Energía

ENERGÍA

Una fuente confiable de energía es fundamental para el desarrollo social y la reducción de la pobreza. Nuestras tecnologías de energía apropiadas para el campus son una planta de microhidroeléctrica de baja altura y un biodigestor de metano.

En el mundo desarrollado, la abundancia de energía se logra mediante el consumo de combustibles fósiles baratos y de alta energía como el carbón, el petróleo y el gas. Estas fuentes de energía no renovables han mejorado el nivel de vida de millones de personas, pero su rápida explotación ha tenido efectos adversos en el planeta. Además, el acceso desigual a la energía en todo el mundo ha creado tensiones políticas y sociales como resultado de una dependencia económica de las regiones productoras de petróleo. Los sistemas energéticos futuros deben proporcionar abundancia de energía al tiempo que son sostenibles y no contaminantes. La producción de energía debe ser distribuida, diversa, inteligente y altamente integrada en los sistemas tecnológicos, industriales y domésticos.


En Kadagaya, evaluamos los sistemas de energía en función de su capacidad de proporcionar energía abundante de manera eficiente y limpia, donde se prefieren los diseños de código abierto para proporcionar un acceso equitativo. La energía está intrínsecamente vinculada a todos los sistemas (vivienda, agricultura, tratamiento de aguas y residuos, industria y transporte). Por lo tanto, la producción de energía, el monitoreo, la eficiencia y el uso deben considerarse cuidadosamente durante la etapa de diseño. El escenario ideal para una comunidad autosuficiente es producir tanta energía como sea posible a partir de productos de desecho (desechos humanos, desechos de alimentos, calor residual), es decir, «reciclaje de energía» y las fuentes renovables disponibles en el lugar (por ejemplo, energía solar, eólica, hidro). Evaluamos varias tecnologías energéticas con respecto al tipo de generación (carga base o variable), confiabilidad, vida útil, costo por kWh de energía generada, costos continuos de mantenimiento y consumibles, si los diseños de código abierto están disponibles y el impacto de la fabricación (uso de energía, problemas ambientales).


En el campus de Kadagaya, nos estamos enfocando en dos fuentes de energía principales (hidroelectricidad y biogás). La energía eólica no es viable en nuestra ubicación actual y las pequeñas instalaciones son caras por la cantidad de energía que producen. La energía solar tiene una dependencia inherente en el mercado para la compra de los paneles y se requiere una gran cantidad de almacenamiento (a través de baterías) ya que la generación de energía es solo durante el día. El costo de los paneles fotovoltaicos continúa disminuyendo rápidamente y ahora el mayor costo durante la vida útil del sistema son las baterías (que tienen una vida útil mucho más corta que los paneles). Nuestra energía eléctrica es suministrada por una central hidroeléctrica vórtice en nuestro río. Una parte importante de la vida autónoma y fuera de la red es la incorporación de sistemas de respaldo. Actualmente, tenemos un pequeño sistema solar fotovoltaico, un generador de gasolina y acceso a la red eléctrica como sistemas de energía de respaldo. En el futuro, plantamos para usar la energía hidroeléctrica bombeada como una “batería” de respaldo cuando la planta hidroeléctrica vórtice necesite ser cerrada por mantenimiento. Además de la electricidad, la otra fuente de energía importante para cocinar y calentar es el gas. Esto se puede obtener utilizando un sistema de biodigestores donde el metano («biogás») se puede producir a partir de desechos orgánicos (humanos, animales y agrícolas). A continuación se ofrece más información sobre estos proyectos energéticos.

Sistema de energía hidroeléctrica de vórtice gravitacional (GVHP)

Esta tecnología se seleccionó porque es rentable, genera energía durante todo el año (24 horas al día), no requiere almacenamiento y puede proporcionar fácilmente suficiente energía para el campus. Estamos utilizando un sistema de vórtice relativamente pequeño, con un tanque de 5 m de diámetro y una altura de alrededor de 1 m, que nos permite generar 5 – 10 kW por hora, o 120 – 240 kWh / día. Un hogar promedio (del mundo desarrollado) usa aproximadamente 10 kWh / día, por lo que dicho sistema puede satisfacer fácilmente las necesidades de una comunidad pequeña. El exceso de energía puede proporcionarse a nuestros vecinos y convertirse en proyectos que generen ingresos. Por lo general, los sistemas hidroeléctricos requieren una altura alta (caída de altitud) para producir suficiente electricidad. Por ejemplo, los sistemas Pelton utilizan una hélice de rotación rápida alimentada por el agua que cae de una cascada o de la ladera de una montaña. Las plantas hidroeléctricas industriales a gran escala necesitan construir enormes represas para proporcionar esta cabeza y controlar el flujo de agua (que puede ser muy perjudicial para el ecosistema).


El sistema GVHP es adecuado para un río como el nuestro con baja altura y alto caudal. El agua se alimenta a un tanque con una geometría que hace que el agua gire en un vórtice, que hace girar una turbina de eje vertical que aprovecha la energía cinética, mientras que un generador conectado la convierte en electricidad. Consideramos que esta es una tecnología apropiada, ya que es un sistema muy simple que se puede construir en ubicaciones remotas con los recursos disponibles en áreas remotas de los países en desarrollo. Además, tiene un efecto positivo en el ecosistema local (el vórtice airea el agua y permite el paso de los peces en ambas direcciones), mientras que toda el agua se devuelve al río donde continúa con su caudal natural.

El tanque de rotación y los canales de agua se construyeron a partir de hormigón armado, con un diseño específico que induce la formación de vórtices en el tanque. Se utilizan varias compuertas y rejillas en la entrada del río y el tanque para controlar el flujo de agua y evitar que entren desechos al sistema. El agua fluye a través de la planta y luego regresa río abajo.

El agua ingresa al tanque del sistema GVHP y forma un vórtice. La turbina se coloca dentro del núcleo del vórtice y convierte la energía cinética en electricidad a través de un sistema de transmisión y un generador.

Este proyecto se inició en 2015 y dio su primera potencia en 2016. En 2017 actualizamos el sistema para proporcionar más potencia e identificamos que la transmisión de potencia es una limitación de este sistema. La lenta velocidad de rotación de la turbina da como resultado un par muy alto, que es una condición desafiante para las cajas de engranajes tradicionales. Las cajas de engranajes industriales diseñadas para su uso en maquinaria pesada solo funcionan varias horas al día. Sin embargo, en el caso de la planta hidroeléctrica que funciona las 24 horas del día, tales cajas de engranajes solo durarán unos pocos años antes de necesitar ser reemplazadas. Por lo tanto, pasamos varios años investigando cajas de engranajes magnéticos para obtener un rendimiento más confiable y de bajo mantenimiento. Las cajas de engranajes magnéticos son una nueva tecnología que no tiene partes en contacto, no necesita lubricación y protección automática contra sobrecargas cuando se excede el par diseñado. Sin embargo, después de varias generaciones de prototipos de cajas de engranajes, llegamos a la conclusión de que esta tecnología no es una tecnología adecuada para combinar con el GVHP, ya que requiere un alto nivel de mecanizado preciso que dificulta la construcción y la instalación. Nuestra nueva estrategia es aumentar la velocidad de la turbina para reducir el par, permitiendo el uso de cajas de engranajes disponibles comercialmente. La primera prueba de este sistema a principios de 2020 ha mostrado resultados prometedores.

Muchos de los detalles técnicos de este proyecto han sido documentados y estamos muy contentos de compartir todo nuestro conocimiento y experiencia. Si desea más información, póngase en contacto con nosotros.

»Design and construction of an off-grid gravitational vortex hydropower plant: A case study in rural Peru» Alzamora Guzmán et al., Sustainable Energy Technologies and Assessments 35 (2019) 131–138

Digestor de metano para la producción de biogás

Los digestores imitan el proceso de descomposición natural que ocurre en los suelos, donde los desechos son procesados por una compleja biota de bacterias y hongos. El compostaje natural es un proceso lento y requiere mucha tierra. La degradación natural produce metano, que es un gas de efecto invernadero muy activo, por lo que es preferible que estas reacciones ocurran en un ambiente controlado donde se pueda capturar el metano. El gas rico en metano generado por este proceso puede limpiarse y luego usarse para cocinar, calentar o producir electricidad. Los sistemas de biodigestores son simplemente tanques llenos de desechos orgánicos, que se controlan para optimizar la reacción de descomposición para desinfectar los desechos y producir metano. El residuo restante se puede tratar adicionalmente mediante procesos de fermentación y oxigenación para producir biol, que son soluciones biológicamente activas que se pueden usar como fertilizantes ricos en nutrientes, aerosoles foliares para el control de plagas y enfermedades en las plantas y enriquecimiento del suelo, entre otras aplicaciones.

Hemos hecho un plan preliminar para nuestro sistema de biodigestores considerando las necesidades de los futuros edificios y la pendiente natural del sitio. El sistema funcionará en modo de «codigestión», donde el reactor se alimentará con una mezcla de diferentes desechos. Además de los desechos humanos, los residuos de la agricultura podrían usarse para obtener mejores rendimientos de gas y compost con niveles más altos de nutrientes. El biogás que se produce naturalmente en el suelo y en los montones de compost es del 30 al 40% de metano, mientras que el gas de un digestor suele ser del 60 al 70% de metano. El gas rico en metano necesita ser alimentado a través de un sistema de limpieza de gas para eliminar el sulfuro de hidrógeno y otros contaminantes, para que sea seguro para su almacenamiento y uso.

El proyecto de biogás se está desarrollando en colaboración con la Universidad Nacional Agraria La Molina. Se realizarán experimentos biológicos a pequeña escala en la universidad para seleccionar organismos apropiados para las reacciones de fermentación, que luego se utilizarán para inocular el sistema a gran escala en Kadagaya. La instalación de la infraestructura para el tanque de biogás y los sistemas de saneamiento asociados se inició a principios de 2020.

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