Provisión de servicios energéticos básicos de "Loyola School" en India
Resumen
El objetivo de este proyecto es diseñar una tecnología sencilla, asequible y
funcional que supla las necesidades energéticas básicas de las instalaciones ubicadas
en una zona rural en India, que comprenden un colegio "Loyola School" y un
albergue donde viven los niños que van a este colegio.
Estas necesidades son tres: Electricidad, Agua Caliente Sanitaria y mejora de la
cocina. Los principales requisitos son: 100 k W de electricidad para iluminación,
equipos y cocina, agua caliente para unas 300 personas, una instalación
independiente y de tecnología sencilla para los trabajadores de la zona,
diversificación de la materia prima para evitar problemas de abastecimiento y bajo
coste. Para elegir la tecnología adecuada, se hizo un primer estudio de todas las
existentes, tanto renovables como no. Por razones económicas, de viabilidad
tecnológica y de los recursos de la zona, se evalúa como solución más óptima la
utilización de biomasa.
La biomasa ofrece diversas soluciones energéticas en función de las
características de materia prima que se utilice y de su aplicación. Existen tres tipos de
conversión de biomasa en energía: Conversión Termoquímica, Físico-Química y
Biológica. Para este proyecto, el proceso que tiene interés es la transformación
termoquímica de la gasificación por lo siguiente: El proceso de gasificación permite
obtener un gas que, después de limpiarlo y refrigerarlo, alimenta a un motor de
combustión interna alternativo que está unido a un alternador para producir
electricidad.Además, aprovechando los gases de escape del motor, se consigue calentar agua
para ACS. En cuanto a la cocina, la instalación más segura es una cocina eléctrica,
cuya potencia ya está incluida en el los 100 kW requeridos. Una vez establecido el
tipo de instalación que se va a implantar, se comienza a estudiar la gasificación en
mayor profundidad.
La gasificación es un método en el que se quema materia prima de origen vegetal
para obtener un gas, con el que se puede alimentar un motor de combustión interna,
una turbina o producir calor. La materia prima que se puede utilizar es muy variada,
pero suele ser residuos vegetales o forestales como astillas de madera, cáscara de
arroz, de coco, etc. Para la gasificación del combustible, existen diversos tipos de
reactores. Los más importantes son los de lecho fijo downdraft, updraft y lecho
fluidizado, cuya elección depende de su uso final. Así pues, para requerimientos de
grandes potencias se utilizan los de lecho fluidizado y para menores potencias en los
que se utiliza un motor, los de downdraft. Éste último es el que se va a utilizar para el
diseño de nuestra planta.
El funcionamiento del lecho fijo downdraft se caracteriza por cuatro fases:
Secado, Pirólisis, Combustión y Reducción. El reactor alcanza una temperatura
máxima de unos 1.000 ºC, de forma que convierte la materia prima sólida en un gas
con valor calorífico medio.
Conocer la materia prima disponible para alimentar el lecho downdraft y
aprovecharlo al máximo es un tema fundamental. Las características de la zona van a
delimitar los tipos de residuos vegetales que se pueden utilizar de la agricultura. Así
pues, en los campos cercanos al colegio, se cultiva arroz, algodón, sorgo y maíz
principalmente. Una vez evaluadas sus propiedades, se concluye que la principal
materia prima a utilizar es la cáscara de arroz pero apoyada por el resto de materias
primas (mazorcas de maíz, residuos de algodón y de sorgo y RSU), para potenciar al
máximo la diversificación y asegurar un funcionamiento continuo de la planta.
La elección de la materia prima, definirá las propiedades del gas resultante y sus
contaminantes. Alimentando el reactor con estos residuos vegetales, se obtiene un
gas de un poder calorífico medio, mayor de 1.000 kcal/Nm3
. Este dato y el contenido
de humedad, el cual queda definido con el pretratamiento de secado, son
fundamentales para conocer la eficiencia y aprovechamiento de los motores. Otros parámetros también importantes para el rendimiento son el tamaño de la
materia prima y su densidad aparente.
El gas obtenido aparece con ciertos contaminantes, que se deben estudiar para
poder diseñar el sistema de limpieza de la instalación. Los contaminantes más
importantes son alquitranes, fenoles, cenizas y otra materia volátil.
La necesidad de eliminar los contaminantes es por un buen funcionamiento del
motor y de toda la planta. El gasificador está diseñado para eliminar el alquitrán
produciendo su craqueo. Las primeras cenizas se recogen en la parilla móvil del
gasificador, y el resto de partículas se van eliminando en el sistema de limpieza, que
cuenta con un ciclón, un scrubber y filtros.
El siguiente punto es diseñar la instalación teniendo en cuenta todas las
características anteriores. La planta comienza con un pretratamiento de secado y
trituración. A continuación, el combustible se transporta hasta la tolva que alimenta
de forma continua al gasificador. El gas producido atraviesa el sistema de
refrigeración y limpieza, que consiste en un scrubber, un ciclón y tres filtros, y
finalmente alimenta a los dos motores que tienen acoplados un alternador para
producir la electricidad. A continuación, se encuentra el intercambiador de calor que
aprovecha los gases de escape de los motores para calentar agua caliente sanitaria. La
cocina, como es eléctrica, se incluye dentro de la potencia a la que se diseñan los
motores.
Por último, después de definir toda la instalación era necesano buscar un
proveedor que ofertase este tipo de tecnología. El más adecuado es Ankur Gasifiers,
ya que es el que mejor se adapta a los requisitos. Las razones principales fueron una
oferta de llave en mano para la instalación, su ubicación en India y que su precio es
mucho menor que los de Europa.
Finalmente, sólo me queda por incluir el agradecimiento a todas aquéllas
personas que colaboran con el proyecto, esperando que todo este trabajo ayude en lo
máximo posible al desarrollo del colegio y de su entorno. The objective of this project is the design of a simple, easy and functional
technology to supply energy to sorne facilities based in a rural area in India, which
entail the "Loyola School" and the dorm where the children who study at the school
live in.
The energy neccesities are the following three: electricity, hot water for medica!
purposes and kitchen improvement. The main requirements are the following ones:
100 kW of power for ilumination, kitchen devices, hot water for about 300 people, an
independent building with simple technology for the workers of the area, and
diversification of the raw material in arder to avoid supplying and low cost problems.
In this proyect, there was a first study of all the available technologies, both the
renewable and the non - renewable ones. Due to economic reasons, technology
feasibility and considering the resources of the area, the optimum solution was the
utilization of bio - mass.
The biomass offers many energetic solutions depending on the characteristics of
the raw material being used and its application. There are three ways to transform
bio - mass into energy: Thermodynamical conversion, Physical and Chemical
conversion, and biological conversion. In this project, the process that takes place is
the the themo - chemical transformation by means of the gasification due to the
following reason: the gasification allows to obtain a gas that, after going under under
a clening and refrigeration processing, feeds an interna! - combustion engine, which
is joined toan altemating - current generator.Moreover, using the waste gas of the engine, it is possible to heat up water for
ACS. Regarding the kitchen, the safest system consists on an electrical kitchen since
its power is included in the required 100 kW. Once the system that is going to be set
up is considered, we move forward to study the gasification process in depth.
The gasification is a process in which a vegetable raw material is bum to obtain a
gas than can be used to feed an intemal - combustion engine, to feed a turbine or to
produce heat. There is a great range of raw materials that can be used, but the most
common ones are the waste vegatables, such as wood splinters, rice or coconut
husks, etc. There are also several types of jet engines that produce the combustion of
the biofuel. The most common ones are the fix bed downdraft, updraft and the fluid
bed ones, which are chosen depending of the final use, i.e., fluid bed is used when
high power is required whereas fix bed downdraft is used for less power
requirements, such as an engine. Therefore, the latter is the one chosen to be used at
our facilities.
The process of fix bed downdraft consist on four steps: dry - up, pirolysis,
combustion and reduction. The jet engine reaches a maximum temperature of 1000
ºC, transforming the solid raw material into a gas with a medium calorific value.
The good knowledge of the available raw material that is used in the fix bed
downdraft is a main issue. The characteristics of the area will delimit the type of
vegetable wastes that come from harvesting. Thus, in the fields surrounding the
school, rice, cotton, sorgo and com are cultivated. Once there properties were
evaluated, the conclusion was that the main raw materail would be rice husks,
supported by the other raw materials available ( com cobs, cotton and sorgo wastes
and RSU) in order to promote the variety and assure the continuity of the facilities.
The choice of the raw material determined the propeties of the gas and its
contaminants: when feeding the jet engine with these vegetable wastes, the gas
yielded has a medium calorific value, higher than 1.000 kcal/Nm3
. This piece of data
and the humidity content, which is determined in the dry - up preprocess, are
fundamental to know the efficiency of the engine. Other important parameters are the
size ofthe raw material and the apparent density.The gas that is yielded contains sorne contarninants, which have to be studied to
be able to design the cleaning systern in the facilities. The rnain contaminants are tar,
ashes and other volatile cornponents.
The necessity to elirninate the contaminants has sornething to do with the correct
operation of the engine and the facilities. The gasification device is design to
elirninate the tar yielded in the cracking. The first ashes are collected in the non -
fixed grill, and the rest of the particles are elirninated in the cleaning systern that
consists on a cyclone, a scrubber and sorne filters.
The next step consists on designing the facilities considering the characteristics
previously rnentioned. The plant starts up with a dry - up and grinding preprocess.
Next, the biofuel is transported to the hopper that continuosly feeds the gasificator.
The yielded gas goes through the refrigeration and cleaning process, which consists
on a scrubber, a cyclone and three filters, and finally feeds two engines coupled to an
altemating - current generator. Next, there is a heat exchanger that uses the waste
gas of the engine to heat up water for rnedical purposes. The kitchen, since it is
electrical, is included within the power for which the engines are designed.
Last, after having defined the plant, it was necessary to look for a supplier of this
certain technology. The one that fits best the requirernents is Ankur Gasifiers. The
rnain reasons were that it offers a plant, it is based in India and its price is srnaller
than the prices in Europe.
Finally, I just have to rnention how greatful I am for all the people that have
cooperated in this project, and that I hope that this project will help as rnuch as
possible for the developrnent of the school and its surroundings.