Provisión de servicios energéticos básicos de "Loyola School" en India

Abstract

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.