Alvaro F.C.a, Del Carpio H.J.a, Milón J.J.a and Braga S.L.b aInstitute of Energy and Environment, San Pablo Catholic University, Arequipa, Peru

bEnergy Institute, Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro, Brazil

Contenidos

1.Introducción 2.Modelo Experimental 3.Procedimiento Experimental 4.Resultados 5.Conclusiones

Este trabajo de investigación pretende establecer los primeros pasos para la utilización de biogás en motores de ciclo Diesel a gran escala en Perú para la reducción del consumo de combustibles fósiles, contribuyendo al cuidado ambiental y reduciendo los costos de las empresas peruanas.

INTRODUCCIÓN

Preocupación por disponibilidad de fuentes energéticas Digestión anaeróbica producción de biofertilizantes y biogás Biogás (50% metano, CH4): gas de efecto invernadero, alto GWP (Potencial de Calentamiento Global) Utilización en Motores de Combustión Interna y generadores para producción sustentable de electricidad Generación descentralizada

MODELO EXPERIMENTAL

Motor Generador Ciclo Diesel 4 cilindros Acoplado a un generador de electricidad Cummins-Stamford Potencia de salida: 36 kW Velocidad (rot.): 1800 rpm Capacidad: 3.9 l Con Turbocompresor

Desarrollado en el Laboratorio de Ingeniería Vehicular de la Pontificia Universidad Católica de Rio de Janeiro, LEV - PUC-Rio. Administración de diferentes cantidades de biogás mediante la variación del Duty Cycle. Duty Cycle: Fracción de tiempo que los inyectores están abiertos

Kit de Conversión Diesel – Biogás

Kit de Conversión Diesel – Biogás

Kit de Conversión

Diesel – Biogás

Gobernador Electrónico

Inyectores de Diesel

Inyectores de Biogás

Carga Eléctrica

señ

al

eléc

tric

a señ

al eléctrica

señal eléctrica (Duty Cycle)

señal mecánica (incremento de potencia)

señal eléctrica (reducción de flujo másico)

(Duty Cycle)

Modelo Experimental

Suministro de biogás: Tubo de poliamida – antes del turbocompresor en la entrada de aire.

Consumo de diesel: tanque y balanza.

Consumo de biogás: medidor de flujo volumétrico de tipo turbina.

Consumo de aire: tobera y transductor de presión diferencial. Tobera de acero inoxidable con razón de diámetros de 0,75. Temperatura: termopares de tipo K (Chromel-Alumel).

Sistema de Purificación y Compresión Desulfurización, compresión y almacenamiento de biogás

Filtro de carbón activado para remoción de H2S Tanque de PVC con rejillas de metal para contener el adsorbente Presión requerida: 3 bar, biogás presurizado hasta 4 bar

Sistema de compresión: Compresor semi-hermético Volumen del tanque: 0.2 m3 Presión de diseño: 20 bar Panel eléctrico y

presostato: activación y desactivación del compresor

Regulación de presión a 3 bar

Sistema de Purificación y Compresión

Dispositivo de remoción de H2O

Sistema de Purificación y Compresión

Dispositivo de separación de CO2

Filtros para la remoción de H2S

Carga Eléctrica Simulación de carga eléctrica Resistencia eléctrica: 03 barras de cobre - 03 fases Tanque con salmuera (0.5%) Consumo de energía variable con la profundidad de sumersión

Señales emitidas por instrumentos de medición y adquiridas por el Sistema de Adquisición de Datos (SAD) Del SAD a la PC a través de un puerto RS-232 Procesamiento y análisis Software: BenchLink Data Logger y LabVIEW®

Sistema de Adquisición de Datos

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Pruebas en modo diesel y modo diesel-biogás Pruebas hechas para el 62.5% de la máxima carga Dos Duty Cycles diferentes evaluados a una potencia constante de 25 kW Tasas de substitución evaluadas para dos diferentes DC: 30% and 50% Procedimiento para las pruebas en modo diesel-biogás Inyección del biogás en una forma gradual y controlada hasta notar una operación anormal en el motor Las pruebas iniciaban en modo diesel incrementando la carga eléctrica hasta 25 kW en régimen permanente La inyección del biogás se inició y el DC varió de 30% to 50% durante la prueba.

RESULTADOS

Tabla . Separación de elementos indeseados del biogás.

Contaminante unidad Entrada Salida

H2S PPM 2000 84 CO2 % Vol 22 21 O2 % Vol 9 3 CH4 % Vol 41 41 CO PPM 2 2

RESULTADOS Pruebas de compresión.

Tiempo, s

Tiempo, s

Pre

sió

n, b

ar

Flu

jo V

olu

mét

rico

, m3/h

Pabs_in Pman_out

Desconexión por el presóstato

RESULTADOS

La temperatura se incrementa para altas cargas, debido a la adición de biogás en la misma carga eléctrica.

Variación de la temperatura de los gases de escape y el Duty Cycle durante las pruebas.

RESULTADOS Para altas tasas de substitución el consumo de diesel se reduce y el consumo de biogás es más alto.

RESULTADOS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00

Du

ty C

ycle

, %

Co

nsu

mo

Die

sel,

kg/

h

Potencia Mecánica, kW

Modo Diesel

Modo Diesel-Biogás

Duty Cycle

RESULTADOS

0

50

100

150

200

250

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00

Tem

pe

ratu

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ase

s, °

C

Tasa

de

Su

bst

itu

ció

n, %

; D

uty

Cyc

le,

-

Potencia Mecánica, kW

Tasa de Subst.

Duty Cycle

Temp. Gases

RESULTADOS

Tabla 2. Resumen de costos de procesamiento de biogás.

Descripción del Costo Costo

Remoción de H2S, S/./kg 0,196

Compresión, S/./kg 0,022

Costo de procesamiento de biogás, S/./kg 0,218

Tabla 3. Costo de generación de 1 kWh.

Requerimiento de biogás, kg/kWh 0,125

Costo del biocombustible, S/./kWh 0,027

Requerimiento de diesel, kg/kWh 0,109

Costo del combustible diesel, S/./kWh 0,449

COSTO DE GENERACIÓN 0,476

Tabla 1. Equipos para la producción de biogás.

Descripción Valor, S/.

Biodigestor de geomembrana 216 000,00

Bomba de lodos 7 000,00

Compresor para biogás 6 000,00

Dispositivo de remoción de H2S 500,00

Motor de combustión interna 33 900,00

Kit de conversión Diesel-Biogás 10 170,00

TOTAL 273 570,00

CONCLUSIONES Se alcanzan importantes tasas de substitución para la carga eléctrica, consideradas económicamente viables en esta potencia. El desempeño del motor no es afectado en aspectos térmicos por la inyección de biogás. En las últimas pruebas hechas, se alcanzaron tasas de substitución de 70%.