energia renovable economia basada en recursos

En los supuestos países “desarrollados” la abundancia de energía se logra a través del consumo de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas. Estas fuentes proporcionaban la energía necesaria para conducir la Revolución industrial y mejorar el nivel de vida de millones de personas. Sin embargo, la rápida explotación de este tipo de energía fósil ha tenido efectos adversos en el medio ambiente, incluido el cambio climático, la contaminación del aire y el agua. Existe un acceso desigual a los recursos energéticos mundiales, y el aumento de las tensiones políticas y sociales han resultado de una dependencia económica de las regiones que produzcan el petróleo.

Los sistemas de energía en el futuro deben proveer una abundancia de energía sostenible y no contaminante. La producción de energía debe ser distribuida, diversa, inteligente y altamente integrada en los sistemas tecnológicos, industriales y domésticos. Tecnologías de energía para las comunidades EBR deben ser evaluados en su capacidad para proporcionar energía abundante y limpia en una manera eficiente. Diseños de código abierto se prefieren para apoyar acceso equitativo.

Energía en el sentido más amplio está profundamente vinculada a todos los sistemas y será un factor común por la vivienda, la agricultura, el agua y la gestión de residuos, la industria y el transporte. Por lo tanto, todos los aspectos de la energía (la producción, el control, la eficiencia y su uso) se necesitan considerar durante la etapa de diseño de una comunidad. El escenario ideal para una comunidad autosuficiente es producir tanta energía como sea posible de los residuos (desechos humanos, residuos de alimentos, el calor residual etc.), es decir, "el reciclaje de energía", y las fuentes renovables disponibles en la ubicación (por ejemplo, energía solar, eólica, o hidroeléctrica).

Es probable que no existe una tecnología de producción de energía única que satisfaga todos los requisitos de una comunidad y, por tanto, tendrán que ser implementadas varias tecnologías sostenibles. También es mejor tener varias tecnologías de energía para minimizar el riesgo de pérdida completa de electricidad si un sistema falla o requiere mantenimiento. Inicialmente la selección de tecnologías será limitado por el presupuesto del proyecto y la disponibilidad (nivel de desarrollo, patentes, licencias etc.). Tecnología bien desarrollada (por ejemplo, solar y eólica) podría ser utilizada en combinación con las tecnologías emergentes (por ejemplo, pilas de combustible y cogeneración). Todas las tecnologías de energía se evalúan con respecto a; el tipo de generación (de carga base o variable), la fiabilidad, la vida, el coste por kWh de energía generada, los costos continuos de mantenimiento y consumibles, incluso si los diseños de código abierto estan disponibles, y el impacto de la producción (uso de energía, problemas ambientales).

Para el proyecto piloto, las tecnologías elegidas para la producción de energía renovable son solar (fotovoltaica), energía hidráulica y biogás (producción de metano a partir de residuos orgánicos). La energía eólica puede ser viable en una etapa posterior, debido a que las pequeñas instalaciones son caras para la cantidad de energía que producen. Para la etapa inicial del proyecto estamos utilizando un sistema pequeño fotovoltaico (para uso doméstico) y un generador de gasolina para las herramientas eléctricas en el taller. Solar era una opción fácil y económica para dar rápidamente una cierta energía, sin embargo, requiere una gran dependencia al mercado en referente a la infraestructura inicial, y se requiere una gran cantidad de almacenamiento (a través de las baterías) porque la generación de energía es sólo durante el día. El costo de los paneles fotovoltaicos continúa disminuyendo rápidamente y ahora el mayor costo durante la vida del sistema son las baterías (que tienen una vida mucho más corta que los paneles). Hemos seleccionado un sistema hidroeléctrico de "vórtice" para nuestra energía a largo plazo. Este sistema tiene una inversión inicial mucho mayor que solar, pero más accesible a la auto-instalación de la infraestructura y además el sistema puede proveer grandes cantidades de energía continuamente con poco mantenimiento. Los sistemas fotovoltaicos, hidroeléctrica vórtice y biogás se describen con más detalle a continuación.

Optimizaciónde los sistemas de energía podrían lograrse a través de la supervisión y la "integración inteligente" con otros sistemas (por ejemplo, calor residual, calefacción, iluminación, telecomunicaciones), y permiten la automatización de los distintos componentes.


Solar fotovoltaica

Un sistema fotovoltaico que opera independiente de la red normal de la electricidad se conoce como "fuera de la red" (“off-grid” en inglés). Un diagrama esquemático de un sistema de este tipo se muestra a continuación y tiene siguiente:

·         paneles solares para capturar la energía del sol

·         un sistema de baterías para almacenar la energía solar

·         un controlador de carga para cargar las baterías de manera óptima

·         un inversor para convertir la corriente continua (CC) de las baterías en corriente alterna (AC) para su uso en la casa

·         una generador (opcional) para dar energía en periodos amplios de sol bajo

 

 energia renovable economia basada en recursos fotovoltaico

Con el fin de calcular el tamaño del sistema requerido por un hogar se necesita analizar los requisitos de potencia (en vatios, W) de los electrodomésticos utilizados. Valores de potencia aproximados de los dispositivos comunes de la casa se pueden encontrar aquí. Consulte la tabla siguiente para ver un ejemplo. Mediante la adición de todos los potencias de los dispositivos necesarios y multiplicando por las horas de uso al día en el consumo total de energía se puede encontrar, en este caso 2.5 kWh.

Dispositivos

Potencia (W)

Horas de uso al día (h)

Uso diario (kWh) (potencia x horas)

Luces (5 x 20 W)

100

6

0.6

 Mini-refrigerador

150

8

1.2

Lavadora

400

1

0.4

Computadora

50

6

0.3

Estéreo

50

4

0.2

TOTAL

 

 

2.5

 

Una limitación importante de la energía solar es que la generación eficiente sólo ocurre durante las horas pico de la luz del sol. En Perú el promedio de horas de sol pico por día es de 4 h. Al dividir el uso de la energía a diario por las horas de luz solar (2.5 kWh / 4) el tamaño del sistema fotovoltaico se puede estimar, es decir, 0.625 kW. El sistema debe ser un 20-30% mayor que la potencia máxima necesaria para dar cuenta de las pérdidas, por lo tanto, alrededor de 1 kW sería adecuada. Los paneles solares se produzcan en varias potencias, por ejemplo 80 W, 100 W, o 250 W. En este ejemplo diez paneles de 100 W sería necesaria para generar 1 kW (o de manera similar cinco paneles de 200 W).

El tamaño del almacenamiento de las baterías dependerá del clima de la región. Si es común tener varios días o semanas sin sol adecuada entonces será necesario un sistema de baterías más grande. En general, las baterías deben ser capaces de almacenar suficiente para 2-5 días. Al multiplicar este número de días por el uso de energía por día se encuentra la capacidad de almacenamiento. Este valor debe representar el 50% de la carga de la batería (para evitar la descarga de la batería en niveles demasiado bajos), por lo que este valor debe ser multiplicado por 2. En este ejemplo: 2.5 kWh / día x 3 días x 2 = 15 kWh de almacenamiento. Sistemas de baterías se clasifican en amperios-hora (Ah) que es igual a la potencia (Wh) dividido por el voltaje (generalmente 12 o 24 V). Por un sistema de 12 V, entonces 15 (kWh) / 12 = 1250 Ah. Una batería de automóvil normal tiene una clasificación de 12 V y 40 Ah (o 0.48 kWh), por lo tanto, en este ejemplo se necesitarían alrededor de 32 baterías. Plomo-ácido baterías son comunes para el almacenamiento de la energía solar, ya que son baratos y tienen relativamente largo tiempo de vida si son bien tratadas. El tipo de la batería "tracción" (a menudo es utilizado en carretillas elevadoras) es preferible y solo requiere agregarle agua destilada como el único mantenimiento. Baterías de plomo-ácido tipo seco utilizan un gel y no requieren mantenimiento. Baterías de iones de litio y otras tecnologías nuevas pueden ofrecer alternativas y ventajas en el futuro, pero siguen siendo prohibitivamente caras para el uso doméstico.

El inversor convierte la electricidad de CC a CA. La energía eléctrica de la red comercial en la mayoría de los países tiene una voltaje de 110 V o de 220 a 240 V y una frecuencia de 50-60 Hz, y todos los aparatos eléctricos comprados localmente serán diseñados para las condiciones locales. Es importante comprobar que el inversor puede operar en estas condiciones (a veces es posible modificar el voltaje, pero la frecuencia podría ser fijo). Los paneles solares generan electricidad de corriente continua, y esta debe ser convertida a la CA para usar las luces, electrodomésticos, etc. Un sistema de gestión de baterías (BMS) o regulador de carga también es importante para asegurarse de que las baterías se carguen/descarguen de una manera correcta para maximizar la duración de las baterías y mantener un sistema de seguridad (baterías sobrecargadas pueden explotar). Un generador (de petróleo o gasolina) se puede utilizar para cargar las baterías en tiempos de nubosidad prolongados o si los paneles solares se dañan. Un generador de corriente alterna se puede utilizar directamente para alimentar el hogar (sin utilizar el sistema de inversor) y ejecutar las herramientas eléctricas y otros aparatos de uso poco frecuente que requieren más potencia que puede ser suministrada por el inversor.

Es importante instalar los paneles solares en un lugar donde reciben la máxima luz solar durante casi todo el día, por ejemplo, el techo de una casa, donde el sol no será bloqueado por árboles o la sombra y donde nada puede caer en los paneles (hojas de árboles, ramas, etc.). El ángulo ideal para los paneles dependerá de la ubicación y la latitud. Para latitudes de 0 - 20 °, el ángulo de inclinación ideal es Latitud x 0.87. (Por ejemplo, para Lima Perú con una latitud de 12° el ángulo ideal es 12 x 0.87 = 10.44°. Cerca del ecuador, donde los paneles se colocan en un posición bastante plana (o en regiones muy secas) los paneles pueden recoger el polvo y se deben limpiar de vez en cuando.

Recursos sugeridos

·         Calcular el tamaño del sistema de baterías

·         El ángulo ideal para paneles solares


Hidroeléctrica vórtice

Esta tecnología fue seleccionada porque es eficiente con respeto a la cantidad de la energía obtenida por la inversión económica (kWh/$). Además el sistema genera energía durante todo el año (las 24 horas del día), sin almacenamiento requerido y puede proporcionar fácilmente la energía suficiente para una comunidad de cuarenta personas. El exceso de energía generada por encima de las necesidades de la comunidad puede ser compartida con nuestros vecinos.

Por lo general, los sistemas hidroeléctricos requieren un alto tirante (caída en altura) para producir suficiente electricidad. Por ejemplo sistemas Pelton utilizan una hélice de rotación rápida alimentada por el agua que cae desde una cascada o una montaña. Las centrales hidroeléctricas industriales a gran escala necesitan construir enormes presas para proporcionar este tirante y controlar el flujo del agua (que dañan el ecosistema). El sistema de hidroeléctrica vórtice es adecuado para un río como el nuestro, con una tirante muy bajo y alto caudal. El agua se introduce en un tanque con una geometría que hace un vórtice de agua (algo así como la rotación de agua en una taza de inodoro). Una turbina de eje vertical se encuentra dentro de este vórtice que aprovecha la energía cinética generada y un generador conectado la convierte en electricidad. Se trata de un sistema muy sencillo, con relativamente baja inversión y bajo mantenimiento que tiene un efecto positivo sobre el ecosistema local (el vórtice airea el agua y permite el paso de los peces en ambas direcciones). Toda el agua se devuelve al río en el cual este continúa con el caudal natural.

El primer paso fue evaluar las características de nuestro río para determinar la cantidad de energía que podría generar y lo grande que la infraestructura tenía que ser. La velocidad de nuestro río es de alrededor de 0.5 m/s (en la estación seca y mucho más alto en la temporada de lluvias). Vamos a utilizar un tanque con un diámetro de 5 m y los canales de entrada y salida y un dique son designados para lograr una tirante de agua alrededor de 1 m. Así tenemos la capacidad de generar 5-10 kW cada hora, o 120 a 240 kWh/día. Un hogar medio (en el mundo desarrollado) utiliza aproximadamente 5-10 kWh/día, es así que este sistema puede proveer fácilmente las necesidades energéticas de nuestra comunidad y más.

hidroelectrico vortice economia basada en recursos

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Hemos preparado cálculos detallados, presupuestos y planificación del proyecto en todos los aspectos de la construcción del sistema hidroeléctrico vórtice. Si desea más información, póngase en contacto con nosotros. Fotos de la marcha del proyecto se pueden encontrar en la Galería de fotos.

Recursos sugeridos

·         Información sobre el sistema de hidroeléctrica vórtice

·         ·         Video que muestra el operación del vórtice


Bio-digestor de metano del biogás

Más allá de la electricidad, el gas es la otra importante fuente de energía para cocinar (y calentarse en climas frías). “Biogas” se puede producir utilizando un sistema de un bio-digestor que produzca metano a partir de desechos orgánicos (humanos, animales y agrícolas). El bio-digestor imita el proceso de descomposición natural que ocurre en los suelos, en los que los residuos se procesan por un complejo biota de bacterias y hongos. Compostaje natural es un proceso lento, que requiere una gran cantidad de terreno y la capacidad de la tierra para procesar el material orgánico que es limitada. Este proceso de degradación natural produce metano, que es un gas fuertemente activo de efecto invernadero, por lo que es preferible mantener estas reacciones que producen metano en un entorno controlado donde se captura el gas y se puede utilizar. Cuando el metano se quema se convierte en dióxido de carbono que es menos dañino para el medio ambiente.

Los sistemas de bio-digestores son simplemente tanques que se llenan con los residuos orgánicos y se controlan para optimizar la reacción de descomposición tanto para desinfectar los residuos y producir metano. Los residuos sólidos que quedan después de la reacción (lodo) es un fertilizante rico en nutrientes. Sistemas de tamaño pequeños (domésticos) no producen mucho gas y su función principal es procesar los desechos humanos para que sea estéril para su uso como fertilizante. En la India, Nepal y otros países en desarrollo reactores básicos a pequeña escala se utilizan para procesar las heces de vacas y dar gas para cocinar (utilizado sin refinar). Sistemas más grandes (de tamaño de la comunidad) producen mayores rendimientos de metano que pueden ser utilizados para la energía (además de la desinfección de residuos). Estamos diseñando un sistema con un tamaño del reactor apto para la comunidad (para procesar todos los residuos y producir suficiente gas), teniendo en cuenta la eficiencia de todo el proceso (evitando el bombeo de residuos y un buen control de las reacciones de proceso).

Tenemos la intención de colocar el bio-digestor bajo de la tierra, en el cual mediante un sistema de canalización por gravedad transporta los residuos de los baños hacia el bio-digestor. Esto es más higiénico, dará aislamiento natural para los tanques bio-digestores calentados, y evitará que el agua de lluvia o plagas tengan acceso al tanque. El tanque debe estar bien sellado para evitar los olores y el exceso de humedad. Un tanque de almacenamiento para los residuos colocado antes del bio-digestor será incluido para regular las fluctuaciones de la alimentación y evitar problemas si el bio-digestor necesita estar abierto para reparaciones.

El sistema será operado en el modo de "co-digestión", donde se alimenta el reactor con una mezcla de diferentes residuos. Además de los residuos de desecho humanos, residuos de la agricultura (plantas y de pescado) y de los jardines podría ser utilizado para dar mejores rendimientos de gas. Además, la concentración de bacterias patógenas disminuye y el lodo resultante tendrá un mayor nivel de nutrientes.

El bio-digestor será operado a alta temperatura (alrededor de 70 °C), lo que requerirá parte del metano generado para calentar el tanque. Hay varias ventajas de utilizar un proceso de alta temperatura. Una de ellas es que solo las bacterias “termófilas” son activos ya que pueden tolerar esta temperatura, y no existen bacterias patógenas. Todas las bacterias que pueden ser peligrosos para los seres humanos son más felices a nuestra temperatura corporal de 37 °C y se mueren a temperaturas más altas. Cuando el lodo se enfría para la eliminación, las bacterias termófilas mueren y, por tanto, el lodo se pueden utilizar inmediatamente (no se requiere tratamiento de esterilización para matar las bacterias restantes). Además, el proceso de temperatura más alta tiene una velocidad de reacción más alta (el metano se produce más rápido), y mejores rendimientos de gas. El proceso es fácil de controlar como pequeños cambios en las condiciones de funcionamiento se puede ver rápidamente (en una semana, en comparación con meses con procesos de baja temperatura).

El proceso de bio-digestión será bien controlado fácilmente con una pequeña cantidad de la tecnología (controladores de temperatura, sistemas de registro, etc.). Se requiere un poco de práctica del uso del sistema para optimizar la calidad del gas (por ejemplo, la mezcla ideal de la alimentación, y por cuánto tiempo los residuos tienen que estar en el bio-digestor). Biogás producido en la naturaleza es 30 a 40% de metano. Gas a partir de un bio-digestor es generalmente 60-70% de metano (capaz de ser quemado), donde el 99% del resto es dióxido de carbono, con pequeñas cantidades de hidrógeno o sulfuro de hidrógeno (de alimento rico en proteínas). Este sistema tomaría de 3-6 meses antes de que sea gas disponible en el sistema.

Recursos sugeridos

·         Video que muestra un sistema de biogás