por la generación de oportunidades para la agricultura en general; y estratégicas, en el sentido de fomentar las fuentes energéticas renovables, adaptadas a las tecnologías actuales, evitando grandes modificaciones en los motores que utilizan combustibles fósiles. Los biocombustibles en uso proceden de materias primas vegetales, a través de transformaciones biológicas y físico-químicas. Actualmente se encuentran desarrollados principalmente dos tipos: el biodiesel, obtenido a partir de la transesterificación de aceites vegetales y grasas animales con un alcohol ligero, como metanol o etanol; y el bioetanol, obtenido fundamentalmente de semillas ricas en azúcares mediante fermentación [2]. Químicamente el biodiesel se produce a partir de transesterificación de aceites, constituyendo ésteres de alquilos, de metilo y de etilo, con cadenas largas de ácidos grasos [3] obteniéndose glicerol como coproducto.

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Existen diferentes formas de procesamiento de los aceites vegetales, desde metodologías que emplean una catálisis ácida o básica homogénea hasta procesamientos en los cuales se emplea catálisis ácida heterogénea o condiciones supercríticas para lograr su transformación en biodiesel [4]. La transesterificación supercrítica es un método alternativo de catálisis, donde las condiciones extremas a las que se lleva el metanol (T>290°C, P>10MPa) favorecen la cinética de la reacción así como también la transferencia de masa, ya que forman una sola fase con el aceite. La ventaja de este método es que es libre de catalizador e insensible a la acidez de la materiagrasa. Con temperaturas de 350°C, presión de 43 MPa y una relación molar metanol:aceite de 43:1, este proceso logra la conversión total en un menor tiempo que el método convencional. Uno de los mayores costos en el proceso de producción de biodiesel corresponde a la potencia de agitación en el reactor en que se realiza la transesterificación, dado que el metanol y el aceite forman dos fases inmiscibles. El método de metanol supercrítico tiene la ventaja de que el metanol forma una sola fase con el aceite por lo que no es necesario el uso de potencia para la agitación. Ciertos autores han demostrado que una planta de producción de biodiesel en condiciones supercríticas es económicamente rentable en función del alcohol empleado y de la etapa de reacción fundamentalmente [5]. El objetivo de este Proyecto Final de Carrera Ingeniería Química fue simular mediante Aspen Hysys® un proceso industrial de obtención de biodiesel a partir de la transesterificación de aceites vegetales, aplicando tecnologías supercríticas que permitan obtener un producto de calidad específica según sus usos, y, en base al modelo de simulación analizar la factiblidad tecnico-económica del proceso.

2

Materiales y Métodos

La alcohólisis de triglicéridos se describe generalmente como una etapa de tres reacciones reversibles consecuentes, con di y mono glicéridos como productos intermedios. En cada paso de esta reacción compleja se logra reaccionar un mol de metanol y obtener un mol de ésteres metílicos (Ec. 1).

(1) Aceite

Metanol

Glicerina

Metil ésteres de ác.grasos (FAME)

Los trabajos más relevantes relacionados con cinética de metanólisis supercrítica, suponen una reacción simple irreversible de primer orden como el mejor modelo [6]. Se supone una reacción de primer orden función de la concentración de triglicéridos (CTG) y de la temperatura de reacción a densidad constante cuya expresión de velocidad de reacción en función de la conversión (xTG) viene dada por:

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

dC TG  k1C TG 1  x TG  dt

(2)

La constante de velocidad (k1) para cada temperatura de reacción se muestra en la Tabla 1. A temperatura sub-crítica, por debajo de 239ºC, se encuentran bajas velocidades de reacción, aumentando hasta 85 veces en el estado supercrítico [7]. Tabla 1. Constante de velocidad de reacción de transesterificación en función de la temperatura y presión. Temperatura (°C)

Presión (MPa)

k1 (s-1)

200

7

0.0002

230

9

0.0003

270

12

0.0007

300

14

0.0071

350

19

0.0178

385

65

0.0249

431

90

0.0503

487

105

0.0803

Si bien tanto metanol como etanol pueden ser usados en la producción de biodiesel, el etanol (mucho menos tóxico que el metanol) debe ser usado en su forma pura, totalmente deshidratada, más cara de obtener. Adicionalmente, al usar etanol, el aceite tiene que estar totalmente seco. Ambas condiciones son muy difíciles de conseguir, especialmente con el aceite de restaurantes, el cual es usado para freír vegetales, carne, pescado, etc. [8], por lo que se decidió trabajar con metanol. La relación molar de alcohol a aceite es una de las variables más importantes que influyen en la conversión en esteres. La conversión para una relación molar de 10 es de 30 a 40%, incrementándose a 85-90% con una relación molar de 50. Esto indica que la relación molar más alta de alcohol proporciona el mejor resultado de transesterificación, tal vez debido a la mayor área de contacto entre el alcohol y triglicéridos [9]. La bibliografía consultada indica apropiado trabajar con una relación 42:1 sin correr el riesgo de perjudicar la reacción por un exceso de alcohol obteniendo una conversión casi completa con un rendimiento de 95% de esteres metílicos [7]. Además de la alta conversión y las tasas de reacción, la transesterificación supercrítica puede tolerar materias primas con muy alto contenido de ácidos grasos libres y agua [4]. En el presente trabajo se simulan dos procesos para la producción de biodiesel en condiciones supercríticas basados en los trabajos de West et al. (2008) [4] y Marchetti y Errazu (2008) [5], y una tercera alternativa correspondiente a una optimización de esta última. Los procesos diseñados requieren de al menos seis operaciones: mezclado, calentamiento, transesterificación, destilación, decantación y purificación.

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La importancia de la utilización de un simulador comercial tal como Aspen Hysys® radicó en su capacidad de resolución en forma iterativa de los diferentes balances de materia y energía que modelan el conjunto de equipos del proceso químico. Se definieron compuestos hipotéticos para caracterizar el aceite, el biodiesel, el catalizador alcalino y el ácido neutralizador. Se utilizó el paquete UNIQUAC ideal para estimar las propiedades de los componentes.

3 Resultados A continuación se presentan los diagramas de flujo correspondientes a las tres opciones consideradas. En todas las alternativas se consideró una capacidad de tratamiento de 5682 kg//h de aceite de soja con un requerimiento de 8757 kg/h de metanol. Se operó en condiciones supercríticas obteniéndose rendimientos de entre 5684 kg/h y 5687 kg/h de biodiesel. En la segunda opción con dos reactores, las corrientes son calentadas y presurizadas con el fin de lograr condiciones de operación deseables en el primer reactor, T=200ºC y P=70 bar [5]. Después de este equipo, se requiere una columna de destilación para separar el metanol. Esto se hace para tener una mejor separación global en el siguiente decantador. En el último equipo, la glicerina es separada del aceite que se alimenta al segundo reactor supercrítico. A fin de obtener una mejor conversión final del aceite en biodiesel, otra corriente de alcohol debe ser añadida al segundo reactor con el fin de mantener la relación molar de alcohol / aceite en 42:1. En este reactor, la reacción tiene lugar a 350ºC. Al igual que en la etapa de reacción anterior, se utiliza una columna de destilación, seguida por un decantador que permite la separación del biodiesel a partir de la glicerina. La tercera alternativa se corresponde a una optimización de la opción 2 (Fig.3), mantiene las condiciones de operación en los dos reactores, pero se eliminan las operaciones existentes entre los dos rectores supercríticos. Esto implica la eliminación de tres equipos: un intercambiador de calor para el precalentamiento de la corriente que ingresa al segundo reactor, una columna de destilación de metanol y un separador de glicerina. Llevado a cabo un análisis económico (involucrando la determinación de ingresos, costos, inversión inicial, egresos operativos, flujo de fondos, indicadores VAN y TIR), se observó un VAN de 1 millones de dólares, lo que permite inferir que: El diagrama de proceso que presenta mayor beneficio en cuanto a rendimiento es la Opción 3, pero el requerimiento de más equipos respecto a las Opciones 1 y 2 hacen de él un proceso no viable. La Opción 2 es beneficiosa ya que al disponer de dos reactores en serie, el volumen total es menor que si tuviera uno para los mismos requerimientos de rendimiento, pero el costo del reactor es el condicionante para la viabilidad del proyecto, por lo cual la Opción 1 pasa a ser la óptima, ya que un único reactor será la alternativa de

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Setiembre 2014 ISBN 978-987-1662-51-7 Oil(1) MetOH(1) Oil-MetOH(1) Oil-MetOH(2) Oil-MetOH(3) Vent Gas Mezcla(1) Mezcla(2) Mezcla(3) MetOH(2) MetOH(3) Oil-Gly-Bio(1) Oil-Gly-Bio(2) Glicerol Oil-Bio(1) Oil-Bio(2) Oil(2) Biodiesel

Corriente

OPCIÓN 1

Temeratura Presión Fracción Molar Flujo (Kg/h) (ºC) (KPa) TG MetOH FAME 25,0 101,3 5681 1,000 0,000 0,000 25,0 101,3 8710 0,000 1,000 0,000 25,0 101,3 14390 0,023 0,977 0,000 25,5 1013 14390 0,023 0,977 0,000 60,0 978,8 14390 0,023 0,977 0,000 ------------239,9 7995 14390 0,001 0,908 0,069 140,8 506,6 14390 0,001 0,908 0,069 120,6 437,7 14390 0,001 0,908 0,069 64,5 101,3 8099 0,000 1,000 0,000 64,5 101,3 8099 0,000 1,000 0,000 325,3 105,3 6292 0,018 0,000 0,889 25,0 105,3 6292 0,050 0,000 0,747 25,0 105,3 585,7 0,000 0,000 0,000 25 105,3 5707 0,007 0,000 0,993 350 105,3 5707 0,007 0,000 0,993 376,4 111,3 22,16 0,070 0,000 0,930 370,1 101,3 5684 0,006 0,000 0,994 (Tabla 7.4.1 - Opción 1: Ref. Alex H. West, Dusko Posarac, Naoko Ellis)

(Figura 7.4.1 - Opción 1: Ref. Alex H. West, Dusko Posarac, Naoko Ellis)

Ref.: Alex H. West, Dusko Posarac, Naoko Ellis

Glicerol 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 --0,023 0,023 0,023 0,000 0,000 0,090 0,247 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000

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Fig. 1. Diagrama de flujo del proceso de transesterificación en condiciones supercríticas, Opción 1[4].

0803

Setiembre 2014 ISBN 978-987-1662-51-7 Oil MetOH Oil-MetOH(1) Oil-MetOH(2) Oil-MetOH(3) Vent Gas Oil-MetOH-Gly-Bio(1) Oil-MetOH-Gly-Bio(2) MetOH(2) Oil-Gly-Bio(1) Oil-Gly-Bio(2) Out Gly(1) Oil-Bio(1) MetOH(3) MetOH(4) MetOH(5) MetOH(6) Oil-MetOH-Bio(1) Oil-MetOH-Bio(2) Oil-MetOH-Bio(3) MetOH(7) Oil-MetOH-Gly-Bio(3) Oil-MetOH-Gly-Bio(4) MetOH(8)

Corriente

Temeratura (ºC) 25,0 25,0 25,0 28,7 150,0 --200,0 100,0 64,5 325,8 25,0 25,0 25,0 64,5 64,5 64,5 64,5 63,91 71,79 150,0 310,0 310,0 100,0 64,5

Presión (KPa) 100,0 100,0 100,0 4000,0 3966,0 --6966,0 6897,0 101,3 105,3 105,3 105,3 100,0 101,3 101,3 101,3 101,3 100,0 4000,0 3966,0 7000,0 7000 6934 101,3 5681,0 7000,0 12681,0 12681,0 12681,0 --12681,0 12681,0 6414,0 6267,0 6267,0 560,7 5706,0 8326,0 8326,0 6436,0 1890,0 7596 7596 7596 967,9 6628,0 6628,0 915,8

Flujo (Kg/h) TG 1,000 0,000 0,971 0,971 0,971 --0,009 0,009 0,000 0,018 0,018 0,000 0,007 0,000 0,000 0,000 0,000 0,002 0,002 0,002 0,001 0,000 0,000 0,000

Fracción Molar MetOH FAME 0,000 0,000 1,000 0,000 0,029 0,000 0,029 0,000 0,029 0,000 ----0,504 0,441 0,504 0,441 0,997 0,000 0,000 0,893 0,000 0,893 0,000 0,000 0,000 0,993 0,999 0,000 0,999 0,000 0,999 0,000 0,999 0,000 0,754 0,244 0,754 0,244 0,754 0,244 0,999 0,000 0,595 0,401 0,595 0,401 0,999 0,000

(Figura 7.4.2 - Opción 2: Ref. J.M. Marchetti, A.F. Errazu)

Glicerol 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 --0,046 0,046 0,003 0,089 0,089 1,000 0,000 0,001 0,001 0,001 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,004 0,004 0,001

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Fig. 2. Diagrama de flujo del proceso de transesterificación en condiciones supercríticas, Opción 2 [5].

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Setiembre 2014 ISBN 978-987-1662-51-7 Oil(1) MetOH(1) Oil-MetOH(1) Oil-MetOH(2) Oil-MetOH(3) Vent Gas Mezcla(1) MetOH(2) MetOH(3) Mezcla(2) Mezcla(3) Mezcla(4) Mezcla(5) Mezcla(6) MetOH(4) Mezcla(7) Mezcla(8)

Corriente

OPCIÓN 3

Temeratura (ºC) 25,0 25,0 25,0 25,5 150,0 --200,0 25,0 28,2 350,0 350,0 350,0 314,1 40,0 64,5 323,3 25,0

Presión (KPa) 101,3 101,3 101,3 1013 978,8 --7000 101,3 7000 7000 7000 7000 500 431,1 101,3 105,3 105,3 5681 8710 14390 14390 14390 --14390 700 700 8773 6318 15090 15090 15090 8787 6304 6304

Flujo (Kg/h)

TG 1,00 0,00 0,02 0,02 0,02 --0,12 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Fracción Molar MetOH FAME 0,00 0,00 1,00 0,00 0,98 0,00 0,98 0,00 0,98 0,00 ----0,58 0,28 1,00 0,00 1,00 0,00 0,99 0,00 0,43 0,47 0,91 0,07 0,91 0,07 0,91 0,07 1,00 0,00 0,00 0,75 0,00 0,75

(Figura 7.4.3 - Opción 3: Optimización opción 2)

Optimización opción 2

(Tabla 7.4.2 - Opción 2: Ref. J.M. Marchetti, A.F. Errazu)

Glicerol 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 --0,03 0,00 0,00 0,01 0,10 0,02 0,02 0,02 0,00 0,25 0,25

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Fig. 3. Diagrama de flujo del proceso de transesterificación en condiciones supercríticas, Opción 2 modificada (este trabajo).

0805

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menor costo, considerando una menor inversión de capital fijo a igual conversión. El valor de TIR resultante es de 10,10%, superando la tasa de descuento utilizada de 9,33%, indicando que el segundo criterio de aceptación también lleva a la conclusión de la viabilidad de la inversión. De acuerdo a los indicadores analizados el proyecto es viable; se comprueba la factibilidad económica-financiera del proyecto. No obstante esta viabilidad es inestable, dado que variaciones de menos del 1% en el precio del biodiesel y del aceite revierten esta situación, lo cual lo hace altamente sensible alteraciones en las variables con mayor incidencia en los costos operativos, ya que la tasa de descuento es cercana a la TIR.

4 Conclusiones En el trabajo se desarrollaron las simulaciones de tres procesos de obtención de biodiesel por el método de metanol supercrítico utilizando el simulador AspenHysys®, dos de ellas obtenidas de la literatura, y la otra desarrollada como una modificación de una de aquéllas. En todos los procesos estudiados se obtuvieron rendimientos de biodiesel superiores a 5684 kg/h sin embargo, los procesos difieren fundamentalmente en el número de equipos necesarios lo que repercute necesariamente en los costos de inversión. Por este motivo, la Opción 1, con menor número de equipos, resulta la más adecuada y viable en función de las producciones obtenidas y de los costos involucrados.

Referencias 1. Startta, J.: Biocombustibles: Los aceites vegetales como constituyentes principales del Biodisel. XXII Congreso Interamericano de Ingeniería Química (2000). 2. García Camús, J. M., García Laborda, J. Á.: Biocarburantes líquidos: Biodiesel y Bioetanol. Elecé Industria Gráfica (2006) 3. Demirbas A.: Biodiesel from vegetable oils via transesterification in supercritical methanol. Energy Conversion and Management 43 (2002) 2349–2356 4. West, A., Posarac, D., Ellis, N.: Assessment of four biodiesel production processes using HYSYS. Plant, Bioresource Technology (2008) 99(14) 6587-6601 5. Marchetti, J. M., Errazu, A. F.: Technoeconomic study of supercritical biodiesel production plant. Energy Conversion and Management (2008) 49(8) 2160-2164 6. Glisic, S., Skala, D.: Kinetic approach of methanolysis of triglycerides at supercritical conditions. Belgrade, Servia: Faculty of Technology and Metallurgy, University of Belgrade (2009) 7. Kusdiana, D., Saka, S.: Kinetics of tranesterification in rapeseed oil to biodiesel fuel as teated in supercritical methanol. Fuel (2001) 80(5), 693-698 8. Bornstein, J., Bowen, C. Biodiesel: Producción y Aplicaciones. Whitman Direct Action. 9. Rathore, V., Madras, G.: Synthesis of biodieselfrom adible and non-edible oils in supercritical alcohols ans enzimaticsynthesis in supercritical carbon dioxide. Fuel (2007) 86(17-18) 2650-2639

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Asignación económica eficiente del agua potable mediante el uso de caudalímetros en Argentina Federico Callioni - Fernando Nicchi Grupo de Energía y Ambiente (GEA) – Departamento de Electrotecnia Facultad de Ingeniería – Universidad de Buenos Aires Paseo Colón 850 - C1063ACV – Buenos Aires, Argentina [email protected]

Resumen Actualmente el consumo per cápita de agua en la región de la Ciudad de Buenos Aires supera ampliamente los valores de otras ciudades del mundo, debido principalmente a la baja valoración del agua por parte del usuario (por sus muy bajos costos y los altos subsidios), a la inexistencia de un plan estratégico basado en el consumo responsable y a la política de no medición del consumo. A su vez, la producción de agua resulta insuficiente para la expansión prevista del sistema según el plan director de la empresa. En el presente informe se propone una solución integral a este problema, analizando la factibilidad de instalar caudalímetros a lo largo de todo el sistema, aplicar medidas de eficiencia para usuarios residenciales y desarrollar un nuevo sistema tarifario que promueva el ahorro de agua y a su vez permita a todos los usuarios acceder a este servicio sin mayores problemas. Palabras Clave: caudalímetro, agua, consumo, eficiencia

1. Introducción El agua es un recurso indispensable para la vida a lo largo de todo el mundo, siendo el más necesario de los servicios públicos, tanto para mejorar la calidad de vida, como para reducir la propagación de enfermedades y disminuir la mortalidad infantil, entre otras cosas. Por estas razones, fue declarado un derecho humano por la Organización de las Naciones Unidas y el desarrollo en Agua y Saneamiento fue incluido dentro de los “Millenium Goals”, con el objetivo de reducir a la mitad la población sin acceso a una fuente de agua potable para 2015, teniendo una muy alta adhesión en todo el mundo y a su vez en Argentina. En el trabajo se analizó la posibilidad de mantener la misma capacidad de producción de agua y aplicar medidas para la reducción del consumo, con el objetivo de incorporar un mayor número de usuarios en el área del Gran Buenos Aires. Además se pensó en la modificación completa del sistema tarifario para disminuir la brecha económica entre ricos y pobres, y facilitarle el acceso a la gente de menos recursos. Para esto se debieron realizar las siguientes suposiciones como correctas:  Todo el consumo en el área de servicio es No Industrial, es decir, para usos residenciales o de tipo comercial.  Las tecnologías a utilizar existen o se pueden obtener sin mayor dificultad en nuestro país.  Para algunas simplificaciones, se considera que todas las casas que tendrán agua a su vez tendrán acceso al sistema de cloacas.

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Para el caso de Sudamérica, el consumo de agua en ciudades representa entre el 25 y el 30% del total por sector- mucho mayor que en los países desarrollados - lo cual significa que una reducción en este repercutiría de forma notoria en el consumo total. Para el área que fue analizada, se cuenta con los datos oficiales provistos por la empresa que brinda el servicio, dando un valor de producción per cápita de 600 l/d. Realizando un análisis estimado de consumo promedio sin medidas de eficiencia, utilizando simuladores, considerando que una persona diariamente utiliza 4 veces el baño (arrojando de 8 a 10 litros cada vez que se tira la cadena), se da una ducha de 8 minutos, lava los platos dos veces en 5 minutos cada vez y utiliza la canilla 5 veces en tiempos cortos; y sumándole 2 lavados de ropa semanales, se obtienen valores entre 300 y 400 l/día por persona. De esta forma, observando los datos de producción per cápita y consumo promedio se pueden obtener dos conclusiones:  El consumo supera ampliamente el promedio residencial de Europa y de la mayor parte del Mundo, siendo mucho mayor que los 100 litros diarios que especifica la ONU como valor mínimo suficiente.  Las pérdidas por transporte deben ser muy elevadas, incluso cercanas al 50%. Partiendo de estos datos, resulta evidente que el margen de ahorro es muy alto, tanto por parte de la empresa proveedora que podría reducir mucho los valores de pérdidas, como por parte de los usuarios, que utilizando medidas de eficiencia sencillas podrían llegar a reducir en gran medida su consumo llevándolo a valores normales menores a 300 l/d sin perder las comodidades que brinda el servicio. La solución económicamente más rentable y, a su vez, más amigable con el medio ambiente, resultaría ser la aplicación de un alto número de medidas de eficiencia y de cuadros tarifarios adecuados al valor real del agua para lograr llevar al mínimo el consumo. En la siguiente sección se analiza el impacto que podría tener la instalación de caudalímetros a todos los clientes de la empresa, considerando consecuencias económicas y sociales. En la tercera sección se considera además incorporar medidas de eficiencia con elementos de ahorro de agua. En la cuarta sección se analiza una modificación en las tarifas, en principio para reducir el gasto en subsidios y generar mayor igualdad, y como segunda propuesta se explica el concepto de impuestización del servicio para tener resultados similares y sus posibles consecuencias. 2. Primera Aproximación: Medición Universal Según el plan director de la empresa, el objetivo es que para el año 2015 el 100% de la población en el área de concesión tenga el suministro de agua potable. La población en este sector para el año 2011 es de 10.141.000 personas, y con una tasa de crecimiento anual del 1%, en 2015 se tendrá que abastecer a 10.344.941, mientras que actualmente la población suministrada se encuentra en el 70%, alrededor de 7.950.000 personas. De aquí surgen dos caminos para tomar. Permanecer con la misma tasa de producción per cápita, o sea únicamente aumentar la producción para abastecer al total de la población sin mejorar la eficiencia, o mantener la producción total y reducir el consumo con medidas de eficiencia para contrarrestar el aumento de población a ser

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servida. Naturalmente, lo más conveniente debería ser una solución intermedia, con buenas medidas de eficiencia y un leve aumento en la producción. Puede deducirse que para abastecer al total de la población manteniendo la demanda se deben producir alrededor de 1.500.000 m3 diarios extras. Actualmente se está llevando a cabo una obra con una inversión de 4.100 millones de pesos para producir 900.000 m3/día, siendo necesaria otra inversión de un orden similar para llegar al total. Por otro lado, manteniendo la misma capacidad de producción se debe reducir el consumo per cápita en aproximadamente un 25%, lo cual sería factible de alcanzar con un número de medidas apuntadas a mejorar la red y concientizar al usuario. Como primera opción se toma la instalación de caudalímetros en cada unidad funcional de la empresa. En principio esto conllevaría un alto costo inicial y una alta oposición por parte de los usuarios que no estarían de acuerdo con pagar la instalación ni lo que realmente correspondería por la cantidad de agua usada, ya que como indica Chambouleyron [2] si se mantienen constantes los ingresos de la empresa y sin variación del consumo, con la micromedición resultan perjudicadas más personas que las que se benefician, y sólo resultan favorecidas las viviendas con 2 o menos habitantes, en otras palabras, se favorece más a las personas con altos recursos que a las necesitadas. Para evitar estos inconvenientes, se plantea que la inversión sea realizada en un 100% por el Estado Nacional y además que por un plazo inicial de cierta cantidad de meses se siga cobrando sin tarifa variable. De esta forma, la instalación serviría principalmente para detectar las pérdidas en el sistema y poder reducirlas en los casos que sean factibles, y para comenzar a generar conciencia sobre el uso. Tabla 1. Evolución de la población y el consumo con una alternativa eficiente

2012 Personas Producción per capita (l/d) Produccion total (m3/dia) 2015 Ineficiente Personas Produccion per capita (l/d) Producción Total (m3/d) 2015 Eficiente Personas Produccion (m3/d) Prod per capita (l/dia)

7.950.000 600 4.777.169 10.344.941 600 6.206.965 10.344.941 4.777.169 462

Dependiendo del lugar de la instalación, el costo resulta diferente, por distintos diámetros de los caños o facilidad de acceso, pero se puede tomar un promedio entre el valor obtenido de la empresa proveedora y otros precios de empresas de Europa y América. Se fija este valor en $800 y considerando que en su mayoría los grandes usuarios no residenciales son actualmente medidos, se precisaría la instalación de alrededor de 2.600.000 caudalímetros, dando una inversión total de aproximadamente

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$2.100 millones, o sea, la mitad de lo invertido en la construcción de la planta. Cabe aclarar que no se conoce realmente como afectaría la medición al consumo de los usuarios de nuestro país. A diferencia del servicio de agua, otros, como el gas y la electricidad, son y fueron medidos desde su primera instalación, por lo que se desconoce cuál habría sido el comportamiento del usuario en caso de disponer de estos sin límite. Se puede presuponer que las personas en general utilizan el servicio cuando lo necesitan sin controlar permanentemente las cantidades usadas, es decir, cuando oscurece se encienden las luces o si hace frío se calefacciona, sin analizar el costo. Esto ocurre más marcadamente en nuestro país debido tanto a que el precio de los servicios está desactualizado, como a los grandes subsidios. Con esto se puede presumir que la medición sin cambio de tarifa no tendría ninguna influencia sobre el consumo – posiblemente con cambio de tarifa tampoco – sin embargo la experiencia ha demostrado cierta elasticidad en el consumo de agua y hay muchos cambios de hábitos que lo pueden reducir sensiblemente, sin afectar las comodidades del usuario, por lo cual se puede decir que el consumo es elástico mientras queden tecnologías eficientes por aplicar. Como ya se ha mencionado, el impacto social podría ser muy fuerte debido a la negación de la gente de tener que disminuir sus niveles de consumo por estar siendo controlados, pudiendo llevar a un descontento generalizado teniendo un fuerte costo político. Por esto es que primero debería educarse al usuario y asegurarle que si disminuye su consumo no habría aumento de precio. Además sería conveniente que inicialmente se realizara solo en un sector, como período de evaluación, tomando como modelo lo realizado en Hamburgo, donde se obtuvo en promedio un 15% de reducción del consumo únicamente con la instalación de medidores [9] Conociendo los valores de reducción empíricos y comparándolos con la reducción necesaria, no resulta suficiente la aplicación de esta medida por sí sola incluso en condiciones muy favorables, más allá de que sea económicamente rentable. Por eso es que la instalación de caudalímetros individuales en cada residencia se debe complementar con otras acciones por parte del Estado que disminuyan aún más el consumo de agua sin afectar en gran medida a los usuarios. Este complemento podría estar compuesto por 3 acciones: la concientización sobre el uso de agua, el etiquetado de artefactos consumidores de agua y la distribución gratuita de dispositivos de ahorro de muy fácil uso, especialmente para duchas y sanitarios. 3. Hacia la Máxima Eficiencia La alternativa planteada en este caso, sería además de instalar caudalímetros para lograr la medición universal, simultáneamente desarrollar un programa análogo a aquel realizado sobre Eficiencia Energética, en el cual con inversión pública se reemplazaron 25 millones de lámparas incandescentes por lámparas de Bajo Consumo distribuyéndolas casa por casa. En esta propuesta se haría lo mismo con otros elementos y con información sobre el uso racional. Según un estudio realizado por la Environmental Agency del Reino Unido, en el que se evaluaron consumos residenciales de distintos países de Europa, los usos para higiene personal y de descargas en baños representan entre un 50% y un 70% del consumo total del hogar. Estos casos representan países altamente avanzados en materia de ahorro, con consumos máximos per capita de 150 l/d, sin embargo marcan

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dos puntos sobre los que se puede actuar y valores que se podrían alcanzar. En la Figura 1 se muestra un ejemplo del porcentaje de consumo por cada uso del hogar. [3]

Figura 1 – Proporción consumos residenciales

Las tecnologías a implementar son: piedras para disminuir la cantidad de agua descargada en el inodoro y duchas eficientes que controlan el caudal. Con el primero se ahorrarían entre 3 y 4 litros por descarga y en el caso de las duchas regula el flujo de agua, pudiendo disminuir a la mitad su gasto. De esta forma además del ahorro que se puede lograr mediante el reemplazo de ductos se le podrían sumar alrededor de 40 litros por persona (4 litros por cada descarga y posiblemente otros 20 litros por cada ducha), pudiendo producir un impacto muy positivo, ya que considerando un 40% de pérdidas en distribución, se podrían alcanzar ahorros de hasta 60 litros per cápita en producción. El número de viviendas a las cuales se deben proveer estos artefactos es aproximadamente 3 millones, considerando todas las viviendas de la Ciudad de Buenos Aires y todas las viviendas habitadas del GBA tengan o no agua potable actualmente. Los precios de las duchas eficientes varían entre 10 y 20 euros, con las más caras brindando mayor cantidad de funciones. Tomando un valor intermedio de €15, el costo de cada una sería aproximadamente $140, dando 400 millones de pesos de inversión, debiendo sumarse el gasto en las piedras, con un precio de entre 2 y 3 euros cada unidad (entre $16 y $24), da un gasto de entre de $50 y $70 millones de pesos, resultando el costo total, a grandes rasgos, entre $450 y $500 millones. Considerando un 20% extra para el costo de su distribución, la inversión resulta cercana a los $600 millones como aproximación grosera. Como resultado de esta disminución en el consumo, se tendría un ahorro en gastos operativos, que actualmente rondan los 1.000 millones de pesos. Considerando un ahorro del 10% (menor mantenimiento, menos gastos en electricidad, menos gasto en reactivos para el tratamiento, etc), teniendo un período simple de repago de 6 años, justificándose en gran medida la inversión. Finalmente, se puede destacar que con menos del 15% del presupuesto utilizado para la construcción de la nueva planta potabilizadora se podría conseguir algo

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equivalente, ya que 900.000 m3 representan alrededor de 90 litros per cápita, mientras que de esta forma se podrían ahorrar entre 60 y 70 litros por persona, y a su vez podría lograrse en un plazo de tiempo mucho más pequeño. 4. Adaptación del sistema tarifario Los estados Europeos analizados comparten 3 características primordiales que contribuyeron a lograr muy bajas tasa de consumo, estos son: medición universal, alta concientización sobre la importancia del agua (por peligro de sequías y gracias a la inversión en políticas de ahorro) y los altos precios por m3 de agua. Por lo tanto, para producir el cambio de fondo se debe idear un nuevo sistema tarifario que induzca al usuario a ahorrar agua y a aplicar las medidas de eficiencia. En nuestra área de estudio, a pesar de que existen clientes con medidores, las tarifas actuales y los subsidios al servicio no incentivan al ahorro. En cuanto a los clientes sin medición, modificar la tarifa actual no produciría ningún cambio en el uso del agua, ya que por más que consumiera menos esto no se vería reflejado en el precio a pagar, pudiendo incluso generar mayor derroche por el “injusto aumento. De esta forma resulta evidente que el cambio en el precio del agua debe venir a continuación de la aplicación de la medición universal y no de forma independiente. Actualmente, la factura de agua consta de dos cargos, uno fijo y uno variable, donde el fijo está basado en el tamaño del terreno, el valor de este, y la zona en la que se encuentra, mientras que el cargo variable representa el consumo del usuario, donde hay medición, o es proporcional al cargo fijo donde no la hay. El precio del m3 tomado para estos cálculos es de aproximadamente $0.34, sin considerar los subsidios. Para comparar, por ejemplo se pueden tomar los valores de Madrid (€1.10), Bruselas (€2.01), Londres (€2,49) o París (€2,62), se observa que son decenas de veces más altos que en Argentina. Con estas tarifas el gasto total mensual representa valores importantes con respecto al ingreso del hogar, cosa que no ocurre en Argentina. Teóricamente, la tarifa mínima por m3 para cubrir sólo los gastos de operación y mantenimiento debería ser de U$S0.4. [8] Aquí no se propone únicamente aumentar la tarifa para promover el uso eficiente, sino realizar un cambio de fondo acompañando el desarrollo de la medición universal. En la actualidad el sistema funciona con subsidios generalizados, sin distinción, esto es, todos los usuarios reciben el mismo beneficio por parte del Estado. “…most common types of subsidies—quantity-based subsidies such as increasing block tariffs—are regressive in their distribution, favoring the nonpoor over the poor”[8]. Para evitar esta descompensación, desde nuestro punto de vista, lo ideal sería eliminar completamente los subsidios directos y establecer un sistema de subsidios cruzados, tanto para el cargo fijo como para el variable. El cargo fijo consistiría en el gasto para el mantenimiento de los caudalímetros y un valor similar al actual dependiendo de la vivienda. Mientras que para el cargo variable se tomarían dos medidas, una es variar la tarifa zonalmente según los ingresos, como se realiza en Bogotá, y la otra es establecer un volumen fijo sin cargo, que sirva para cumplir mínimamente con la necesidad de agua diaria según la Organización Mundial de la Salud (100 l/día por persona) y de esta forma evitar fuertes oposiciones. Además se evitaría el problema mencionado por Staddon sobre la reducción de consumo de agua a niveles alarmantes por parte de la gente pobre al aplicar la medición. [10]

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Como segunda propuesta, como actualmente la administración está a cargo del Estado, se presenta la idea de dejar de concebir al agua como el resto de los servicios y darle el estado de impuesto al salario, descontando del sueldo un porcentaje proporcional al volumen de agua gastado para el gasto variable y conservando una tarifa fija baja para el mantenimiento de caudalímetros y del sistema. De esta forma se lograría que cada usuario valore de la misma forma el servicio y el cambio de tarifa afectaría a todos por igual. Esto podría resultar injusto ya que se estarían pagando precios distintos por un mismo producto dependiendo de la persona que lo consuma, pero sería consistente con una política de justicia social y podría adaptarse a la teoría de Ramsey, a pesar de ir en contra del concepto de Servicio Universal. Además, se lograría de manera más sencilla la aplicación de subsidios direccionados o selectivos, ya que la población con mayor poder adquisitivo estaría subsidiando tanto a los de menores ingresos como a los trabajadores en negro. En este caso la oposición vendría por parte de los sectores más pudientes de la sociedad a los cuales se les podrían otorgar otros beneficios impositivos. Según el ministerio de trabajo, el salario promedio actual del país ronda los $7400. Tomando ese valor como el ingreso promedio por hogar (debería ser menor, considerando el trabajo en negro) y el número de hogares servidos actualmente (3.000.000) y conociendo los gastos totales de la empresa por explotación, administración, comercialización y otros gastos operativos (2.600 millones de pesos anuales), mensualmente costaría a los usuarios una inversión promedio de aproximadamente $74, es decir, el 1% del presupuesto del hogar, lográndose de esta forma que la empresa funcione sin aportes del estado y no sea deficitaria. Usando datos del Censo Nacional de Población se tienen 2,6 personas por vivienda en promedio, y tomando como objetivo un consumo de 250 l/dia por persona, se tendría un consumo mensual de 20m3, resultando de esta forma 0,05% del ingreso del hogar por m3, o en promedio 3,7$/m3 (unificando gastos de agua y saneamiento), resultando más cercano a los valores en Europa, aunque aún menor. Esta forma de cotizar a pesar de ser muy inexacta deja en claro que para lograr los objetivos de reducción del consumo e independización de los aportes del estado sería necesario aumentar la tarifa hasta 10 veces y a pesar de ser controversial debería pensarse en la aplicación de este sistema de subsidios cruzados bajo tarifas diferentes como mecanismo de redistribución de ingresos para lograr una sociedad más justa y equitativa. 5. Conclusiones Como primera conclusión se puede destacar la clara conveniencia económica de apostar a la eficiencia por sobre el aumentar la oferta de agua, ya que con el presupuesto utilizado para la construcción de una sola planta se podría lograr el mismo objetivo reduciendo las pérdidas por transporte y aplicando medidas de eficiencia en hogares, incluso sin considerar el ahorro en gastos operativos. Sin embargo, queda claro que el buen desempeño de la solución planteada es puramente teórico y no resulta tan confiable y lineal como la simple producción de mayor cantidad de agua. Por otro lado, se evidencia la alta relación entre el consumo y la cantidad de medidas de eficiencia tomadas, teniendo en la mayoría de los países de Europa consumos hasta 4 veces menores que acá, y no quedan dudas de que para comenzar a reducir la

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demanda se debe aplicar la medición universal para hacer efectivo un cambio de tarifas. A su vez se ve como como primer paso para el logro de este objetivo se debe apuntar a la reducción de las pérdidas, que muestran un gran atraso tecnológico comparándolas al 10 o 15% que se logra en países desarrollados. En cuanto al régimen tarifario, es sencillo ver que las tarifas actuales no representan de ninguna forma el verdadero valor del agua (no llegan a cubrir el 25% de los gastos operativos de la empresa) y a su vez de ninguna forma sirven para fomentar el uso racional. Posiblemente los valores en Europa sean excesivos ya que son manejados por empresas privadas, pero se puede ver sencillamente que el agua vale hasta 10 veces más de lo que se cobra, y aunque tener bajos precios de esta es una buena política social, se está subsidiando indirectamente a muchas familias que podrían pagar los valores verdaderos, lo cual es muy ineficiente y debería ser revisto. Por último se debe recalcar que, como demuestran los cálculos y la experiencia en otras ciudades, la solución a tomar debe ser integral y comprender todos los aspectos del sistema, ya que es impensado que con solo instalar caudalímetros o fomentar el uso eficiente se logre el objetivo final, sino que se deben coordinar las tareas de igual forma que en Europa para finalmente obtener un nivel de consumo que nos permita a todos acceder al servicio y hacer a todos conscientes de que los recursos en el planeta son limitados y para que todos puedan disfrutar de ellos algunos deben modificar sus hábitos y así lograr una sociedad más justa. Referencias bibliográficas [1]. Agua y Saneamientos Argentinos S.A. (2011) “Informe anual al usuario”, Buenos Aires, Argentina [2]. Chambouleyron, Andrés (1997) “La micromedición del consumo residencial de agua potable y su impacto sobre el bienestar de las familias: Un ejercicio de simulación”, Córdoba, Argentina [3]. Environmental Agency (2008) “International comparisons of domestic per capita consumption”, Bristol, UK [4]. Gaitan Victoria, Camilo Enrique (2012) “Boletin N° 41. Sobre el consumo y la produccion de agua potable y residual en el uso residencial urbano de Bogotá DC”, Bogotá, Colombia. [5]. Herrington, Paul (1999) “Household water pricing in OECD countries” [6]. Howard, G. and Bartram J. (2003) “Domestic Water Quantity, Service Level and Health” [7]. INDEC “Censo Nacional de Población, Hogares y Viviendas 2010” [8]. Komives, Foster, Halpern and Wodon (2005) “Water, Electricity and the poor: Who benefits from Utility Subsidies” [9]. Schröder (1998) “Water saving by water consumption control”, Hamburg, Germany [10]. Staddon, Chad (2010) “Do water meters reduce domestic consumption?: a summary of available literature”, Bristol, UK [11]. http://www.trabajo.gov.ar/left/estadisticas/bel/ [12]. http://www.csgnetwork.com/waterusagecalc.html [13]. http://secure.thameswater.co.uk/waterwisely/calculate.htm

Agradecimientos. Al Grupo de Energía y Ambiente (GEA) del Departamento de Electrotecnia de la Facultad de Ingenierìa UBA.

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II Congreso Argentino de Ingeniería - CADI 2014 DE CONCENTRADORES SOLARES VIII Congreso ArgentinoESTUDIO de Enseñanza de la Ingeniería - CAEDI 2014 ÓPTICOS PARA EL DESARROLLO DE FOCOS CALORICOS ALTAS TEMPERATURAS Cap 4: Ingeniería Sostenible. Energía, Medio Ambiente y CambioDE Climático

Estudio de Concentradores Solares Ópticos para el desarrollo de focos calóricos de altas temperaturas Luis C. Martorelli 1, Alejandro Di Bernardi 2, Federico Cervini 3, Florencia E. Toledo 3, Lucas Chiesa 3, Ma. Agustina Biotti 4, Germán Haag 4, Marcela Costanzo 4, Carlos Álvarez Martini 5. Gustavo Fabiani 2 1-

LOCE Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas, UNLP Paseo del bosque s/n, La Plata, Argentina. [email protected] 2 y 10 - GIAI- Facultad de Ingeniería, UNLP Calle 1 y 47, La Plata, Argentina, [email protected] 3- LOCE-FCAG, Comisión de Investigaciones Científicas Bs As, Paseo del bosque s/n, La Plata, Argentina [email protected] 4- LOCE Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas.UNLP 5- CEMECA., Comisión de Investigaciones Científicas Bs As, Cno Centenario y 506, La Plata, Argentina [email protected]

Palabras Claves: Energía Solar, Concentradores Solares, Hornos Solares, Energía Renovable. Resumen: La energía solar como fuente de energía alternativa presenta tres aspectos tecnológicos diferentes, para bajas, medias y altas temperaturas. En el caso de altas temperaturas, el avance de la tecnología de Concentradores Ópticos Parabólicos comprendidas entre 700 y 2500°C, ha demostrado ser la más eficiente y duradera en el tiempo. La UNLP, a través del LOCE-FCAG y del GIAI –FI, ha implemento un programa de investigación para el desarrollo de un prototipo en este tipo de sistemas que se pueden utilizar desde la generación de Energía Eléctrica, hasta el desarrollo de Hornos solares para Metalurgia. En este trabajo se presentan los desarrollos, los diseños ópticos, la evaluación de materiales nacionales y los primeros resultados del análisis térmico y óptico de dos prototipos experimentales de 1,5 metros de diámetro.

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II Congreso Argentino de Ingeniería - CADI 2014 DE CONCENTRADORES SOLARES VIII Congreso ArgentinoESTUDIO de Enseñanza de la Ingeniería - CAEDI 2014 ÓPTICOS PARA EL DESARROLLO DE FOCOS CALORICOS ALTAS TEMPERATURAS Cap 4: Ingeniería Sostenible. Energía, Medio Ambiente y CambioDE Climático

1.0

Introducción.

En los últimos años, la generación total de energía en la República Argentina ha aumentado considerablemente, superando los niveles históricos de consumo [1]. Si bien nuestro país cuenta con una oferta de generación amplia, con una gran participación del uso de energía hidroeléctrica y en menor medida de energía nuclear, la demanda en zonas densamente pobladas y sobre todo en horas pico, es satisfecha por centrales que queman combustibles fósiles. Sin embargo, a pesar del desarrollo existente, el mercado eléctrico no ofrece soluciones para consumidores de zonas alejadas y/o aisladas de los principales centros del país, así como de las redes troncales del sistema eléctrico nacional. Quedando como única solución en esos casos el uso de generadores con motores de combustión interna. Por otro lado, la aplicación de sistemas concentradores, como Hornos Solares para desarrollo y aplicación en la industria metalúrgica y siderúrgica, no ha sido explorado aún, interesante alternativa en el desarrollo macroeconómico industrial actual de nuestro país. Los primeros diseños teóricos y prácticos con investigaciones novedosas en el desarrollo de equipos propios para la producción de energía eléctrica con colectores solares, se remontan a los años 1977 y 1978 con el grupo de Energía Solar de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) [2]. En aquel momento se desarrolló un equipo unitario de superficies ópticas de revolución para unidades habitacionales estándares. Uno de los impulsores más fervientes fue el Dr. Ricardo Platzeck(2) quien sentó las bases del estudio óptico, análisis de materiales y capacitaciones regionales en aquel momento. A pesar de los buenos resultados encontrados, este tipo de tecnología, nunca se transfirió al sistema productivo nacional, como sí se hizo en países de la Unión Europea y América del Norte [3] . Teniendo en cuenta lo expresado, y en concordancia con lo que ocurre en aquellos países que han comenzado en la última década a migrar desde la producción de energías sucias, hacia las renovables o limpias, este proyecto propone dos alternativas, desarrollar un sistema de generación de energía eléctrica a partir del aprovechamiento de la energía solar, y obtener la mejor óptica de revolución para la generación de altas temperaturas en sistemas de horno solar. El propósito es diseñar y construir varios concentradores ópticos solares, cuyas dimensiones comprenderán desde los actuales prototipos de 1,5 metros hasta un gran prototipo de 5 metros de diámetro [4, 5]. Para ello se experimentará con mecánicas de seguimiento Altacimutal con la posibilidad de, en un primer paso, colocar un motor Stirling de combustión externa en el plano focal del sistema, el cual puede convertir la energía calórica en mecánica, acoplado a este un generador eléctrico, capaz de entregar del orden de 3 Kw/h [6] [7]. En segunda instancia, desarrollar un foco tridimensional calórico lo suficientemente homogéneo para lograr procesos termodinámicos de muy altas temperaturas.

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2.0 Objetivos El presente trabajo, tiene como objetivo general la descripción de los estudios efectuados en dos sistemas concentradores ópticos diseñados, construidos y experimentados en el campo de la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de la UNLP, en el Observatorio Astronómico La Plata. El CO-1 y el CO-2, Concentradores Ópticos con cónicas de revolución (CO) de 1,5 m de diámetro, que han sido construidos a fin de analizar y evaluar las parámetros ópticos, termodinámicos n el espacio tridimensional del foco calórico. Como objetivos específicos se pretende: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Buscar el más apto diseño óptico de cónica de revolución para concentrador térmico [9] .Tanto para la generación de energía eléctrica, como para experimentación de horno solar. Comparar los parámetros de reflexión y transmisión en materiales ópticos existentes, tanto en el mercado nacional como en el internacional [10]. Evaluar y analizar curvas térmicas en los planos tridimensionales de ambos prototipos [11, 12]. De igual forma con las curvas de intensidad luminosa en el foco colector del sistema, a fin de verificar la geometría del diseño. Evaluar la adherencia de las superficies ópticas en las monturas de soporte. Aplicar y determinar normativas [13-18] nacionales e internacionales en la verificación de eficiencia térmica. Efectuar las comparaciones de concentración térmica focal, en función de la época del año entre ambos equipos. Verificar la Energía de concentración en función de la radiación solar local, directa y difusa.

3.0 Metodología En el campo de la Energía Solar, el estudio y aplicación de sistemas concentradores con discos parabólicos en aplicaciones de altos hornos o de motores Stirling, está en etapas de desarrollo e investigación en países como España, Francia y Alemania [7] [11], Chile [12], Australia y los EEUU [6], tanto en lo que respecta a la geometría óptica, la evaluación teórica de concentraciones térmicas, los materiales reflectivos, la geometría de focos calóricos en hornos solares y la eficiencia de los motores de combustión externa (Stirling). Nuestro principal desafío fue plantear las posibilidades de lograr eficiencia térmica en el foco concentrador, sin necesidad de recurrir a materiales importados que serían prohibitivos por los altos costos [19] y obtener de esta forma del orden de 600 a 750 º C estables en un foco calórico del orden de 200 mm de diámetro en sistemas de 5 metros, y

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de 2500 ºC en focos calóricos de 5 cm de diámetro para el mismo diámetro de cónica de revolución. Ambos sistemas dependerán de la energía de concentración (Ic) en el primer caso para que el funcionamiento del motor Stirling[6] sea eficiente, y en el segundo para que el análisis de metalurgia experimental en altas temperaturas pueda ser llevada a cabo [11, 12, 19] . 3.1 Determinación del Diseño Experimental. En todo sistema óptico concentrador la cónica geométrica esta definida por alguna superficie de revolución, las variables principales que deben ser consideradas en el plano focal serán [11, 12, 20, 21]: 1- Razón de concentración: Rcr = A1/A2 .

(1)

Donde A1 es el área del colector principal, y A2 es el área del plano focal de concentración. 2- Intensidad de radicación sobre el plano focal: If = e  Id (n, Ɵ, h) .

(2)

Donde n es la fecha en días julianos de observación solar, Ɵ es el ángulo de apartamiento del Sol del zenit del lugar y h es la altura sobre el nivel del mar. 3- Id: Valor de la radiación solar directa: es un dato entregado por el sistema meteorológico local, o en su defecto por un Piranometro colocado en el lugar de detección. En nuestro caso Servicio Meteorológico Nacional de Argentina 4- w: valor de pérdida por reflexión. Valor que determina la absorbancia y transmitancia de los materiales cristalinos de reflexión. 5- e: Valor de absorción de radiación por atmósfera. Este valor está determinado por la altura sobre el nivel del mar, y las condiciones de visibilidad solar en tiempo real. 6- Razón focal del sistema: F = f/D1 .

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(3)

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Donde D1 es el diámetro del colector y f es la distancia focal del sistema. En aplicaciones de concentración solar con diseños de ópticas de revolución se tiene un valor aceptado para la razón focal comprendido entre: 0,7 < F < 0,6. 7- Propiedades ópticas y mecánicas del sistema: dependen del tipo de materiales cristalinos reflectivos utilizados, y de los errores de movimiento y seguimiento solar de los motores de desplazamiento. La razón de concentración (Rcr) de la ecuación (1) determina el factor de energía que se concentrará en el plano focal. Esto definirá tanto el tamaño del receptor acoplado al motor Stirling, para el caso de generación de energía eléctrica, como el plano focal específico para la concentración en el horno solar. La generación de una curva de revolución parabólica o esférica considerando la ecuación (3) de la razón focal, se define el tamaño del plano focal. Este punto es determinante para la relación de irradiación en dicho plano, y la temperatura deseada para la eficiencia del sistema concentrador 3.2 Determinación de la figura de revolución óptica del prototipo. Para el caso que nos ocupa, se aplicaron los principios teóricos utilizados en la generación de una cónica de revolución, idénticos a los aplicados en el diseño y construcción de sistemas reflectores ópticos astronómicos [9]. Para ello, evaluando el tamaño del plano focal deseado y las dimensiones geométricas estructurales del concentrador prototipo, definimos F ≤ 0,70. Determinando las variables ópticas descriptas, se experimento con un número dado de superficies cónicas con diámetros entre 1.5 y 5 metros y razones de concentración diferentes según la aplicación de concentración buscada en el foco térmico. Para ello se utilizo un programa de diseño óptico (programa ZEMAX-EE Optical Desing Program 2005). Se siguió el principio de trazado de rayos y el análisis de las principales aberraciones geométricas, que en el plano focal pudieran tener injerencia, ya no en la forma geométrica del plano, sino en la distribución de la energía solar que afecta en mayor o menor medida la generación de temperatura en ese plano focal

Gráfico 1: Trazado de rayos en el sistema óptico parabólico. b= -1

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Gráfico 2: Trazado de rayos en el sistema óptico esférico. b= 0

En el gráfico 1, se aprecia la forma de una cónica de revolución parabólica, con constante de deformación b=-1, con la mayor concentración en un plano focal de pequeñas dimensiones, lo cual produciría temperaturas muy elevadas, ideales para el caso del horno solar en diámetros mayores a 5 metros estos sistemas son ideales para ser utilizados en estudios metalúrgicos o calorimétricos, debido a la alta razón de concentración. (Tabla 1).

D1=1,50 m A1=1,80 m2 D2 m 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04

D1=5 m A1=20 m2

A2 m2 0,0118 0,0078 0,0050 0,0028 0,0012

Rc1 152 257 362 642 1500

Rc2 1700 2564 4000 7150 16500

Tabla 1: valores de Rcr, en función del diámetro del colector D1 y del plano focal D2. A1 y A 2 áreas.

El gráfico 2 muestra el caso de una cónica de revolución no parabólica (b=0), con aberración esférica [9] sobre el eje óptico del sistema. En este caso, sobre ese eje, se obtiene una zona de concentración superior en tamaño a la generada por la cónica del grafico 1. Debido a la aberración de esfericidad, los rayos marginales y paraxiales provocan un cono de energía denominado caustica, existiendo una zona conocida como

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Circulo de Mínima Confusión (CMC). En esta zona la intensidad de radiación (Ic de la ecuación 2), está distribuida de forma constante sobre el plano focal, en un área determinada. La temperatura y la energía de concentración puede ser utilizada en la transformación de energía solar a mecánica y de ahí a eléctrica. Si aceptamos esta cónica de revolución como figura geométrica aplicable a los sistemas de combustión externa tipo Stirling, tendremos una segunda cuestión de análisis, determinar la forma y los materiales más eficientes de la superficie concentradora principal. 3.3 Evaluación de materiales reflectivos para el Concentrador Solar. En los diferentes proyectos que hemos analizado y que se desarrollan a nivel mundial se ha observado el uso de una gama de materiales reflectivos para los concentradores como aceros pulidos, aluminios pulidos, películas reflectantes y materiales vítreos entre otros, en este proyecto y en los prototipos construidos, nos inclinamos por los materiales vítreos, por tres razones: a. El bajo deterioro y la alta durabilidad de los mismos frente al medio ambiente al que están expuestos. b. Factor económico positivo en materiales nacionales. c. Experiencia con este tipo de materiales del grupo de Energía Solar del LOCE-FCAGUNLP. Considerando que en la tecnología de concentradores solares vítreos, el material es desarrollado en pocos países del mundo, (EEUU-España y Alemania), estudiamos y determinamos la factibilidad de los materiales nacionales. Una de las primeras experiencias que se llevaron a cabo en el Laboratorio de Óptica fue confirmar la reflectividad y transmitancia de estos materiales cristalinos con el mínimo espesor posible. Una de las variables ópticas que más afectan en este tipo de elementos es la absorción (Ab) dentro del propio material. Existiendo dos cuestiones de peso a considerar, por un lado la merma en el porcentaje de intensidad de radiación en el plano focal y por otro el deterioro del propio material, frente a acciones meteorológicas y climáticas a la que se ven expuestos. Este estudio se encaró, analizando material vítreo de 2 mm de espesor fabricado en nuestro país. Se estudiaron para este caso, cuatro tipos de situaciones en transmitancia y reflectancia: a. Superficies sin espejar. b. Superficies curvadas en hornos vítreos c. Espejados comercialmente. d. Aluminizados en segunda superficie en el LOCE. El estudio se llevó a cabo con diferentes técnicas de metrología óptica; láser de He-Ne en banco óptico para analizar estrías y deformaciones superficiales, fuente directa del Sol

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evaluando transmitancia y absorbancia, y análisis con fuente interferométricas de defectos ópticos internos y externos.[22]. 3.4 Medidas de Intensidad en el Plano Focal. Sistemas CO-1 y CO-2 Teniendo en cuenta lo expresado en los puntos anteriores, y siguiendo el desarrollo teórico para la construcción de sistemas concentradores ópticos con geometrías de cónicas de revolución, se construyeron a tal efecto, dos colectores ópticos con cónicas geométricas sobre su superficie que hemos dado en llamar CO-1 parabólico (b=-1) y el CO-2 esférico (b=0). Ambos sistemas presentan además las variantes en el número de superficies vítreas especulares, que permiten reducir en un 50% el área de concentración del CO-2 con respecto al CO-1. Estos datos están representados en la tabla 2 en el punto 4.0 Resultados. Las mediciones en el plano focal tridimensional, de ambos colectores, fueron realizadas tanto con luz artificial, para determinar el área de concentración obtenida en cada superficie, como en las observaciones diurnas con el propio Sol. En la Fotografía 1 y 2 se observa el montaje completo para el estudio diurno del CO-1 y del CO-2. En este caso, sobre el plano focal, se instaló un disco colector de 12 mm de espesor y 140 mm de diámetro, centrada sobre el eje óptico del sistema con una Termocupla tipo K, en contacto directo con este plano, el equipo de detección y la termocupla se utilizaron indistintamente en uno y otro sistema.

Fotografía 1: Sistema prototipo completo en proceso de medición CO-1

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Fotografia 2: protótipo CO-2

Conjuntamente con las medidas efectuadas con la termocupla, se realizo otra toma de datos con un pirómetro manual ubicado a una distancia de 900 mm, en el vértice del colector solar. Este sistema media además determinaciones de radiación difusa proveniente del entorno del foco calórico. Para la evaluación de la geometría de concentración de los cristales en ambos sistemas se utilizó una fuente de intensidad luminosa, implementando un sistema de medición en oscuridad total que comprendía el análisis de luminotecnia y forma geométrica del plano focal, usando para ello una fuente luminosa sobre el eje óptico del sistema. En el plano focal se construyo un sistema posicionador (x, y, z), que desplazaba un instrumento de medición TES Digital Illuminance Meter TES – 1335, con el que se hicieron determinaciones lumínicas en tres dimensiones en ambos colectores. 3.5 Desarrollo del sistema mecánico y de seguimiento Altacimutal. Todo diseño de concentrador solar y generador de energía eléctrica, debe contar con un movimiento de rotación y seguimiento solar que mantenga concentrada la energía con apartamientos menores al 5%. Esto significa una montura de rotación y traslación continua con respecto al sol, día a día a lo largo de todo el año. Para ello planificamos en sistemas de diseño mecánico una serie de estructuras semejantes a las empleadas en los grandes sistemas astronómicos con exigencias de movimientos de alta precisión. Utilizamos el programa de diseño gráfico tridimensional Rhinoceros 4.0 2007 (Nurbs Modeling for Windows). Diseñando, en nuestro caso, una montura de movimiento Altacimutal sincronizada en dos ejes, altura y azimut. Este diseño permite mantener el centro de gravedad dentro del eje óptico, permitiendo estructuras volumétricas de gran porte. En los Gráficos 3 y 4 se muestra el diseño desarrollado, con los dos movimientos sincronizados.

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Gráfico 3. Sentido de giro de la estructura cónica en altura.

Gráfico 4. Sentido de giro de la parábola en azimut y distribución teórica de los gajos.

La estructura de fijación de la superficie reflectora es una figura parabólica de revolución, tanto el CO-1 como el CO-2 construidas en resina náutica con 6 gajos de 60° cada uno. En la fotografía 3 se observa la construcción de la misma en el área mecánica de la FCAGUNLP.

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Fotografía 3. Modelo de resina náutica de 1,5 m de diámetro.

3.6 Construcción de los prototipos experimental de 1,5 m CO-1 y CO-2 Teniendo en cuenta lo expresado en los puntos 3.1 al 3.5 del presente trabajo, se determinó la construcción de dos cónicas con geometrías bien diferenciadas, de 1,5 m de diámetro. La superficie colectora CO-1 fue construida como un paraboloide de revolución (Gráfico 1) y fue recubierta con espejos geométricamente planos. El segundo sistema CO2 con los mismos materiales vítreos pero con dimensiones diferentes

Fotografía 5: Centrado de cada cristal con un Laser de He Ne de 1,5 mW.

En el sistema CO-1 las dimensiones geométricas de las superficies vítreas generaban sobre el plano focal de mínima confusión un Área teórica del orden de 0,015 m2, y en el

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sistema CO-2 las superficies geométricas estaban construidas de tal forma que sobre el CMC teóricamente se debería tener un área de 0,006 m2. En la Fotografía 5 se observa el sistema de centrado durante el proceso de pegado de cada uno de los cristales en el CO-1. Este trabajo se realizado de la misma forma en el CO-2 con un Laser de He–Ne de 1,5 mW de potencia. 4.0 Análisis y resultados 4.1 Determinación de las mediciones El trabajo efectuado experimental en laboratorio y en campo, con ambos colectores llevo aproximadamente 18 meses, desde enero del año 2012 a Julio del 2013. Las determinaciones teóricas y prácticas en banco óptico así como las diurnas con concentración solar, se efectuaron en el área del Laboratorio de Óptica de la FCAGUNLP. Esto obligo a considerar dos variables críticas en el resultado de ganancia energética. La primera el valor de la absorción por atmosfera, ( ) de la ecuación (2), ya que la ubicación geográfica del parque del Observatorio donde se realizaron las mediciones está en la zona cercana a la destilería de YPF y dentro de la propia ciudad de La Plata. Por lo tanto debemos considerar a este valor de absorción como alto, lo cual determina una transmitancia por absorción de energía solar, baja, del orden de .6 o 0.7 La segunda variable importante es el registro y detección de la radiación solar, (Im), que proviene de los datos del SMN en red estación ubicada en Villa Ortuzar, CABA. Situación que obliga a asumir un error en los datos de determinación correlacionados con los 30 km en línea recta existentes entre el lugar de la determinación y nuestro emplazamiento. En cada observación contrastábamos con los datos que en línea teníamos con el SMN, por lo cual este error es menor al 5%. 4.2 Comparación de los resultados Los resultados térmicos determinados muestran un excelente progreso con ambos sistemas para la obtención de energía solar de medias y altas concentraciones. Como muestra de las mediciones realizadas en estos meses, los Gráficos 5 y 6, expresan las amplitudes térmicas halladas para el sistema óptico CO-1, en Abril y Julio del año 2012. En estos gráficos se representan dos curvas de temperatura a lo largo de las horas de seguimiento solar. Se compara con los datos del SMN obtenidos para ese momento y tomados de la página oficial del SMN El caso del sistema Colector CO-2 es similar, las determinaciones se efectuaron entre Junio y Julio del año 2013, en los gráficos 7 y 8 se muestran las curvas térmicas obtenidas. En el punto 5.0 se expresan las conclusiones de las experiencias con ambos equipos.

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Grafico 5: Ejemplo de curvas térmicas en el foco con Termocupla K y Pirómetro. Se comparan con la curva de T ambiente. Día 21 Abril 2012. CO-1. Im = 450 W / m2 h. Datos del SMN

Grafico 6: Ídem Día 15 de Mayo 2012, CO-1 Entre 11:29 y 11:39 campo de nubes cirrus Im = 600 W/m2 h. Datos del SMN

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600 500 400 300 200 100 0

41

30

21

minutos

14

11

8

5

3

2

87 87 82 92

3,

0,

3

ºC

Grafico 7: Distribución de la intensidad de luz medida en Lux. CO-1 Prueba en Banco ópticoLOCE

Grafico 8: distribución térmica sobre el foco del CO-2 en el disco colector de 12 mm se expresan las distancias en cm. sobre el eje óptico. 500°C en 87 cm es el máximo. Im = 450 W/m2 h., datos del SMN Fecha 13 de Julio de 2013

Teniendo en cuenta la Ecuación (2) y basándonos en el dato de la termocupla K de ambos sistemas ópticos CO-1 y CO-2, el valor de la intensidad de radiación solar de concentración en el plano focal (Ic) de ambos sistema esta expresado en la Tabla 3, donde: Aco=Área óptica colectora de ambos concentradores Aco1 =Aco2 Área c1=Área focal del circulo de mínima confusión CMC del CO-1 Área c2 Ídem del CMC del CO-2. Rc1=Razón de concentración según la Ecuación del CO-1 Rc2=Ídem del CO-2 valores ya definidos en el punto

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Im=Intensidad de radiación directa dato del SMN (se toma un valor máximo de 450 W/m2h) Ic=Intensidad de radiación en el CMC por Ecuación (2) Tx-1=Temperatura máxima alcanzada en el centro del CMC del CO-1 Tx-2=Ídem del CO-2

ÁreaCO- 1.80 1 y CO-2 m2 Área c1 Área c2

0,015 m2 0,004 m2

Im Aprox.450 W/m2h Rc1

120

Ic1

Rc2

450

Ic2

27,5 KW/m2h 103 KW/m2h

Chapón Concen. Tx1 Tx2

350ºC

500ºC

520ºC

670ºC

Tabla 3 Comparaciones de intensidad de concentración y temperaturas máximas alcanzadas en ambos colectores CO-1 y CO-2 en Julio del 2012 y Julio del 2013. Tx1 y Tx2 temperaturas extremas alcanzadas para cada colector. Disco y con el Concentrador cerámico Con condiciones semejantes de absorción, reflexión e intensidad de radiación solar directa (Im)

En el Gráficos 9 se observan las curvas de mayor intensidad luminosa determinadas a una distancia del plano focal de 87cm, consecuente con la razón focal teórica, F< 0,7. En el caso del CO-1, el gráfico determina el área de máxima concentración de intensidad luminosa como determinaba el diseño teórico. Este círculo máximo se produce debido a la superposición geométrica de los planos ópticos. Su dimensión es del orden del 50 % del total del plano focal, lo cual en nuestro prototipo CO-1 es aproximadamente 8 cm de diámetro. En concordancia con el diseño teórico de un sistema generador de energía eléctrica tipo Stirling, o de un sistema tipo Horno Solar, se diseñó y construyó un colector del tipo cerámico con forma cónica de 120 mm de diámetro de boca de entrada y 160 mm de profundidad. Dentro de este recipiente se colocó la Termocupla K. Este sistema consta de una cavidad semejante a la cavidad de concentración que debería tener el sistema del motor Stirling. La Termocupla K está en contacto con el aire interior de este receptor. En el Gráfico 9 para el CO-1se representa la curva de temperatura dentro del recinto en función del tiempo. Se observa que después de transcurridos 25 minutos, la temperatura se estabiliza en una franja del orden de 520°C. La Termocupla está colocada de tal manera que solo registra el calor existente en el aire del receptor. En el grafico 10 se mide con el mismo sistema pero en el CO-2. La temperatura alcanzada es de 660ºC en 25 minutos.

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Grafico 9. Curvas de temperatura con Termocupla tipo K. CO-1 con concentrador cerámico Duración 25 minutos 520°C. Día 13 de Julio 2012

Grafico 10. El mismo sistema en el CO-2- 21 de julio de 2013.Alcanza los 660 ºC en 25 minutos.

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5.0 Conclusiones Las conclusiones a las que hemos arribado a largo de todo este trabajo en el que hemos desarrollado, construido y realizado mediciones térmicas en los focos calóricos de ambos prototipos de 1,5 metros de diámetro son las siguientes: a. Los materiales reflectivos de origen nacional cumplen perfectamente con las funciones de concentración teóricas determinadas. b. La distribución de intensidad luminosa en el plano focal calórico en ambos colectores, CO-1 y CO-2, permite demostrar que es posible construir un sistema óptico con un flujo de energía concentrada ,en una zona previamente determinada c. Las temperaturas en el plano focal (Gráficos 5, 6, 7 y 8) y sobre el receptor volumétrico (Gráfico 9 y 10), permiten sugerir que con el diseño del CO-2 nos aproximaremos a los rangos de temperaturas necesarios para que un motor de tipo Stirling entre en régimen. Mientras que con el sistema CO-1, las temperaturas obtenidas y la radiación de concentración se adecuan para tipos de sistemas de medias temperaturas, útiles en el caso de generación de vapor. d. Los valores del flujo de intensidad en el plano focal, demuestran que con este diseño óptico es posible el desarrollo de concentradores solares con aplicaciones en motores Stirling [6, 11, 12] e. En la zona periférica que rodea al CMC de ambos colectores se han determinado temperaturas y radiación de concentración que permiten el uso y aplicación de celdas fotovoltaicas de alta Temperaturas y de última generación. Este sistema cumpliría doble función, la de aprovechar el centro máximo y la periferia mínima de concentración f. La energía de concentración del sistema óptico CO-2 es tres veces superior a la del sistema CO-1, en condiciones semejantes de observación. Mientras que la temperatura alcanzada es un 50 % mayor en el CO-2, con respecto al CO-1, dentro del colector cerámico. g. El punto anterior permite analizar que sistemas vítreos de diámetros idénticos, con geometrías ópticas bien determinadas pueden cumplir perfectamente con diferentes funciones en el campo de la generación de altas y medias temperaturas. El geometría del CO-2 en diámetros del orden de 4 a 5 metros , puede ser utilizada perfectamente como Horno Solar

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h. La mecánica de movimiento Altacimutal es ideal para el soporte de este tipo de diseños estructurales, usando en este caso, seguimiento sincronizado solar. Este tipo de diseño será aplicada en el colector CO-3 de 5 metros de diámetro. El presente Proyecto permitirá, en un mediano plazo, desarrollar conceptos científicos, tecnológicos y de calidad en los sistemas de concentradores ópticos solares. Siendo un sector novedoso, y de amplia transferencia y aplicación en el desarrollo de las Energías renovables y en estudios de aplicaciones metalúrgicas. Una nueva línea de desarrollo tecnológico e investigaciones aplicadas es posible encarar dentro de nuestro país, en el campo de la energía solar Este trabajo permite inferir en un futuro muy cercano el diseño y la construcción netamente nacional de este tipo de sistemas concentradores.

Agradecimientos A los técnicos y profesionales; Eleodoro Nievas, Miguel Ascolese, Cristina Balcedo, Amalia De Palo, Javier Bergamini, Axel Glinschert, Luz Guerrero, Mariangeles Soldi

Referencias [1] Energía Argentina S.A, Enarsa. [2] Rubén Nicolás, Ricardo Platzeck et al. Concentrador cilíndrico fijo a espejo facetado para aprovechamiento de la Energía Solar. Comisión Nacional de Energía Atómica. Argentina. 1978. [3] Las Centrales Eléctricas de Colectores Cilíndricos Parabólicos. Andasol. Documento Solar Millenium de Andasol. España. 2011. [4] Energía Solar Termoeléctrica. Pasos firmes contra el cambio climático. Documento Greenpace. 2009. [5] Energía Solar Térmica de Concentración. Perspectivas. 2009-2014. Documento Greenpeace. 2009. [6] William B. Stine, Richard B. Diver. A Compendium of Solar Dish/Stirling Technology. California State Polytechnic University 1994. [7] EuroDish – Stirling System Description. Schlaich PS Almería 2003 [8] Dr. Manuel Romero Álvarez. ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA. Plataforma Solar de Almería. 2006. [9] Cost And Performance Of Solar Reflective Surfaces For Parabolic Dish Concentrators P Bouquerts. Doc. Jpl 1060-40Lic O2b 1988 [10] Winston R And Enoch J M Spie 1990 Some Basic Ideas In Concentrators Optics [11] Jorge Lozada San José. Análisis de un sistema de Disco parabólico con motor Stirling. Tesina Universidad Carlos III de Madrid. Ingeniería Industrial 2009. [12] Jorge Quinteros Grijalva, “Estudio teórico y experimental de colector solar parabólico para generación de energía eléctrica”; 2008. Chile

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[13] Norma IRAM 210013-13: Energía Solar. Módulos Fotovoltaicos. Parte 13: Ensayo de niebla salina. 2001. [14] Norma IRAM 210013-14: Energía Solar. Módulos Fotovoltaicos. Parte 14: Medición de la Temperatura Nominal de Operación de Celda (NOCT). 2002 [15] Norma IRAM 210013-19: Energía Solar. Módulos Fotovoltaicos. Parte 19: Ensayo de Exposición a la Intemperie. 2006 [16] UNE 94003: 2007. Datos Climáticos para el Dimensionado de Instalaciones Solares Técnicas. [17] Norma IRAM 21008-4: Cubiertas para Colectores Solares. Limpieza Superficial de las Cubiertas o sus Materiales. 1988 [18] Norma IRAM 21008-5: Cubiertas para Colectores Solares. Método para la Determinación del Factor de Transmisión Solar y del Factor de Reflexión de Materiales en Láminas. 1991. [19] Ing. Eduardo Venegas Reyes. “Sistema para generación y almacenamiento de calor de proceso mediante un concentrador solar de foco puntual”. 2008. México. [20] José E. Ruelas Ruiza, Nicolás Velázquez Limónb, Ricardo Beltrán Chacónc. “Diseño de un Concentrador Solar Acoplado a un Motor Stirling Fijo”. 2011. México [21] José Luis García Campuzano, Luis Santiago Paris Londoño. “Diseño de un sistema prototipo de conversión de energía solar en potencia mecánica compuesto por un concentrador solar y un motor Stirling”. 2011. Colombia [22] Martorelli, Luis C. et al. Trabajo en Curso. Agosto 2012. Laboratorio de Óptica, Calibraciones y Ensayos. FCAG UNLP. [23] Servicio Meteorológico Nacional, Argentina

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Vehículos de emisión cero como plataforma para la enseñanza de temas de carreras de Ingeniería Marcelo A. Spina1, Silvano R. Rossi1, Roberto J. de la Vega1, María H. Peralta2 1

Dpto. de Ingeniería Electromecánica, Facultad de Ingeniería – UNCPBA, Av. Del valle 5737 - B7400JWI, Olavarría, Pcia de Buenso Aires, Argentina 2 Dpto. de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería – UNCPBA, Av. Del valle 5737 B7400JWI, Olavarría, Pcia de Buenso Aires, Argentina [email protected]

Resumen. Se presenta un desarrollo tecnológico tendiente a disminuir el impacto ambiental producto del consumo de combustibles fósiles, en su faz de plataforma multipropósito para la enseñanza de temas directamente relacionados con Ingenierías Eléctrica, Mecánica y Civil. El proyecto involucra la construcción de Vehículos Híbridos Experimentales de emisión cero en su etapa operativa, la difusión y empleo de energías limpias y renovables. Se comentan las experiencias obtenidas y su empleo como plataforma para enseñanza de diferentes aspectos vinculados a las Ingenierías mencionadas. Palabras Clave: Energía solar, Vehículo Híbrido Experimental, Enseñanza, Ingeniería.

1 Introducción La época actual exige un fuerte compromiso con el cuidado de nuestro planeta y en este sentido la difusión y el fomento de la utilización de energías alternativas, renovables, limpias y de aplicación sustentable, cobran un protagonismo fundamental [1], [2], [3]. En el contexto actual de las Universidades y particularmente en lo que a carreras de Ingeniería se refiere, es ineludible el compromiso de vincular los conocimientos científicos-tecnológicos allí generados a los intereses globales de un planeta sustentable y que este hecho se vea reflejado en la formación de los nuevos profesionales. El diseño e implementación de sistemas basados en el uso de energías renovables que luego puedan transformarse en plataformas multipropósito para la enseñanza en carreras como Ingeniería Eléctrica, Electrónica, Mecánica y Civil, posee un alto grado de relevancia pues a través de ella pueden realizarse estudio de normativas, análisis de tendencias y alternativas posibles, modelado, diseño, implementación, prueba y utilización de nuevas tecnologías. Relacionado con estas áreas de las Ingenierías hay ejemplos destacados referentes al diseño y construcción de vehículos solares, que han sido motivadores para los estudiantes y que, además, permitieron la transferencia tecnológica [4], [5], [6], [7]. En este trabajo se presentan los resultados del trabajo realizado a través del proyecto Pampa Solar – Vehículo Híbrido Experimental (VHE), desde una perspectiva de

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enseñanza, con carácter multidisciplinario. El proyecto que ha viabilizado la construcción de dos vehículos de este tipo, fue concebido para el empleo de energía solar y tracción eléctrica vinculadas al uso en el transporte de personas construyendo un móvil tripulado experimental que ha permitido la participación institucional en eventos y competencias de autos solares [8], con alto protagonismo de estudiantes avanzados de las carreras de la Facultad de Ingeniería-UNCPBA. El diseño, construcción y puesta a punto de un vehículo híbrido tiene un carácter fuertemente multidisciplinario que constituye un desafío, no solo tecnológico, sino también institucional. En el caso particular del proyecto Pampa Solar se conjugan diversas áreas de la Facultad, en consonancia con la gestión de la misma, partiendo de una fuerte iniciativa por parte de docentes y alumnos de la institución, con la preocupación elemental de vincular los conocimientos científicos tecnológicos a los intereses de la sociedad. Así se han construido dos VHE que combinan el uso de energía solar fotovoltaica y energía proveniente de un generador eléctrico accionado por el pedaleo de un conductor, contando con una batería para el almacenamiento de las energías y un motor eléctrico incorporado en la rueda trasera para lograr el movimiento del vehículo. Dichos vehículos son de emisión cero en su etapa operativa y actualmente constituyen una plataforma multipropósito que tiene por objetivos: a) desarrollar la creatividad e innovación en futuros profesionales de la Ingeniería, b) Ejemplificar aspectos de Electricidad, Electrónica, Mecánica y Estructuras, c) Posibilitar la transferencia de conocimientos sobre las nuevas tendencias en transporte, tracción eléctrica y fuentes de energía renovables al sector productivo local y regional, d) difundir el uso de las energías alternativas y e) viabilizar la participación institucional en eventos y competencias de vehículos solares a nivel nacional e internacional con alto protagonismo de estudiantes.

2 El Proyecto Pampa Solar El primer VHE construido a través del proyecto fue el Pampa Solar, involucrando estudiantes avanzados de diferentes carreras, docentes de Ingeniería Electromecánica, Civil, Ciencias Básicas e Industrial y un grupo de no docentes, además del compromiso de un conjunto de empresas, el Gobierno Municipal de Olavarría y la Comisión de Investigaciones Científica de la Pcia. de Buenos Aires. El vehículo participó de la primera competencia Latinoamericana de vehículos solares, que se desarrolló en el Desierto de Atacama, Chile, del 30 de septiembre al 2 de octubre de 2011 [9], al que viajó un contingente compuesto por alumnos, docentes y no docentes. En dicha ocasión se participó en la categoría Ruta Solar, recorriendo tres tramos principales: 1) Humberstone-Antofagasta (453,8 km), 2) Antofagasta-Calama (214,5 km) y 3) Calama-Iquique (388,3 km). Finalizada la totalidad de la carrera el VHE obtuvo el premio al “mejor uso de energía solar” como reconocimiento al vehículo que utilizó mayor cantidad de dicha energía durante la competición en la categoría. Para la segunda edición de la carrera, desarrollada también en el Desierto de Atacama hacia fines del año 2012, se construyó el VHE Pampa Solar II, con características diferentes a su antecesor en lo que respecta a diseño de chasis, amortiguación,

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carenado, altura y sistema de instrumentación electrónica. En dicha ocasión el vehículo obtuvo el premio al “mejor uso del litio”, dadas las características de su batería, y una beca para estudiante para realizar una pasantía en empresa relacionada con la industria del litio. En ambos casos la inversión estimada para su construcción fue de U$S 5.000. En la Fig. 1 se muestra el VHE Pampa Solar en su primera versión y el Pampa Solar II, durante la competencia de autos solares. La Fig. 2 representa un ejemplo de actividad desarrollada durante la XI Semana Nacional de la Ciencia y la Tecnología con participación de docentes, estudiantes del nivel secundario y universitario. En la Tabla 1 se presentan las características generales del Pampa Solar.

Fig. 1. VHE Pampa Solar durante su participación en la primera carrera Latinoamericana de autos solares en el Desierto de Atacama, Chile, 2011 (Izquierda); VHE Pampa Solar II en la segunda competencia hacia fines del año 2012 (derecha).

Fig. 2. Actividad desarrollada durante la XI Semana Nacional de la Ciencia y la Tecnología y semana de la Movilidad Sostenible, 2013, con la participación de docentes y estudiantes. Tabla 1. Características técnicas generales de los VHE construidos. Parte, parámetro o variable Celdas solares Paneles solares Potencia máxima panel Batería/tecnología Motor eléctrico Generador eléctrico Peso Velocidad máxima Autonomía Chasis y sostenes Entramado techo Carenado

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Detalle Monocristalinas 4 paneles de 36 celdas – 1 panel de 27 celdas 445 W 48 V / 40 Ah-LiFePO4 48 V – 2 kW 48 V – 240 W 165,5 kg 55 km/h ≈ 150 km (situación solar normal a 40 km/h) Acero densidad: 7855 kg/m3 – Módulo elástico: 2x1011 N/m2 Aluminio Fibra de vidrio

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3 Plataforma de estudio multipropósito Ambos vehículos constituyen una plataforma para el análisis de aspectos relacionados con la construcción de vehículos de emisión cero, pero fundamentalmente para el estudio, análisis y realización de prácticas de electrónica de potencia, máquinas eléctricas, instrumentación electrónica y estructuras, entre otras. 3.1 Empleo de energía solar fotovoltaica El proyecto en sí mismo es un ejemplo de aplicación de energía solar para el movimiento de un vehículo, pues ésta constituye su principal fuente de electricidad. Aunque actualmente la energía solar fotovoltaica representa un escaso porcentaje del suministro de energía eléctrica para satisfacer las necesidades de consumo mundial, se prevé un rápido y acentuado crecimiento de su implantación. Se estima un valor cercano a los 85.000 TW de potencia solar incidente aprovechable en el planeta, disponibles para colectores solares terrestres, lo que constituye un valor inmensamente superior al que se podría obtener mediante otras fuentes de energía renovable como eólica, mareomotriz y biomasa [2], [10]. Los vehículos construidos cuentan con techo solar basado en celdas solares fotovoltaicas comerciales. No obstante, los paneles fueron totalmente montados, integrados y ensayados en la Facultad de Ingeniería – UNCPBA, por estudiantes con apoyo docente. Se partió de la premisa de construir paneles de dimensiones no estandarizadas, de alta eficiencia, más livianos y de costo relativo menor comparado con comerciales, para aplicaciones en seguidores solares a medida, pensando también en aplicaciones como el abastecimiento eléctrico en zonas rurales, parques y posibilidad de aplicación en transporte urbano. Desde el punto de vista didáctico se pueden analizar y generar prácticas relacionadas con el principio de funcionamiento de la celda solar fotovoltaica, investigación de materiales y encapsulantes para la integración de módulos solares, mediciones y ensayos sobre paneles y caracterización utilizando la normativa IRAM. Una actividad importante en este sentido es la evaluación del desempeño de paneles solares por medio del factor de forma (FF), el que establece la relación entre la máxima potencia obtenible del panel solar, determinado por los valores de tensión y corriente máximos, y la potencia teórica dada por el producto de tensión de circuito abierto y corriente de cortocircuito. En la Fig. 3 se muestra un ejemplo de actividad realizada en curso de energía solar fotovoltaica, en el que se caracteriza un panel solar midiendo corrientes y tensiones, estableciendo comparativas con paneles solares comerciales. 3.2 Electrónica de Potencia La energía solar fotovoltaica se obtiene de los paneles solares que alimentan la batería a través del módulo seguidor del punto de máxima potencia de la característica potencia-tensión. Dicho módulo es un prototipo experimental construido en nuestro laboratorio que se utilizó en la competencia y se encuentra actualmente en fase final de implementación. De esta manera se puede obtener la mayor energía posible de la

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radiación, en función del ángulo de incidencia. El sistema está constituido, además, por el motor eléctrico y el módulo de control de velocidad y frenado regenerativo, para recuperación de energía durante frenado y desaceleraciones. Existe además el aporte de un generador eléctrico trifásico accionado por el pedaleo del conductor, que también alimenta al banco de acumuladores, previo paso por un rectificador de tensión. En la Fig. 4 se muestra un diagrama en bloques simplificado que muestra los diferentes aportes energéticos para el movimiento del VHE. Desde el punto de vista didáctico se pueden analizar aquí, en su faz teórica y mediante prácticas de laboratorio con soporte de instrumental básico y osciloscopio, las diferentes formas de onda de variables eléctricas involucradas, selección y aplicación de semiconductores tales como diodos y transistores de potencia, conversión de energía y accionamiento.

Fig. 3. Caracterización de paneles solares mediante medición de corrientes y tensiones. Izquierda: panel construido; derecha: panel comercial.

Paneles solares

Seguidor punto de máx. potencia y carga de acumuladores

Generador

Banco de acumuladores

Módulo de control velocidad y frenado

Rectificador Motor

Fig. 4. Diagrama en bloques de sistemas energéticos.

3.3 Modelo de cálculo de potencia consumida En la primera versión del vehículo se empleó un punto de vista clásico para el cálculo de la potencia y, por lo tanto, de la energía consumida por el vehículo, basada en la potencia generada por el conductor de una bicicleta en función de sus parámetros característicos y del medio [11] también utilizada para el caso de una tricicleta [12]. El modelo se adaptó para considerar las pendientes de los tramos siguientes, la velocidad actual, las masas en juego y la fricción del viento, entre otros. Con los datos de las variables medidas se calculan las potencias de los sistemas energéticos y la potencia del modelo, para realizar el balance energético y determinar la velocidad más conveniente para hacer un uso eficiente de la energía solar. El modelo empleado en la segunda versión se basa en el anterior, corregido en base a la experiencia de la competencia. Actualmente se analiza un modelo más complejo y como afectan las

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diferentes variables, probando el vehículo en caminos con variaciones de pendiente, diferentes motores eléctricos con dimensiones similares, variaciones en el área frontal del vehículo y conducido por pilotos de diferentes masas. 3.4 Aspectos estructurales y Mecánicos El vehículo solar fue construido a partir de una estructura apoyada en tres ruedas, en forma de una tricicleta invertida, para un solo conductor en posición decumbente. El desarrollo incluyó, por un lado, la etapa del proyecto y diseño del chasis del vehículo, teniendo como premisa un trabajo estructural optimizado para lograr el menor consumo energético posible y, por otro, el proyecto, diseño y cálculo de la estructura resistente sobre la que se distribuyen los paneles solares. Las fases de proyecto conducen a la consideración de diferentes materiales, tipologías, formas de sustentación y uniones, empleando modelos de análisis hasta arribar a la solución del problema. Los anteriores son ejemplos de modelado estructural para el estudio y análisis mediante software de elementos finitos, usado en carreras de Ingeniería Mecánica y Civil. La mecánica comprende el diseño de tren delantero, control de la dirección, amortiguación, frenos y sistema de transmisión, entre otros. 3.5 Máquinas eléctricas y accionamientos Para la impulsión de los VHE construidos se han empleado motores eléctricos trifásicos sincrónicos de imanes permanentes, incorporados en las llantas traseras de ambos vehículos, como puede apreciarse en la Fig. 5. La ventaja de este tipo de máquina eléctrica con respecto a las de inducción está directamente relacionada con la ausencia de pérdidas por deslizamiento, además de un incremento en la eficiencia de conversión de energía. Durante la construcción de los VHE se montó un banco de pruebas que actualmente se utiliza para realizar actividades prácticas asociadas a la asignatura máquinas eléctricas. Se pueden analizar las características de estos motores, realizando ensayos tales como: velocidad, potencia de salida y eficiencia porcentual en función del par motor. En la Fig. 5 también se muestra una medición con osciloscopio, experiencia sumamente ilustrativa para el análisis del régimen estable del motor, aceleración y recuperación de energía durante su frenado. 3.6 Instrumentación electrónica y control El proyecto también constituye una plataforma para el estudio de las diferentes variables físicas que deben medirse, para obtener un desempeño energético optimizado. Se encuentran aquí ejemplos definidos de asignaturas vinculadas a las mediciones eléctricas y electrónicas, electrónica analógica y digital, y sistemas de control. El sistema de instrumentación involucra conceptos y temas como: sensores y actuadores, acondicionamiento de señal, conversión analógica-digital, normas de comunicación entre dispositivos, empleo y programación de microcontroladores, interconexión de dispositivos, buses, interfaz con computadora, etc. Se pueden

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realizar experiencias con sensores para medición de corrientes y tensiones, medición de temperatura, sensores de radiación solar, sensores de velocidad, inclinación y utilización de GPS. Desde el punto de vista de los sistemas de control se puede abordar el caso del control realimentado para estimación de velocidad y ahorro de energía en función de la distancia a recorrer, topología y condiciones ambientales. A partir de datos almacenados durante la primera competencia y teniendo en cuenta una distancia recorrida mayor a los 900 km, en tres etapas con diferentes condiciones de ruta durante horario matutino y comienzo de la tarde, se realizó una utilización total de 70% de energía solar, 9% de energía eléctrica total aportada por el generador activado mediante el pedaleo del conductor y 21% de energía provista por la batería.

Fig. 5. Motor eléctrico incorporado en llanta trasera del VHE (izquierda) y ejemplo de ensayo de motor como experiencia didáctica (derecha).

3.7 Sistema eléctrico y batería El sistema eléctrico involucra fundamentalmente: cableado, luces, bocina, indicadores electrónicos, fusibles, batería y fuentes de alimentación. En particular la batería constituye un punto de análisis fundamental, dado que su dimensionado establece el grado de autonomía que el vehículo posee. Para tal finalidad la premisa es contar con alta densidad de energía y que eso se traduzca en menor volumen y peso del conjunto. Para ambos VHE se emplearon baterías de litio que poseen características muy atractivas para aplicaciones en vehículos eléctricos, considerando impacto ambiental, tensión media de célula, densidad de energía gravimétrica, densidad de energía volumétrica y ciclo de vida. Desde el punto de vista didáctico son todos aspectos relevantes que hacen a la selección y utilización de baterías, considerando el estudio comparativo con tecnologías clásicas.

4 Conclusiones El proyecto es un desarrollo tecnológico que tiende a disminuir el impacto ambiental producto del consumo de combustibles fósiles y posee una faceta de plataforma multipropósito para la enseñanza de temas directamente relacionados con las Ingenierías. Las actividades ejecutadas o en ejecución están no sólo relacionadas con

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capacitación sobre energías renovables y energía solar fotovoltaica que anualmente forman parte de la oferta de cursos y talleres, sino también con actividades de las asignaturas y con las temáticas de proyectos finales de carrera y becas de iniciación científico-tecnológica, de estudiantes avanzados de Ingeniería Electromecánica e Ingeniería Civil. El aspecto multidisciplinario del proyecto se da por la aplicación de los desarrollos tecnológicos generados por grupos de investigación, vinculando fuentes de energía no convencionales, control avanzado de máquinas eléctricas, robótica móvil y teorías y modelos para análisis estructural. Actualmente se dicta un curso relacionado con energía solar fotovoltaica, se analiza el caso en asignaturas del área eléctrica/electrónica, mediante ejercicios y prácticas experimentales. Se destaca también la realización, hasta el momento, de cuatro Proyecto Finales de Carrera vinculados y uno en curso. Si se piensa en la enseñanza, el destinatario se encuentra en un punto de la carrera en que puede informarse e involucrarse en conocimiento de las tendencias en sistemas de tracción eléctrica utilizando fuentes de energía renovables. Situación que hace repensar las cadenas de fabricación y servicios de automóviles actuales, identificando posibles nichos de formación para participar laboralmente de estas tendencias.

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Análisis de Ciclo de Vida de la Industria del Azúcar y del Bioetanol del NOA. Análisis de Incertidumbre. Andrea L. Nishihara Hun1, Fernando D. Mele1 1

Departamento de Ingeniería de Procesos y Gestión Industrial, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología, Universidad Nacional de Tucumán Andrea L. Nishihara Hun, [email protected]

Resumen. En este trabajo se presenta un análisis de incertidumbre de un estudio de Análisis de Ciclo de Vida (LCA) de la producción de azúcar y bioetanol según las prácticas del noroeste argentino (NOA). Se plantearon cuatro escenarios con diferente grado de incertidumbre en los parámetros. Las categorías de impacto analizadas fueron acidificación, eutrofización y gases de efecto invernadero. Del estudio surge que, en las dos primeras categorías de impacto mencionadas, tanto la dispersión de valores como la media resultaron ser muy similares entre sí. Esta situación fue la contraria en el caso de la categoría de gases de efecto invernadero. Por lo tanto, la principal conclusión a la que se llega es que resulta vital realizar una correcta medición de las emisiones al aire ya que ello influirá radicalmente en las conclusiones que se puedan extraer de un estudio de LCA. Palabras Clave: caña de azúcar, biorrefinería, LCA, ACV, impacto ambiental

1 Introducción La producción de energía es vital para el crecimiento económico y la reducción de la pobreza. No obstante, es de conocimiento general que ante el inevitable agotamiento de las fuentes de energía no renovables del planeta y la contaminación generada por el uso de estas fuentes, resulta urgente redefinir conceptos y elaborar políticas energéticas sustentables. Los combustibles fósiles en la actualidad, proveen algo más del 90% del total de las necesidades globales de energía, con el petróleo como fuente líder. En las últimas décadas, las reservas de petróleo no han aumentado significativamente, mientras que el consumo aumenta en los países desarrollados y en las grandes naciones en vías de desarrollo. Siendo el transporte la actividad humana de mayor consumo de energía, este sector ha alcanzado hoy un volumen de actividad tal que los problemas ambientales generados son cada vez más importantes: dependencia casi total del petróleo, baja eficiencia energética y producción de gases de efecto invernadero (GHG) [1]. La introducción de biocombustibles en el sector del transporte es una de las medidas propuestas para paliar este problema. Son una fuente de energía autóctona,

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técnicamente viable, con el potencial de reducir sustancialmente las emisiones de CO2 [2]. Muchos países han implementado políticas para regular la producción de biocombustibles y la Argentina no es una excepción. En 2006 se aprobó la Ley 26.093 –marco para el régimen de regulación y promoción de la producción y uso de biocombustibles–, exigiéndose inicialmente una cuota de 5% de bioetanol y biodiesel para la nafta y el gasoil, respectivamente, a partir del año 2010. Así, la industria sucroalcoholera se vio ante el reto de producir con alta calidad para satisfacer la demanda de los consumidores. Sin embargo, los productores argentinos necesitan estudiar el desempeño ambiental de su producto para cumplir con criterios de sostenibilidad [3]. La Argentina como productora de etanol de caña de azúcar podría no resultar competitiva desde el punto de vista ambiental, a menos que se implementen medidas específicas. Estas medidas tienen que ver con evitar la deforestación, aplicar técnicas agrícolas sustentables, usar pesticidas de baja toxicidad y mejorar las tecnologías para reducir y tratar los grandes volúmenes de aguas residuales (vinazas) generados. El propósito de este trabajo es el de constituir un punto de partida para cuantificar las cargas e impactos medioambientales de la industria argentina del azúcar y del bioetanol a partir de la caña de azúcar utilizando como herramienta el Análisis de Ciclo de Vida (LCA). Con esto será posible identificar las actividades del ciclo de vida que causen los principales impactos para así poder proponer mejoras ambientales tanto en las tareas agrícolas como industriales.

2 Antecedentes A pesar de los beneficios potenciales del bioetanol derivado de la caña de azúcar, hay algunos inconvenientes asociados con este biocombustible, tal como la competencia con los alimentos por la tierra, el impacto asociado al sector de transporte durante las tareas agrícolas y logísticas, y la generación de grandes cantidades de vinazas durante el proceso. Este marco complejo plantea desafíos significativos tanto para profesionales como para investigadores. En particular, uno de los aspectos claves que no se ha tenido en cuenta hasta ahora es la evaluación del impacto ambiental de la producción de etanol en la Argentina desde la perspectiva del LCA –salvo el trabajo de Amores y col. (2013) [4]–, tal como se ha hecho en el caso de la producción argentina de biodiesel [5,6,7]. Con respecto al LCA aplicado al etanol de caña de azúcar, la mayor parte de las contribuciones que aparecen en la literatura se refieren a la producción en otros países tales como Australia [8], Brasil [9] y Colombia [10]. Hay varias razones para evaluar el etanol de caña de azúcar en la Argentina desde el punto de vista del LCA: (i) el etanol combustible derivado de la caña de azúcar se basa en recursos renovables, en contraste con otros tipos de combustible; (ii) la caña de azúcar da lugar a una de las principales actividades económicas en las zonas rurales del NOA, con muchas implicaciones ambientales y sociales; (iii) un enfoque local específico es crucial en la evaluación de los impactos ambientales de los sistemas de bioenergía mediante LCA: las condiciones locales, tales como las prácticas agrícolas, el cambio en el uso del suelo y las infraestructuras de transporte,

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tendrán un impacto importante en el desempeño ambiental del sistema; (iv) muchas etapas del ciclo de vida del etanol en la Argentina han permanecido inalteradas desde hace mucho tiempo por lo cual la mejora potencial es sustancial; es posible cogenerar electricidad a partir del residuo sólido, y reciclar parte de las corrientes de desecho; (v) los productores de etanol argentinos necesitarán evaluar el desempeño ambiental de su producto para cumplir con los criterios de sustentabilidad que se le imponga. Los pasos posteriores al estudio de LCA son su extensión a la consideración de un análisis de sensibilidad de parámetros, un análisis de incertidumbre y el uso de los resultados en el marco de un problema de optimización multiobjetivo en el que se consideren los criterios económicos y ambientales al mismo tiempo [11]. Este trabajo presenta una contribución en el segundo de estos aspectos.

3 Importancia del tema Dado que los parámetros que se utilizan en un modelo de LCA son en parte medidos, en parte calculados a partir de balances de masa y energía y en parte estimados, siempre van acompañados de una cierta incertidumbre. Por esto, puede que el valor real sea bastante diferente del considerado en el estudio. De ahí la importancia de un análisis de incertidumbre, especialmente sobre aquellos parámetros que mediante un estudio de sensibilidad previo han sido identificados como más relevantes.

4 Metodología y Caso de Estudio Los datos utilizados en el presente trabajo provienen de un complejo industrial ingenio-destilería del NOA. Éste está integrado por una planta que fabrica azúcar (ingenio) acoplada a una planta que produce etanol (destilería). Como límite temporal, se consideró un año de cosecha (zafra), del 28 de mayo al 18 de noviembre de 2010. Para la definición de los límites espaciales del sistema se utilizó el enfoque “de la cuna a la puerta”, es decir desde el cultivo de la caña de azúcar hasta la obtención del azúcar y del bioetanol como productos terminados. Este sistema global se dividió en tres subsistemas: Campo, Ingenio y Destilería. En el subsistema Campo se considera la siembra de la caña, fertilización, aplicación de herbicidas/plaguicidas, cosecha y transporte de la caña al ingenio. En el subsistema Ingenio azucarero se considera la producción del azúcar y como subproductos el bagazo, cachaza y melaza. La melaza es enviada a la destilería, la cachaza se recicla al subsistema Campo y el bagazo, según la práctica habitual, es quemado en las calderas para generar energía en la propia planta. En el subsistema Destilería ingresa la melaza y mediante fermentación, destilación y otros procesos se obtiene primero alcohol 96º, y a partir de éste, alcohol absoluto o anhidro de concentración superior a 98% v/v. Por otra parte, la vinaza, principal efluente líquido del subsistema destilería, se consideró destinada al fertirriego de los campos de la empresa.

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Como unidad funcional se tomó un 1 MJ de energía obtenida a partir del etanol anhidro producido. Se identificaron y cuantificaron las entradas y salidas de cada subsistema (fase de inventario del LCA). El 90% de los datos fueron proporcionados por la empresa. El 10% restante, tal como algunas emisiones al aire, agua y suelo, fueron obtenidos de la bibliografía [12]. Como método de asignación se usó la asignación por masa. El estudio de LCA se hizo con la ayuda del programa SimaPro® usando como modelo de evaluación de impacto (fase de evaluación de impacto del LCA) el CML 2001 (del Instituto de Ciencias Medioambientales de la Universidad de Leiden). Cabe mencionar que previo al análisis de incertidumbre se realizó un análisis de sensibilidad, seleccionando a los parámetros consumo de agua, consumo de gas natural y a las emisiones al aire de los subsistemas campo e ingenio. Todos estos parámetros fueron variados en un ±20% del valor que se expresan en los inventarios. Del estudio de sensibilidad surgió que el parámetro “emisiones al aire” variaba considerablemente las cargas ambientales del sistema de estudio, por lo que este parámetro fue el que se evaluó en el análisis de incertidumbre por Monte Carlo. Para este estudio se analizaron cuatro casos, modificándose en cada caso el coeficiente de variación, definido como la desviación estándar sobre la media (Tabla 1). Tabla 1. Escenarios y coeficientes de variación (CV) planteados para el análisis de incertidumbre Escenario 0 CV = 0

Escenario 1

CV = 10%

Escenario 2 CV = 25%

Escenario 3 CV = 50%

Las categorías de impacto para el análisis de incertidumbre fueron tres: acidificación (AP), eutrofización (NP) y gases de calentamiento global (GWP). Para las tres categorías de impacto y para los tres subsistemas de estudio (Campo, Ingenio y Destilería), se graficó la media del impacto en función de los cuatro escenarios, con sus respectivas desviaciones estándar. Por razones de espacio sólo se muestran las gráficas correspondientes al sistema completo (Fig. 1 a 3).

5 Resultados Se realizaron simulaciones de Monte Carlo considerando distribuciones normales de los parámetros inciertos, tomando el valor del parámetro como media de la distribución y calculando la varianza a partir del coeficiente de variación correspondiente a cada escenario. Por otra parte, para las categorías de impacto acidificación y eutrofización, el espectro de valores de impacto para cada caso de varianza supuesta, son muy similares entre sí, y a medida que se recorren las gráficas de izquierda a derecha, la barra de incertidumbre se hace más extensa, pero con valores de la media que están dentro del mismo orden.

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Acidificación-Destilería

Eutrofización-Destilería

4,4

1,4

4,2

1,35

1,3 Impacto

Impacto

4 3,8

1,25

3,6

1,2

3,4

1,15 1,1

3,2 Escenario 0

Escenario 1

Escenario 2

Escenario 0

Escenario 3

Fig. 1. Acidificación – subsistema Destilería.

Escenario 1

Escenario 2

Escenario 3

Fig. 2. Eutrofización – subsistema Destilería.

Potencial de Calentamiento Global-Destilería 800000 600000

Impacto

400000 200000 0 -200000

Escenario 0

Escenario 1

Escenario 2

Escenario 3

-400000 -600000 -800000

Fig. 3. Calentamiento Global – subsistema Destilería. Campo-Escenario 1 Media: -0,0481 0,25

0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

0,2 Probabilidad

Probabilidad

Campo-Escenario 0 Media: -0,309

0,15 0,1

0,05 0 -8,79 -7,14 -5,49 -3,84 -2,19 -0,54 1,11 -0,312 -0,311 -0,31 -0,31 -0,309 -0,308 -0,307 -0,307 -0,306 -0,305

2,76

4,41

6,06

Impacto-GWP

Impacto-GWP

Fig. 4. GWP – Subsistema Campo - Escenario 0

Fig. 5. GWP – Subsistema Campo - Escenario 1

Campo-Escenario 2 Media: -0,836

Campo-Escenario 3 Media: -3,67 0,25 0,2

Probabilidad

Probabilidad

0,2 0,15 0,1 0,05

0,15 0,1

0,05 0

0 -44,7 -34,3 -23,9 -13,4

-3

7,4

17,8

28,3

38,7

49,1

Impacto-GWP

Fig. 6. GWP – Subsistema Campo - Escenario 2

-219

-176

-133

-90

-47

-4

40

83

126

169

Impacto-GWP

Fig. 7. GWP – Subsistema Campo - Escenario 3

Para la categoría de impacto GWP, el sistema no tuvo la misma respuesta (Fig. 3). Las medias en los 4 escenarios planteados son muy diferentes entre sí, con barras de incertidumbre cada vez más amplias, con valores positivos y negativos.

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Para el caso de la categoría de impacto GWP, es necesario realizar el análisis por partes: - para el subsistema Campo (Fig. 4 a 7), si bien la media en todos los casos da valores negativos, a medida que aumenta la varianza aumenta el espectro de valores de la distribución normal. Es necesario recordar, que para el caso base, sin varianza, para este subsistema el impacto en GWP es un valor negativo, y ello es una consecuencia de la absorción de CO2 de la caña de azúcar durante la fotosíntesis. - para el subsistema Ingenio, los valores de la media para los escenarios 0, 1 y 2 (Fig. 8 a 11) si bien muestran ser valores negativos son muy diferentes entre sí. Para el escenario 3 la media es un valor positivo, como lo indica la Fig. 11. - para el subsistema Destilería, para los escenarios 0, 1 y 2, los valores de la media son positivos pero muy diferentes entre sí (Fig. 12 a 15). En todos los casos los valores mínimos y máximos de las distribuciones de probabilidades son muy distintos. Para el escenario 4 (Fig. 15), la media es un valor negativo, lo que afectaría en 100% las conclusiones que se pueden llegar a realizar en esta categoría de impacto. Ingenio-Escenario 0 Media: -0,251

Ingenio-Escenario 1 Media: -0,00293 0,3

0,2 Probabilidad

Probabilidad

0,25

0,15 0,1 0,05

0,2 0,15 0,1 0,05

0

0

-36,7 -28,8 -20,9 -13,1

-0,262 -0,259 -0,257 -0,254 -0,252 -0,249 -0,247 -0,244 -0,242 -0,239

-5,2

2,7

10,6

18,4

26,3

34,2

Impacto-GWP

Impacto-GWP

Fig. 8. GWP – Subsistema Ingenio - Escenario 0

Fig. 9. GWP – Subsistema Ingenio - Escenario 1

Ingenio-Escenario 2 Media: -19

Ingenio-Escenario 3 Media: 32,7 0,25

0,25

Probabilidad

Probabilidad

0,2 0,15 0,1

0,1 0,05

0,05

0

0 -219

-177

-135

-93

-51

-9

33

75

117

159

Impacto-GWP

Fig. 10. GWP – Subsistema Ingenio - Escenario 2

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0,2 0,15

-872

-676

-480

-284

-88

108

304

500

696

892

Impacto-GWP

Fig. 11. GWP – Subsistema Ingenio - Escenario 3

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Destilería-Escenario 0 Media: 323

Destilería-Escenario 1 Media: 2580

0,3

0,25 0,2

0,2

Probabilidad

Probabilidad

0,25

0,15 0,1

0,15

0,1 0,05

0,05 0 -7850 -5550 -3250 -950

0

1350 3650 5950 8250 10550 12850

-45750 -31250 -16750 -2250 12250 26750 41250 55750 70250 84750

Impacto-GWP

Impacto-GWP

Fig. 12. GWP – Subsistema Destilería Escenario 0

Fig. 13. GWP – Subsistema Destilería Escenario 1

Destilería-Escenario 2 Media: 8640

Destilería-Escenario 3 Media: -18900 0,25

0,3

Probabilidad

Probabilidad

0,25

0,2 0,15 0,1 0,05

0,2 0,15

0,1 0,05 0

0

Impacto-GWP

Fig. 14. GWP – Subsistema Destilería Escenario 2

Impacto-GWP

Fig. 15. GWP – Subsistema Destilería Escenario 3

6 Conclusiones Para el análisis de incertidumbre se analizaron cuatro escenarios, modificándose en cada caso el coeficiente de variación. Las categorías de impacto que se tuvieron en cuenta para el estudio fueron tres: acidificación, eutrofización y calentamiento global. De las simulaciones realizadas, se concluye principalmente que los resultados en la gran mayoría de los casos se distribuyen de manera normal o gaussiana. Para las categorías de impacto AP y NP, el espectro de valores de impacto para cada caso de varianza supuesta es muy similar entre sí, ocurriendo lo mismo con la media. Para la categoría de impacto GWP, tanto la dispersión de los valores de impacto como las medias, son muy distintas entre sí. Por lo tanto, como conclusión del análisis de incertidumbre, se destaca la importancia de contar con buenas mediciones de las emisiones al aire de los subsistemas Campo e Ingenio, ya que ello cambiará radicalmente las conclusiones que puedan derivarse del estudio de LCA, sobre todo en la categoría GWP. Tanto el análisis de sensibilidad como de incertidumbre llevan a los autores a extraer conclusiones más confiables del estudio de LCA.

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Referencias 1. Nishihara Hun, A., Mele, F.: Análisis de Sensibilidad de un Caso del Noroeste Argentino de Ciclo de Vida de la Industria del Azúcar y del Bioetanol de Caña de Azúcar. In: IX Jornadas de Ciencia y Tecnología de Facultades de Ingeniería del NOA (2013). 2. Lechón, Y., Cabal, H., de la Rúa, C., Lago, C., Izquierdo, L, Sáez, R., San Miguel, M.: Análisis de ciclo de vida de combustibles alternativos para el transporte, Informe Técnico del Centro de Investigaciones Energéticas, Medio Ambientales y Tecnológicas y del Ministerio de Medio Ambiente (2006). 3. Farrell AE, Plevin RJ, Turner BT, Jones AD, O’Hare M., Kammen DM.: Ethanol can contribute to energy and environmental goals, Science 311(5781) (2006) 506–508. 4. Amores, M. A., Mele, F. D., Jiménez, L., Castells, F.: Life cycle assessment of fuel ethanol from sugarcane in Argentina. Int J Life Cycle Ass 18 (7) (2013) 1344-1357. 5. Asal, S., Marcus, R., Hilbert, J.A.: Opportunities for and obstacles to sustainable biodiesel productionin Argentina, Energy for Sustainable Development, 10(2) (2006) 48-58. 6. Panichelli, L., Dauriat, A., Gnansounou, E.: Life cycle assessment of soybean-based biodiesel in Argentina for export. Int J Life Cycle Assess 14 (2009) 144–159. 7. Tomei J., Upham P.: Argentinean soy-based biodiesel: An introduction to production and impacts, Energy Policy 37 (2009) 3890–3898. 8. Renouf, M. A., Pagan, R. J., Wegener, M. K.: Life cycle assessment of Australian sugarcane products with a focus on cane processing. Int J Life Cycle Assess 16 (2011) 125–137. 9. Ometto, A.R., Hauschild, M. Z., Roma, W. N. L.: Lifecycle assessment of fuel ethanol from sugarcane in Brazil. Int J Life Cycle Assess 14 (2009) 236–247. 10. Sánchez, O., Cardona, C., Sánchez, D.: Análisis de ciclo de vida y su aplicación a la producción de bioetanol: una aproximación cualitativa, Revista Universidad EAFIT, 43 (146) (2007) 59-79. 11. Mele, F.D., Kostin, A., Guillén-Gosálbez, G., Jiménez, L.: Multiobjective Model for More Sustainable Fuel Supply Chains. A Case Study of the Sugarcane Industry in Argentina, Industrial & Engineering Chem. Res. 50 (2011) 4939–4958. 12. Renouf, M. A., Wegener, M. K., Nielsen, L. K.: An environmental life cycle assessment comparing Australian sugarcane with US and UK sugar beet as producers of sugars for fermentation, Biomass and Bioenergy, 32 (2008) 1144-1155.

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APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA UNDIMOTRIZ Pelissero Mario*, Haim Alejandro*, Tula Roberto, Monteneri Mariano, Cirelli Emiliano, Muiño Federico, De Vita Gustavo, Heinke Ezequiel, Galia Francisco, Gagnieri Diego, Balbiani Macarena, Lifschitz Ana Julia, Oliveto Guillermo, Santino Tomas, Ferré Nestor

Resumen. La energía undimotriz aparece como una importante alternativa entre las energías renovables; se basa en el aprovechamiento de la energía contenida en las ondas marinas, las ondas se generan por la acción del viento sobre la superficie oceánica; cabe señalar que la densidad energética de este recurso es varias veces superior a la energía eólica. Luego de cinco años de investigación y desarrollo se logró plasmar el trabajo realizado en una patente donde se describe el sistema mecánico-eléctrico para la captación de la energía contenida en las ondas marinas; además se ha construido un generador de imanes permanentes y dos prototipos en escala 1:20 y 1:10. Sobre la base del importante recurso energético que contamos en nuestro país y los resultados obtenidos por este grupo de investigación, el aprovechamiento del recurso con tecnología propia aparece como una realidad sustentable para la generación de energía eléctrica. Palabras Clave: Energía, Renovable, Undimotriz, Sustentable, Alternativa

1 Introducción Ante el incremento de la demanda de energía de una población en continuo crecimiento se hace necesario encontrar nuevas alternativas para su abastecimiento; los recursos hidrocarburíferas convencionales se están agotando y las alternativas de estos recursos no convencionales requieren costosas inversiones. La potencialidad de la energía del mar se encuentra radicada en su abundancia; en principio resulta un inmenso colector que recoge diariamente una extraordinaria cantidad de energía proveniente del sol; el agua resulta ser un extraordinario vector energético por su capacidad de acumulación y transporte de energía. La energía undimotriz es el resultado simbiótico entre el mar y el viento; el mar como soporte y al viento como motor. Una de las principales ventajas es que es un recurso renovable, abundante y no genera contaminación durante su aprovechamiento. La energía undimotriz es un fenómeno superficial y no debe confundirse con las otras energías oceánicas como la energía mareomotriz o la energía de las corrientes marinas.

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La clave es que debemos entender al mar, se trata tan solo aprovechar una porción de su energía y el resto será para el deleite de la humanidad, dominar el mar es una tarea imposible pues siempre será más poderoso que nosotros. La importancia de la energía undimotriz es que supera en densidad energética a la energía eólica y solar, su potencial en nuestro país oscila entre 40 a 100 kW[1] por cada metro de frente de onda, además resulta persistente durante casi todo el día a lo largo de todo el año, esta característica le brinda una gran ventaja competitiva respecto de otras energías renovables. Nuestra propuesta es la de generar un proyecto confiable, consistente con identidad propia realizado en nuestro país sobre la base de nuestros recursos tecnológicos. 1.1

Fuentes oceánicas de energías

Una de las fuentes energéticas marinas más conocidas es la mareomotriz, la misma está vinculada al aprovechamiento de la amplitud en los niveles de las mareas, sin embargo, su implementación ha generado discusiones y rechazos debido al impacto ambiental que generan. Otras alternativas que se están desarrollando y que cuentan con numerosos dispositivos en estado avanzado son el aprovechamiento de las corrientes marinas y la energía undimotriz. Otras fuentes energéticas en estudio son el aprovechamiento del gradiente salino en los estuarios, la energía geotérmica submarina, los hidratos de carbono y finalmente la energía maremotérmica. El aprovechamiento de la energía undimotriz es un planteo muy joven sin embargo los primeros registros de su aprovechamiento datan de principios del siglo XX, en la actualidad. en muchos países se está llevando a cabo interesantes experiencias, pero en algunos pocos se encuentran en fase de explotación comercial; tal es el caso del Mutriku en España que se basa en el sistema de columna oscilante de agua (OWS). El estado incipiente del desarrollo de las tecnologías para la captación del recurso undimotriz nos brinda una buena oportunidad para estar en la primera línea de acción Las posibilidades que nos brinda el mar son muchas, debemos tomar conciencia que es una fuente extraordinaria de energía que en nuestro país no estamos aprovechando. 2. El Término Undimotriz El término undimotriz se origina en la palabra onda y se aplica tanto a las ondas marinas en las zonas medianamente cercanas y alejadas de la costa (middle y off shore) como también a la franja costera (on shore); nuestro proyecto está vinculado al aprovechamiento en las zonas medias y cercanas de la costa, esto se debe a que es en esa franja donde se obtiene la máxima cantidad de energía. Este fenómeno es eminentemente de características superficiales y es el viento su promotor; se origina a partir del rozamiento de las masas de aire que se desplazan sobre la superficie del mar En la figura 1 se puede apreciar la forma en que originan las ondas y su desarrollo.

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Figura 1: Etapas de la vida de una onda

El fenómeno undimotriz se desarrolla en la superficie marina donde se produce el movimiento ondular o cuando las ondas impactan contra la costa. 2.2. Mapa Mundial del Recurso Undimotriz El Instituto de Ingenieros Mecánicos de Gran Bretaña elaboró un mapa global donde expresa los valores de la energía undimotriz en forma de potencia por unidad lineal, allí se puede apreciar el extraordinario potencial latente en nuestro litoral marítimo, los datos recogidos van de los 30 a 100 kW por cada metro de ola. En la figura 2 se indica el mapa mundial de energía expresada en kW por cada metro de frente de onda.

Figura 2: Mapa mundial de energía expresada en kW por cada metro de frente de onda.[6]

2.3. Características de la energía undimotriz Los océanos actúan como acumuladores de la energía cedida por el sol y el viento; en el caso de la energía undimotriz; la cantidad de energía dependerá de la duración e intensidad de los vientos. Las energías renovables se caracterizan por su variabilidad e intermitencia pero en el caso de la energía undimotriz existe un consenso internacional de su consistencia.

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El agua resulta ser un vector energético extraordinario, se caracteriza por la capacidad de almacenamiento y trasporte de la energía (este tema es reconocido a partir de los emprendimientos hidroeléctricos). La energía aprovechable es superior a las otras alternativas renovables de mayor presencia como la energía eólica y solar; esto se debe a que la densidad del agua es muy superior al aire (835 veces mayor; este aspecto queda revelado en la tabla 3 Tabla 3 Cuadro comparativo de la potencia por unidad de superficie de las energías renovables más utilizadas con respecto a la energía undimotriz.

Fuente energética Biomasa [7] Solar [8] Eólica [8] Undimotriz [8]

Potencia por cada unidad de superficie (W/m2) 0,6 200 400 a 600 2.000 a 3.000

Obs: Cuadro de realización propia con valores referenciados. [7][8] La conclusión del cuadro nos indica que la energía undimotriz resulta 5 veces más concentrada que la energía eólica y 30 veces más concentrada de la energía solar. 2.4.1 Mar Argentino y Dirección de las Ondas. La costa patagónica presenta un escenario óptimo de trabajo debido a la escasa profundidad del lecho marino aún a considerable distancia de la costa, esto facilita la instalación de los equipos. [9] El litoral marítimo de nuestro país tiene una longitud de 5.087 km, el lecho marino está ubicado en una plataforma que ocupa una superficie de 2.800.000 km2; esta plataforma se caracteriza por su leve pendiente que se ensancha hacia el sur. Una de las fortalezas de este proyecto es la presencia constante del viento en toda la región patagónica continental incluyendo los sectores marinos, esto garantiza que el fenómeno sea persistente y de buena intensidad. Por otro lado, es habitual que de no registrarse acción del viento en la región de captación, se podría verificar la presencia de ondas provenientes de regiones lejanas. Los antecedentes internacionales indican que la tecnología actual tiene una limitación técnica de captación de ondas que van de 0,5 a 2,5 metros de altura. En nuestro país, dependiendo de la región la altura promedio de las ondas oscila entre 1 y 2 metros. 3. Objetivo Nuestra intención con el primer modelo fue el abastecimiento de energía eléctrica por ejemplo de la iluminación de la franja costera de alguna población costera bonaerense; a medida que pasó el tiempo y los avances que realizamos expandimos nuestra intención en la propuesta de generar una tecnología técnicamente viable, económicamente factible y de bajo impacto ambiental capaz de transformar la energía

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undimotriz en fluido eléctrico para poblaciones costeras dispersas de la región patagónica. 3.1. Aspecto Académico El carácter académico de este proyecto nos lleva a la formación de cuadros profesionales en la temática de la investigación tecnológica aplicada, para ello estamos trabajando sobre la base de profesionales docentes que actúen como líderes de grupos constituidos por jóvenes profesionales y alumnos además de servir de modelo de un proyecto interdisciplinario que abarque la mayor parte de las carreras de nuestra facultad. Con la energía undimotriz estamos viviendo una experiencia particular pues estamos generando tecnología desde la academia; este es dato no menor pues en general los desarrollos tecnológicos surgen desde la praxis en las industrias y a continuación desde la academia explicamos el fenómeno. Luego de casi cinco años de trabajo en este proyecto podemos afirmar que en el ámbito de nuestra facultad se está gestando una masa crítica de alumnos con una conciencia ambiental interesada en las energías limpias renovables. 4. Historia y Estado del Proyecto El proyecto comenzó en el 2009 y el grupo de trabajo se conformó con docentes investigadores de las distintas especialidades de nuestra facultad; nuestra labor se inició con una exhaustiva búsqueda de información sobre el estado del arte de las tecnologías relacionadas al aprovechamiento del recurso, esta continua investigación junto con las noticias en el mundo vinculadas a la explotación de las energías marinas la estamos incorporando a una página web que estamos administrando denominada http://www.mecanica.frba.utn.edu.ar/energiaundimotriz/ A fin del 2009 logramos diseñar un sistema novedoso capaz de transformar la energía undimotriz en energía eléctrica. Durante el 2010 hemos calculado, dimensionado un equipo cuyo principio de funcionamiento es netamente mecánica (sistema mecánico SM). Durante el 2011 hemos construido, armado, ensayado y probado con éxito la cadena cinemática del SM en escala 1:20. El ensayo del equipo primeramente se realizó en vacío, y luego se acoplo el generador eléctrico con el cual se pudo verificar el encendido de un conjunto de luminarias de bajo consumo.

Fotografías del equipo funcional a escala 1:20 y render a escala 1:1

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El sistema de captación del recurso fue presentado en el Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI) a los efectos de obtener su patentamiento; la solicitud es la Nº 20110103542 con fecha del 27/09/11. En la actualidad estamos terminando la etapa de fabricación del prototipo 1:10 del SM, el mismo será ensayado en una pileta de prueba de náutica, esto nos permitirá realizar los ajustes de los parámetros de diseño. 4.1. Tipos de Dispositivos El sistema propuesto se basa en un concepto innovador en cuanto a la aplicación de modernos dispositivos mecánicos nunca antes utilizados en este tipo de aprovechamiento; esta es nuestra gran ventaja respecto a otros diseños. La tecnología aplicada tiene como parámetros referenciales al período y la altura de la onda, en los casos que las condiciones meteorológicas sean adversas en cuanto a su extrema intensidad (tormentas con vientos y altura de ondas de elevada magnitud) los equipos elevarán las boyas y se pondrán en resguardo de la acción del agua. Nuestro diseño básico del SM es muy simple, consta de un cuerpo donde se aloja el sistema electromecánico unido a un par de brazos de palanca que en su extremo tienen adosada cada uno una boya. La boya captura la energía del movimiento de las ondas marinas que se trasmite por el brazo de palanca al sistema electromecánico donde se genera la corriente eléctrica. Los aspectos de estanqueidad del dispositivo y durabilidad de los materiales son de especial cuidado en un ambiente de trabajo donde las exigencias mecánicas son extremas y los efectos de la corrosión son devastadores. A continuación en la figura 6 se muestra la imagen del dispositivo en funcionamiento.

Figura 6: Imagen descriptiva de un dispositivo en funcionamiento

4.3 Ubicación de los Dispositivos La ubicación futura de un prototipo experimental en escala real se propuso en la escollera del puerto de la ciudad de Mar del Plata, allí el promedio de altura de las ondas es de 1,2 m y la profundidad a una distancia cercana oscila entre 5 a 10 metro.

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Este sitio resulta conveniente por la proximidad un centro de consumo y la logística que puede brindar la Universidad Nacional de Mar del Plata y la regional de la U.T.N. El grupo de trabajo del área oceanográfica de nuestro proyecto ha determinado que también la escollera del Puerto de Quequén en la costa bonaerense brinda excelentes condiciones para la instalación del equipo; sin duda alguna no podemos dejar de mencionar el área costera patagónica especialmente en las provincias de Chubut y Santa Cruz que presenta diversos sitios donde este aprovechamiento sería óptimo.

5. Conclusiones Nuestro proyecto se debe entender como una más de las propuestas sustentables en el aprovechamiento de las energías limpias para satisfacer la demanda energética y principalmente honrar nuestro rol de tecnólogos devolviendo en hechos concretos aquella formación que la universidad pública nos brindó en forma gratuita. . Muchos expertos manifiestan que el reemplazo natural de los combustibles fósiles está en las fuentes oceánicas; el potencial de nuestro país en este sentido es enorme, y es nuestra oportunidad de mejorar la vida a nuestros habitantes y porque no a toda la humanidad con los extraordinarios recursos que poseemos. El camino para el desarrollo de estos recursos está abierto para todos los tecnológicos ávidos de desafíos; si bien es cierto que para los inversores existen otros emprendimientos vinculados a energías renovables más maduros como la energía eólica y solar fotovoltaica, sin embargo desde la academia tenemos el deber de presentar el recurso undimotriz a la sociedad pues la energía contenida es extraordinaria, solo tenemos que cosecharla; queremos informar a las empresas vinculadas a la explotación de recursos naturales que existe el recurso y que deben evaluar la posibilidad de su aprovechamiento. Una de las instancias probables del proyecto sería la creación de “parques para el aprovechamiento de la energía undimotriz”; estos parques contarían con muchos dispositivos para satisfacer los requerimientos energéticos de una comunidad alejada del sistema de provisión de energía eléctrica o incluso proveer del Sistema Interconectado Eléctrico Nacional. A los efectos de minimizar el impacto ambiental, los parques se ubicarían a distancias medias de la costa; el traslado de la energía se realizaría mediante un cableado submarino hasta la estación de transformación y distribución de la corriente eléctrica. Deberemos considerar que en un futuro cercano las matrices energéticas estarán constituidas principalmente por las energías renovables. Se habla del efecto 20/20/20, es decir que en el año 2020 la matriz energética contará con un 20% de energías renovables para reducir un 20% la emisión de dióxido de carbono, de allí que debemos estar preparados para ello. Nuestro potencial en biomasa es enorme y resulta sin duda una clave de nuestra economía (agricultura, ganadería y biocombustibles), los avances en energía eólica y solar son indicios que estamos entendiendo lo que sucede y nos estamos preparando, ahora nos falta dar un paso más y ser pioneros en la búsqueda de otras alternativas que resultan de potenciales indiscutidos tal como aquellas derivadas del mar. Las ondas marinas son una fuente de energía inagotable y limpia es decir representa una excelente oportunidad para la generación de energía eléctrica en forma

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sustentable. La ausencia de proyectos vinculados al aprovechamiento de la energía undimotriz nos brinda una excelente oportunidad para demostrar nuestra capacidad para la generación de una propuesta original e innovadora acorde a nuestra realidad. Para ello contamos con el apoyo de numerosos profesionales de las distintas especialidades como así también de las autoridades de nuestra facultad. Una de las instancias probables a futuro del proyecto sería la creación de “parques para el aprovechamiento de la energía undimotriz”; estos parques contarían con la cantidad de equipos necesarios para satisfacer los requerimientos energéticos de una comunidad alejada del sistema de provisión de energía eléctrica o incluso proveer del Sistema Interconectado Eléctrico Nacional.

7. Referencias [1]

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Aprovechamiento de la glicerina para la producción de biomasa algal Maria Cristina Zarrabeitia1, Adela Hutin1, Juan Montesano1, Ana Lía Fontal1,Edgardo Marcelo Turchetti1, Isabel Albarracín2. 1 Grupo de Bioenergía, Facultad de Fisicomatemáticas e Ingeniería de La Universidad Católica. Argentina. Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina. 2Laboratorio de Microalgas, Facultad de Ciencias Naturales, U. N. Patagonia S. J. Bosco, Trelew, Chubut, Argentina.

[email protected]

Resumen. El incremento mundial en la producción de biodiesel, ha generado toneladas de glicerina que no pueden ser absorbidas por las industrias actuales, surgiendo la necesidad de encontrar nuevas aplicaciones. El grupo de Bioenergía de la UCA, estudió su aprovechamiento para la producción de biomasa algal. La especie utilizada Chlorella vulgaris. Se realizaron 5 tratamientos con diversas concentraciones de glicerina. Se evaluó el crecimiento algal durante catorce días. Se determinó al finalizar los ensayos la glicerina residual, los triglicéridos totales y el perfil de los mismos.Como resultado se observó el aprovechamiento de la glicerina. Estos resultados muy alentadores, optimizarían las propiedades algales para ser utilizadas como dieta alimentaria y por otro el perfil de los ácidos grasos detectados resulta de gran interés para la producción de biocombustible, dada la notable presencia de insaturados. Palabras Clave: Microalgas. Glicerina. Biomasa. Bioenergía. Biodiesel..

1 Introducción La glicerina es un residuo prominente en la producción de biodiesel. El proceso habitual está basado en la transesterificación de aceites vegetales o grasas animales. La glicerina generada corresponde aproximadamente a un 10 % del biodiesel producido. Una vez refinada, el principal consumidor actual de la glicerina es la industria farmacéutica y cosmética. Sin embargo el incremento mundial en la producción de biodiesel, ha generado un aumento tal en la producción de glicerina que no puede ser absorbido por dicha industria y ante esta situación, surge la necesidad de encontrar nuevas aplicaciones. Dado que las microalgas pueden ser utilizadas para el tratamiento biológico de diversos efluentes, de los cuales obtienen nutrientes para su crecimiento (Shelef y col,1978; Olguín y col, 1994; Harmelen y Oonk, 2006; Olguín, 2003; Powell et al, 2008, Loera Quezada-Olguín, 2010) el grupo de Bioenergía de la Facultad de Fisico-

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matemáticas e Ingeniería de la UCA, estudió su aprovechamiento para la producción de biomasa algal. Se utilizó la especie dulceacuícola Chlorella vulgaris, proveniente del cepario de Microalgas de la Facultad de Ciencias Naturales de la sede Trelew de la Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco (UNPSJB). Se utilizó como medio de cultivo Detmer modificado (Accorinti, 1960). Se realizaron 5 tratamientos, en 200 mL de medio de cultivo con 0,125; 0,25; 0,5; 1 y 2 gramos de glicerina/ L. Fueron inoculados con una densidad inicial de 75.937 células/ mL. El crecimiento algal se estudió durante catorce días: luego de la siembra de los microorganismos se esperaron 48 horas y se iniciaron recuentos durante doce días consecutivos así como mediciones diarias de pH. Al finalizar los ensayos se determinaron la glicerina residual, los triglicéridos totales y el perfil de los mismos. Se puede afirmar que C. vulgaris alcanzó buen desarrollo en todos los tratamientos. En bajas concentraciones de glicerina, el pH sube constantemente, con lo que la fotosíntesis predomina. El pH desciende por el proceso de respiración. Los valores de pH finales de los tratamientos con 0,5; 1 y 2 gramos de glicerina/ L indican la influencia de la respiración celular o sea el aprovechamiento de la glicerina en el crecimiento del alga.

2 Preparación del trabajo ENSAYO El microorganismo utilizado. Se utilizó una cepa de C. vulgaris proveniente del Laboratorio de Microalgas de la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco (UNPSJB), sede Trelew, Chubut. La ubicación taxonómica de la misma es Orden: Chlorococcales, Familia: Oocytaceae. Es un alga esférica, inmóvil, de 2-10 micrones de diámetro. Produce clorofila a y b y diversas vitaminas (Betacaroteno, C, B1, B2, B6, B12).

3 Desarrollo Se realizaron 5 tratamientos, todos sobre 200 mL de medio de cultivo Detmer modificado. En ellos se incorporaron las siguientes dosis de glicerina: Tabla 1. Dosis de glicerina. Tratamiento 1 2 3 4 5

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g de glicerina / litro 0,125 0,25 0,5 1 2

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Todos fueron inoculados con una densidad inicial de 75.937 células/ mL. Después de la inoculación se llevaron los cultivos a cámara de incubación a 22° C, con fotoperíodo regulado 16: 8, con agitación diaria manual. Luego de 48 horas, durante doce días consecutivos se efectuaron recuentos microscópicos en cámara de Neubauer (Andersen, 2005), por triplicado cada día. En los cinco tratamientos y concentraciones de glicerina por litro se determinó diariamente el pH como así también la concentración celular. Se procede a la graficación del incremento de la densidad celular en función del tiempo, como así también el logaritmo del cociente C/C0 en función del tiempo. Por razones de espacio sólo colocaremos en este trabajo los resultados correspondientes a las mayores concentraciones de glicerina quedando a su disposición los demás gráficos y tablas de valores obtenidos. Al finalizar se realizaron análisis químicos. En el laboratorio de análisis cromatográfico CIC (certificado), se mandaron a analizar las muestras solicitando las determinaciones de glicerina, triglicéridos totales y perfil de los mismos. Para buscar: Glicerina libre: se utilizó método basado en las Normas USP Y Farmacopea Europea. Triglicéridos: se utilizó la Norma ASTM D6584-00 (Glicerina en Biodiesel B-100) Ácidos grasos: se utilizaron Normas USP Y Farmacopea Europea. Para todas las corridas, Cromatógrafo gaseoso marca Agilent 6890 con detector de Masas 5973 usando columna HP-5MS DE 30 m, 0,25 mm diámetro y 0,25 µm de espesor de film. Para los triglicéridos se utilizó un patrón de tricaprin de 600 microgramos/mL, para ácidos grasos patrón de ácido heptadecanoico de 145 microgramos/mL y para glicerina un patrón de glicerina de 431microgramos/mL.

4 Resultados 4.1 Recuentos Microscópicos

Tabla 2. ENSAYO 4: CHLORELLA VULGARIS con 1 gramo de glicerina/litro Día 0 3 4 5 6 7

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pH 6.8 8.28 8.43 8.28 8.28 8.81

Densidad celular (C) 75937 266250 364166 422500 507083 587500

ln /( C/C0) 1.255 1.568 1.716 1.899 2.046

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8 9 10 11 12 13 14

8.3 7.96 7.58 7.53 7.59 7.7 7.57

716666 690833 1134166 1004583 1208750 1752063 2162083

2.245 2.208 2.704 2.582 2.767 3.139 3.349

Densidad celular y pH pH

Concentración

Serie3

Densidad celular x 100000 - pH

25

20

15

10

5

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

días

Fig. 1. ENSAYO 4: CHLORELLA VULGARIS con 1 gramo de glicerina/litro. Crecimiento.

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Logaritmo de la Concentración ln(C/C0) = 0,807 + 0,174 x días 4.000 3.500

ln(C/Co)

3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15

días

Fig. 2. ENSAYO 4: CHLORELLA VULGARIS con 1 gramo de glicerina/litro. Concentración.

Tabla 3. ENSAYO 5: CHLORELLA VULGARIS con 2 gramos de glicerina /litro

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Día

pH

0 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

6.8 8.25 8.19 8.3 8.1 8.8 8.17 8.16 7.72 7.89 7.65 7.46 7.56

Densidad celular (C) 75937 165400 275000 417783 479166 541666 583333 782916 768750 859583 1270416 1317916 2120800

ln /( C/C0) 0.778 1.287 1.705 1.842 1.965 2.039 2.333 2.315 2.427 2.817 2.854 3.330

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Densidad celular y pH pH

Concentración

Serie3

Densidad celular x 100000 - pH

25

20

15

10

5

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

días

Fig. 3. ENSAYO 5: CHLORELLA VULGARIS con 2 gramos de glicerina/litro. Crecimiento.

Logaritmo de la Concentración ln(C/C0) = 0,53 + 0,19 x días 3.500 3.000

ln(C/Co)

2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15

días

Fig. 4. ENSAYO 5: CHLORELLA VULGARIS con 2 gramo de glicerina/litro. Concentración.

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4.2 Análisis Químicos Tabla 4. Cuantificación de glicerina Residual.

Ensayo

Glicerina inicial ( g/200L)

1 2 3 4 5

0,025 0,05 0,10 0,20 0,40

Glicerina remanente ( g/200mL) 0,0030 0,0006 0,0622 0,0359 0,2396

Glicerina aprovechada (%) 88 98,8 37,8 82,05 40,1

En el resultado de la cuantificación de glicerina residual colocamos los resultados de los cinco ensayos, sin embargo a continuación sólo hemos volcado en este trabajo los resultados del ensayo 4 y 5 para la determinación de triglicéridos y perfil de ácidos grasos. Tabla 5. Determinación de Triglicéridos.

1 2 3 4 5

Muestra

Mono, di y triglicéridos

0.025 g de Glicerina 0.05 g de Glicerina 0.1 g de Glicerina 0.2 g de Glicerina 0.4 g de Glicerina

No se detecta No se detecta Debajo del límte (43000 a 25000 años cal 14C AP), edad acotada por la limitación del método radiocarbónico. La laguna llegó a poseer una extensión entre ~900 a 572 Km2 de superficie y una profundidad máxima de ≥20 metros. Se labraron a sus alrededores extensas líneas costeras a 3695, 3680 y 3665 msnm y deltas Tipo Gilbert. Al final del Minchin, se transformó en una laguna salina (yeso, halita). En el último máximo glacial (LGM) (~23000 a 15000 años cal. 14C AP) se recuperó como laguna efímera (Playa lake). Los ajustes climáticos y tectónicos del final de esta fase (~15000 años AP) la redujeron a: 264 km2 de superficie y 10 m de profundidad. Las costas del Holoceno temprano a 3625 msnm (10000 AÑOS 14C AP) indican el inicio del interglacial con una mayor retracción lacustre de 112 Km2 por 1 m de profundidad, con oscilaciones entre 70 km2 x 0,50 m, hasta quedar casi seca como en los años 1958, 1983 y 1992. Sin embargo la CP muestra una recuperación desde los ~3000 año al presente, por la presencia de paleosuelos turbosos y con una tendencia en el incremento de las lluvias.

Agradecimientos Al Proyecto SECTER- UNJu Nº 08/D116 “Estudio de lagunas y salares de altura, Pleistoceno superior-Holoceno, Puna argentina” y al PICTO-UNJu N° 147 “Catástrofes Ambientales durante el Holoceno en Puna”, por el financiamiento de estas investigaciones.

Referencias 1. Gangui, A. & H.J. Göetze, The deep structure of the Northern Puna, Argentina-Constrains from 2D seismic data and 3D gravity modeling, 13º Congreso Geológico Argentino, 3º Congreso de Exploración de Hidrocarburos, Actas 2, 545-565, Buenos Aires (1996) 2. McGlue, M. M., A. S. Cohen, G. S. Ellis & A. L. Kowler, Late Quaternary stratigraphy, sedimentology and geochemistry of an underfilled lake basin in the Puna plateau (northwest Argentina), Basin Research, 25, 1-21 (2013) 3. Camacho, M. & A. Kunz, Sedimentos del testigo de la perforación al NE de La Laguna de Los Pozuelos Actual, Puna jujeña, Argentina. Investigaciones en Facultades de Ingeniería del NOA. Capítulo Ciencias de la Tierra T 1, 375-382. Editores Facultad de Tecnología y Ciencias Aplicadas, Universidad Nacional de Catamarca, Argentina (2011) 4. Gubbels, T.L., Isacks B.L. y Farrar, E. High level surfaces, plateau uplift, and foreland development, Central Bolivian Andes. Geology, 21, 695-698 (1993) 5. Mcglue, M. M., G. S Ellis, A. S. Cohen, & P. W. Swarzenski, Playa-lake sedimentation and organic matter accumulation in an Andean piggyback basin: the recent record from the Cuenca de Pozuelos, North-west Argentina, Sedimentology, 59, 1237-1256 (2012) 6. Camacho M., María I. Zamar & J.J. Kulemeyer. Sedimentología, Mineralogía y Paleontología de los sedimentos costeros del Pleistoceno tardío Holoceno, de la Cuenca de la Laguna de Los Pozuelos. Investigaciones en Facultades de Ingeniería del NOA. Capítulo Ciencias de la Tierra, ISSN N° 1853-7871. CD ROM 15. 8p.Edit. UNSE. Santiago del Estero (2013)

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7. Garreaud, R.D., Vuille, M., Compagnucci, R. &Marengo, J. Present-day South American climate. Palaeogeography, Palaeoclimatolology. Palaeoecology 281, 180–195 (2009) 8. Zhou, J. & K. M. Lau. Does a monsoon climate exist over South America? Journal of Climate, 11, 1020-1040 (1998) 9. Bianchi A. R. & C. E. Yañez. Las precipitaciones en el Noroeste argentino (2da Edición). Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria. Estación Experimental Agropecuaria, 383 pp. Salta, Argentina, 1992. 10. Placzek, C.J., J. Quade & P.J. Patchett, A 130 ka reconstruction of rainfall on the Bolivian Altiplano, Journal of Earth and Planetary Science Letters, 363, 97-108 (2013) 11. Cross, S., G. Seltzer, S. Fritz & R. Dunbar, Late Quaternary climate and hydrology of tropical South America inferred from an isotopic and chemical model of Lake Titicaca, Bolivia and Peru, Quaternary Research, 56, 1-9 (2001) 12. Argollo Bautista, J. & M. H. Iriondo, El Cuaternario de Bolivia y regiones vecinas. Museo Ameghino, Corrientes, Argentina (2008) 13. Martini, M. A. Strelin, J:A:, Kaplan M., Astini, R:A., Schaefer J. y Caffee M. Geomorfología y Cronología Glaciar durante el Pleistoceno tardío en el Nevado de Chañi (Cordillera Oriental, Noroeste argentino) en base al Isótopo Cosmogénico 10Be. Actas del XIX Congreso Geológico Argentino, S13-26: 1120-1121 (2014) 14. Zech, J., Zech, R., Kubik, P.W. y Veit, H. Glacier and climate reconstruction at Tres Lagunas, NW Argentina, based on 10Be surface exposure dating and lake sediment analyses. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 284: 180-190 (2009) 15. Orgeira M.J., Duahu, S., Gogorza, C., Sinito, A.M. Probable conexión entre el comportamiento del Campo Magnético Terrestre y Cambios Climáticos durante el Cenozoico tardío. Latinmag Letters, Volume 3, Special Issue, OD01, 1-4. Proceedings Montevideo, Uruguay (2013) 16. Baker, P., Rigsby, C., Seltzer, G., Fritz, S., Lowenstein, T., Bacher, N. & Veliz, C. Tropical climate changes at millennial and orbital timescales on the Bolivian Altiplano. Nature, 409, 698–701. (2001) 17. Chepstow-Lusty, A., Bush, M.B., Frogley, M.R., Baker, P.A., Fritz, S.C. & Aronson, J. Vegetation and climate change on the Bolivian Altiplano between 108,000 and 18,000 yr ago. Quatern. Res., 63, 90–98(2005) 18. Mayle, F. E. & Power, M.J. Impact of a drier Early-Mid-Holocene climate upon Amazonian forests, Philos. Trans. R. Soc., Ser. B, 363, 1829–1838 (2008) 19. Burns, S.J. Speleothem records of changes in tropical hydrology over the Holocene and possible implications for atmospheric methane. Holocene, 21, 735–741 (2011)

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Optimización del medio de cultivo de microalgas para la obtención de aceites destinados a biocombustibles. Ruben D. Singh, Luis A. Ojeda López, María L. Tereschuk Departamento de Ingeniería de Procesos y Gestión Industrial, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología, Universidad Nacional de Tucumán. Av. Independencia 1800, 4000 S.M. de Tucumán.

Resumen. El incremento en el precio del petróleo y la contaminación de los combustibles provenientes de este ha revalorizado la importancia de los biocombustibles tales como el biodiesel y el bioetanol. Los aceites vegetales y las grasas animales son la principal materia prima para la producción de biocombustibles, razón por la cual el uso de cultivos de alto contenido oleaginoso ha sido estudiado exhaustivamente. En este trabajo, se plantea el uso de micro algas como materia prima alternativa a la materia prima vegetal, de alto rendimiento y poco procesamiento. Se buscó optimizar su crecimiento de Scenedesmus acutus en condiciones adecuadas ensayando dos medios de cultivo, obteniendo mayor producción de biomasa con el medio Bold`s Basal Medium (BBM) (0.89 g/ L) con respecto al fertilizante comercial (Dolphin). Las curvas de crecimiento presentaron cracterísticas similares a las descriptas en la literatura. Se realizó un escalamiento hasta 10 L y el crecimiento se llevó hasta 50 días. Las microalgas son una alternativa de alta producción de aceites en espacios reducidos, y otorgan una opción en la producción de aceites, reduciendo el uso de terrenos fértiles.

Palabras clave: Micro Algas – Aceites – Biocombustibles.

1 Introducción El notable incremento en el precio del petróleo ha revalorizado la importancia de los combustibles alternativos, y dentro de éstos, el biodiesel es uno de los más utilizados. Químicamente el biodiesel es una mezcla de compuestos sintéticos en estado líquido, que se describen como monoalquilésteres de alcoholes de cadena corta, usualmente etanol y metanol, con ácidos grasos de cadena larga obtenidos a partir de biomasa renovable y que es técnicamente capaz de sustituir al diesel derivado de petróleo como combustible.

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A diferencia del diesel convencional obtenido a partir del petróleo, la principal ventaja del biodiesel consiste en que es una fuente de energía renovable y biodegradable (hasta cuatro veces más rápido) y produce menos emisiones contaminantes al medioambiente (CO, hidrocarburos aromáticos policíclicos, óxidos de azufre, metales) durante su combustión debido a su estado oxigenado, siendo éstas por ende menos nocivas; típicamente produce cerca de 60 % menos emisiones de dióxido de carbono y sus emisiones de smog son 65 % menores que el diesel derivado del petróleo. [1] Los aceites vegetales (comestibles y no comestibles, vírgenes y usados) y grasas animales son la principal materia prima para la producción de biodiesel, razón por la cual el uso de cultivos de alto contenido oleaginoso ha sido estudiado exhaustivamente. Las materias primas vegetales más viables económicamente son aquellas que tienen grandes contenidos de energía, altos rendimientos por hectárea y requieren poco procesamiento, tales como la caña de azúcar para el caso del etanol y la palma aceitera para el biodiesel. Los principales cultivos oleaginosos utilizados son: la palma, colza, soja, girasol, coco, cacahuate, oliva, mostaza, entre otros. La producción de biodiesel a base de los cultivos mencionados arriba (también el etanol), puede tener impactos ambientales negativos que cuestionen su naturaleza renovable, limpia y sostenible; además de que crean la dicotomía entre cultivo para alimentación humana o cultivo para producción energética, estos aspectos no se presentan en los cultivos de microalgas y cuentan con la ventaja de poder cultivarse a lo largo de todo el año y de necesitar una superficie de cultivo mucho menor para igual producción [2] Las microalgas son un conjunto heterogéneo de microorganismos fotosintéticos unicelulares procariontes (cianobacterias) y eucariontes, que pueden encontrarse en hábitats tan diversos como aguas marinas, dulces, salobres, residuales o en el suelo, bajo un amplio rango de temperaturas, pH y disponibilidad de nutrientes; se les considera responsables de la producción del 50% del oxígeno y de la fijación del 50% del carbono en el planeta. [3], [4] Las Microalgas son los organismos fotosintéticos más eficientes, absorben más CO2 y liberan más O2 que cualquier planta, crecen extremadamente rápido y llegan a acumular grandes cantidades de diversos productos. Algunas microalgas doblan su biomasa en 24 h y el tiempo de duplicación de biomasa durante la fase exponencial puede ser tan corto como 3.5 h. Esta ventaja en la eficiencia fotosintética se probó en varias pruebas de plantas piloto, además algunos estudios publicados muestran que el contenido oleaginoso de algunas especies puede llegar al 50% del peso seco del alga; por esto, las producciones anuales de aceites a base de Algas son mucho mayores, entre 2-550 veces superiores que para cualquier otro tipo de cultivo. [5] En el presente trabajo, se contempla estudiar las condiciones de obtención y cultivo de microalgas nativas a escala laboratorio para la producción de biocombustible

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para utilizarlo en el reemplazo total o parcial del diesel obtenido de petróleo, mediante la refinación del aceite derivado de microalgas que crecen naturalmente en nuestra región. Para ello, se estudiará el cultivo y procesamiento de las especies nativas de microalgas así como las ventajas potenciales que presentan éstas para producir dicho aceite, mediante su metabolismo, con respecto a otras fuentes de aceite como las especies vegetales superiores, teniendo en cuenta nuestro compromiso ecológico y social del cultivo de potenciales alimentos para la producción de combustibles. Se contemplará la utilización de métodos clásicos e innovadores de laboratorio para el crecimiento de las algas, como ser la optimización del medio de cultivo que contenga nutrientes que ayuden al crecimiento de las mismas, como se presenta en este trabajo.

2 Objetivos Optimizar las condiciones de cultivo con un medio económico para la especie de microalga Scenedesmus acutus, en condiciones de cultivo semi controladas a escala laboratorio.

3 Materiales y métodos 3.1 Muestras Se utilizó la cepa de microalga que se encuentra en muestras de agua de la provincia de Tucumán Scenedesmus acutus (Chlorophyta), adquirida en la UBA en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (2013). Para su crecimiento y mantenimiento se transfirieron células en suspensión cada 10 días a medio de cultivo Estándar fresco (Tabla 1), asegurando así la conservación de células jóvenes. 3.2 Medios de cultivo El cultivo de la cepa se realizó utilizando el medio de cultivo “Bold’s Basal Medium” (BBM) preparado según indicaciones del protocolo en agua bidestilada (Tabla 1), el segundo cultivo utilizado fue un fertilizante comercial (Dolphin) cuya composición en microelementos es (Según etiqueta): Microelementos: MgO, Fe, Mn, B, Zn, Cu, Mo solubles en agua y Fe, Mn ,Zn y Cu quelados por EDTA. No se determina la composición en nitrógeno y fósforo.

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El protocolo estipula que el medio de cultivo BBM se prepara agregando 10 ml de las soluciones 1 a 6 y 1 ml de las soluciones I a IV a 936 ml de agua bidestilada (Volumen final: 1l). El pH del medio es 5,5- 6 .

ME D IO D E C UL T IVO B O L D ´S B AS AL ME D IUM s oluc iones s toc k de mic ro y mac ronutrientes 1

NaNO 3

10g/400 ml H 2 O bides t.

2

K H2 P O 4

7g/400 ml H 2 O bides t.

3

K 2 HP O 4

3g/400 ml H 2 O bides t.

4

MgS O 4 .7H 2 O

3g/400 ml H 2 O bides t.

5

C aC l2 .2H 2 O

1g/400 ml H 2 O bides t.

6

NaC l

I

s oluc ion s toc k E D T A

II

S oluc ion s toc k de F e

III

IV

E DTA KOH F eS O 4 .7H 2 O H2 S O 4

H3 B O 3

S oluc ion s toc k de mic ronutrientes

1g/400 ml H 2 O bides t. 50g /1 l H 2 O 31g bides t. 4,98g /999 ml H 2 O bides t. 1 ml 11,42g/1 l H 2 O bides t.

ZnS O 4 .7H 2 O

8,82g

MnC l2 .4H 2 O

1,44g

MoO 3

0,71g

C uS O 4 .5H 2 O

1,57g

C o(NO 3 )2 .6H 2 O

0,49g

H2 S O 4

1 ml

/999 ml H2O bides t.

Tabla 1. Medio de cultivo Bold´s Basal Medium BBM.

3.3 Cultivo de las muestras El cultivo en batch se realizó por duplicado en frascos Erlenmeyer de 500 cm3 con insuflado de aire mediante un aireador con capacidad de 2 L/min al cual se le acopló en la salida un filtro, y se expuso a luz natural a una temperatura de 25°C durante un período de 50 días. Posteriormente se pasó a un cultivo intermedio en frascos de 1000 cm3 (Figura 1), se prepararon dos inóculos, uno con un fertilizante comercial, y el otro con BBM con el objetivo de comparar los 2 crecimientos; estos cultivos se airearon mediante una bomba con capacidad de 6 Lt/min y se expusieron a la misma condición de luz. Se realizó una curva de crecimiento con muestras tomadas cada tres días durante 50 días (Figura 1).

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El cultivo fue llevado a un recipiente de mayor capacidad (10 L) el cual fue inoculado con 1 ml del cultivo anterior que presento el mejor perfil de crecimiento. Este crecimiento tuvo una duración de 30 días, fue aireado con bomba de capacidad de 6 Lt/min y agitándolo con 2 bombas de agua de capacidad de 500 Lt/h c/u, y se expuso a luz continua artificial y manteniéndolo a una temperatura controlada de 25°C (Figura 2).

Figura 1. Cultivo en Erlenmeyer de 1000 cm3

Figura 2. Cultivo en recipiente de 10 litros

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Pasado el período de cultivo se realizó la concentración de biomasa de microalga mediante una centrifugación en una centrífuga de velocidad de 4500 rpm durante 15 minutos, la biomasa precipitada fue colocada en otro tubo para su posterior procesado. (Figura 3).

Figura 3. Cosecha y concentración de las microalgas mediante centrifugacion

3.4 Polimorfismo La morfología de las microalgas se observó a través de un Microscopio Olympus BX60M. Adquisición de imágenes cámara de video SONY Exwave HAD Digital, tarjeta gráfica CORECO.

4 Resultados y Discusión Al cabo de los 50 días de cultivo se procedió a cosechar las microalgas dando como resultado de la recolección un rendimiento de 0,89 g/L. y 0,71 g/L para el fertilizante comercial. Del análisis de las curvas de crecimiento de ambos medios podemos observar que el medio de cultivo “Bold’s Basal Medium” (BBM) presenta mejores resultados que el fertilizante comercial. El rendimiento de biomasa obtenido con el

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medio BBM (0,89 g/L), es el doble del informado por Quevedo et al 2008 que es de 0,4 g/L para el medio con mayor rendimiento [6]. La concentración de biomasa alcanzada en nuestro trabajo es mayor a la reportada por otros autores [6, 7], aún para el medio con fertilizante, pero menor a las concentraciones reportadas por Greque y Vieira 2007 [8], donde se obtienen 1,800 g/L de Scenedesmus obliquus cultivada en fotobioreactores, a los cuales se les provee CO2. Se podría inferir que una provisión continua de CO2 podría mejorar el rendimiento en la obtención de biomasa, sin embargo esto implicaría mayores costos.

CURVA DE CRECIMIENTO 0,9 0,8 0,7

DO

0,6 0,5

0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

10

20

30

40

50

DIA

Cultivo c/BBM

Cultivo c/fert. Comercial

Figura 4. Curvas de crecimiento de los dos medios de cultivo.

Bajo ciertas condiciones ambientales las especies de Scenedesmus sp cambian su forma buscando una manera de adaptarse. Los cambios respecto a las condiciones externas de los diferentes medios de cultivo evaluados en esta investigación, radican principalmente en la composición de los medios y las concentraciones de los macro y micronutrientes. En las observaciones al microscopio se identificaron en ambos medios, acúmulos de 1, 2 y 3 células en ambos medios evaluados; sin embargo, la mayoría eran colonias de una y dos células (figura 5). Se observaron células esféricas, propias de crecimientos en medios nutritivos como los de este trabajo. Comparando las morfologías de las células, aquellas integradas por tres células o

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más, suelen ser más delgadas que las demás, largas y, en algunas ocasiones, presentan apéndices [6].

Figura 5. Morfología encontrada en medio BBM. Micrografía 50x. Microscopio Olympus BX 60 M.

5. Conclusiones Se realizó exitosamente el desarrollo y conservación de Scenedesmus acutus a escala laboratorio en condiciones de esterilidad durante un período de 50 días, con rendimientos intermedios a los encontrados en la bibliografía, generando así un posible crecimiento continuo de las micro algas para la obtención de aceite para biocombustibles a no muy alto costo. Se planea extraer los aceites por métodos convencionales y supercrítico y realizar la transesterificación para la obtención del biodiesel. Agradecimientos. Financiamiento: Programa CIUNT E401 y Programa VU (SPU/ME) y a la Cátedra de Microbiología de FACET-UNT por facilitarnos el uso de sus laboratorios. Al Dr Nicolás Nieva (FACET-UNT) por las microfotografías.

Referencias 1

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Fernández González J. 2002. Barreras para el desarrollo del empleo de los biocombustibles sólidos y líquidos. Ponencia en las Jornadas sobre Aportación de la Biomasa al Desarrollo de las Energías Renovables. Madrid: Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE). 12-13 diciembre 2002.

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Castro P., Coello J., Castillo L. 2007. Opciones para la producción y uso del biodiesel en el Perú. Lima: Soluciones Prácticas –ITDG. 176 pp. Arredondo BO & Vázquez-Duhalt R (1991) Aplicaciones biotecnológicas en el cultivo de microalgas. Ciencia y Desarrollo. 17: 99-111. Lundquist T.J., Woertz I.I., Quinn N.W.T., Benemann J.R., A Realistic Technology and Engineering Assessment of Algae Biofuel Production. Energy Biosciences Institute, University of California, 2010. CHRISTI, Y. 2007. Biodiesel from Microalgae. Biotechnology Advances, (25):294-306. Quevedo C, Morales S.P., Acosta A. Crecimiento de Scenedesmus sp. En diferentes medios de cultivo para la producción de proteína microalgal. Vitae 15 número: 25-31. Colombia. 2008. Kim MK, Park JW, Park CS, Kim SJ, Jeune KH, Chang MU, et al. Enhanced production of Scenedesmus spp. (green microalgae) using a new medium containing fermented swine wastewater. Bioresource Technol 2007; 98: 2220 – 2228. Greque M, Vieira JÁ. Biofixation of carbon dioxide by Spirulina sp. and Scenedesmus obliquus cultivated in a three-stage serial tubular photobioreactor. J Biotechnol 129: 439– 445. 2007

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