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| Energía descentralizada y soluciones residuales tienen sentido en comunidades aisladas de Australia |
Los hogares son responsables del 26% del consumo de energía de Australia y producen casi el 30% del total de residuos sólidos generados. La energía utilizada en los hogares en Australia y en todo el mundo proviene principalmente de las centrales térmicas centralizadas en las que dos tercios de la energía eléctrica producida se pierde en la distribución.
En cuanto a las aguas residuales producidas en los hogares, los excrementos humanos se retiran con cantidades desproporcionadas de agua y se tratan en grandes plantas costosas centralizadas, para luego ser vertidas en cuerpos de agua. De la misma manera, los residuos sólidos también son recogidos y transportados a largas distancias hasta grandes plantas centralizadas o vertederos. Los residuos y las aguas residuales suelen plantear riesgos sanitarios y ambientales, especialmente cuando la infraestructura adecuada de tratamiento no existe. Sin embargo, son un "recurso valioso en el lugar equivocado 'que pueden ser utilizados para obtener energía y productos valiosos a través de una amplia gama de tecnologías emergentes y bien establecidas, tales como la digestión anaeróbica.
Debido a la baja densidad de población urbana y la presencia de zonas aisladas y comunidades aborgenes que no tienen conexión a la red de alcantarillado o desagues, el potencial de los sistemas alternativos de más pequeña escala descentralizados es grande en Australia.
La Digestión Anaeróbica a Pequeña Escala (SSAD, siglas en ingles) es una tecnología descentralizada prometedora en la cual las diferentes materias primas se degradan en ausencia de oxígeno para producir dióxido de carbono y metano (biogás) y un residuo, digestion.
El balance de energía en estos sistemas es positivo, ya que el biogás puede ser utilizado como una fuente de energía, mientras que la digestión se puede utilizar como un valioso fertilizante. En la actualidad muchos digestores pequeños están instalados en áreas rurales de China, India y otros países que van desde 2m3 hasta 20m3. El biogás se utiliza para cocinar usando cocinas adaptadas, y también en una amplia gama de otras aplicaciones, como las lámparas del manto de biogás, refrigeradores y generadores, las cuales son cada vez más comunes.
Otra tecnología emergente para aplicaciones a pequeña escala es los dispositivos de micro-generación combinada de calor y electricidad (MCHP, sglas en ingles) en los que se utiliza un motor, una turbina o una celda de combustible, para producir calor y electricidad. Mientras que los grandes sistemas de cogeneración se han utilizado durante décadas, los sistemas de MCHP se encuentran en sus primeras etapas, pero tienen el potencial para un uso generalizado. Los sistemas MCHP producen generalmente entre 5 y 20 kW. Sin embargo, debido a los costos, eloos se utilizan con mayor frecuencia en los países desarrollados para reemplazar las calderas convencionales.
Sin embargo, la combinación de estas dos tecnologías podría contribuir significativamente a la producción sostenible de energía eléctrica y térmica en el hogar australiano.
Un sistema combinado
En un entorno doméstico, el digestor se dimensiona de acuerdo a la cantidad de residuos producidos por el hogar. El biogás producido por el digestor luego alimenta la unidad de MCHP mientras que la digestion producida puede ser post-tratado y utilizado como abono orgánico, preferiblemente en el jardín de la propia casa con el fin de eliminar los costos de transporte.
p> El MCHP se elige en función de la cantidad de biogás producido. Por último, el calor y la electricidad producidos por la unidad se utilizan para satisfacer las necesidades de los hogares de la energía.
Durante los ensayos en Australia se supuso que el digestor era un reactor tanque de agitación continua de una sola fase (CSTR, siglas en ingles). Su tamaño se ha calculado utilizando el volumen de flujo de entrada y el tiempo de retención hidráulica (TRH), el cual se establece en 15 días ya que se considera como el período óptimo para el tratamiento de agua negra y desperdicios de cocina.
Al evaluar la mejor combinación de materia prima para el digestor, dos escenarios fueron considerados. En el primer escenario los residuos de cocina y las aguas residuales primera eran co-digeridos. Como el agua es un recurso escaso y valioso en algunas regiones de Australia, se considero un segundo escenario donde el agua negra de baño de vacío se usa en lugar de las aguas residuales. En inodoros de vacío, se utiliza 0,7 a 1 litro de agua por descarga en comparación con 7 a 9 litros en los inodoros convencionales.
El uso de este flujo de residuos redujo significativamente el consumo de agua a 22,2 litros por día. Usando el agua negra de inodoros de vacío también tiene otras ventajas ambientales ya que el agua se desvía de la corriente de aguas residuales y se reutiliza en el sitio, se producen cantidades más pequeñas de digestion líquida, facilitando la eliminación y menos escapes de metano disuelto en el efluente. Por otra parte, varios estudios han considerado su potencial de co-digestión con residuos de cocina y dos proyectos exitosos a gran escala de este tipo de sistemas existen en Lubek-Flintenbreite en Alemania y Sneek en los Países Bajos.
El potencial de biometano de los dos escenarios se calculó utilizando la ecuación de Buswell, donde se supone que 1g demanda química de oxígeno (COD, siglas en ingles) genera 0,35 litros de CH4.
La potencia de salida de la MCHP depende directamente de la entrada de combustible, en este caso, el biogás producido por el digestor. El flujo de gas requerido para correr la unidad se puede obtener dividiendo la cantidad de combustible por unidad de la energía contenida en el biogás.
Para una composición típica de 65% de CH4, esta última representa 6,25 kWh por m3. Como un ejemplo, el flujo de biogás mínimo necesario para correr un unidad de motor de gas de MCHP Ecowill Honda, con una entrada de energía de 4,4 kW (suponiendo que está adaptado para funcionar con biogás) se puede ver a continuación:
Los resultados del Escenario
Para el primer escenario, el volumen total del digestor se estimó en 8 m3, que se alinea estrechamente con otros estudios que informan volúmenes entre 6 m3 y m3 10. En el segundo escenario en el que se utiliza agua negra de inodoro de vacío en lugar de las aguas residuales, ya que el flujo se redujo drásticamente, el volumen obtenido fue de 0,6 m3, siendo por tanto económicamente más conveniente.
El volumen del espacio superior de gas considerado en ambos casos fue de 10% del volumen de trabajo. La producción teorica de biogás fue la misma en ambos casos, ya que depende exclusivamente de la cantidad de materia orgánica producida en el hogar y representaron 276 litros de CH4 por día.
Sin embargo, se puede esperar que la verdadera producción de biogás sea mayor en el segundo escenario, debido a un contenido mayor de los sólidos totales (TS, siglas en ingles) de la mezcla. Varios estudios indican que las fuentes concentradas de aguas residuales tienen un mejor desempeño biológico de fuentes de aguas residuales diluidas.
Se encontró que este tipo de mezcla tiene una alta metanogénesis en alta tasa continua, así como una alta capacidad de descomposición de hasta el 96% de la COD. Por estas razones, se deberia considerar que para el segundo escenario, el digestor casi alcanza el potencial de producción teórica.
Con la producción teórica de biogás, la energía primaria total producida por el digestor sería equivalente a 970 kWh por año. Suponiendo que el gas se utiliza para correr una unidad de MCHP con una eficacia típica total de 85%, la energía final cubrirá aproximadamente el 5% de la demanda de energía anual del hogar australiano. Esta cifra no tiene en cuenta la energía necesaria para alimentar el bloque digestor (molino, inodoros de vacío, la calefacción del digestor a 37 ° C, el bombeo y mezcla), que representa 263 kWh por año, según los cálculos realizados con los datos del estudio Poeschl (2010).
Ninguna unidad de MCHP comerciales existe todavía en esta escala por la cantidad de biogás producido (para correr diariamente el MCHP) ni están adaptadas al uso de biogás. El modelo más pequeño disponible en el mercado es un generador de biogás de 0,7 kW que necesita un caudal mínimo de 0,84 m3 por hora para trabajar.
Igualando la producción a la demanda
Por tanto, es todavía difícil cubrir la demanda energética de la casa con los residuos que esta produce usando lo mas moderno de ambas tecnologías. Sin embargo, algunos detalles podrían cambiarse con el fin de ampliar la cobertura de energía.
Si los residuos de jardinería fueran también considerado como materia prima, en el supuesto de que se generan 8 kg por hogar por semana, que consiste principalmente en recortes de césped, el potencial de biometano sería 118 litros de CH4 por día, lo que representa un incremento del 43% en comparación con el segundo escenario . Si el agua negra de inodoro de vacío, desperdicios de cocina y residuos de jardinería fueran co-digeridos en un reactor anaerobico, la producción teórico máxima de biogás se elevaría a 606 litros de biogás al día.
Por otra parte, el promedio de la demanda australiana eléctrica y térmica puede variar considerablemente entre los Estados. Por ejemplo, de acuerdo con el Gobierno de Australia del Sur, la demanda total de energía en una casa del sur de Australia, donde se utiliza electricidad solamente para cubrir todas las demandas de energía del hogar es de entre 7.600 y 10.100 kWh al año.
Además, la energía utilizada para la calefacción / refrigeración sera reducida drásticamente en las nuevas viviendas que se ha construido con un mayor énfasis en las calificaciones de eficiencia energética. Si se considera la eficiencia energética de construccion de ocho estrellas, la demanda térmica para una casa unifamiliar en Adelaide, South Australia, sería 2494 kWh. Si el agua caliente también pudiera ser proporcionada por otra energía renovable, como la solar térmica, la demanda de calor de la casa de nuevo se reduciría.
El desglose de la energía también difiere entre los estados. En el caso de la casa de Australia del Sur, esta representa el 38% para la calefacción y la refrigeración, 25% para el agua caliente, 16% para los aparatos, 7% de alumbrado, de 7% para la refrigeración, 4% para cocinar y 3% para la energía en espera. Idealmente, esta última parte del consumo de energía debe ser suprimida:
La aplicación de estas medidas reduciría el consumo de energía casi a 5000 kWh por año. Una mezcla de agua negro de baño de vacío, desperdicios de la cocina y residuos de jardinería podría producir suficiente biogás para cubrir aproximadamente el 27% de la demanda de energía.
El contexto australiano
La gran huella física de los hogares australianos, 243 m2 en promedio, y la reciente transición de la calefacción por cuarto a centralizada que puede aumentar la demanda de energía en el futuro, son factores problemáticos que podrían dificultar el uso del sistema propuesto en Australia. Sin embargo, hay muchos impulsores para su implementación, como la estructura de las ciudades australianas, la abundancia de materia prima y la reciente introducción de un impuesto sobre el carbono que rápidamente aumentará la conciencia ambiental entre la población.
Hay otros factores no relacionados con el contexto, sino con la misma tecnología, por ejemplo el hecho de que una unidad de MCHP no puede producir el calor y la electricidad en la proporción exigida por el hogar, ya que el dispositivo produce considerablemente más calor que electricidad.
Esta es la razón por la cual la estrategia de aplicación común es "hacia calor" y la electricidad producida generalmente se reinyecta a la red. Sin embargo, esto no debe ser visto como una barrera ya que muy probablemente se añadirá más flexibilidad en los dispositivos conforme la tecnología se desarrolla.
Conclusiones
En conclusión, en el primer escenario, para una producción de 450 litros por día y 1,5 kg por día agua residual y desperdicios de cocina, respectivamente, se necesitaba un digestor de 8 m3. Para el segundo escenario, en sustitución de las aguas residuales con 22,2 litros por día de agua negra de baño de vacío, se requería un digestor de 0,6 m3. La producción teórica de metano en ambos escenarios fue de aproximadamente 276 litros de CH4 por día.
El segundo escenario es el más interesante para la aplicación casera debido al menor uso de agua, el digestor mas pequeño necesario y otras ventajas medioambientales. La energía generada podría cubrir aproximadamente el 5% de la demanda energética de los hogares australianos. Con esta cobertura, el sistema propuesto no se puede utilizar como una aplicación independiente en el estado actual de ambas tecnologías. Sin embargo, varios factores pueden cambiar para que el sistema tenga una mayor cobertura energética, incluida la consideración de otras materias primas o la reducción de la demanda de energía del hogar.
Una cobertura final de 27% de la demanda total de energía se puede lograr, que muestra el potencial del sistema para contribuir significativamente a los requisitos de la energía en el hogar y reducir el consumo de agua en Australia.
El Dr. Frederic Coulon es profesor de Gestión de Recursos y Biorremediación en la Universidad de Cranfield. Adriana Uribe es ingeniero industrial y llevó a cabo esta investigación, mientras que estudia en el programa de maestría de Ingeniería Ambiental en la Universidad de Cranfield financiado por una beca de la Fundación La Caixa.
Web: www.cranfield.ac.uk
por Adriana Uribe y Frederic Coulon - Waste Management World
8 Enero 2013
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