Diseño de un sistema híbrido para generar energía eléctrica mediante gasificación de biomasa residual y generación fotovoltaica para diferentes usos en países en desarrollo

Abstract

El presente trabajo tiene como objetivo identificar soluciones económicamente ventajosas y sostenibles para suministrar electricidad y agua a los países en desarrollo, en particular utilizando un sistema híbrido que consta de un gasificador de tiro descendente de 20 kW y paneles fotovoltaicos. El proyecto finalizado será utilizado por la ONG Manos Unidas como un medio para estimar los costes, el rendimiento y el potencial de este sistema y ayudará a investigar las ventajas que la gasificación puede proporcionar en términos económicos, medioambientales y de mejora de la biomasa residual presente en el sitio. Inicialmente, se hace un enfoque sobre los números y la situación de las necesidades energéticas en el mundo, observando cuáles son las iniciativas y los objetivos para suplir las carencias. La imagen de los procesos de conversión de energía a partir de la biomasa se ilustra de forma clara y esquemática. Entre ellas se encuentra la gasificación, que se explica exhaustivamente y se clasifica según los tipos, procesos y tecnologías existentes, hasta la gasificación downdraft, cuyos principios y subprocesos se explican detalladamente. Después de proporcionar la información anterior, puede pasar a la parte de cálculo. Con el fin de proporcionar resultados más amplios, se seleccionan nueve de los tipos más comunes de biomasa residual. A partir de los datos experimentales, se desarrolla un procedimiento de cálculo detallado que, a partir de la biomasa bruta, la transforma en gas de síntesis. Esta mezcla de gases luego pasa a través de un intercambiador de calor para calentar agua con fines sanitarios, para luego ser quemada dentro de un motor para la producción de electricidad. En esta fase de cálculo, todos los equipos principales y auxiliares son cuidadosamente seleccionados de catálogos reales. En este punto, se identifica una comunidad rural en Nigeria en las inmediaciones de una granja de pollos, cuyo estiércol es un recurso valioso que se puede utilizar dentro del gasificador. Se identifican las cargas y necesidades de esta población y, tras asumir un perfil de carga, se ha desarrollado un proceso de minimización de LCOE mediante un código MATLAB. Después de haber ingresado los costos de inversión y mantenimiento y haber ingresado todos los parámetros necesarios, se encontró una solución óptima que soporta la tecnología de gasificación y fotovoltaica con sus elementos auxiliares relativos de la manera más económica. Habiendo definido en detalle todos los elementos que componen el proyecto, es posible estimar la inversión total. Aparte de todos los cálculos desarrollados, se elabora un modelo de dimensión cero que permite predecir la composición del gas de síntesis y su poder calorífico a partir de la composición elemental de cada biomasa. Los resultados se comparan y validan con los datos experimentales de las mismas biomasas elegidas en la fase de cálculo. Esta herramienta permite obtener estimaciones inmediatas, económicas y en promedio aceptables sobre la productividad de la gasificación.

The present work aims to identify cost-effective and sustainable solutions to supply electricity and water to developing countries, in particular using a hybrid system consisting of a 20 kW downdraft gasifier and photovoltaics. The completed project will be used by the NGO Manos Unidas as a mean to estimate the costs, performance and potential of this system and will help investigate the advantages that gasification can provide in economic, environmental and exploitation terms of the residual biomass present on site. Initially, a focus is made on the numbers and the situation of energy need in the world, observing what are the initiatives and objectives to fulfill the deficiencies. The picture of the energy conversion processes starting from biomass is illustrated in a clear and schematic way. Among these there is gasification, which is exhaustively explained and classified according to existing types, processes and technologies, with a main focus on downdraft gasification, whose principles and sub-processes are explained in detail. After providing the above information, it is possible to move on to the calculation part. In order to provide broader results, nine of the most common types of residual biomass are selected. Using the experimental data, a detailed calculation procedure is developed which, starting from the raw biomass, transforms it into syngas. Then, this gas mix passes through a heat exchanger to heat water for sanitary purposes, to finally be burned inside an engine to produce electricity. In this calculation phase, all main and auxiliary equipment are selected from real catalogs. At this point, a rural community in Nigeria is identified in the vicinity of a chicken farm, whose manure is a valuable resource that can be used inside the gasifier. The loads and needs of this population are identified and, after hypothesizing a load profile, a process of LCOE minimization was developed through a MATLAB code. After having identified the investment and O&M costs and all the necessary parameters, it has been found an optimal solution that couples in the cheapest way the gasification and photovoltaic technology with their relative auxiliary elements. Finally, having defined in detail all the elements that make up the project, it is possible to estimate the total investment. Separately from all the calculations developed, it has been elaborated a zero-dimensional model which allows to predict the composition of the syngas and its calorific value starting from the elemental composition of each biomass. The results are compared and validated with the experimental data of the same biomasses chosen in the calculation phase. This tool allows to obtain immediate, economic and on average acceptable estimates on the productivity of gasification.