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Aprovechamiento energético de los residuos sólidos y radiación solar | 1

APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Y RADIACIÓN

SOLAR EN EL COLEGIO TÉCNICO VICENTE AZUERO

ING. MECÁNICA ELIZABETH RIATIGA FANDIÑO

UNIVERSIDAD DE SANTANDER

MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS

BUCARAMANGA

2016


APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Y RADIACIÓN

SOLAR EN EL COLEGIO TÉCNICO VICENTE AZUERO

ING. MECÁNICA ELIZABETH RIATIGA FANDIÑO

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para obtener Título de

Magíster en Sistemas Energéticos Avanzados

Director y asesores de tesis:

ERIK VERA MERCADO

PHD. EN INGENIERÍA

LILIANA CASTRO MOLANO

PHD. EN INGENIERÍA QUÍMICA

UNIVERSIDAD DE SANTANDER

MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS

BUCARAMANGA

2016


AGRADECIMIENTOS

Todo es posible gracias a la sabiduría que Dios nos da; gracias entonces primero al

Padre Celestial, gracias a mis instructores, a quienes me han guiado, me han

acompañado y han hecho posible la consecución de un nuevo logro que pongo al

servicio de mis estudiantes.

Mi gratitud especial para mi familia que siempre me ha cedido espacios para que yo

pueda dedicar tiempo a mis estudios, gracias a quienes de una u otra forma me han

apoyado en este proyecto y gracias también a la Universidad de Santander, UDES,

porque hoy puedo decir que soy una egresada más de tan prestigiosa institución.


Contenido

Pág.

Resumen ..................................................................................................................... 11

Abstract ....................................................................................................................... 12

Introducción ................................................................................................................. 13

1. Generalidades del proyecto ..................................................................................... 15

1.1 Planteamiento del Problema .................................................................................. 15

1.2 Objetivo General .................................................................................................... 16

1.3 Objetivos Específicos ............................................................................................. 16

2. Marco Teórico: ......................................................................................................... 17

2.1 Energía Solar: ........................................................................................................ 17

2.1.1 El sol y otras fuentes energéticas........................................................................ 22

2.2 Usos de la Energía Solar en Colombia .................................................................. 23

2.3 Recurso Solar en Colombia ................................................................................... 24

2.3.1 Ubicación Municipio de Floridablanca ................................................................. 26

2.3.2 Radiación Solar Municipio de Floridablanca ........................................................ 28

2.4 Biomasa ................................................................................................................. 31

2.4.1 Tipos de Biomasa ............................................................................................... 31

2.4.2 Tecnologías para el Aprovechamiento de la Biomasa: ........................................ 32

2.4.2.1 Métodos Termoquímicos .................................................................................. 32

2.4.2.2 Procesos Biológicos ......................................................................................... 33

2.4.3 Biogás ................................................................................................................. 36

2.4.3.1 Composición del Biogás ................................................................................... 36

2.4.3.2 Temperatura .................................................................................................... 39

2.4.3.3 Limpieza del Biogas ......................................................................................... 40

2.4.3.4 Lodos o Abonos Orgánicos .............................................................................. 40

2.4.4 Tipos de Biodigestor ........................................................................................... 41

2.4.4.1 Biodigestor flujo discontinuo o Batch: ............................................................... 41

2.4.4.2 Biodigestor flujo semicontinuo: ......................................................................... 42

2.2.4.3 Biodigestor flujo Continuo ................................................................................ 47

3. Diseño sistema fotovoltaico ..................................................................................... 52


3.1 Calculo sistema fotovoltaico ................................................................................... 55

3.1.1 Consumo Diario .................................................................................................. 55

3.1.2 Dimensionamiento De Un Sistema Autónomo Fotovoltaico ................................ 56

3.1.2.2. Dimensionado del acumulador ........................................................................ 60

3.1.2.3. Selección de las Baterías ................................................................................ 61

3.1.2.4. Dimensionado del Regulador: ......................................................................... 61

3.1.2.5 Dimensionado del Inversor: .............................................................................. 63

3.1.2.6 Dimensionamiento del cableado: ..................................................................... 64

3.1.2.7. Estructuras soporte para paneles Fotovoltaicos. ............................................ 64

3.2 Costo de inversión Sistema Fotovoltaico................................................................ 66

3. Escenarios Alternativos............................................................................................ 70

3.3.1 Primer Escenario ................................................................................................ 70

3.3.2 Segundo Escenario ............................................................................................. 75

3.4 Mantenimiento del sistema Fotovoltaico ................................................................ 78

4. Diseño del Biodigestor ............................................................................................. 80

4.1 Potencial Energético .............................................................................................. 84

4.2 Diseño de Biodigestor tipo tubular......................................................................... 85

4.2.1 Tiempo de retención ........................................................................................... 85

4.2.2 Volumen del Biodigestor ..................................................................................... 85

4.2.3 Diseño del Reservorio: ........................................................................................ 87

4.2.4 Producción de Bioabono ..................................................................................... 87

4.2.5 Accesorios .......................................................................................................... 88

4.2.6 Quemadores de la Estufa:................................................................................... 89

4.2.7 Comportamiento Reológicos de los residuos orgánicos ...................................... 90

4.2.8 Ubicación y Superficie Biodigestor ...................................................................... 93

4.2.9 Mantenimiento .................................................................................................... 94

4.2.10 Análisis Financiero ............................................................................................ 95

5. Conclusiones ......................................................................................................... 100

Referencias Bibliográficas.......................................................................................... 103

Anexos ....................................................................................................................... 108


Lista de Figuras

Pág.

Figura 1 Colegio Técnico Vicente Azuero .................................................................... 15

Figura 2: Radiación Solar Copyright (Encarta, 2015) ................................................. 20

Figura 3. Flujo de Energía. ........................................................................................... 22

Figura 4. Mapa Radiación Solar Colombia. .................................................................. 26

Figura 5: Mapa Municipio de Floridablanca .................................................................. 27

Figura 6: Programa METEONORM .............................................................................. 28

Figura 7. Grafica Media Diaria Radiación Global ......................................................... 29

Figura 8: Mapa Radiación Solar ................................................................................... 30

Figura 9: Tipos de Procesos de la Biomasa ................................................................. 33

Figura 10: Esquema Digestión Anaerobia. ................................................................... 35

Figura 11: Analogía energética del Biogás. .................................................................. 36

Figura 12. Biodigestor Discontinuo o Batch. ................................................................ 41

Figura 13: Biodigestor Tipo Chino o Domo fijo. ............................................................ 43

Figura 14: Biodigestor Hindú o Domo Flotante. ............................................................ 44

Figura 15: Biodigestor Taiwanés o tubular. (Machorro & Méndez, 2011) ..................... 45

Figura 16 Trampa de Agua. ......................................................................................... 46

Figura 17 Válvula de alivio ........................................................................................... 47

Figura 18: Biodigestor continúo.................................................................................... 49

Figura 19: Biodigestores Tanques Múltiples. ............................................................... 50

Figura 20: Biodigestor Vertical .................................................................................... 51

Figura 21: Recibo Servicio Energía Eléctrica ............................................................... 52

Figura 22: Taller metalmecánica .................................................................................. 53

Figura 23: Potencia Diaria Demandada ....................................................................... 55

Figura 24: Panel Monocristal Bojia300W Modelo BJ-M300W ...................................... 59

Figura 25: Batería CSB MSJ650 2V 650 A-h ............................................................... 61

Figura 26: Controlador Flexmax 7500 W-MPPT48V PWM ........................................... 62

Figura 27: Inversor SolarMax SUNZET 100T - 100 KW .............................................. 63

Figura 28: Distancia Mínima ........................................................................................ 65


Figura 29: Vista Superior Colegio ................................................................................ 66

Figura 30: Restaurante escolar .................................................................................... 80

Figura 31: Depósito de Basura Colegio Técnico Vicente Azuero ................................. 81

Figura 32. Diagrama de Flujo Biodigestor .................................................................... 83

Figura 33: Tamaño Biodigestor .................................................................................... 86

Figura 34: Huertas escolares ....................................................................................... 88

Figura 35: Partes Salida del biogás ............................................................................. 89

Figura 36. Quemador Teenwin Biogas modelo TY-SU ................................................. 90

Figura 37. Comportamiento Reólogicos de los Fluidos ............................................... 92

Figura 38. Lote ubicación biodigestor ......................................................................... 93

Figura 39. Dimensión zanja Biodigestor ....................................................................... 94


Lista de Tablas

Pág.

Tabla 1. Balance de Energía ........................................................................................ 20

Tabla 2. Radiación Regional en Colombia ................................................................... 24

Tabla 3: Radiación Solar Floridablanca........................................................................ 28

Tabla 4: Porcentaje de Metano según sustrato ............................................................ 38

Tabla 5. Composición según el sustrato ...................................................................... 38

Tabla 6: Tipo de Bacterias según la temperatura ......................................................... 39

Tabla 7: Beneficios Biodigestor Discontinuo ................................................................ 42

Tabla 8: Biodigestor Discontinuo chino. ....................................................................... 43

Tabla 9: Biodigestor Discontinuo tipo Hindú. ................................................................ 44

Tabla 10: Biodigestor Discontinuo tipo Taiwanés o tubular. ......................................... 47

Tabla 11: Biodigestor continuo. .................................................................................... 48

Tabla 12: Consumo Eléctrico ....................................................................................... 53

Tabla 13 : Relación Ldm/Gdm(0,β) .............................................................................. 57

Tabla 14: Costos de Inversión Sistema Fotovoltaico .................................................... 66

Tabla 15: Análisis Financiero Proyecto Fotovoltaico .................................................... 69

Tabla 16: Consumo Eléctrico ....................................................................................... 70

Tabla 17: Costo Inversión Sistema Fotovoltaico .......................................................... 72

Tabla 18: Análisis Viabilidad Económica ...................................................................... 73

Tabla 19: Consumo equipo eléctricos .......................................................................... 75

Tabla 20: Análisis Económico Sistema Fotovoltaico .................................................... 77

Tabla 21: Desechos agrícolas del restaurante escolar ................................................. 81

Tabla 22: Producción Biogás a partir de desechos orgánicos. ..................................... 82

Tabla 23: Producción biogás diario producido por restaurante escolar ........................ 82

Tabla 24: Potencial energético anual restaurante escolar ............................................ 85

Tabla 25. Consumo-Producción Gas ........................................................................... 96

Tabla 26: Costo Inversión Biodigestor ......................................................................... 96

Tabla 27. Calculo Tiempo de Retorno Biodigestor ...................................................... 98


Lista de Anexos

Pág.

Anexo A. Glosario ...................................................................................................... 108

Anexo B. Abreviaturas: .............................................................................................. 110

Anexo C. Resultados Encuesta 1. ¿Qué les preocupa a los Colombianos? ............... 114

Anexo D. Resultados Encuesta 2. Identificación de la Importancia del Medio Ambiente

en el Colegio .............................................................................................................. 118

Anexo E. Resultados Radiación Solar programa Meteonorm ..................................... 121

Anexo F. Cotización Baterías ..................................................................................... 124

Anexo G. Cotización Paneles Solares ....................................................................... 125

Anexo H. Cotización Regulador fotovoltaico .............................................................. 127

Anexo I. Catálogo de Cables ..................................................................................... 128

Anexo J. Catálogo de Fusibles:.................................................................................. 132

Anexo K. Catalogo Inversores Fotovoltaicos .............................................................. 134

Anexo L. Catalogo Contador Eléctrico ....................................................................... 137

Anexo M. Recibos servicios públicos de la Institución. ............................................... 138

Anexo N. Análisis Huella de Carbón: ......................................................................... 140

Anexo O. Análisis Viabilidad Económica .................................................................... 145


Resumen

TITULO: APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Y

RADIACIÓN SOLAR EN EL COLEGIO TÉCNICO VICENTE AZUERO1

AUTOR (ES): ELIZABETH RIATIGA FANDIÑO2

PALABRAS CLAVES: Sistema Fotovoltaico, Biodigestor, orgánico, tiempo de retorno.

Contenido:

El objetivo del presente trabajo es la realización de un estudio técnico y financiero,

en el Centro Educativo Colegio Técnico Vicente Azuero, que busca alternativas para

reducir los altos consumos de energía eléctrica, y mejorar el manejo y disposición de

los residuos orgánicos, proveniente del restaurante escolar, que ocasionan graves

problemas sociales y medio ambientales para la comunidad estudiantil.

Se realizó el análisis para la instalación de un sistema fotovoltaico que busca bajar

los costos de energía, determinando la radiación promedio recibida en la región

mediante datos obtenidos por laboratorios de climatología, se especificaron los

elementos y equipos requeridos para su instalación, los costos de inversión y tiempo

de retorno, para así determinar la viabilidad económica del proyecto.

Se clasifico y se determinó que residuos sólidos provenientes del restaurante

pueden ser utilizados para la producción de biogás por medio de un Biodigestor, se

estimó su dimensionamiento y el volumen de biogás que se puede obtener, para ser

utilizado como combustible en el restaurante escolar, se especificó los elementos

requeridos para su instalación, desarrollando un análisis financiero para verificar su

viabilidad económica. Además se determinó el número de toneladas de dióxido de

carbono CO2, reducidas anualmente con el uso de energías renovables, mediante el

análisis de la huella de carbón y la huella ecológica.

1 Proyecto de Grado 2 Facultad de Ingenierías. Director PhD. Ing. Erik Vera Mercado. Codirector PhD. Ing. Liliana Castro Molano


Abstract

TITLE: ENERGY USE OF SOLID WASTE AND SOLAR RADIATION IN THE

TECHNICAL COLLEGE VICENTE AZUERO3

AUTHOR: ELIZABETH RIATIGA FANDIÑO4

KEYWORDS: Photovoltaic , Biodigestor, organic, time of return.

Content:

The objective of the present work was doing a technical and financial study at

technical School Vicente Azuero, that looks for alternatives to reduce the high

consumptions of electrical energy, and to improve the handing and disposition of the

organic residues, from the school restaurant, which causes serious social and

environmental problems to the student community.

The analysis was realized for the installation of a photovoltaic system that seeks to

lower the costs of energy, determining the average radiation received in the region by

means of information obtained by laboratories of climatology, the elements were

specified and the equipments its installation, the costs of investment and time of return,

and this way to determine the economic viability of the project.

Solid residues from the restaurant were classified some of them could be used for

the production of biogas by means of a Biodigestor, the volume and the sizing of biogas

were estimated to be used as fuel in the school restaurant, the necessary elements

were specified for their installation, developing a financial analysis to check its economic

viability, besides, it was determined the number of tons of carbon dioxide CO2, reduced

anually with the use of renewable energies, by means of the analysis of the coal

fingerprint and the ecological fingerprint.

3 Final Graduate Project 4 Engineering Faculty. Director PhD. Ing. Erik Vera Mercado. Co-director PhD. Ing. Liliana Castro Molano


Introducción

En la Institución Educativa Colegio Técnico Vicente Azuero, existen problemas de

alto consumo energético y la generación diaria de residuos orgánicos provenientes del

restaurante escolar que acarrean problemas ambientales. Esto conlleva a la búsqueda

de procesos y herramientas que permitan reutilizar estos elementos y por ende ayudar

a disminuir los costos de energía.

El presente trabajo se desarrolla teniendo como base la problemática ambiental

originada por el alto volumen de residuos teniendo en cuenta la cantidad de

estudiantes, la carencia de procedimientos para su manejo, lo que ocasiona problemas

de contaminación olfativa, posible origen de enfermedades en los estudiantes,

presencia de plagas (roedores y demás), y la contaminación de una fuente hídrica

cercana, el aprovechamiento de estos residuos sólidos a partir de la instalación de un

Biodigestor, ayudaran a mejorar el nivel de vida de la comunidad educativa y reducir

los costos del servicio de gas en el restaurante escolar.

La radiación solar percibida en la zona es elevada, esto se evidencia mediante la

sensación visual y por las elevadas temperaturas en las aulas, esto se refleja en la baja

concentración de los alumnos al tener más de 40 personas en mismo sitio elevando

aún más la temperatura del salón de clases pues no se cuenta con sistemas de

enfriamiento. El uso de las celdas fotovoltaicas permite, en este caso, reducir las

temperaturas y generar energía eléctrica.

Se diseñaran encuestas estructuradas como instrumentos metodológicos que

permitan conocer el manejo y disposición de residuos sólidos en la institución

educativa, así mismo se conocerá el grado de conocimiento y compromiso que existe

por parte de la comunidad educativa, para el cuidado del medio ambiente. Se realizará


el análisis, cálculo y diseño de un Biodigestor donde se producirá el biogás, este se

aprovechará directamente para la cocción.

Se realizara mediciones periódicas de la radiación solar y se recolectara la

información para tener una base confiable, para realizar el diseño de un sistema

fotovoltaico para la Institución, para ser autónoma en la generación de energía

eléctrica.

Finalmente se realizará una evaluación de la viabilidad económico-ambiental de los

proyectos, análisis de la huella de carbono y la huella ecológica de los residuos del

restaurante y el consumo de energía eléctrica de la Institución.


1. Generalidades del proyecto

1.1 Planteamiento del Problema

El Colegio Educativo Vicente Azuero, está ubicado en Municipio de Floridablanca

en el sector de Lagos II, cuenta con 1942 estudiantes de los estratos 1, 2 y 3

localizado dentro de un lote de área 15000 m2, conformado por doce bloques de uno y

dos pisos de un área construida de 3070 m2, conformada por 36 aulas de clase, cinco

salas de informática, un aula de electricidad, una biblioteca, un salón de taller de

metalistería, un salón de mantenimiento de equipos y una sala de docentes.

Figura 1 Colegio Técnico Vicente Azuero

Actualmente mantiene un alto consumo eléctrico, de 12240 Kwh/mes (Dato tomado

de la factura del consumo eléctrico de la Institución) debido al uso de equipos de

cómputo, aires acondicionados, ventiladores y los equipos del taller de metalmecánica,

que conlleva en la búsqueda de alternativas que puedan reducir estos gastos.

Además se requiere mejorar el manejo y disposición de los residuos orgánicos, que


provienen del restaurante escolar en donde desayunan y almuerzan 500 estudiantes,

produciendo alrededor de 2,5 Toneladas de residuos sólidos mensuales, ocasionando

problemas sociales y ambientales.

El uso de sistemas fotovoltaicos permitirá que el Colegio sea autosuficiente en la

producción de Energía Eléctrica, y mediante el diseño del Biodigestor se tratara los

residuos Orgánicos del restaurante escolar.

1.2 Objetivo General

Determinar la viabilidad económica y ambiental de la producción de energía solar y

biogás en el centro educativo Vicente Azuero del municipio de Floridablanca.

1.3 Objetivos Específicos

Examinar la viabilidad económica y ambiental de un Biodigestor para generar

biogás y abono orgánico a partir de los desechos orgánicos del restaurante

escolar.

Analizar la viabilidad económica y ambiental de producción de energía

mediante el uso de la Radiación Solar, en el Centro Educativo Vicente Azuero

del Municipio de Floridablanca.


2. Marco Teórico:

2.1 Energía Solar:

La energía solar es obtenida en forma directa e indirecta del sol de una masa de

2x1030 kg, que está formado por los elementos Helio e Hidrogeno que están

constantemente en fusión alcanzando unas temperatura entre 8-40 millones de

grados Kelvin en su interior, y en la superficie una temperatura cercana a los 6000

grados Kelvin, estas altas temperaturas generan una gran energía que se transmite en

forma de radiación electromagnética que viaja por el espacio a una velocidad de

2,99x108 m/s, la intensidad de la radiación decrece inversamente al cuadrado de su

distancia llegando solo a la Tierra dos millonésimas partes de la energía irradiada por el

Sol, se calcula con la siguiente formula:

I =Psol

s[

W

m2] (1,1)

Psol=Potencia emitida por el sol = 3,9x1026 W

s= superficie esférica = 4πr2

r= distancia del Sol a la Tierra= 1,496 x1011

I= Intensidad Solar

I=3∗1026

4π∗(1,496∗1011)2 (1,2)

Obteniéndose una intensidad en la superficie de la Tierra de

I=1366 W/m2 (1,3)


Esta intensidad se reduce debido a la atmosfera de la Tierra, la inclinación del eje

de rotación de la Tierra, la forma esférica de la Tierra y el movimiento de traslación

alrededor del Sol. (Cala González & Rodriguez Sañudo, 2010).

La luz tiene una composición corpuscular, que significa que están constituidas por

fotones que tienen diferentes cantidades de energía según la longitud de onda, lo que

se puede apreciar en la ecuación de Planck.

e = h ∗C

λ (1,4)

Siendo h la constante de Planck que equivale a (6,62 *10-34 J*s), λ la longitud de

onda en metros, y C la velocidad de la luz (3*10 8 m/s).

Las ondas electromagnéticas se encuentran divididas desde las ondas ultravioletas

que son de alta frecuencia y pequeña longitud de onda (λ < 360 nm), hasta las

infrarrojas que son ondas de baja frecuencia y alta longitud de onda (λ > 760 nm).

Parte de las ondas ultravioletas son absorbidas por atmosfera, lo que favorece ya

que son perjudiciales para la vida, lo que reduce la intensidad de la radiación solar en

un 7% (Instituto Meteorológico Nacional de Costa Rica, 2009).

La ondas comprendidas entre 200-310nm son absorbidas por la atmosfera lo que

favorece al desarrollo de la vida en nuestro planeta ya que son ondas de baja longitud

de onda que llevan mucha energía lo cual puede afectar el ADN de los seres vivos

(Pérez de los Reyes, 2007). Los rayos UV que quedan en la atmosfera eliminan

algunos compuestos que llegan a la atmosfera como los plaguicidas.

La atmosfera dispersa los rayos de baja frecuencia siendo la razón porque el cielo

se ve azul, este fenómeno es llamado dispersión Rayleigh, la luz que proviene

directamente del sol parte de rayos azules se irradian, por lo que se observa el cielo de

color amarillo, y los rayos de alta frecuencia (rojos) pasan a la superficie lo que da el


color rojizo, característico de los atardeceres. Los rayos con más de 760 nm se

denominan rayos infrarrojos donde el 43% de la radiación solar corresponde a estos

rayos (Inzunza, 2010).

Parte de los rayos infrarrojos son reflejados hacia el espacio por la atmosfera, y el

restante son absorbidos por el vapor de agua y el dióxido de carbono elevando la

temperatura de las moléculas, la atmosfera recibe parte de estos rayos y los envía al

espacio, los rayos que logran traspasar la atmosfera llegan a la superficie de la tierra

que luego son irradiados a la atmosfera, de esta manera mantiene un equilibrio térmico.

(EcuRed:, 2009).

Para realizar el cálculo de la radiación captada en nuestro planeta, se debe tener

en cuenta ciertas variables, como la distancia del sol-tierra y la constante solar, que se

definen de la siguiente manera:

Distancia solar: es la distancia del sol a la Tierra, se han realizado cálculos

tomando como distancia media de 1,49*1011 m con un ángulo de 32°, tal como se

observa en la figura 2.

La constante solar se define como la energía radiada que llega a la superficie de la

tierra por unidad de área y por unidad de tiempo, su valor promedio se ha calculado de

1367 W/m2. (Cota Espericueta, 1995).

Este valor de radiación se debe corregir multiplicándolo por el área de la Tierra y se

divide en la superficie total del planeta, lo que da una radiación de 341 W/m2.


Figura 2: Radiación Solar Copyright (Encarta, 2015)

La energía total absorbida por la Tierra es de 161 W/m2 debido a que parte de la

radiación es absorbida por la atmosfera 78 W/m2, otra parte se refleja al espacio por

las nubes y gases atmosféricos 79 W/m2, y 23 W/m2 son reflejados por la superficie de

nuestro planeta.

También se debe tener en cuenta que la Tierra es un cuerpo solido caliente que

emite radiación, según la NCAR (Centro Internacional de Investigación Atmosférica) la

tierra mantiene un promedio de temperatura entre 15.9°C en Julio y 12.2°C en Enero,

emitiendo una irradiación de 396 W/m2, de los cuales 333 W/m2 son reflejados

nuevamente por la atmosfera, en la Tabla 1 se observa el balance de radiación de

nuestro planeta. Esa diferencia entre la energía que entra y sale es de 0,9 W/m2,

debido a que la Tierra se está calentando, lo que se conoce como efecto invernadero.

Tabla 1. Balance de Energía

SUPERFICIE

ENERGÍA ENTRADA ENERGÍA SALIDA

Absorbida por la

superficie

161 W/m2 Convección del Calor de

la Tierra

17 W/m2


DE LA

TIERRA

Reflejada por la

atmosfera

333 W/m2 Evaporación de los

líquidos de la superficie

de la Tierra

80 W/m2

Radiación de la

Superficie

396

W/m2

TOTAL 494 W/m2 493

W/m2

ATMOSFERA Absorbida por la

atmosfera

78 W/m2 Radiación emitida al

espacio

238

W/m2

Radiada por la

superficie

396 W/m2 Radiación hacia la

superficie

333

W/m2

Calor sensible de

la superficie

17 W/m2

Calor latente de

evaporación

80 W/m2

TOTAL 571 W/m2 572

W/m2

En la figura 3 se observa el balance del flujo de energía (Trenberth, Fasullo, &

Kiehl, 2008). En ella se ve los flujos de energía que entran y salen a la superficie de la

Tierra, debido a la radiación solar y la radiación de la Tierra.


Figura 3. Flujo de Energía.

Tomado de (Trenberth, Fasullo, & Kiehl, 2008)

2.1.1 El sol y otras fuentes energéticas

Por medio de la energía solar se producen otros tipos de energías renovables y no

renovables. La radiación absorbida por los océanos y otras acumulaciones de líquidos

que se evaporan, que forman las nubes que luego hace que se precipiten aumentando

el nivel de las represas lo que ayuda a generar energía por medio de las

Hidroeléctricas.

Las plantas absorben energía solar que se convierte en energía química por medio

de la fotosíntesis, lo cual permite la producción de alimento y madera que generan

biomasa. Los alimentos son consumidos por seres que al descomponerse junto con la

biomasa producen los hidrocarburos. Debido a la convección de la radiación de la


superficie de la tierra hacia la atmosfera, provoca cambios en la densidad del aire lo

cual permite la aparición de vientos, que genera energía eólica.

2.2 Usos de la Energía Solar en Colombia

Los principales usos de la Energía Solar en Colombia son como fuente de

calentamiento de agua, generación de electricidad con sistemas fotovoltaicos, secado

de alimentos como el café y el cacao, y destilación de agua no potable o de mar. En la

década de los 50 del siglo pasado se utilizaron calentadores solares en las viviendas

de los empleados de las bananeras ubicadas en Santa Marta, luego se extendió su uso

en las Universidades, Hospitales y centros comunitarios.

En los años 80 se masifico su uso por medio de la utilización de colectores solares

con un gran tanque de almacenaje, tuberías de cobre o de aluminio y se usaba una

película absorbedora con aditivos especiales. En esos años existían dos formas con

calentadores solares o eléctricos, los solares costaban cerca de US$1000 (precio en

los años 80) para un tanque de 120Lt, la inversión inicial era alta pero el costo se

recobraba en algunos años, por lo que muchas urbanizaciones e industrias instalaron

estos equipos. Hacia los años 90 el costo de gas natural era muy bajo y sus

calentadores desplazaron el uso de calentadores solares, en la actualidad se siguen

utilizando el gas natural como fuente de energía. (Rodríguez, 2008).

La generación de energía por los sistemas fotovoltaicos se inició en los sectores

rurales donde no existía una red eléctrica confiable, en la década de los 80 gracias al

programa Telecomunicaciones Rurales de Telecom, se comenzó a masificar esta

tecnología para la industria, telecomunicaciones, boyas y bases militares, pero debido a

los problemas de seguridad se redujo su desarrollo, actualmente muchas de las

instalaciones realizadas por el gobierno han tenido problemas por falta de

mantenimiento, compra de repuestos o mano de obra. Durante los últimos años por

medio de FAZNI (Fondo de Apoyo Financiero para la Energización de las Zonas No


Interconectadas), IPSE (Instituto para la Promoción de Soluciones Energéticas), han

realizado grandes inversiones en el sector rural para abastecerlos de energía eléctrica.

Mediante la Ley 1715 del 2014, el gobierno contempla grandes beneficios

tributarios, como la reducción en la renta líquida, importación de equipos con cero

aranceles, exención en el IVA, para los inversores en energía renovable. En Colombia

se cree que el 3% de la energía consumida es solar, es decir alrededor de 6GW, esto

es debido a los altos costos de inversión, una vivienda sus costos en un sistema

fotovoltaico están entre 7 a 30 millones de pesos. (Celis & Estrada, 2015).

En un futuro, el estado tiende a realizar grandes inversiones para interconectar

pueblos que están muy alejados de la red, ubicados en Caquetá, Norte de Santander,

Vichada, Arauca y Choco, dotando las viviendas con paneles de 500KW, que

suministrarían energía por 8 horas para iluminación y refrigeración, también dotaría de

energía a instituciones educativas y médicas, se espera una inversión cercana a

$28.0000 millones de pesos para el año 2015 por parte del IPSE (Instituto para la

Promoción de Soluciones Energéticas).

2.3 Recurso Solar en Colombia

Colombia está ubicado en un sitio donde puede captar una alta radiación en

promedio puede recibir una radiación diaria de a 4,5 Kwh/m2, existiendo sectores que

reciben una alta radiación como es la Guajira de a 6 Kwh/m2, en la Tabla 2 se observa

las radiación recibida por regiones, y en la figura 4 se puede observar el mapa de

Radiación Solar promedio anual en Colombia. (UPME, 2005).

Tabla 2. Radiación Regional en Colombia

REGIÓN RADIACIÓN ANUAL

(kWh/m2)

GUAJIRA 1980 - 2340


REGIÓN RADIACIÓN ANUAL

(kWh/m2)

COSTA ATLÁNTICA 1260 - 2340

ORINOQUIA 1440 - 2160

AMAZONIA 1440 - 1800

ANDINA 1080 - 1620

COSTA PACÍFICA 1080 - 1440

Fuente (UPME, 2005)

Si se compara nuestro país con el sitio de mayor radiación, el desierto de Atacama

en Chile, 3600 – 4100 KWh/m2día, (Ahlers & Arellano, 2010), la Guajira recibe 56% de

la radiación del Atacama, Colombia está ubicado en un sector donde tiene un alto

promedio de radiación solar que se pueden aprovechar para la generación de energía,

en lugares que no estén conectados con la red eléctrica, o que estén utilizando

combustibles fósiles para la generación de electricidad como en Choco, Amazonas,

Caquetá, San Andrés y Providencia. (Ulianov López, 2011).


Figura 4. Mapa Radiación Solar Colombia.

Fuente (UPME, 2005)

2.3.1 Ubicación Municipio de Floridablanca

Floridablanca está ubicado en el Departamento de Santander ver figura 5, siendo el

segundo municipio más importante, se encuentra a 8 Km al sur de Bucaramanga, la

capital del Departamento, tiene un área de 97 Km2, con 263095 habitantes. (DANE,

2012).


Figura 5: Mapa Municipio de Floridablanca

Fuente (Alcaldia Municipal de Floridablanca, 2014)

Floridablanca tiene una temperatura promedio de 23°C, con periodos de lluvia entre

Marzo-Mayo y entre Septiembre-Noviembre, y periodos de verano entre Diciembre-

Febrero y entre Junio-Agosto. Se encuentra ubicada en una zona montañosa al

costado occidental de la cordillera oriental, teniendo varios pisos térmicos, por lo que

tiene una variedad en su fauna y flora. Sus coordenadas geográficas son: latitud de

7,0622, longitud -73,0864, y altitud 1082,95m (GeoNet, 2015). La economía de la

región se basa en el comercio minorista de calzado, ropa y alimentos.


2.3.2 Radiación Solar Municipio de Floridablanca

Los datos se obtuvieron del programa Meteonorm 6.1, ver anexo C (Remund &

Kunz, 2003), basándose en la coordenadas geográficas, tal como se observa en la

figura 6, obteniendo datos de radiación global solar, temperatura, velocidad de vientos,

ver tabla 3 y figura 7, de 4,4(kWh/m2 día).

Figura 6: Programa METEONORM

Fuente: Programa Meteonorm 6.1 (Remund & Kunz, 2003)

Estos valores se compararon con los obtenidos por la UPME (Unidad de

Planeamiento Minero Energético) en la figura 3 donde se puede observar que

Floridablanca tiene un promedio de radiación entre 3,5-4,5(kWh/m2día).

Tabla 3: Radiación Solar Floridablanca

Mes

H Gk

(kWh/m2 mes)

H Gk

(kWh/m2 dia)

Ta

(°C)

FF

(m/s)

Enero 144 4,8 21,8 2,4

Febrero 132 4,4 22,2 2,3

Marzo 138 4,6 22,3 2,4

Abril 124 4,13 22,1 2,3

Mayo 137 4,57 22,2 2,3


Mes

H Gk

(kWh/m2 mes)

H Gk

(kWh/m2 dia)

Ta

(°C)

FF

(m/s)

Junio 133 4,43 21,9 2,1

Julio 137 4,57 22,1 2,3

Agosto 142 4,73 22,4 2,4

Septiembre 142 4,73 21,9 2,3

Octubre 133 4,43 21,7 2,4

Noviembre 125 4,17 21,4 2,3

Diciembre 133 4,43 21,7 2,3

Año 1620 1620 22 2,3


H Gk (kWh/m2 mes)= Irradiación media Global, superficie inclinada mensual

H Gk (kWh/m2 dia)= Irradiación media Global, superficie inclinada diaria

Ta (°C) = Temperatura del aire

FF (m/s)= Velocidad del viento

Figura 7. Grafica Media Diaria Radiación Global



Además se cotejaron con datos de los mapas dinámicos de la NREL (National

Renewable Energy Laboratory) Figura 8 (National Renewable Energy Laboratory ,

2015), donde se puede observar una radiación entre 3,5-4 (kWh/m2 día). Con lo cual se

puede aceptar como valido los valores que brinda el programa METEONORM, ya que

los datos son específicos según el lugar de análisis.

Figura 8: Mapa Radiación Solar

Fuente (National Renewable Energy Laboratory , 2015)


2.4 Biomasa

Biomasa es la materia orgánica de origen vegetal o animal, que proviene del solar y

esta almacenada en forma de energía química, estos recursos son biodegradables ya

que se pueden aprovechar para la producción de energía térmica, eléctrica o como

carburante de origen vegetal.

Las plantas transforman el dióxido de carbono y el agua en material orgánico, que

se utiliza como alimento para el hombre o animales, se considera Biomasa los

desechos agrícolas de plantas terrestres o acuáticas, desechos de animales, los

residuos urbanos e industriales y las aguas residuales.

2.4.1 Tipos de Biomasa

a) Biomasa natural: Proviene del medio ambiente en forma natural, el hombre no

interviene en su explotación, el ser humano ha aprovechado este tipo de

biomasa desde tiempos remotos.

b) Biomasa residual: Proviene de los residuos creados por el hombre como los

residuos urbanos e industriales, los residuos agrícolas y excretas de animales

como vacunos, avícolas, cerdos, etc. Los residuos de animales tienen un poder

calorífico no es tan alto pero debido a los contaminantes arrojados al suelo

como el nitrógeno, y su gran abundancia resultan beneficioso su uso en la

generación de energía.

c) Excedentes agrícolas: Los excedentes del sector agrícola que no se utilizan

para la alimentación del hombre, se utilizan para la generación de energía.

Ejemplo maíz.


d) Cultivos Energéticos: Son aquellos productos agrícolas que se cultivan

específicamente para la generación energética ejemplo sorgo, soya, caña de

azúcar, maíz, y pasto elefante. (García Garrido, 2015).

2.4.2 Tecnologías para el Aprovechamiento de la Biomasa:

Los métodos para convertir la biomasa en energía son: termoquímicos y los

biológicos, como se observa en la figura 9.

2.4.2.1 Métodos Termoquímicos

Son aquellos métodos en donde en presencia de calor la biomasa se puede utilizar

para generar energía, se utilizan comúnmente la biomasa seca como paja y madera:

a. Combustión:

La biomasa se somete a altas temperaturas con exceso de oxígeno, en donde

ocurre una reacción química donde se presenta un gran desprendimiento de calor y de

luz, la biomasa para iniciar la combustión debe alcanzar una temperatura llamada

temperatura de ignición que es una de las formas de aprovechamiento más utilizada.

Ejemplo: Quema de leña para cocinar o calefacción en donde se transforma en

cenizas.

b. Pirolisis:

La biomasa se somete a altas temperaturas sin presencia de oxígeno, las

moléculas de los materiales se rompen descomponiéndose en otro tipo de sustancias

que pueden ser solidas liquidas o gaseosas, esto ocurre en rango de temperaturas

entre los 250 y 500°C. Ejemplo cuando la madera arde dentro de los hornos y se

convierten en carbón mineral. (EcuRed:, 2009).


c. Gasificación:

La biomasa se somete a una reacción termoquímica en donde la materia se

somete a altas temperaturas con una presencia pobre de oxígeno, se transforma en un

gas pobre, su poder calorífico es seis veces más bajo que el gas natural. Este gas

puede ser utilizado para la generación de energía mediante turbinas, calderas o

motores, el 80% de la biomasa se estima que se convierte en gas.

Figura 9: Tipos de Procesos de la Biomasa

2.4.2.2 Procesos Biológicos

Se basa en el uso de microorganismos degradan las moléculas de la biomasa en

sustancias con un alto poder energético.

a. Fermentación Alcohólica:

Las plantas tienen almacenada la energía solar en forma de carbono, los cuales

mediante cambios químicos debido a la presencia de microorganismos disocian las

moléculas de glucosa de la biomasa para obtener energía para sobrevivir obteniéndose

biocarburantes como el bioetanol o biodiesel, el cual puede reemplazar el uso de los

Residuos Forestales Pirolisis Producción

Residuos Agrícolas Combustión

Cultivos Energéticos Gasificación Térmica

Residuos Urbanos Digestión

Aguas Residuales Anaeróbica

Residuos Industriales Eléctrica

Cultivos Energéticos Fermentación Transporte

Alcohólica


combustibles fósiles. La fermentación alcohólica se debe realizar en condiciones

controladas de temperatura 27-32°C para evitar que mueran los microorganismos,

acidez entre 4 y 5, concentración de azucares entre 10-18 % (EcuRed:, 2009).

b. Digestión Anaerobia

Se trata de una descomposición anaerobia de la materia orgánica mediante

microorganismos dentro de un Biodigestor en ausencia de oxigeno obteniéndose

biogás, cuya composición es Metano (CH4), Dióxido de Carbono (CO2), Hidrogeno (H2),

Oxigeno (O2) y Nitrógeno (N2), y los lodos o compost que puede ser utilizado como

abono orgánico debido a sus componentes que son material orgánico, fosforo,

nitrógeno y potasio, beneficiando el suelo.

La digestión anaerobia puede aplicarse para el aprovechamiento energético de

aguas residuales urbanas e industriales, residuos agrícolas y residuos de estiércol de

animales. Esta descomposición sucede en tres etapas como se observa en la Figura

10, (IDAE, 2007) que son:


Figura 10: Esquema Digestión Anaerobia.

Fuente (IDAE, 2007)

1. Fase de Hidrólisis: los polímeros complejos que constituyen la biomasa se

transforma en productos más simples, el oxígeno de la materia orgánica se

consume, produciéndose dióxido de carbono.

2. Fase de Acidogénesis: las bacterias transforman los compuestos simples en

ácidos grasos volátiles e hidrogeno, lo cual reduce la presencia de nitrógeno.

3. Fase de Metanogénesis: Otro grupo de bacteria en un ambiente anaerobio

transforman los ácidos de bajo peso molecular en un ambienta anaerobio, en

metano y dióxido de Carbono, esta actividad es lenta.

Las condiciones óptimas de la digestión anaeróbica son:

1. Temperatura entre 5-65°C.


2. pH entre 6,6-7,6

3. Nutrientes: para que las bacterias se reproduzcan la biomasa debe contener

azufre, carbono, nitrógeno, fósforo y algunas sales minerales.

4. Tóxicos: existen elementos que perjudican la formación del biogás como son:

detergentes, pesticidas, metales pesados, metales alcalinos y alcalinotérreos.

(Lorenzo Acosta & Obaya Abreu, 2005).

2.4.3 Biogás

El biogás es una fuente de energía renovable que se produce en la etapa

metanogénesis de la Biomasa, en ausencia de oxigeno como una digestión anaerobia,

que se produce en vertederos o en Biodigestor, el biogás se puede extraer de aguas

residuales, residuos urbanos e Industriales, residuos ganaderos y residuos agrícolas.

Figura 11: Analogía energética del Biogás.

Tomado de (CIEMAT, 1996)

2.4.3.1 Composición del Biogás

1 m3 de Biogás

(6000Kcal)

1,2Lt Alcohol

Combustible

0,8 Lt de Gasolina

0,6 m3 de Gas

Natural

6,8 Kwh de Electricidad

1,5 Kg Madera

0,71 Lt de Fuel Oil

0,3 Kg de Carbón


Este Biogás está compuesto principalmente de Metano (entre un 50-70%), Dióxido

de carbono (30-50%), Nitrógeno (menos del 3%), Hidrogeno (1-10%), Oxigeno (menos

de 0,1%) y Sulfuro de Hidrogeno. Esta composición puede tener unas pequeñas

variantes según el sustrato, el tiempo de retención y la tecnología utilizada para su

extracción. En la Figura 11 se puede observar una comparación energética entre el

biogás y otros combustibles, de ahí la importancia de su utilización. (CIEMAT, 1996).


Tabla 4: Porcentaje de Metano según sustrato

Sustrato Peso

vivo

(Kg)

Kg

Estiércol/día

Porcentaje

de Metano

Aves 1,5 0,06 60%

Cerdo 50 4,5-6 65-70%

Vacuno 400 25-40 65%

Equinos 450 12-16 65%

Ovinos 45 2,5 63%

Pasto 70%

Desperdicios de

cocina

50%

Tomado de (Grupo EMISON, 1957)

En la tabla 4, se pueden observar la cantidad de metano que se puede obtener

según el sustrato animal e industrial en la tabla 5. (Grupo EMISON, 1957)

Tabla 5. Composición según el sustrato

COMPONENTES RESIDUOS

GANADEROS

RESIDUOS

AGRÍCOLAS

RESIDUOS

URBANOS

GAS DE

VERTEDERO

Metano 50-80% 50-80% 50-70% 45-60%

Dióxido de

Carbono

30-50% 30-50% 30-50% 40-60%

Agua Saturado Saturado Saturado Saturado

Hidrogeno 0-2% 0-2% 0-2% 0-0,2%


COMPONENTES RESIDUOS

GANADEROS

RESIDUOS

AGRÍCOLAS

RESIDUOS

URBANOS

GAS DE

VERTEDERO

Sulfuro de

Hidrogeno

0-1% 100-700 ppm 0-8% 0-1%

Amoniaco Trazas Trazas Trazas Trazas

Monóxido de

Carbono

0-1% 0-1% 0-1% 0-0,2%

Nitrógeno 0-1% 0-1% 0-1% 2-5%

Oxigeno 0-1% 0-1% 0-1% 0,1-1%

Fuente. (Castells, 2005)

2.4.3.2 Temperatura

La temperatura es una variable importante para la producción de Biogás, el rango

de temperatura esta entre 30-65°C, existen tres rangos de temperatura según los

microorganismos que produzcan el Biogás, como se observa en la Tabla 6. Se debe

tener en cuenta que ellos solo pueden sobrevivir alrededor de 2 horas a temperaturas

extremas, lo que provocaría un desbalance en el pH del compuesto o la cantidad de

microorganismos afectando la calidad y producción del Biogás.

Tabla 6: Tipo de Bacterias según la temperatura

TIPO DE

BACTERIA MÍNIMO °C OPTIMO MÁXIMO

TIEMPO DE

RETENCIÓN

Psicrofilica 4-10°C 15-18°C 25-30°C Más de 100 días

Mesofilica 15-20°C 28-33°C 35-45°C 30-60 días

Termofilica 25-40°C 50-60°C 75-80°C 10-16 días

Tomado de (Fundación Pesenca, 1992)


2.4.3.3 Limpieza del Biogas

El biogás tiene en su composición algunos componentes que pueden afectar el

buen funcionamiento de los equipos, entre estos está el vapor de agua y el ácido

sulfhídrico los cuales se pueden remover colocando a la salida del Biodigestor un

recipiente donde por diferencias de alturas de la tubería permite la condensación del

agua que será almacenada en el tanque. El ácido sulfhídrico se podrá limpiar

mediante un filtro que consta de un recipiente con viruta de hierro que reacciona con el

ácido quedando almacenado en él, teniendo que cambiarse este lecho

periódicamente.

2.4.3.4 Lodos o Abonos Orgánicos

Los lodos son los residuos sólidos provenientes del aprovechamiento de las aguas

residuales, los cuales se pueden utilizar en la agricultura ya que tienen minerales como

el fosforo y el nitrógeno además de material orgánico que favorece la fertilización de

los suelos. Pero también tienen elementos perjudiciales para el hombre o el medio

ambiente como son metales pesados, materiales orgánicos que no son de fácil

degradación, bacterias y virus, ya que provienen de aguas residuales. Existen otras

formas de aprovechamiento de estos lodos como son la incineración para generación

de energía. Hay países que son estrictas en cuanto la utilización de estos lodos,

cuando exceden cantidades peligrosas para el suelo, los seres humanos o animales,

entonces se vierte a aguas continentales, se incineran o se arrojan a los vertederos.

El compost proviene de la degradación de la biomasa en el Biodigestor, el cual se

utiliza como abono orgánico, ya que no tiene compuestos que sean perjudiciales para

la salud.

La temperatura óptima para la formación del compost esta entre 45-59°C.

Temperaturas bajas frenan el desarrollo de los microorganismos, y temperaturas altas


pueden reducir la cantidad de microorganismos. El rango de pH durante la

descomposición de la biomasa en biogás sucede en rangos entre 6-9, por debajo de 6

afecta el trabajo de las bacterias y por encima de 9 el nitrógeno se transforma en

amonio, que afectaría a los microorganismos. (Moreno Casco & Moral Herrero, 2008).

2.4.4 Tipos de Biodigestor

Los Biodigestores se pueden clasificar en tres tipos, según (Morales, Baquedano, &

Young, 1987), biodigestores de flujo discontinuo, semicontinuos y continuos.

2.4.4.1 Biodigestor flujo discontinuo o Batch:

Son biodigestores herméticos con un gasómetro flotante donde se acumula el

biogás con una sola puerta donde se carga la materia orgánica y se retira hasta que

esta deja de producir biogás, se aplica cuando la materia es reducida, ver figura 12.

(Soluciones Prácticas, 2009)

Figura 12. Biodigestor Discontinuo o Batch.

Fuente (Soluciones Prácticas, 2009)

Se pueden introducir una mayor carga solida con baja humedad, no son afectados

por la presencia de materiales pesados como arena, se utilizan en el tratamiento de

aguas negras. Por cada metro cubico de biomasa, produce medio metro cubico de


biogás. Se pueden utilizar varios biodigestores a la vez para mantener una constante

producción de biogás. Su tiempo de retención es de más de 60 días, el rango de

temperatura operacional entre 30-35°C.

En la Tabla 7 se realiza una comparación de las ventajas y desventajas del

Biodigestor Discontinuo o Batch.

Tabla 7: Beneficios Biodigestor Discontinuo

VENTAJAS DESVENTAJAS

Simplicidad en su construcción.

Poca humedad en su materia

orgánica

Poco mantenimiento.

Se debe tener precaución cuando se

extrae el biogás, se corre el peligro de

explosión

Necesita una gran área para la

instalación de su Biodigestor

2.4.4.2 Biodigestor flujo semicontinuo:

Son biodigestores que se cargan por gravedad diariamente, el volumen que se

introduce debe ser igual al volumen que se extrae. Se utiliza en sistemas pequeños, los

más reconocidos Biodigestor tipo Chino o domo fijo, Hindú o domo flotante y Taiwán o

Tubular.

a. Biodigestor Chino o domo fijo.

Sus paredes son fijas tiene forma de cilindro y se encuentra enterrado para evitar

una variación de la temperatura, la materia orgánica se deposita en la caja de registro

que se transporta hasta el Biodigestor en donde se almacena por un tiempo hasta que

se extrae el biogás en la cúpula fija y sus otros desechos semi-fluidos se trasladan

hasta la caja del efluente, como se observa en la figura 13.


Figura 13: Biodigestor Tipo Chino o Domo fijo.

Fuente (PNUD, 2012)

Se utilizan para el tratamiento de excretas humanas y de animales, son de

pequeña o mediana escala (PNUD, 2012). El tiempo de retención es de 45-90 días,

produce entre 0,1-0,4 m3 de biogás por cada m3 de biomasa. En la tabla 8 se realiza

una comparación de las ventajas y desventajas del. Biodigestor Discontinuo chino.

Tabla 8: Biodigestor Discontinuo chino.


Bajo costo de construcción.

Vida larga de funcionamiento

Materiales son de larga de

duración, no tiene elementos

mecánicos

Poco espacio

Su construcción requiere mano de

obra especializada.

Puede presentar muchas fugas de

biogás.

La presión del gas es variable

depende del volumen del material

Altos costo de construcción.


b. Biodigestor Hindú o Domo flotante:

El biodigestor tipo Hindú sus paredes son fijas de acero o fibra de vidrio, su piso

está hecho con ladrillo reforzado con hormigón, su domo flotante esta hecho de metal o

de algún material anticorrosivo se mueve mediante una guía, mantiene el biogás a una

presión constante, se puede alimentar continuamente ver figura 14.

Figura 14: Biodigestor Hindú o Domo Flotante.

Fuente: (Huffy, 2011)

Se utiliza para procesar las excretas de animales. Su vida útil es 15 años

aproximadamente, en la tabla 9 se realiza una comparación de las ventajas y

desventajas del. Biodigestor Discontinuo tipo Hindú. (Huffy, 2011)

Tabla 9: Biodigestor Discontinuo tipo Hindú.


Operación sencilla

El gas se encuentra a presión

Mantenimiento constante y costoso

Se debe evitar el uso de biomasa



constante

Requiere poco espacio para su

construcción.

fibrosa para evitar estancamiento en

el domo

c. Biodigestor Taiwanés o tubular

El biodigestor tubular también llamado tipo salchicha es de muy bajo costo hecho

de goma o de polietileno su flujo de alimentación es continua. Se utiliza en granjas

debido a la facilidad de funcionamiento. Tiene una vida entre 10-15 años, dependiendo

del tipo de biomasa. Se utiliza en residuos agrícolas, residuos de animales y

residenciales. Consta de una tubería de entrada de biomasa entre 20-30 cm de

diámetro, tiene que ingresar por lo menos 15cm dentro del biodigestor que tiene forma

de tubo, como se ve en la figura 15.

Figura 15: Biodigestor Taiwanés o tubular. (Machorro & Méndez, 2011)


El reactor se debe proteger en la parte superior para evitar la caída de escombros

que puedan romper la bolsa y elevaciones drásticas de temperatura, además su cuerpo

debe estar protegido con paredes de ladrillo o enterrado para mantener una

temperatura constante.

El biogás se va almacenando en la parte superior del tubo, donde está unida una

tubería de 5 cm de diámetro donde saldrá el gas, a la salida se encuentra una trampa

de agua, ver figura 16, que consta de una tubería con pequeño desnivel unido a un

tanque de reserva de líquidos, que permitirá el retiro de humedad del biogás y un filtro

de ácido sulfúrico, que consta de una tubería con limadura de hierro que reaccionara

con el ácido.

Figura 16 Trampa de Agua.

Fuente (Machorro & Méndez, 2011)

El biodigestor tendrá un dispositivo de seguridad que consta de un recipiente con

10cm de agua unida a la tubería de salida para evitar que se rompa el biodigestor, ver

figura 17, manteniendo una presión menor a la del líquido. (Matton, 2012). Se debe

retirar los sedimentos cada dos años para evitar su acumulación dentro de la bolsa. En

la tabla 10 se realiza una comparación de las ventajas y desventajas del Biodigestor

Discontinuo tipo Taiwanes o tubular.


Figura 17 Válvula de alivio

Fuente (Machorro & Méndez, 2011)

Tabla 10: Biodigestor Discontinuo tipo Taiwanés o tubular.


Costo bajo

Poco mantenimiento

Reduce las emisiones

atmosférica lo que ayuda al

medio ambiente

Producción del abono orgánico,

lo cual ayuda a fertilizar los

suelos

Baja presión del gas

Corta vida útil, alrededor de 10-15

años

Debe protegerse del medio ambiente

2.2.4.3 Biodigestor flujo Continuo


La alimentación del biodigestor es en forma, el biogás se extrae a gran escala,

aplicable en el tratamiento de aguas negras o residuales a nivel industrial, con alta

disolución (1-1,5%) del material sólido.

Se requieren grandes plantas para el tratamiento del sustrato, plantas de control y

limpieza del gas, calefactores, mezcladores y bombas. En la tabla 11 se realiza una

comparación de las ventajas y desventajas del biodigestor continuo. Los biodigestores

de flujo continuo pueden ser horizontal, vertical y de tanques multiples. (Soluciones

Prácticas, 2009)

Tabla 11: Biodigestor continuo.


Ayudan al medio ambiente con

el uso de las aguas

contaminantes, reduciendo la

acción de los microorganismos.

El volumen de gas extraído es

grande.

Dificultad en el retiro de sedimentos

dentro del Biodigestor

Ocasiona gran cantidad de ácido

sulfúrico, el cual ocasiona gastos en la

depuración del gas

a. Desplazamiento Horizontal (movimiento por flujo pistón, gravedad). El

material orgánico entra en forma continua mediante una tubería donde cae por

gravedad y los lodos salen por otro extremo, dentro del Biodigestor la mezcla es

agitada y se mueve en forma de pistón, manteniendo la mezcla el tiempo suficiente

para la extracción del biogás, ver figura 18.


Figura 18: Biodigestor continúo

(Groppelli, 2010)

Su armazón se puede construir en ladrillo u hormigón armado, su forma es

alargada con una relación del largo: ancho puede ser de 5:1 o 10:1, la parte superior se

puede construir con material rígido o flexible, evitando las fugas. El biogás se extrae

por una tubería ubicada en la parte superior. Se aplica para Biodigestores de más de

15 m3, en la industria agropecuaria, porcicultura y avícola. (Groppelli, 2010).

b. Tanques múltiples: Se aplica cuando el volumen de la materia orgánica es

elevado y se requiera optimizarla y estabilizarla, ver figura 19.


Figura 19: Biodigestores Tanques Múltiples.

Fuente (IDAE, 2007)

Los microorganismos se aíslan y se ubican en cámaras separadas para lograr

optimizar su desarrollo. Se aplica a la industria de las frutas, verduras, residuos sólidos

y excretas pecuaria. (Rios Cerón, 2012).

c. Tanque vertical. El Biodigestor está hecho con un material rígido en donde se

fermentara excretas de animales, el tiempo de retención del sustrato esta entre 20-40

días, según la temperatura ambiente. La relación masa sólida y volumen de líquidos es

de 1:2 o 1:4, por cada kg de solidos 2 o 4 litros de humedad, ver figura 20. El tanque

almacenara 70% biomasa y 30% biogás el cual se controlara su volumen según la

posición de la tubería del abono orgánico. El tanque tendrá una válvula de bola que

controla la salida de los líquidos (López Quintero, 2011).


Figura 20: Biodigestor Vertical

(López Quintero, 2011)

Entrada de estiércol con

agua

Tapón de extracción de

lodos


3. Diseño sistema fotovoltaico

El Colegio Técnico Vicente Azuero, actualmente mantiene un alto consumo

eléctrico, de 12240Kwh/mes, ver figura 21.

Figura 21: Recibo Servicio Energía Eléctrica

Estos altos consumos son debido al uso de equipos de Cómputo, aires

acondicionados, ventiladores y los equipos del taller de metalmecánica, ver figura 22,

que conlleva en la búsqueda de alternativas que puedan reducir estos gastos. En la

tabla 12 se observa el consumo energético diario de la Institución y en la figura 23 hace

referencia a las potencias diarias consumidas por los equipos con que cuenta la

institución.


Figura 22: Taller metalmecánica

Tabla 12: Consumo Eléctrico

Descripción Núm.

Carac

.

Potenci

a watt

Horas/dí

a

Consumo

día (KWh)

Consumo

mes

(MWH)

Equipos de

Soldadura 5 12100 1,5 90,75 1,815

Tubos Fluor. 359 30 4 43,08 0,8616

Tubos Fluor.

pasillos 20 55 12 13,20 0,264

Luminaria de

Sodio 10 70 10 7,00 0,14

Ventiladores 100 14" 68,4 6 41,04 0,8208

Taladros 2 350 1 0,70 0,014

Taladros

verticales 2 650 1 1,30 0,026

Bombillos

ahorradores 62 60 4 14,88 0,2976

Computador 111 89 10 98,79 1,9758


Descripción Núm.

Carac

.

Potenci

a watt

Horas/dí

a

Consumo

día (KWh)

Consumo

mes

(MWH)

Portátil

Impresoras 7 100 2 1,40 0,028

Aires Acond.

5000 2 5000 706 6 8,47 0,16944

Aires Acond.

30000 8 30000 2713,2 10 217,06 4,34112

Greca 1 10Kg 1100 10 11,00 0,22

Televisor 30

LCD

32" 156 2 9,36 0,1872

Computador

de Escritorio 5 119 8 4,76 0,0952

Neveras 8 16" 410,4 8 26,27 0,525312

Nevera

gaseosa 4 110 8 3,52 0,0704

Nevera Peq. 1 12" 212 8 1,70 0,03392

Licuadora 3 5 velo. 450 2 2,70 0,054

Tubo

Fluorescente 55 60 4 13,20 0,264

Ventiladores

de techo 4 75 2 0,60 0,012

Pulidora 4 1200 1 4,80 0,096

Fotocopiadora 2 900 3 5,40 0,108

Planta de

Sonido 1 100 1 0,10 0,002

TOTAL 21884 621,07 12,421392


Figura 23: Potencia Diaria Demandada

Mediante el uso de sistemas fotovoltaicos permitirá que el Colegio sea

autosuficiente en la producción de Energía Eléctrica.

3.1 Calculo sistema fotovoltaico

3.1.1 Consumo Diario

Generador trabajando en el punto de máxima potencia.

Perfil de consumo: Constante anual

Ubicación: Floridablanca

Número de días de autonomía: N = 3

Inversor: ȠINV = 85%

Batería: Ƞ Batería= 81%

VB: Tensión nominal de la batería= 48 V

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

Equ

ipo

s d

e So

ldad

ura

Tub

os

Flu

ore

scen

tes…

Ven

tila

do

res

Tala

dro

s ve

rtic

ales

Co

mp

uta

do

r Po

rtat

il

Air

es A

con

d. 5

000

Gre

ca

Co

mp

uta

do

r d

e…

Nev

era

gase

osa

Licu

ado

ra

Ven

tila

do

res

de

tech

o

Foto

cop

iad

ora

POTENCIA DIARIA DEMANDADA (KWh)

CONSUMODIA (KWh)


P Dmax,d: Máxima profundidad de descarga diaria de la batería (tanto por uno) =15%,

P Dmax,e: Máxima profundidad de descarga estacional de la batería (tanto por uno) =

70%

Módulos fotovoltaicos: Panel Solar 300 W Bojia 300 W mono panel solar:

PM,MOD= Potencia del módulo seleccionado=300W

I M;MOD = Corriente de los módulos en el punto de máxima potencia = 8.33A.

V M,MOD = Voltaje máximo del Módulo seleccionado= 36V

I SC,MOD: Corriente de cortocircuito de los módulos = 9.17A

VOC,MOD = Voltaje de cortocircuito del módulo = 42.48V

Radiación promedio día 4,43 KWh/m2, valor tomado de Grupo de Medición

Climática de la UIS (Universidad Industrial de Santander, (Grupo de Investigación en

Predicción y Modelamiento Hidroclimatico, GPH, 2014)

3.1.2 Dimensionamiento De Un Sistema Autónomo Fotovoltaico

Estimación de consumos:

Media mensual de energía media: Ldm

Ldm = Ldm,AC

(ȠB∗Ƞinv ) (3,1)

Ldm,AC = 621069,60 Wh/día

Ldm= 621069,6 Wh

0.81∗0.85 = 902061,8Wh (3,2)

Lda = Ldm

Lda = 902061,8 Wh

Q da = Media anual de carga eléctrica diaria:

VB =Voltaje de Batería (V)


Q da= Lda / VB (3,3)

= 902061,8 Wh / 48 V

= 18792,9 Ah

Corriente que entrega el regulador hacia la carga:

La hora crítica es a las 10 am con una potencia máxima de 79709,30W.

IC = P AC /ηinv VB (3,4)

= 79709,30 W / (0,85*48) = 1953,65 Amp

Estos cálculos están basados en los tutoriales de Dimensionamiento de Sistemas

Autónomos del Ing. Isidoro Segura Heras (Segura Heras, 2014), y en el tutorial

Instalación Solar fotovoltaica para vivienda del Ing. Hermenegildo Rodríguez

(Rodríguez Galbarro, 2012).

3.1.2.1 Selección de Paneles Solares

La ciudad de Floridablanca está ubicada a una Latitud: 7°3’ 44N Longitud:

73°5’11W, como está ubicada en una latitud de 7°, se toma como orientación optima de

10° α = 10 (hacia el sur).

El mes crítico para Floridablanca es el mes de Abril con un ángulo de 10°, como se

observa en la tabla 13.

Tabla 13 : Relación Ldm/Gdm(0,β)

MES

Gdm(0,β)

(kWh /

m2)mes

Gdm(0,β)

(kWh /

m2)diaria

Ldm/Gdm(0,β)

Enero 144 4,80 187,93


MES

Gdm(0,β)

(kWh /

m2)mes

Gdm(0,β)

(kWh /

m2)diaria

Ldm/Gdm(0,β)

Febrero 132 4,40 205,01

Marzo 138 4,60 196,1

Abril 124 4,13 218,24

Mayo 137 4,57 197,53

Junio 133 4,43 203,47

Julio 137 4,57 197,53

Agosto 142 4,73 190,58

Septiembre 142 4,73 190,58

Octubre 133 4,43 203,47

Noviembre 125 4,17 216,49

Diciembre 133 4,43 203,47

Año 1620

Gdm(Φ,10) = 4130 (Wh / m2)

Potencia del generador fotovoltaico

PM,G= Ldm∗GCEM

Gdm (α∗β)∗PR (3,5)

PR: Rendimiento energético de la instalación. Instalaciones de conexión a red PR=

0,7

Ldm = 902061,8 Wh

PM,G = 902061,8∗1000

4130∗0,7 = 312,02 KW

Número total de módulos (Panel Solar 300 W monocristal)


NT = Ldm∗GCEM

PM,MOD∗Gdm (α∗β)∗PR (3,6)

𝑁𝑇 = 902061,8∗1000

300 W∗4130∗0,7 = 1040

Se requiera aumentar el número de paneles a 1100 para cumplir con las

condiciones de instalaciones aisladas a red.

Número de módulos conectados en serie:

Ns= VB

V M,MOD (3,7)

NS= 48 V

36V = 1,33 = 2

Número de ramas conectadas en paralelo:

NP= NT

NS (3,8)

NP =1040

2 = 520 Paneles

Se debe aproximar a 549 paneles en paralelo y 1098 paneles de 300W en total,

figura 24.

Figura 24: Panel Monocristal Bojia300W Modelo BJ-M300W


Corriente total del generador:

I M,G=I M,MOD *NP (3,9)

I M,MOD = 8,33 A

IMG =8,33 *549 = 4573,17 A

I SC,G = I SC,MOD * NP (3,10)

I SC,G = 9,17 *549= 5034,33A

3.1.2.2. Dimensionado del acumulador

Capacidad nominal diaria de la batería:

CBd = Ldm

PD max,d ∗ VB (3,11)

CBd = 902061,8

0,15∗48 = 125286,3 Ah

Capacidad Nominal Estacional de la Batería:

C Be= L dm∗N

PD max,e ∗V B (3,12)

Número de días de autonomía: N = 3

P Dmax,e: Máxima profundidad de descarga estacional de la batería (tanto por uno) =

70%

CBe = 902061,8 Wh ∗3

0,7∗48V = 80541,2 Ah

CBe(Ah) = Capacidad nominal estacional de la batería=80541,2 Ah

CB = MAX (CBd, CBe) = CBe (Ah) = 125286,3 Ah

Comprobación: (CB / ISC,G )=


125286,3 Ah

5034,33A = 24,8 ˂ 25

Cumple con las condiciones de instalaciones aisladas a red.

3.1.2.3. Selección de las Baterías

La corriente necesaria es de 125286,3 Ah, las baterías seleccionada es la csb

MSJ650 de 2 voltios y 650 A-h (AMVAR WORLD S.A.S), se necesitan 24 baterías en

serie para igualar el voltaje de 48 voltios y 193 baterías en paralelo para igualar la

corriente requerida, dando un total de 4632 baterías de 2 voltios y 650A-h, ver figura

25.

Figura 25: Batería CSB MSJ650 2V 650 A-h

3.1.2.4. Dimensionado del Regulador:

Intensidad de entrada del regulador: Ie,RG

Ie,RG = 1,25*ISC,G (3,13)

ISC,G = Intensidad que produce el generador fotovoltaico = 5034,33A

Ie,RG = 1,25* 5034,33A = 6292,9 Amp


Figura 26: Controlador Flexmax 7500 W-MPPT48V PWM

Intensidad de salida del Regulador: IS,REG

IS,REG =1,25* (P DC

V B+

P AC

η INV∗V B) (3,14)

PAC: Potencia de las cargas en AC= 21884W

PDC: Potencia de las cargas en DC= 0

IS,REG= 1,25*(0+21884W

0,85∗48V) = 670,46 Amp

.

IREG= MAX (IS,REG ; Ie,RG ) = 6292,9 Amp

No. Reguladores= Ireg.max/Ireg (3,15)

No. de Reguladores = 6292,9 /80A= 79 reguladores

Ireg= Corriente del regulador seleccionado = 80A

El diseño dispone de 549 paneles en paralelo con dos módulos cada ramal, por lo

tanto se necesitan 1 regulador distinto cada grupo de 6 módulos en paralelo, por lo

tanto se necesitan instalar 92 reguladores en total; conectando después todas las

salidas a las baterías.


Se seleccionó el controlador, de carga 80A Flexmax 7500 W-MPPT48V PWM.

(FLEX-MAX), ver figura 26.

3.1.2.5 Dimensionado del Inversor:

Potencia: PINV=PAC

PAC: Potencia de las cargas en AC = 21884 W

PINV = 21884 W

Considerando el factor de Funcionamiento Ff =0,75

PINV=PAC* Ff (3,16)

PINV= 21884 W * 0,75= 16,4 Kw

Figura 27: Inversor SolarMax SUNZET 100T - 100 KW

Considerando el máximo consumo simultaneo:

Hora de mayor consumo: de 10 a 11 a.m.:

Pac,max,sim=79709,3 W

Pinv= Pac,max,sim*1,2 = 95651,1 W


Se seleccionó un inversor central trifásico Inversor SolarMax SUNZET 100T de

potencia 100Kw, ver figura 27.

3.1.2.6 Dimensionamiento del cableado:

Cableado del Generador Fotovoltaico- Regulador

Criterio de máxima caída de tensión:

Longitud = 3 m

Imax: Corriente máxima que circula por los conductores (A) = 5034,33A

σ: Conductividad del material = 52 m/(Ω*mm^2 )

e = 1,5%* Vmax = 42,48V *1,5%=0,637 (3,17)

S=2∗L∗Imax

σ∗e (3,18)

2∗3m∗5034,3A

52m

Ω∗mm2∗0,637v = 911,9 mm2

Diámetro del cable 1013 mm2 cable unipolar AWG 2000, ver anexo I, tabla de

selección cables.

3.1.2.7. Estructuras soporte para paneles Fotovoltaicos.

La estructura soporte, asegura el anclaje del generador solar y proporciona la

orientación y el ángulo de inclinación adecuado para obtener el mejor

aprovechamiento de la radiación, y tener resistencia a la acción de los elementos

atmosféricos.

Se determina la distancia mínima entre los paneles como se observa en la figura

28, (Clemente Alfonso, 2006). Esta distancia es la separación entre filas de los módulos

fotovoltaicos de tal forma que la sombra de la arista superior de una fila se proyecte,

como máximo, sobre la arista inferior de la fila siguiente.


H = (90° − Altitud) − 23,5 (3,19)

H = (90° − 7,5) − 23,5 = 59m

dmin = Long(cosβ +senβ

tanH) (3,20)

dmin = 1,95 (cos10 +sen10

tan59) = 2,17m

Figura 28: Distancia Mínima

Fuente (Clemente Alfonso, 2006)

Los 1098 paneles solares se distribuyen sobre la superficie de los 12 edificios que

tiene la Institución teniendo en cuenta la posición geográfica tal como se observa en la

Figura 29.


Figura 29: Vista Superior Colegio

3.2 Costo de inversión Sistema Fotovoltaico

En la Tabla 14 se observa los costos de inversión necesarios para la instalación del

Sistema Fotovoltaico para ser autónomo energéticamente, ver anexos desde E hasta el

K, donde aparecen las cotizaciones de los elementos necesarios para la instalación

fotovoltaica.

Tabla 14: Costos de Inversión Sistema Fotovoltaico

Elementos

Cant

.

Valor

unitario

Mano de

obra

Costo del

material Costo total

Paneles

Solares 1098

1.485.137

1.630.680.895

Baterías 4632


Elementos

Cant

.

Valor

unitario

Mano de

obra

Costo del


417.600 1.934.323.200

Regulador de

Corriente 92

1.005.047

92.464.340

Inversor 1

31.226.98

3

31.226.983

Cable (Cable

THHN/THWN

2000AWN) 3 m

127.765

383.295

383.295

Cable

(THHN/THWN

700AWN) 10 m

101.007,0

0

1.010.070,00

1.010.070

Estructura

inclinada ( 14

mod.) 73

2.174.399

158.731.137

158.731.137

Estructura

inclinada ( 12

mod.) 4

1.835.092

7.340.367

7.340.367

Estructura

inclinada ( 8

mod.) 1

1.087.184

1.087.184

1.087.184

Estructura

inclinada ( 7

mod.) 1

1.087.184

1.087.184

$

1.087.184

Estructura

inclinada ( 5

mod.) 1

820.482

820.482

820.482

Estructura 1


Elementos

Cant

.

Valor

unitario

Mano de

obra

Costo del


inclinada (

3mod.)

533.436 533.436 533.436

Estructura

inclinada (

2mod.) 3

332.242

996.727

996.727

Estructura

inclinada (1

mod.) 3

266.702

800.107

800.107

Base y fusible

NH3L 315 A

REF 372445 3

1.015.157

3.045.471

3.045.471

Cargador de

Baterías CVC

100/12. 100A,

12Vcc 1

2.940.301

2.940.301

2.940.301

Convertidor

Sumverter SV-

5000/48. 5kVA,

48Vcc.

Senoidal.

Display digital. 1

6.387.353

6.387.353

6.387.353

Mano de Obra

1US por W

255.136.875

255.136.874,60

TOTAL

255.136.875

185.163.113

4.128.995.406


* Se tomó como referencia el precio del euro $2977 y el dólar= $ 2,667.37 tomado

del precio oficial el día 11 de Julio del 2015. El precio de mano de Obra $USD 1 por 1W

de energía generado.

El periodo de recuperación de la Inversión es de 31,6 años, teniendo en cuenta que

el precio de la energía eléctrica es de $532,48 Kwh, y el consumo promedio es de

12240Kwh/mes, abasteciendo el 100% del Colegio, y tomando una tasa de rendimiento

del 3% anual, dando un TIR= 0,66% y VPN del -$1.208.901.814,01 que no es mayor a

0. Por lo que el proyecto no es viable económicamente, como se observa en la tabla

15. (En anexo O esta la tabla completa del análisis financiero).

Tabla 15: Análisis Financiero Proyecto Fotovoltaico

Gasto Mto y

Operación Ahorros Inversión Valor presente

Flujo

recuperación

inversión

Año

0

960.000

79.369.126

-

4.128.995.406

Año

1

988.800

84.131.273

83.142.473

80.720.848

-

4.048.274.558

Año

2

1.018.464

89.179.150

88.160.686

83.099.902

-

3.965.174.656

Año

3

1.049.018

94.529.899

93.480.881

85.548.248

-

3.879.626.408

Año

4

1.080.488

100.201.693

99.121.204

88.067.906

-

3.791.558.501

Año

5

1.112.903

106.213.794

105.100.891

90.660.952

-

3.700.897.549

Año

6

1.146.290

112.586.622

111.440.332

93.329.523

-

3.607.568.026

Año

31

2.400.077

483.207.226

480.807.149

192.316.679

-

134.021.863


Gasto Mto y

Operación Ahorros Inversión Valor presente

Flujo

recuperación

inversión

Año

32

2.472.079

512.199.660

509.727.581

197.946.097

63.924.234

Año

33

2.546.242

542.931.640

540.385.398

203.739.478

267.663.712

Como el proyecto no es viable económicamente se analizaran otros posibles

escenarios, más adecuados para realizar la inversión.

3.3 Escenarios Alternativos

3.3.1 Primer Escenario

El primer escenario que se plantea es no utilizar baterías y no utilizar el sistema

fotovoltaico para la generación de energía para los equipos de trabajo en el taller de

metalmecánica, como equipos de soldadura, taladros, pulidoras y los equipos

acondicionados de 30000 Btu, además se redujo la potencia demandada a 25000W.

En la tabla 16, se observa el análisis del consumo eléctrico de la Institución

Tabla 16: Consumo Eléctrico

Descripción

Númer

o Carac.

Potencia

WATT

Horas

/día

Consumo

día (KWh)

Consumo

mes

(MWH)

Tubos

Fluorescentes 359 30 4 43,08 0,8616

Tubos 20 55 12 13,20 0,264


Fluorescentes

pasillos

Luminaria de Sodio 10 70 10 7,00 0,14

Ventiladores 100 14" 68,4 6 41,04 0,8208

Bombillos

ahorradores 62 60 4 14,88 0,2976

Computador Portátil 111 89 10 98,79 1,9758

Impresoras 7 100 2 1,40 0,028

Aires Acond. 5000 2 5000 706 6 8,47 0,16944

Greca 1 10 Kg 1100 10 11,00 0,22

Televisor 30

LCD

32" 156 2 9,36 0,1872

Computador de

Escritorio 5 119 8 4,76 0,0952

Neveras 8 16" 410,4 8 26,27 0,525312

Nevera gaseosa 4 110 8 3,52 0,0704

Nevera Peq. 1 12" 212 8 1,70 0,03392

Licuadora 3 5 velo. 450 2 2,70 0,054

Tubo Fluorescente 55 60 4 13,20 0,264

Ventiladores de

techo 4 75 2 0,60 0,012


Planta de Sonido 1 100 1 0,10 0,002

TOTAL 4870,8 306,46 6,129272

Además se analizó la viabilidad económica del proyecto en la tabla 17, se puede

observar los costos de inversión.


Tabla 17: Costo Inversión Sistema Fotovoltaico

Elementos Cant

Valor

unitario

Mano de

obra

Costo del


Paneles Solares 424

1.485.137 629.698.088

Regulador de

Corriente 31

1.005.047 31.156.457

Inversor

IGrid 2KW-10KW 1

2.500.659 2.500.659

Cable (Cable

THHN/THWN

900AWN) 3 m

107.765 323295 323.295

Cable

(THHN/THWN

500AWN) 10 m 90.007 900070 900.070

Estructura

inclinada (14

mod.) 30 2.174.399 65.231.974 65.231.974

Estructura

inclinada (3mod.) 1 533.436 533.436 533.436

Estructura

inclinada (1

mod.) 1 266.702 266.702 266.702

Base y fusible

NH3L 315 A REF

372445 3 1.015.157 3.045.471 3.045.471

Convertidor

Sumverter SV-

5000/48. 5kVA,

48Vcc. Senoidal. 1 6.387.353 6.387.353 6.387.353


Elementos Cant

Valor

unitario

Mano de

obra

Costo del


Display digital.

Mano de Obra 1

US por W 80.021.100

80.021.100

Contador Digital

Bi-direccional

5CTD 1 998.635 998.635

TOTAL 80.021.100 76.858.301 821.063.240

Se calculó el tiempo de retorno de la inversión, tomando como 2% la tasa

representativa, ver la tabla 18, durante las vacaciones y fines de semana el consumo

eléctrico se reduce a un 40%. (En los anexos O se puede ver la tabla completa).

El TIR del proyecto es de 4,76%, y el VPN $383.289.837,63 >0, el tiempo de

recuperación de la inversión es de 19,3 años, que lo hace viable económicamente,

teniendo en cuenta que el promedio de vida de los equipos es de 25 años.

Tabla 18: Análisis Viabilidad Económica

Gasto

Mto Ahorros Inversión

Valor

presente

Flujo

Recuperación

Inversión

Año 0

-

821.063.240

1 Año 1

960.000

30.466.567

29.506.567

28.928.007

-

792.135.233

2 Año 2

988.800

32.294.561

31.305.761

30.090.121

-

762.045.112


Gasto


Valor

presente

Flujo

Recuperación

Inversión

3 Año 3

1.018.464

34.232.235

33.213.771

31.298.078

-

730.747.034

4 Año 4

1.049.018

36.286.169

35.237.151

32.553.681

-

698.193.353

5 Año 5

1.080.488

38.463.339

37.382.851

33.858.800

-

664.334.553

6 Año 6

1.112.903

40.771.140

39.658.237

35.215.379

-

629.119.174

7 Año 7

1.146.290

43.217.408

42.071.118

36.625.440

-

592.493.734

8 Año 8

1.180.679

45.810.453

44.629.774

38.091.082

-

554.402.652

9 Año 9

1.216.099

48.559.080

47.342.980

39.614.488

-

514.788.164

10 Año 10

1.252.582

51.472.625

50.220.042

41.197.926

-

473.590.237

11 Año 11

1.290.160

54.560.982

53.270.822

42.843.753

-

430.746.484

12 Año 12

1.328.865

57.834.641

56.505.776

44.554.419

-

386.192.065

13 Año 13

1.368.730

61.304.719

59.935.989

46.332.469

-

339.859.596

14 Año 14

1.409.792

64.983.003

63.573.210

48.180.548

-

291.679.048

15 Año 15

1.452.086

68.881.983

67.429.897

50.101.406

-

241.577.641

16 Año 16 -


Gasto


Valor

presente

Flujo

Recuperación

Inversión

1.495.649 73.014.902 71.519.253 52.097.900 189.479.741

17 Año 17

1.540.518

77.395.796

75.855.278

54.172.999

-

135.306.742

18 Año 18

1.586.734

82.039.543

80.452.810

56.329.789

-

78.976.953

19 Año 19

1.634.336

86.961.916

85.327.580

58.571.476

-

20.405.477

20 Año 20

1.683.366

92.179.631

90.496.265

60.901.392

40.495.916

3.3.2 Segundo Escenario

Se realizara el diseño eliminando todos aquellos equipos que tienen alto consumo

como computadores, aires acondicionado, equipos del taller de metalistería, el

sistema no tiene baterías, en la tabla 19 se observan los equipos de análisis.

Tabla 19: Consumo equipo eléctricos

Descripción Núm. Carac.

Potenci

a watt

Horas/

día

Consumo día

(KWh)

Consumo

mes

(MWH)

Tubos

Fluorescentes 359 30 4 43,08 0,8616

Tubos

Fluorescentes

pasillos 20 55 12 13,20 0,264

Luminaria de

Sodio 10 70 10 7,00 0,14


Descripción Núm. Carac.

Potenci

a watt

Horas/

día

Consumo día

(KWh)

Consumo

mes

(MWH)

Ventiladores 100 14" 68,4 6 41,04 0,8208

Bombillos

ahorradores 62 60 4 14,88 0,2976

Impresoras 7 100 2 1,40 0,028

Greca 1 10 Kg 1100 10 11,00 0,22

Televisor 30 LCD 32" 156 2 9,36 0,1872

Neveras 8 16" 410,4 8 26,27 0,525312

Nevera

gaseosa 4 110 8 3,52 0,0704

Nevera Peq. 1 12" 212 8 1,70 0,03392

Licuadora 3

5

velocidade

s 450 2 2,70 0,054

Tubo

Fluorescente 55 60 4 13,20 0,264

Ventiladores de

techo 4 75 2 0,60 0,012


Planta de

Sonido 1 100 1 0,10 0,002

TOTAL 3956,8 194,44 3,888832

El proyecto necesita una inversión inicial de $457.739.800, ver anexo O, el análisis

financiero para el cálculo del tiempo de recuperación de la inversión se observa en la

tabla 20, teniendo en cuenta que la tasa de rendimiento anual es del 2%, durante las

vacaciones y fines de semana el consumo eléctrico se reduce a un 40%. Dando como


resultado un TIR 4,55%%, VPN $195.660.248,84 >0. El tiempo de retorno es de 19,7

años, siendo el proyecto Viable económicamente.

Tabla 20: Análisis Económico Sistema Fotovoltaico

Año

Gasto


Valor

presente

Flujo

Recuperación

Inversión

Año 0

-

458.493.015

1 Año 1

960.000

16.829.350

15.869.350

15.558.186 - 442.934.829

2 Año 2

988.800

17.839.111

16.850.311

16.195.993 - 426.738.836

3 Año 3

1.018.464

18.909.458

17.890.994

16.859.083 - 409.879.753

4 Año 4

1.049.018

20.044.025

18.995.007

17.548.450 - 392.331.303

5 Año 5

1.080.488

21.246.666

20.166.178

18.265.129 - 374.066.174

6 Año 6

1.112.903

22.521.466

21.408.563

19.010.192 - 355.055.983

7 Año 7

1.146.290

23.872.754

22.726.464

19.784.755 - 335.271.228

8 Año 8

1.180.679

25.305.120

24.124.441

20.589.978 - 314.681.250

9 Año 9

1.216.099

26.823.427

25.607.328

21.427.066 - 293.254.184

10 Año 10

1.252.582

28.432.833

27.180.250

22.297.272 - 270.956.911


Año

Gasto


Valor

presente

Flujo

Recuperación

Inversión

11 Año 11

1.290.160

30.138.802

28.848.643

23.201.897 - 247.755.014

12 Año 12

1.328.865

31.947.131

30.618.266

24.142.294 - 223.612.720

13 Año 13

1.368.730

33.863.958

32.495.228

25.119.868 - 198.492.852

14 Año 14

1.409.792

35.895.796

34.486.004

26.136.081 - 172.356.771

15 Año 15

1.452.086

38.049.544

36.597.458

27.192.450 - 145.164.321

16 Año 16

1.495.649

40.332.516

38.836.868

28.290.554 - 116.873.768

17 Año 17

1.540.518

42.752.467

41.211.949

29.432.031 - 87.441.737

18 Año 18

1.586.734

45.317.615

43.730.882

30.618.587 - 56.823.150

19 Año 19

1.634.336

48.036.672

46.402.337

31.851.991 - 24.971.159

20 Año 20

1.683.366

50.918.873

49.235.507

33.134.085 8.162.926

3.4 Mantenimiento del sistema Fotovoltaico

El sistema fotovoltaico no necesita un mantenimiento riguroso, sino estar revisar el

estado de algunos elementos como:


1. Los paneles se deben limpiar, evitando que se acumule polvo y hojas de los

árboles.

2. Se debe revisar el estado de la batería además de ubicarla en un lugar seco y

ventilado.

3. Se debe revisar el estado de los cables para evitar cortos.


4. Diseño del Biodigestor

Figura 30: Restaurante escolar

Para determinar el potencial energético del Colegio Técnico Vicente Azuero, a

partir de los desechos de los alimentos necesarios para la preparación de los

desayunos y almuerzos de 500 estudiantes, ver figura 30. Diariamente son generados

25 kilos de basura cruda y 5 kg de desechos de comidas cocinadas, las cuales son

arrojadas en el depósito de basura de la Institución, ver figura 31.


Figura 31: Depósito de Basura Colegio Técnico Vicente Azuero

Los residuos vegetales crudos obtenidos en el restaurante semanalmente están

relacionados en la tabla 21.

Tabla 21: Desechos agrícolas del restaurante escolar

PRODUCTO MASA MASA RESIDUOS

PAPA 145 37

YUCA 30 12

ZANAHORIA 25 5

TOMATE 15 2

MORA 10 2,2

CEBOLLA LARGA 7,5 3

CEBOLLA CABEZONA 10 0,7

TOMATE DE ÁRBOL 25 2

GUAYABA 25 7

CURUBO 20 6

PLÁTANO 75 32

REMOLACHA 5 0,8

REPOLLO 5 1


PRODUCTO MASA MASA RESIDUOS

BANANO 20 8

TOTAL

126,85 Kg

En la siguiente tabla 22 aparecen los valores características de Biogás que se

puede obtener de algunos desechos vegetales

Tabla 22: Producción Biogás a partir de desechos orgánicos.

Material %EST

Solidos

Totales

%SO Solidos

Orgánicos

P= Producción

Biogás

(m3 gas/1Kg SO)

Paja de arroz 89 93 0,22

Paja de trigo 82 94 0,25

Paja de maíz 80 91 0,41

Hierba fresca 24 89 0,41

Bagazo 65 78 0,16

Desechos de Verdura 12 86 0,35

Desechos orgánicos de

cocina

15 10 0,25

Tomado de la UPME

Calculo de producción de Biogás Desechos de Verdura

PG = MPC ×SO ×P (4,1)

El total de biogás generado diariamente en el restaurante escolar por los residuos

crudos y los sobrantes de comida cocinada se resume en la tabla 23.

Tabla 23: Producción biogás diario producido por restaurante escolar


VOLUMEN DE BIOGÁS GENERADOS EN UN DÍA

Biomasa Cantidad(kg)

diaria

%SO m3biogás/KgS

O

m3

biogás

Residuos

Vegetales

25,37 86 0,35 7,63

Residuos de

Comida

2 10 0,25 0,05

Estos datos salieron del promedio de los datos medidos. Estos pueden variar con el

tiempo, ya que se ve afectado por los periodos de vacaciones, fines de semana,

festivos y otros (paros), cuando se inicia el proceso de alimentación del Biodigestor,

este toma alrededor de 30 para iniciar a generar biogás.

El proceso para realizar la digestión anaerobia en el Biodigestor se observa en la

figura 32.

Figura 32. Diagrama de Flujo Biodigestor

Biomasa

Cortado Mezcla Medición pH

Pretratamiento Digestión Anaerobia

Decantador

Abono Orgánico

Cocción Reservorio

Residuos

Lodos

Biogás


Inicialmente recolectara los residuos los cuales deben ser clasificados para evitar

elementos que puedan afectar el funcionamiento del Biodigestor, por ejemplo no se

puede agregar sustancias acidas que afecten el pH, luego los residuos del restaurante

se hidratan y luego se muelen almacenándolos en tanques que están cerca del

Biodigestor, su alimentación se realizara en forma continua.

El biogás que se obtiene debe ser trasladado por medio de mangueras que permita

una correcta operación, provista de accesorios como válvulas, trampas de agua y

trampa de ácido sulfhídrico, que estará conectado con la cocina del restaurante, el

biogas que no pueda ser utilizado se almacenara en un reservorio cercano al

Biodigestor.

El efluente que salen del Biodigestor es recolectado en un tanque para luego ser

separados la parte sólida y liquida, los sólidos pueden ser secados para ser

almacenados para ser utilizados como fertilizante, los líquidos se pueden conservar en

tanques, los cuales son tratados (agua, levadura o melaza) para luego ayudar a la

fertilización de las plantas. Los lodos sedimentados dentro del Biodigestor se obtienen

mediante una limpieza que se debe realizar en forma periódica, por que afecta el

volumen del biogás.

4.1 Potencial Energético

El restaurante escolar funciona durante 38 semanas del año, produciendo un

volumen de 1459,2 m3 de residuos de comida cruda y cocinada, el biogás tiene un

poder calorífico entre 18,82MJ/m3 - 27,19 MJ/m3 (fuente UPME), y el poder calorífico

del gas domiciliario es de 41,45 MJ/m3 (fuente Metrogas). En la siguiente tabla 24 se

observa el potencial de biomasa obtenido durante un año de funcionamiento del

restaurante escolar.


Tabla 24: Potencial energético anual restaurante escolar

POTENCIAL ENERGÉTICO ANUAL

m3 (MJ)

Residuos Vegetales 1449,7 27283,3

Residuos de Comida 9,5 178,79

Se debe evitar utilizar residuos ácidos como la naranja y el limón, porque afecta el

pH del Biodigestor, este trabaja en condiciones óptimas con un pH entre (6,6 - 7,6),

para el desarrollo normal de los microorganismos.

4.2 Diseño de Biodigestor tipo tubular

4.2.1 Tiempo de retención

Es el tiempo necesario para que la materia orgánica dentro del Biodigestor se

someta al proceso de descomposición.

TR = -51,227 Ln(T) + 206,72 (4,2)

T= Temperatura del sitio= 23°

TR=46 días

4.2.2 Volumen del Biodigestor

Se calcula el volumen del Biodigestor según las características de la biomasa con

la siguiente ecuación

V =M∗TR∗f

d (4,3)

M=flujo de la Biomasa Kg/día= 27,37 Kg/día

f= factor de sobredimensionamiento para el almacenamiento del Biogás= 1,2


d= densidad de Biomasa Kg/m3 = 1090 Kg/m3 Tomado de (UPME, 2003)

V= 1,38 m3

Figura 33: Tamaño Biodigestor

El Biodigestor seleccionado, es de tipo Taiwanés-tubular, los criterios para su

selección son:

1. Costos

2. Fácil instalación y mantenimiento

3. Se cuenta en la Institución con suficiente área para realizar su instalación, en

zonas alejadas de las aulas de clase y viviendas.

4. Se puede utilizar para dar lecciones prácticas sobre manejo de energía

alternativas.

5. Se logra cumplir con los requerimientos técnicos requeridas en la biodigestión.

El Biodigestor está compuesto de dos bolsas de plástico completamente sellado,

que debe tener una leve inclinación, para evitar acumulación de líquidos, las

dimensiones son radio 0,47 m y 2 m de largo, como se observa en la figura 33. En la

entrada del Biodigestor se ubica tanques de alimentación de los residuos ya tratados

(molidos e hidratados), a la salida también habrá un recipiente en donde se

almacenaran los efluentes que se utilizaran como abono, los cuales servirán como

fertilizante de las huertas escolares, ver figura 34.

2 m

0,47 m


4.2.3 Diseño del Reservorio:

Se debe diseñar un reservorio donde almacenara biogás y permita elevar la presión en

caso que se necesite. El volumen del reservorio será del mismo tamaño que el

Biodigestor, hecho de bolsas de polietileno. Se debe colocar cerca de la cocina pero

alejada del fuego por lo que se deberá ubicar en la parte exterior del restaurante en

forma vertical, cubierto por un techo y amarrado para protegerlo del viento, sus puntos

extremos estarán sellados y deberá colocar una T para conectar el reservorio a la

cocina y al Biodigestor, además se debe colocar una válvula de bola en caso de

rompimiento de la membrana.

4.2.4 Producción de Bioabono

Durante la fermentación una parte de los residuos se convierten en biogás y otra

parte se convierten en abono orgánico estando en un rango entre 30-40% de los

residuos sólidos.

Bioabono = Carga diaria –Carga diaria* 30% (4,4)

Bioabono= 27,37 Kg/día -27,37 Kg/día*0,3= 19,15 Kg/día


Figura 34: Huertas escolares

4.2.5 Accesorios

El plástico a utilizar en el Biodigestor será de polietileno color negro calibre 35, de

1m de ancho y 2 m de largo. El sistema de conducción de gas transporta el biogás

desde el Biodigestor hasta la cocina, y consta de una tubería o manguera, que estarán

conectadas tal como se muestra en la figura 35. Se debe colocar una válvula de

seguridad conectada a un tanque de agua de 5-10 cm de altura que actúa como sello

hidráulico, la válvula evitara el exceso de gas que puede romper el plástico del

Biodigestor. (Martí Herrero, 2008)


Figura 35: Partes Salida del biogás

Se conectara después de la válvula de seguridad una trampa de agua en donde se

almacenara el vapor de agua que proviene del biogás por lo que necesita un recipiente

de almacenaje del líquido conectado con una válvula de purga. Después se conecta

una trampa de ácido sulfhídrico, que consta de un recipiente con viruta de hierro, con

un grifo de purga, que reduce el poder corrosivo que tiene el biogás. A la entrada de la

cocina se conecta una válvula de paso que controla el caudal del gas a la estufa.

También se debe colocar una T que permite el paso de biogás proveniente del

Biodigestor y del reservorio.

4.2.6 Quemadores de la Estufa:

Se seleccionaron nuevas estufas apropiadas para el consumo de biogás como

combustible. Las cocinas que utilizan gas natural era 1 de 3 fogones y 2 cocinas de 1

fogón cada quemador consume 0,3 m3/h. Se seleccionaron cocinas con mejor

rendimiento energético, ya que las anteriores cocinas tenían un bajo rendimiento, la

energía era irradiada hacia el ambiente. Los nuevos quemadores estarán en cámaras

cerradas como se ve en la figura 36, lo cual permite elevar el rendimiento energético

de la combustión, el material de la superficie será acero inoxidable y son quemadores

especiales para utilizar biogás, su eficiencia al calor es de un 60% y cada quemador de


las cocinas consumen 0,45 m3/h de biogás, se instalaran 4 quemadores para utilizar

todo el biogás.

Figura 36. Quemador Teenwin Biogás modelo TY-SU

4.2.7 Comportamiento Reológicos de los residuos orgánicos

Las condiciones reológicas del material determina la forma como fluye en un

conducto, además como es su respuesta ante un esfuerzo o deformación, los alimentos

tienen diferentes comportamientos. Estas condiciones dependen del tipo de fluido, los

cuales se clasifican así:

1. Fluidos Newtonianos: Son fluidos en donde existe una relación proporcional

entre esfuerzo cortante y su velocidad de deformación, su viscosidad es constante

ejemplo: agua, jugo de frutas.

σ = (µ)*ɣ̇ (4,5)

σ = esfuerzo cortante del material

µ = constante de proporcionalidad del fluidos Newtonianos

ɣ̇ = gradiente de deformación.


2. Fluidos no Newtonianos: no existe relación proporcional entre el esfuerzo

cortante y velocidad de deformación. Ejemplo: fluidos biológicos, lodos, alimentos

líquidos. (Escudero Cadena, 2014)

a. Si los fluidos son independientes del tiempo, requiere un esfuerzo mínimo para

iniciar su movimiento. Sus ecuaciones son:

σ = σ0 + k(ɣ̇)n Herschel-Bulckey Ejemplo: pasta de pescado, pasta de uvas

σ = k(ɣ̇)n 0˂n˂1 Pseudoplástico, llamada ecuación Ley de Potencia. Ejemplo:

puré de plátano, salsas, frutas y algunas verduras

σ = k(ɣ̇)n 1˂n˂∞ Dilatante Ejemplo: mieles

σ = σ0 + k(ɣ̇) Plástico de Bingham

σ 0.5= σ0 0.5+ k1ɣn1 Ecuación de Casson modificada

σ n1= σ0 n1+ k1ɣn2 Ecuación de Herschel-Bulkley modificada

σ = k1ɣ + k2ɣ3 + … Ecuación de serie de potencias

k= Coeficiente de consistencia

n = índice comportamiento del flujo

σ0 = umbral de fluencia

Los valores de K, K1, K2, n, n1, n2, ɣ y τo son constantes características del

sistema, sus valores se determinan experimentalmente. (Gahona M., 2013)

Los fluidos pseudoplásticos, son aquellos en donde disminuye su elasticidad y el

esfuerzo cortante a medida que crece su velocidad de deformación.

b. Cuando la fluidez depende del tiempo se consideran inelásticos, y la respuesta

de la deformación a los esfuerzos aplicados no son instantáneos, se clasifican en

fluidos tixotrópicos y reopécticos.


Los fluidos tixotrópicos su viscosidad disminuye al aumentar el tiempo de aplicación

del esfuerzo, recuperando su estado inicial después de un reposo prolongado. Ejemplo

Yogurt, salsas de tomate.

Los fluidos reopécticos, su viscosidad aumentan con el tiempo y regresa a su

estado inicial después de un reposo prolongado. Ejemplo: yeso y arcillas.

En la siguiente figura 37 se observa un resumen del comportamiento de los fluidos:

Figura 37. Comportamiento Reológicos de los Fluidos

Fuente (Gahona M., 2013)

3. Fluidos viscoelásticos: tienen comportamiento elástico y viscoso. Ejemplo nata,

gelatina y helados. Su ecuación es:

σ+λ*�̇� = µ*ɣ (4,6)

σ = esfuerzo cortante

λ = Tiempo de relajación

�̇� = gradiente de esfuerzos cortantes

µ = viscosidad aparente

ɣ = velocidad de deformación


La gran mayoría de los residuos sólidos del restaurante tienen un comportamiento

pseudoplástico como las frutas y los restos de pulpa de las legumbres, también existen

productos que tienen otro comportamiento como es las cascaras de banano y plátano

que son fluidos viscoelásticos (Ciro Velásquez, Montoya López, & Millán Cardona,

2005), el jugo de tomate tiene un comportamiento tixotrópico.

4.2.8 Ubicación y Superficie Biodigestor

El Biodigestor se ubicara en un lote de 130 m2, que se encuentra junto al

restaurante escolar, ver figura 38, el cual cumple con los requisitos de seguridad como:

1. No se encuentra ubicado cerca de los salones de clase o viviendas.

2. No está ubicado en zonas naturales protegidas.

3. El sitio de ubicación del Biodigestor está protegido, alejado de personas o animales.

Figura 38. Lote ubicación Biodigestor

Se hace una zanja en forma trapezoidal con las dimensiones que se observan en la

figura 39 de tal manera que da estabilidad, luego se protege con un plástico de

polietileno evitando la presencia de piedras y superficies que puedan dañar la

membrana del Biodigestor.

Entrada de acceso del Biodigestor


Figura 39. Dimensión zanja Biodigestor

Se realizaran tanques de almacenamiento de los residuos y de los efluentes. El

Biodigestor estará encerrado con unos muros hechos con ladrillos para mantener su

estabilidad, alrededor de este se hará una estructura en madera para poder techar con

poli sombra, que lo protegerá de animales y la caída de material que pueda dañar la

membrana. Las tuberías de extracción del biogás deben tener soportes que garantice

su movilidad. La tubería de extracción de solidos será de PVC y dependerá de la

fluidez de los sólidos (los fluidos tienen características pseudoplástico y viscoelásticos).

(Forget, 2011)

Dentro del lote se ubicaran tanques para el almacenaje de los residuos sólidos, los

tanques de almacenaje del efluente, y tanques de almacenaje de abono orgánico, que

luego de ser tratados servirá como fertilizante de los suelos.

4.2.9 Mantenimiento

a. Se debe proteger el Biodigestor con una malla a su alrededor, además se debe

colocar un techo con una poli-sombra que evitara que personas, animales u

objetos puedan dañar el plástico del Biodigestor, y alarga la vida útil del mismo.

b. Se debe evitar que tierra, piedras u otros objetos se introduzcan al Biodigestor

que reduce el volumen de almacenaje.

c. Diariamente se debe alimentar el Biodigestor.

0,5 m

0,6 m

0,3 m


d. Revisar periódicamente el estado de la malla y techo del Biodigestor.

e. Verificar la línea de transporte del biogás, para detectar posibles fugas o

acumulación de líquidos.

f. Hacer mantenimiento periódico a la válvula de seguridad con el fin de retirar la

lama que se va formando en el frasco con agua.

g. Se debe impedir la utilización de insecticidas, detergentes o desinfectantes que

evitan el desarrollo de las bacterias anaeróbicas que son las productoras del

metano.

h. Si se desechan residuos ácidos se recomienda utilizar bicarbonato de sodio al

sustrato para reducir su acidez.

4.2.10 Análisis Financiero

Para el análisis financiero se debe tener en cuenta los costos del gas natural por la

cocción de los alimentos, los costos de la instalación del Biodigestor, la operación y

mantenimiento semanal. Al iniciar el proceso de la biodigestión el gas solo se genera

unas semanas después de su instalación. Se determinara el tiempo de retorno por la

utilización del Biodigestor, teniendo en cuenta que una vida útil de 10 años.

El consumo promedio de gas Natural actual es de 150 m3/mes, las cocinas se

desperdiciada mucha energía térmica asumiendo una eficiencia térmica del 30%, con

las nuevos quemadores (4) instalados su eficiencia térmica se eleva a un 60%, es decir

se necesitaría 105 de gas natural, el biogás que se produce es de 153,6 m3/mes de

biogás que equivalen a 69,74 m3/mes de gas natural, con lo que se necesitaría 35,26

m3/mes de gas Natural, En la tabla 25 se observa el consumo mensual y el ahorro que

se puede obtener con el uso del biogás, teniendo en cuenta que los poderes caloríficos

del gas domiciliario y el biogás son diferentes. La instalación del Biodigestor cubre el

76,49% de la demanda.


Tabla 25. Consumo-Producción Gas

Combustible Consumo Costo $/m3 Costo mensual

Gas Natural 150 m3/mes $1253,71/m3 $188056,5/mes

Con el uso del Biogás 35,26 m3/mes - Ahorro

$143850,6/ mes

Los costos de construcción e instalación del Biodigestor se relacionan en la

siguiente tabla 26.

Tabla 26: Costo Inversión Biodigestor

ELEMENTOS

CANT

(Unidad-m)

PRECIO

UNITARIO

PRECIO

TOTAL

Adaptador macho PVC 1/2" 1 2000 2000

Adaptador macho PVC 1" 1 3000 3000

Adaptador hembra PVC 1" 1 3000 3000

Tee PVC 1" 1 1000 1000

Reductor de 1-1/2" PVC 2 3000 6000

Codos 90° 5 2000 10000

Tapón PVC 1" 4 1000 4000

Tubería gris 1/2" 0,5 1000 500

Tubería gris 1" 0,5 2000 1000

Tubería o manguera polietileno 1

1/4" 10 3000 30000

Soldadura 1 9000 9000

Tubería galvanizada 1/2" 0,5 1000 500

Abrazaderas metálicas 1-1/2" 4 200 800

Llave de paso 1/2" 4 10000 40000

Plástico calibre 35 Largo: 3m 8 3700 29600

Racor 1 6000 6000

Malla 16 2000 16000


ELEMENTOS

CANT

(Unidad-m)

PRECIO

UNITARIO

PRECIO

TOTAL

Poli sombra 4 3000 12000

Válvula de Bola ½” 1 12000 12000

T de ½” 2 5000 10000

Maderas de Soportes ( 2m ) 6 20000 120000

Limpiador 1 6000 6000

Tejas plástica de 2m 1 20000 20000

Soportes 2 10000 20000

Mano de Obra 2 80000 160000

Quemadores de biogás 4 58406.25 233625

Ladrillos 200 400 80000

Cemento 2 30000 60000

TOTAL

896025

El costo de operación por trituración de material orgánico, mantenimiento y

recolección de tratamiento de abono orgánico es de $20000 semanales.

Se realizó el cálculo del VAN y el tiempo de retorno del proyecto teniendo en

cuenta una rentabilidad anual del 5%, y las primeras semanas al alimentar el

Biodigestor no produce biogás, también hay una reducción del volumen de residuos

durante la época de vacaciones. En el análisis financiero se obtuvo un VPN

$2.130.389,22>0, TIR del 40,29% y el tiempo de retorno es de 2,86 años como se

observa en la tabla 27.


Tabla 27. Calculo Tiempo de Retorno Biodigestor

Año Gastos Ahorros Inversión

Valor

presente

Flujo

recuperación

inversión

-896.025

Año

1

960.000

1.294.65

5

334.655

315.713

-

580.312

Año

2

1.008.00

0

1.359.38

8

351.388

312.734

-

267.578

Año

3

1.058.40

0

1.427.35

8

368.958

309.784

42.206

Año

4

1.111.32

0

1.498.72

5

387.405

306.861

349.067

Año

5

1.166.88

6

1.573.66

2

406.776

303.966

653.034

Año

6

1.225.23

0

1.652.34

5

427.115

301.099

954.133

Año

7

1.286.49

2

1.734.96

2

448.470

298.258

1.252.391

Año

8

1.350.81

6

1.821.71

0

470.894

295.445

1.547.835

Año


Año Gastos Ahorros Inversión

Valor

presente

Flujo

recuperación

inversión

9 1.418.35

7

1.912.79

6

494.438 292.657 1.840.493

Año

10

1.489.27

5

2.008.43

5

519.160

289.896

2.130.389


5. Conclusiones

La digestión anaeróbica que actúa dentro de un Biodigestor tiene muchos procesos

que pueden hacer variar los resultados, características tales como la cantidad, tipos de

restos orgánicos, y el tiempo de servicio, ya que solo se alimenta durante 38 semanas

debido a los periodos de vacaciones, logrando resultados satisfactorios debido a los

grandes beneficios ambientales, sociales y económicos.

Al realizar el análisis de la viabilidad económica por la instalación del Biodigestor

tubular, se logra obtener más del 70% del gas necesario para la cocción de los

alimentos, aprovechando los residuos orgánicos, además con el cambio de los

quemadores minimizan la pérdida energética, reduciendo la temperatura del

restaurante. El tiempo de retorno de la inversión se estima en 2,86 años, siendo la vida

útil de 10 años, este valor se puede reducir con los costos de operación, utilizando el

Biodigestor como laboratorio y como parte del proyecto de la modalidad medio

ambiental que tiene la Institución.

La instalación de celdas fotovoltaicas para que el colegio sea autosuficiente

energéticamente, no es viable económicamente, ya que el tiempo de retorno de la

inversión se estima en 32,6 años, debido al gran consumo energético por el uso de los

equipos de soldadura, computadores y los aires acondicionados de los salones de

Informática, y los elevados costos en la compra de los equipos requeridos para el

sistema fotovoltaicos. Se analizaron otros posibles escenarios donde el Colegio puede

aprovechar la radiación recibida minimizando los costos de la electricidad, teniendo en

cuenta que no podrá ser autosuficiente y estará conectada a la red. Para que el

proyecto sea viable económicamente se recomienda no utilizar baterías fotovoltaicas

por su elevado costo, los equipos de mayor consumo como las herramientas del Taller

de metalmecánica y los aires acondicionados estarían conectados a la red. La inversión

del proyecto se recupera en 19,3 años, teniendo en cuenta que la vida útil de los

equipos fotovoltaicos es de 25 años.


La viabilidad ecológica de los proyectos es alta, ya que ayudaría a mejorar el nivel

de vida de los habitantes de la región, en el análisis de la huella de carbón se observó

que una de las principales fuentes contaminantes son la electricidad y el uso del gas

natural como combustible, las emisiones dirigidas hacia el ambiente, en la Institución

por los servicios públicos, comida y transporte de los 2072 miembros de la comunidad

educativa es de 112381,42 Kg de dióxido de carbono al año (su huella ecológica es de

23,11 Ha de bosque/anuales), por electricidad y gas natural se emiten 32382,50 Kg

CO2/año (necesitando 6,23 Ha de bosque/anuales para mitigar estas emisiones), como

la vida útil de las celdas es de 25 años y el Biodigestor de 10 años, es elevado el

número de toneladas de emisiones que se dejarían de emitir hacia nuestro entorno.

Con la aplicación de estos proyectos en el Colegio se convierte en un modelo para

otras Entidades en el cuidado ambiental.

En los últimos años la humanidad ha sentido los graves daños provocados sobre el

medio ambiente, como altas temperaturas, deshielo de nuestras serranías, afectación

en la fauna y flora, presencia de nuevas enfermedades debido a las toxinas aplicadas

a los alimentos, todo esto conlleva a buscar alternativas donde el hombre mejore su

calidad de vida sin afectar su entorno para beneficio de las generaciones presentes y

futuras.


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Anexos

Anexo A. Glosario

ACUMULADOR FOTOVOLTAICO: Elemento capaz de almacenar la energía

recibida durante el día, que abastecerán los equipos que utilicen energía fotovoltaica,

en épocas de baja o nula insolación.

ANAEROBIA: Proceso que se desarrolla con ausencia de oxígeno.

BIOCARBURANTES: Son hidrocarburos derivados de la biomasa, que sirven para

generar energía, utilizados en motores de combustión interna.

CALOR LATENTE: Es la energía necesario para que un material cambie de estado,

sin que ocurra aumento de temperatura.

CALOR SENSIBLE: Es la energía que adquiere o libera un cuerpo debido a la

diferencia de temperatura, no existe cambio de estructura o cambio de estado del

cuerpo.

COMBUSTIBLES FÓSILES: Son deposito geológicos de materiales orgánicos

provenientes de plantas o animales, que al degradarse por acción de temperatura y

presión forma combustibles como el gas, petróleo y carbón, estas sustancias se

consideran combustibles no renovables.

COMPOST: Fertilizante que proviene de la descomposición de la materia orgánica.

CONDUCCIÓN: Es una forma de transmitir el calor por contacto directo de los

cuerpos, sin que haya intercambio de material se realiza de un cuerpo caliente hacia

uno frio.


CONVECCIÓN: Es una forma de transmitir el calor a través de los gases y líquidos,

entre zonas que se encuentren a diferentes temperaturas.

FOTOVOLTAICA: Genera una fuerza electromotriz a partir de una energía

luminosa o análoga.

GENERADOR FOTOVOLTAICO: Dispositivo capaz de mantener una diferencia de

potencial entre dos puntos, convierte la energía transportada por los fotones de la luz

que inciden en los módulos fotovoltaicos en energía eléctrica.

INVERSOR FOTOVOLTAICO: Elementos capaz de convertir la energía de las

celdas fotovoltaicas de corriente continua a corriente alterna.

IRRADIANCIA: Se define como la potencia de energía electromagnética radiada

por unidad de área, sus unidades son (W/m2).

RADIACIÓN: Propagación de energía a través del vacío o de un material en forma

de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas.

REGULADOR FOTOVOLTAICO: Dispositivo que regula y controla la intensidad de

la carga de las baterías con el fin de evitar sobrecargas y alargar su vida útil.


Anexo B. Abreviaturas:

C = velocidad de la luz en el vacío (3*10 8 m/s)

C Be = Capacidad Nominal Estacional de la Batería

CBd = Capacidad nominal diaria de la batería

CBe(Ah) = Capacidad nominal estacional de la batería

d= densidad del biogás

dmin= distancia mínima entre paneles

f= factor de sobredimensionamiento para el almacenamiento del Biogás

ff (m/s)= Velocidad del viento

Ff = factor de Funcionamiento

H Gk (kWh/m2 día)= Irradiación media Global, superficie inclinada diaria

H Gk (kWh/m2 mes)= Irradiación media Global, superficie inclinada mensual

H= Constante de Planck equivale (6,62 *10-34 J*s)

I M,G = Corriente total del generador

I M;MOD = Corriente de los módulos en el punto de máxima potencia


I SC,MOD: Corriente de cortocircuito de los módulos

I= Intensidad Solar (W/m2)

Imax= Corriente máxima

Ireg= Corriente del regulador seleccionado

IS,REG = Intensidad de salida del Regulador

ISC,G = Intensidad que produce el generador fotovoltaico

Ldm = Media mensual de energía media

m=flujo de la Biomasa Kg/día

MPC = masa desechos en kilogramos por día

Ƞ Batería= Eficiencia de la batería

Ƞ INV = Eficiencia del inversor

Np= número de módulos en paralelo

Ns= número de módulos en serie

Nt= número de módulos en total

P = Producción aproximada de m3 de gas/kg de masa orgánica seca total

P Dmax,d: Potencia máxima profundidad de descarga diaria de la batería.


P Dmax,e: Potencia máxima profundidad de descarga estacional de la batería

PAC: Potencia de las cargas en AC

PDC: Potencia de las cargas en DC

PG = Gas producido en litros por día

PM,MOD= Potencia del módulo

PR: Rendimiento energético de la instalación. Instalaciones de conexión a red

Psol=Potencia emitida por el sol = 3,9x1026 W

Q da = Media anual de carga eléctrica diaria

r= distancia del Sol a la Tierra= 1,496 x1011

s= superficie esférica = 4πr2

SO = Porcentaje de materia orgánica

Ta (°C) = Temperatura del aire

TR= Tiempo de retención en días

V M,MOD = Voltaje máximo del Módulo

VB =Voltaje de Batería

VB: Tensión nominal de la batería

VOC,MOD = Voltaje de cortocircuito del módulo


λ= Longitud de onda


Anexo C. Resultados Encuesta 1. ¿Qué les preocupa a los Colombianos?

En la figura C1 se observa la primera encuesta realizada a una muestra de la

comunidad educativa del Colegio Técnico Vicente Azuero, entre docentes, padres y

estudiantes, para conocer los temas más relevantes a nivel mundial, nacional y local.

Figura C1 Encuesta

Obteniéndose los siguientes resultados, ordenados por edades.

ENCUESTA QUE LES PREOCUPA A LOS COLOMBIANOS

EDAD

MENOR DE 18 AÑOS ____ 18-25 AÑOS____ 26-35 AÑOS____ 36-45 AÑOS_____

46-55 AÑOS____ 56-65 AÑOS_____ MAYOR 65 AÑOS____

GENERO

F______ M_____

NIVEL EDUCATIVO

PRIMARIA______ SECUNDARIA_____ TÉCNICO - TECNÓLOGO_____

UNIVERSITARIO-POSGRADO_____ NINGUNO____

OCUPACIÓN

TRABAJAR____ HOGAR____ ESTUDIAR Y TRABAJAR_____

PENSIONADA____

ESTUDIAR_____ DESEMPLEADO____ NO RESPONDE_____

¿CUALES CONSIDERA USTED COMO LOS PRINCIPALES PROBLEMAS EN LA ACTUALIDAD EN EL MUNDO?

Enumere del 1 al 9, siendo el 1 más bajo y 9 el más alto problema

ECONOMÍA____ MEDIO AMBIENTE_____ SALUD_____ SEGURIDAD_____ EDUCACIÓN____

POLÍTICA_____ CULTURA____ DESPLAZAMIENTO____ OTRO____

¿CUALES CONSIDERA USTED COMO LOS PRINCIPALES PROBLEMAS EN LA ACTUALIDAD EN EL

COLOMBIA?




¿CUALES CONSIDERA USTED COMO LOS PRINCIPALES PROBLEMAS EN LA ACTUALIDAD EN NUESTRA

CIUDAD?





Para las personas mayores de 36 años

Figura C2 Problemas Mundiales

Figura C3 Problemas Nacionales

Figura C4 Problemas Locales

Personas entre 18 y 35 años

13%

15%

15%11%

13%

13%

8%

8%

4%

PROBLEMAS MUNDIALES ECONOMIAMEDIO AMBIENTESALUDSEGURIDADEDUCACIONPOLITICACULTURADESPLAZAMIENTOOTRO

12%15%

14%13%13%

10%

9%11% 3%

PROBLEMAS EN EL PAIS ECONOMIAMEDIO AMBIENTESALUDSEGURIDADEDUCACIONPOLITICACULTURADESPLAZAMIENTOOTRO

13%15%

14%13%

14%

11%

10% 7% 3%

PROBLEMAS DE LA CIUDAD ECONOMIA

MEDIO AMBIENTE

SALUD

SEGURIDAD

EDUCACION

POLITICA

CULTURA

DESPLAZAMIENTO

OTRO





Para menores de 18 años:

15%

13%

15%10%11%

9%

8%

13% 6%

PROBLEMAS EN EL MUNDO ECONOMIAMEDIO AMBIENTESALUDSEGURIDADEDUCACIONPOLITICACULTURADESPLAZAMIENTOOTRO

14%11%

15%

10%

16%

12%

8%11% 3%

PROBLEMAS DEL PAISECONOMIAMEDIO AMBIENTESALUDSEGURIDADEDUCACIONPOLITICACULTURADESPLAZAMIENTOOTRO

13%13%

15%

14%12%

12%

8%8% 5%

PROBLEMAS DE LA CIUDAD ECONOMIAMEDIO AMBIENTESALUDSEGURIDADEDUCACIONPOLITICACULTURADESPLAZAMIENTO





Como se puede observar en las diferentes graficas una de las principales

preocupaciones de las personas de todas las edades, es el medio ambiente.

12%13%

11%

11%12%12%

9%

12% 8%

PROBLEMAS EN EL MUNDO ECONOMIAMEDIO AMBIENTESALUDSEGURIDADEDUCACIONPOLITICACULTURADESPLAZAMIENTOOTRO

12%11%

10%

12%13%

11%

10%

12% 9%

PROBLEMAS EN EL PAISECONOMIA

MEDIO AMBIENTE

SALUD

SEGURIDAD

EDUCACION

POLITICA

CULTURA

DESPLAZAMIENTO

OTRO

11%11%

11%

12%10%

11%

13%

11% 10%

PROBLEMAS EN LA CIUDAD ECONOMIAMEDIO AMBIENTESALUDSEGURIDADEDUCACIONPOLITICACULTURADESPLAZAMIENTOOTRO


Anexo D. Resultados Encuesta 2. Identificación de la Importancia del Medio

Ambiente en el Colegio

Figura D1 Encuesta 2

IDENTIFICACIÓN DE LA IMPORTANCIA DEL MEDIO AMBIENTE EN EL COLEGIO TÉCNICO VICENTE

AZUERO

1. Cargo ___________________ Edad ____________ Genero: F _____ M ______

2. Usted como califica el estado actual del medio ambiente en el colegio: Favorable ( muy bueno o bueno)

______ Desfavorable ( Regular y malo) ______

3. Quienes considera usted que son los actores que más contribuyen a cuidar el medio ambiente en su colegio?

(Marque con una X)

a. Estudiantes ___ b. Profesores ___ c. Los administrativos ___ d. Otro. Cual ______

4. Cuáles son los temas ambientales más importantes en su colegio: (Marque con una X)

a. Manejo de residuos sólidos ___ b. Ruido ___ c. Manejo del agua ___ d. Aire ___ e. Energía ___

5. En una escala de 1 a 4, donde 1 es muy baja afectación y 4 es muy alta afectación. Que tan afectado se

siente por:

Inadecuada disposición de desechos Contaminación del aire causada por

vehículos motorizados

Elevada producción de basura Exceso del alumbrado/Iluminación

Inadecuado manejo del agua Exceso de uso de aparatos electrónicos

Escases de agua Contaminación atmosférica proveniente de

la quebrada

Contaminación acústica diurna

6. Conoce alguna persona que en su colegio afronte los siguientes problemas ambientales: (Marque con una X)

Uso racional del agua___ Uso racional de energía ___ Manejo de residuos ___ _ Contaminación del aire

___

7. Que hace usted cuando encuentra un papel en el piso: (Marque con una X)

Lo recoge ___ Lo deja ahí ___ No ve papeles en el piso ___

8. Conoce alguno de los siguientes métodos que el colegio haya implementado: (Marque con una X)

Bombillos reutilizables ___ Reutilizar materiales ___ Compartir transporte con dos o más personas ___ Usar

medio de transporte menos contaminante____ Manejo adecuado de residuos ____

9. Cuál cree usted que es la razón principal de cuidar el medio ambiente? (Marque con una X)

Mejorar su calidad de vida ___ Proteger los recursos naturales ___ Reducir gastos en servicios públicos ___

No responde __

10. Con que frecuencia usa usted uno de los siguientes medios de transporte para desplazarse a su lugar de

trabajo o estudio: ( Siempre (S), Frecuentemente (F), Casi nunca (CN), Nunca (N), No responde (NR))

Flota o servicio de transporte masivo ___ A pie ___ Automóvil ___ Taxi ____ Motocicleta ____ Bicicleta

____


Según los resultados de la primera encuesta, se determinó que el medio ambiente

es uno de los grandes problemas que perciben las personas a nivel mundial, nacional y

local, se realizó una segunda encuesta como se observa en la figura D1, para

identificar los principales problemas ambientales dentro de la Institución, donde se

obtuvieron los siguientes resultados.

Figura D2. Personas encuestadas Figura D3. Percepción

Ambiental Colegio

Figura D4. Principales problemas ambientales en la Institución

0%

20%

40%

60%

Hombres Mujeres

Genero

Comparativo por Genero

Hombres

Mujeres

0%

20%

40%

60%

Favorable Desfavorable

Percepción ambiental del Colegio

63%

6%

24%3% 4%

Principales problemas ambientales Manejo Residuos Solidos

Ruido

Manejo Agua

Aire

Energia


Figura D5. Grado de Afectacion problemas ambientales

Como se observa en el resultado de la encuesta, uno de los principales problemas

de la Institución es el inadecuado manejo de residuos, esto es debido a su gran

volumen y falta de cultura ciudadana de los individuos.

16%

18%

15%12%

14%

13%12%

Grado de AfectaciónInadecuada disposiciondesechosElevada produccionbasurasInadecuado manejobasurasContaminación Acústica

ContaminaciónAtmosferica quebradaContaminación Aire porVehiculos


Anexo E. Resultados Radiación Solar programa Meteonorm

En las siguientes graficas se observan los resultados obtenidos mediante el

programa solar Meteonorm en el Municipio de Floridablanca.

Figura E1. Datos de entrada

Figura E2 Tabla de resultados de radiación


Figura E3. Promedio anual de Temperatura en Floridablanca

Figura E4 Radiación e Irradiación difusa anual

Figura E5 Angulo Azimut del Municipio de Floridablanca


Figura E6 Promedio radiación anual de Floridablanca


Anexo F. Cotización Baterías

La corriente necesaria es de 125286,3 Ah, las baterías seleccionada es la csb

MSJ650 de 2 voltios y 650 A-h, por lo tanto se necesitan 24 baterías en serie para

igualar el voltaje de 48 voltios y 193 baterías en paralelo para igualar la corriente

requerida, dando un total de 4632 baterías de 2 voltios y 650A-h, por un valor de $

1.934.323.200, en la figura E1 se observa la cotizacion de las 4632 baterias solares

Figura F1 Cotización Baterías


Anexo G. Cotización Paneles Solares

En las siguientes figuras se observa la cotizacion de las 1098 baterias solares de

300W.

Figura G1 Cotización Paneles Fotovoltaico


Figura G2 Cotización Paneles Fotovoltaicos


Anexo H. Cotización Regulador fotovoltaico

El diseño fotovoltaico dispone de 550 paneles en paralelo con dos módulos cada

ramal, por lo tanto se necesitan 1 regulador distinto cada grupo de 6 módulos en

paralelo, por lo tanto se necesitan instalar 92 reguladores en total; conectando

después todas las salidas a las baterías.

Se seleccionó el controlador de carga 80A Flexmax 7500 W-MPPT48V PWM que

costarían 31059,57 euro, en la figura H1 se observa su cotización.

Figura H1 Cotizacion regulador solar


Anexo I. Catálogo de Cables

Figura I1. Catalogo de cables Centelsa


Anexo J. Catálogo de Fusibles:

Figura J1 Catalogo fusibles fotovoltaico df Electric


Figura J2 Catalogo fusibles fotovoltaico df Electric


Anexo K. Catalogo Inversores Fotovoltaicos

Inversor solar SUNZET 100 T - 100 KW

Figura K1. Inversor solar 100Kw

Figura K2 Catalogo de Precios

Los precios están en pesos mexicanos, se realizó la conversión a pesos (tomando

el precio el día 3 de Febrero del 2016), se adiciono un 25% adicional por el envío.


Inversor trifásico de la energía solar 1kw-15kw para el sistema de energía solar

Figura K3 Inversor modelo tm-115kw

Figura K4 Precio Inversor modelo tm-115kw

Figura K5 Detalles Inversor modelo tm-115kw


Inversor solar híbrido 2kw-30kw con la rejilla que retroactúa

Figura K6 Inversor modelo IGrid 2KW-10KW

Figura K7 Precio Inversor modelo IGrid 2KW-10KW

Figura K8 Características Inversor modelo IGrid 2KW-10KW


Anexo L. Catalogo Contador Eléctrico

Contador trifásico bi-direccional, no suma energía, se utiliza para cuantificar la

energía cuando un sistema de generación fotovoltaica está conectado a la red

Figura L1 Contador eléctrico 5CTD

En concreto, el equipo 5CTD-E1F está destinado a la medida de la energía de

cliente con posibilidad de telegestión, es decir, comunicación remota para funciones de

lectura, gestión de energía, control de potencia, etc. a través de un módulo PLC

integrado en el equipo. Se describe el modelo de 5CTD-E1F de clase B en activa y 2

en reactiva, bidireccional, con función registrador, tarifador y maxímetro, con elemento

de corte y reconexión en todos los polos y con módulo de comunicaciones integrado

(GPRS o PLC con tecnología PRIME) con protocolo de comunicaciones

DLMS/COSEM.


Anexo M. Recibos servicios públicos de la Institución.

Figura M1 Recibo Luz


Figura M2 Recibo Gas Natural


Anexo N. Análisis Huella de Carbón:

La huella de Carbono determina, cuantas toneladas de dióxido de Carbono se

están emitiendo hacia el ambiente durante un tiempo determinado, según los recursos

que se están utilizando. En este trabajo se evaluó el consumo de los servicio públicos

de luz y gas (ver anexo M), porque se quieren reemplazar por combustibles renovables,

provenientes del Colegio, se cuantifico semanalmente los alimentos necesarios para la

alimentación de 500 estudiantes que desayunan y almuerzan de lunes a viernes, ya

que de ahí provienen los recursos para el funcionamiento del Biodigestor, y se

valoraron las residuos arrojados toda la comunidad educativa y la forma de

transportarse hacia el Colegio; estos datos se obtuvieron a partir de encuestas

realizadas a los integrantes de la Institución (ver anexos C y D). (Cruz Quintero, Teutli

L., González, Jiménez, & Ruíz, 2011)

El cálculo de huella de carbono para los 2072 integrantes de la comunidad

educativa, entre estudiantes, docentes y administrativos, que ocupan un área de 15000

m2, esto se realizó en una hoja de Excel, ver tabla N1, convirtiendo los kg de basura y

horas de recorrido etc, en toneladas de dióxido de carbono, como se ve en la figura N1.

Servicios

Públicos Unidad

Consum

o anual

Facto

r Fuente

Kg

CO2/año

Huella

ecológica

[Ha/año]

Electricida

d

KgCO2/

KWh 146880 0,175

http://www.carbonfo

otprint.com/factors.

aspx

25743,8

6 4,95

Gas

Natural

KgCO2/

Kg

33193,1

6 0,2 OSE (España) 6638,63 1,28

Total

32382,5

0 6,23

Comida

http://www.carbonfootprint.com/factors.aspx




Servicios

Públicos Unidad

Consum

o anual

Facto

r Fuente

Kg

CO2/año

Huella

ecológica

[Ha/año]

granos

KgCO2/

kg

comida

760 0,307

Pathak, et al.(2010)

233,17 0,04

carne de

res 3800

12,06

2

45838,2

6 8,82

arroz 1900 1,22 2318,00 0,45

carne de

pollo 1140 0,846 964,44 0,19

huevos 1456,6 0,588 856,48 0,16

papa 188

0,024

9 4,68 0,00

banana 950 0,071 67,45 0,01

vegetales 6194 0,49 3035,06 0,58

yuca 950 0,02 19,00 0,00

Total

comida

53336,5

4 10,26

Transporte

Personas Horas

Auto 228 210

0,194

6

http://www.ecopetro

l.com.co/especiales

/calculadoraAmbien

tal/co2.html

9317,45 1,79

Tran.

Publico 435 280

0,057

7 7027,86 1,35

Taxi 124 KgC

O2/

h

140

0,194

6

www.carbonfootprin

t.com/factors.aspx

www.ecopetrol.com

.co/especiales/calc

uladoraAmbiental/c

o2.html

3378,26 0,65

Moto 310 120 0,09 3348,00 0,64

Total

Transp.

23071,5

6 4,44

Residu

os Kg

Papel KgCO2/kg 804,5 1,84

López Álvarez, et

al. (2008) 1480,28 0,28

plástico KgCO2/kg 383,12 1,08

Dan Gottlieb, et

al.(2012.) 412,24 0,08

residuo KgCO2/kg 957,8 1,49

1427,12 0,27

http://www.ecopetrol.com.co/especiales/calculadoraAmbiental/co2.html










http://www.ipcc.ch/,%20%20López%20Álvarez,%20et%20al.,%202008.

http://www.ipcc.ch/,%20%20López%20Álvarez,%20et%20al.,%202008.


Servicios

Públicos Unidad

Consum

o anual

Facto

r Fuente

Kg

CO2/año

Huella

ecológica

[Ha/año]

s

orgánic

os

Otros

residuo

s KgCO2/kg 182 1,49

Bhoya, et al.(2014)

271,18 0,05

Total

Residu

os 3590,82 0,69

TOTAL

112381,

42 23,11

Tabla M1 Calculo huella de carbono

Figura M1. Huella de Carbono

Donde se puede observar la principal fuente de emisión proviene de la

alimentación, la carne de res, después es la energía eléctrica y transporte.

Además se analizó la huella ecológica, desarrollado por profesores William Rees y

Mathis Wackernagel, en 1996, (Castaño González & Rodríguez Guevara, 2013) que

proporciona cuantas hectáreas de bosques se requieren para que produzcan los

05000

100001500020000250003000035000400004500050000

Elec

tric

idad

Gas

Nat

ura

l

gran

os

carn

e d

e re

s

arro

z

carn

e d

e p

ollo

hu

evo

s

pap

a

ban

ana

Veg

etal

es

yuca

Au

tom

óvi

l

Tran

. Pu

blic

o

Taxi

Mo

to

Pap

el

plá

stic

o

resi

du

os

org

ánic

os

resi

du

os

en g

ener

al

Kg

Co

2/a

ño

RECURSOS

Huella de Carbono


recursos necesarios para que nivelar las toneladas de dióxido de carbono producido,

ver tabla M2.

Servicios Públicos Kg

CO2/año

Huella

ecológica

[Ha/año]

Electricidad 25743,86 4,95

Gas Natural 6638,63 1,28

Comida 53336,54 10,26

Transporte 23071,56 4,44

Residuo 3590,82 0,69

112381,42 23,11

Tabla M2 Huella de carbono

En la figura M2 se realizan comparaciones de los recursos con mayor huella

ecología.

Figura M2 Huella Ecológica Colegio Técnico Vicente Azuero

23%

6%

47%

21%

3%

HUELLA ECOLOGICAElectricidad

Gas Natural

Comida

Transporte

Residuo


La huella ecológica per cápita, indica cuántas hectáreas de bosque se requieren

por persona para asimilar los recursos utilizados, se halla dividiendo la huella

ecológica total dividida en el número de personas analizadas, dando como resultado

0,011 Ha/año.

La huella social, se puede explicar diferentes maneras como: la enfermedad social

del planeta, la cantidad de necesidades que una persona pierde, y se relaciona con la

cantidad de empleos que se dejan de generar, debido al uso de los recursos. Se

calcula dividiendo la huella ecológica total en las hectáreas que un hombre tiene

derecho para vivir (capacidad biológica), cuyo valor es de 1,8 Ha/año*persona,

(Doménech Q., 2006), dando como resultado 12,84 personas


Anexo O. Análisis Viabilidad Económica

Proyecto Sistema Fotovoltaico 100% autónomo

Gasto

Mto y

Opera Ahorros Inversión

Valor

presente

Flujo

recuperación

inversión

Año 0

960.000

79.369.126

-

4.128.995.40

6

1 Año 1

988.800

84.131.273

83.142.473

80.720.848

-

4.048.274.558

2 Año 2

1.018.464

89.179.150

88.160.686

83.099.902

-

3.965.174.656

3 Año 3

1.049.018

94.529.899

93.480.881

85.548.248

-

3.879.626.408

4 Año 4

1.080.488

100.201.69

3

99.121.204

88.067.906

-

3.791.558.501

5 Año 5

1.112.903

106.213.79

4

105.100.891

90.660.952

-

3.700.897.549

6 Año 6

1.146.290

112.586.62

2

111.440.332

93.329.523

-

3.607.568.026

7 Año 7

1.180.679

119.341.81

9

118.161.140

96.075.820

-

3.511.492.206

8 Año 8

1.216.099

126.502.32

8

125.286.229

98.902.106

-

3.412.590.100

9 Año 9

1.252.582

134.092.46

8

132.839.886

101.810.711

-

3.310.779.388

10

Año

10

1.290.160

142.138.01

6

140.847.857

104.804.033

-

3.205.975.355

11 Año -


Gasto

Mto y


Valor

presente

Flujo

recuperación

inversión

11 1.328.865 150.666.29

7

149.337.433 107.884.539 3.098.090.816

12

Año

12

1.368.730

159.706.27

5

158.337.545

111.054.768

-

2.987.036.048

13

Año

13

1.409.792

169.288.65

2

167.878.859

114.317.334

-

2.872.718.714

14

Año

14

1.452.086

179.445.97

1

177.993.885

117.674.926

-

2.755.043.788

15

Año

15

1.495.649

190.212.72

9

188.717.080

121.130.313

-

2.633.913.475

16

Año

16

1.540.518

201.625.49

3

200.084.974

124.686.341

-

2.509.227.134

17

Año

17

1.586.734

213.723.02

2

212.136.288

128.345.943

-

2.380.881.191

18

Año

18

1.634.336

226.546.40

4

224.912.068

132.112.136

-

2.248.769.055

19

Año

19

1.683.366

240.139.18

8

238.455.822

135.988.023

-

2.112.781.032

20

Año

20

1.733.867

254.547.53

9

252.813.672

139.976.801

-

1.972.804.231

21

Año

21

1.785.883

269.820.39

1

268.034.509

144.081.756

-

1.828.722.475

22

Año

22

1.839.459

286.009.61

5

284.170.156

148.306.273

-

1.680.416.202

23

Año

23

1.894.643

303.170.19

301.275.549

152.653.835

-

1.527.762.367


Gasto

Mto y


Valor

presente

Flujo

recuperación

inversión

2

24

Año

24

1.951.482

321.360.40

3

319.408.921

157.128.024

-

1.370.634.343

25

Año

25

2.010.027

340.642.02

7

338.632.001

161.732.529

-

1.208.901.814

26

Año

26

2.070.328

361.080.54

9

359.010.221

166.471.147

-

1.042.430.667

27

Año

27

2.132.437

382.745.38

2

380.612.945

171.347.782

-

871.082.885

28

Año

28

2.196.411

405.710.10

5

403.513.694

176.366.455

-

694.716.430

29

Año

29

2.262.303

430.052.71

1

427.790.408

181.531.304

-

513.185.126

30

Año

30

2.330.172

455.855.87

4

453.525.702

186.846.584

-

326.338.542

31

Año

31

2.400.077

483.207.22

6

480.807.149

192.316.679

-

134.021.863

32

Año

32

2.472.079

512.199.66

0

509.727.581

197.946.097

63.924.234

Tabla O1 Calculo TRI Proyecto Fotovoltaico

Escenario 2

Se generan 4768,03 kwh/mes, no se tienen acumuladores y 25000 watt de

potencia de generación, están conectados a la red los equipos de taller y los aires

acondicionados de 30000Btu.


Gasto

Mto

Ahorros Inversión

Valor

presente

Flujo

Recuperación

Inversión

Año 0

-

821.063.240

1 Año 1

960.000

30.466.567

29.506.567

28.928.007 - 792.135.233

2 Año 2

988.800

32.294.561

31.305.761

30.090.121 - 762.045.112

3 Año 3

1.018.464

34.232.235

33.213.771

31.298.078 - 730.747.034

4 Año 4

1.049.018

36.286.169

35.237.151

32.553.681 - 698.193.353

5 Año 5

1.080.488

38.463.339

37.382.851

33.858.800 - 664.334.553

6 Año 6

1.112.903

40.771.140

39.658.237

35.215.379 - 629.119.174

7 Año 7

1.146.290

43.217.408

42.071.118

36.625.440 - 592.493.734

8 Año 8

1.180.679

45.810.453

44.629.774

38.091.082 - 554.402.652

9 Año 9

1.216.099

48.559.080

47.342.980

39.614.488 - 514.788.164

10

Año

10

1.252.582

51.472.625

50.220.042

41.197.926 - 473.590.237

11

Año

11

1.290.160

54.560.982

53.270.822

42.843.753 - 430.746.484

12

Año

12

1.328.865

57.834.641

56.505.776

44.554.419 - 386.192.065

13

Año

13

1.368.730

61.304.719

59.935.989

46.332.469 - 339.859.596

14

Año

14

1.409.792

64.983.003

63.573.210

48.180.548 - 291.679.048

15

Año

15

1.452.086

68.881.983

67.429.897

50.101.406 - 241.577.641

16

Año

16

1.495.649

73.014.902

71.519.253

52.097.900 - 189.479.741

17

Año

17

1.540.518

77.395.796

75.855.278

54.172.999 - 135.306.742

18 Año - 78.976.953


Gasto

Mto

Ahorros Inversión

Valor

presente

Flujo

Recuperación

Inversión

18 1.586.734 82.039.543 80.452.810 56.329.789

19

Año

19

1.634.336

86.961.916

85.327.580

58.571.476 - 20.405.477

20

Año

20

1.683.366

92.179.631

90.496.265

60.901.392 40.495.916

21

Año

21

1.733.867

97.710.409

95.976.542

63.323.001 103.818.917

22

Año

22

1.785.883

103.573.033

101.787.151

65.839.902 169.658.819

23

Año

23

1.839.459

109.787.415

107.947.956

68.455.835 238.114.655

24

Año

24

1.894.643

116.374.660

114.480.017

71.174.687 309.289.341

25

Año

25

1.951.482

123.357.140

121.405.658

74.000.496 383.289.838

Tabla O2. Calculo TRI Escenario 2

Escenario 3

No se tienen baterías y solamente se alimentan los equipos eléctricos de bajo

consumo.

Año

Gasto


Valor

presente

Flujo

Recuperación

Inversión

Año 0

-

457.739.800

Año 1

960.000

16.829.350

15.869.350

15.558.186 - 442.181.614

Año 2

988.800

17.839.111

16.850.311

16.195.993 - 425.985.621

Año 3

1.018.464

18.909.458

17.890.994

16.859.083 - 409.126.538


Año

Gasto


Valor

presente

Flujo

Recuperación

Inversión

Año 4

1.049.018

20.044.025

18.995.007

17.548.450 - 391.578.088

Año 5

1.080.488

21.246.666

20.166.178

18.265.129 - 373.312.959

Año 6

1.112.903

22.521.466

21.408.563

19.010.192 - 354.302.768

Año 7

1.146.290

23.872.754

22.726.464

19.784.755 - 334.518.013

Año 8

1.180.679

25.305.120

24.124.441

20.589.978 - 313.928.035

Año 9

1.216.099

26.823.427

25.607.328

21.427.066 - 292.500.969

Año

10

1.252.582

28.432.833

27.180.250

22.297.272 - 270.203.696

Año

11

1.290.160

30.138.802

28.848.643

23.201.897 - 247.001.799

Año

12

1.328.865

31.947.131

30.618.266

24.142.294 - 222.859.505

Año

13

1.368.730

33.863.958

32.495.228

25.119.868 - 197.739.637

Año

14

1.409.792

35.895.796

34.486.004

26.136.081 - 171.603.556

Año

15

1.452.086

38.049.544

36.597.458

27.192.450 - 144.411.106

Año

16

1.495.649

40.332.516

38.836.868

28.290.554 - 116.120.553

Año

17

1.540.518

42.752.467

41.211.949

29.432.031 - 86.688.522

Año

18

1.586.734

45.317.615

43.730.882

30.618.587 - 56.069.935

Año

19

1.634.336

48.036.672

46.402.337

31.851.991 - 24.217.944

Año

20

1.683.366

50.918.873

49.235.507

33.134.085 8.916.141

Año

21

1.733.867

53.974.005

52.240.138

34.466.780 43.382.921

Año 79.234.985


Año

Gasto


Valor

presente

Flujo

Recuperación

Inversión

22 1.785.883 57.212.445 55.426.563 35.852.064

Año

23

1.839.459

60.645.192

58.805.733

37.292.003 116.526.989

Año

24

1.894.643

64.283.904

62.389.260

38.788.744 155.315.732

Año

25

1.951.482

68.140.938

66.189.455

40.344.516 195.660.249

Tabla O3. Calculo TRI Escenario 3 Fotovoltaica

aprovechamiento energÉtico de los residuos …...aprovechamiento energético de los residuos...

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