ENERGÉTICA INER 2015

SOSTENIBILIDAD ENERGÉTICA

CONGRESO INTERNACIONAL

CONGRESO INTERNACIONAL I+D+i EN SOSTENIBILIDADENERGÉTICA INER 2015

CréditosPublicado por: Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables (INER)Dirección: Quito, Iñaquito N35-37 y Juan Pablo Código Postal: 170507 / Quito - EcuadorTeléfono: 593-2 393-1390Sitio Web: www.iner.gob.ec

Se prohíbe la reproducción parcial o total de esta publicación sin previa autorización de INER.“Las opiniones expresadas en este documento son de la entera responsabilidad de sus autores y no representan necesariamente las opiniones de INER y las organizaciones colaboradoras”.

Para fines bibliográficos, favor citar de la siguiente manera:Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables. (2016). Congreso Internacio-nal I+D+i en Sostenibilidad Energética. Quito - Ecuador: INER.Coordinación: Mayra Balladares y Alexandra Cajas, INERDiseño y diagramación, Cristian Espinosa, INER

Quito-Ecuador

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INER_EC

CONGRESO INTERNACIONAL I+D+i EN SOSTENIBILIDAD ENERGÉTICA INER 2015

Presentación

Discurso de inauguraciónCongreso Internacional I+D+ien Sostenibilidad Energética

Quito 11 Noviembre 2015

Director Ejecutivo (E)MSc. Martín Cordovez

El Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables, INER, entidad adscrito al Ministerio de Electricidad y Energía Renovable, tiene el agrado de darles la más cordial bienvenida al Congreso Internacional y Feria Científica Investigación, Desarrollo, Innovación en Sostenibilidad Energética.

Durante los tres años de existencia del INER nos hemos preocupado por contar con personal capacitado, de alto nivel y comprometido con el desarro-llo de la ciencia y la investigación en el país, razón por la que ahora nos enorgullecemos de poseer investigadores con talento, visión de emprendi-miento y gran dedicación a su trabajo.

Gracias a ello hemos podido crecer de manera constante y acelerada, afron-tando retos cada vez mayores, que nos han permitido cosechar logros muy importantes en este corto tiempo; entre los que contamos la construcción e implementación de laboratorios, la creación de prototipos que se encuentran en funcionamiento, elaboración y publicación de artículos científicos en revistas indexadas de mucha relevancia a nivel mundial, la capacitación masiva a través de nuestros programas de difusión y formación en línea, entre los más destacados.

Aun así, todavía creemos que tenemos mucho por crecer y ofrecer a nuestro país, y ese compromiso es el que nos lleva a dar lo mejor de nosotros a diario. Parte de esta convicción es la realización de este evento, iniciativa que consideramos fundamental y un hito en nuestra historia institucional.

Debido a que nos permitirá evidenciar la importancia del trabajo al que nos dedicamos, y la trascendencia que tiene el pensar e investigar en nuevas alternativas y prácticas eficientes de generación y aprovechamiento energéti-co, para asegurar así el futuro y el progreso de las nuevas generaciones.

Sabemos que este espacio que hemos construido con mucho trabajo y gracias a la colaboración de instituciones públicas y privadas, gobiernos de países amigos y entidades cercanas que han creído en el ideal que tenemos, será de importancia capital en un futuro cercano, porque se convertirá en el punto de partida de una serie de transformaciones desde la innovación y la creatividad para solventar los problemas y necesidades de nuestra pobla-ción.

Durante los tres días de trabajo que nos restan por delante, podremos escuchar la presentación de 33 expositores tanto nacionales como interna-cionales, atender a la presentación de 38 artículos científicos que fueron seleccionados por un comité de investigadores de alto nivel, tener la oportu-nidad de debatir, preguntar, informarnos y enriquecer el panorama de la ciencia y el conocimiento en el ámbito de la eficiencia energética y energía renovable.

Trataremos temas de distinto orden y naturaleza, aquí se hablará sobre las tendencias en las ciudades inteligentes, la eficiencia energética en edificacio-nes, bioenergía y biocombustibles, perspectivas de desalación solar entre otras. Información que consideramos coyuntural y atractiva para todos los asistentes.

Tenemos la firme convicción de que tendremos éxito si logramos despertar la curiosidad investigativa e intelectual en la sociedad, si construimos conoci-miento e investigación de manera asociada, colaborativa e integral logrando con esto avivar en el individuo su capacidad de preguntarse e investigar cómo podemos ser más eficientes y cómo podemos generar energía de manera más limpia.

Por tanto les invito a ser parte de este propósito, les invito a enriquecer los contenidos que hemos preparado para ustedes, aprovechar y cuestionar los planteamientos que aquí se presenten. Lo que ocurra en estos tres días será una experiencia de participación y desarrollo del conocimiento de forma colectiva.

CONGRESO INTERNACIONAL I+D+i EN SOSTENIBILIDAD ENERGÉTICA INER 2015

ÍNDICEpág.

04-08

09-16

Fiabilidad de la generación eléctrica con energías renovables en la provincia deLoja-Ecuador

Diseños biomiméticos de luz natural para edificios en Ecuador

Evaluación del Comportamiento de Motores Otto y Diésel con el Uso de Biocombustibles en la Ciudad de Quito

Regeneración por gasificación del coque del catalizador Ni/La2O3-αAl2O3

desactivado en el reformado con vapor de etanol

Metodología TERA (Techno-economic Environmental and Risk assessment)como herramienta para, modelar, evaluar y optimizar sistemas energéticos y de propulsión

Caracterización Geoquímica e Hidrogeológica para el Aprovechamiento Geotérmicoen la Provincia de Chimborazo

Análisis Estadístico Inicial del Perfil de Consumo Energético de un Tren Metropolitano

Modelado y Simulación de una Celda de Combustible de Membrana de Intercambiode Protones Usando ANSYS Fluent

Análisis de platos típicos de la sierra Ecuatoriana para el Programa Nacionalde Cocción Eficiente

Análisis CFD del Calentamiento de Agua en Diferentes Configuraciones de Ollasde Inducción

Análisis de los resultados de la operación del catamarán “Génesis Solar” en el estrechode Itabaca (Islas Galápagos)

Refrigeración Solar por Adsorción empleando un Concentrador Solar Parabólico Compuesto y Carbón Activado Local

Energía solar en estrategias de eficiencia energética en Iluminación, para condicionesde confort en Ecuador.

Daylight Modelling Calibration in order to inform future Library Design

Reducción de emisiones de GEI por el uso de biocombustibles en el Ecuador

Estudios de eficiencia energética y análisis químico del menaje disponible comercialmente en Ecuador

Impacto en la economía de Ecuador debido a la nueva estructura de refinación

Monitoreo de Carga y Radiación Solar para Diseño de Sistemas Fotovoltaicos en Hogares Unifamiliares de la Ciudad de Latacunga

22-24

25-32

33-39

40-47

48-53

17-21

54-60

61-67

68-72

73-80

81-83

84-94

95-99

100-105

106-111

112-121

c.espinosa

Cross-Out

c.espinosa

Cross-Out

Fiabilidad de la generación eléctrica con energías renovables en la provincia de Loja-Ecuador

Alan Cuenca Sánchez, Julio Usaola García Máster en Energías Renovables en Sistemas Eléctricos

Universidad Carlos III de Madrid UC3M Madrid, España

[email protected]

Lourdes Ramírez Santigosa Departamento de Energía

Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT

Madrid, España

Resumen— La investigación comprende simular a través de herramientas computacionales varios escenarios en el sistema eléctrico de la provincia de Loja utilizando datos de recurso renovable, demanda eléctrica y características técnicas de las centrales de generación de la zona, para de esta manera utilizando el Método de Monte Carlo obtener y observar la variación de los índices de fiabilidad con diferentes niveles de penetración de generación convencional y renovable, además calcular el crédito de capacidad, es decir, cuanta generación convencional puede sustituirse por generación intermitente. Con los resultados obtenidos se demuestra la existencia de suficiente recurso renovable para generar energía limpia y eficiente en beneficio de la población lojana, lo cual es fundamental para el cambio de la matriz energética en el Ecuador.

Palabras claves—fiabilidad; solar; eólica; método Monte

Carlo; crédito de capacidad.

I. INTRODUCCIÓN Las principales tendencias mundiales que están

actualmente marcando el cambio de la matriz energética requerida para abastecer a la creciente demanda de energía son el cambio climático, el pico petrolero y la eficiencia energética, para llevar a cabo esta transición se abandona aquella que hasta la actualidad ha sido la principal fuente de energía: los combustibles fósiles. Es por esta razón que en el Ecuador en las últimas décadas se ha desarrollado tecnologías para el aprovechamiento de los recursos renovables como el viento, sol, geotermia, biomasa y mareomotriz, de manera que se vuelven más competitivas ante las fuentes convencionales de energía. Por tal motivo se debe resaltar a la fiabilidad como un factor muy importante en la planeación, diseño operación y mantenimiento del sistema eléctrico de potencia. Dentro de todos los niveles que lo componen, la generación es una parte importante ya que tiene que ser capaz de satisfacer la demanda en todo momento [1].

II. ZONA DE ESTUDIO

A. Justificación de emplazamiento elegido

A lo largo de todo el territorio ecuatoriano existen zonas con un enorme potencial de fuentes renovables de energía para generación eléctrica, especialmente de carácter hídrico, eólico y solar. Por tal motivo se ha desarrollado los Atlas Eólico y Solar del Ecuador con el fin de identificar varias zonas ideales para más estudios e implementación de proyectos con tecnologías renovables siendo la provincia de Loja una de las más relevantes en este aspecto.

B. Características relevantes La zona elegida para el presente estudio es la provincia de

Loja, ubicada al sur de la Sierra ecuatoriana, tiene una superficie de 11.026 km².

Loja posee una elevada presencia de recurso eólico, debido a la Cordillera de los Andes, es así que actualmente funciona el parque eólico Villonaco. La zona de la Ceiba, al sur de la provincia presenta recurso solar aprovechable para las tecnologías: fotovoltaica y termosolar.

III. GENERACIÓN

RENOVABLE

Los datos de presión, humedad relativa, temperatura, velocidad y dirección del viento obtenidos y tratados han sido medidos en la zona del parque eólico Villonaco y fueron proporcionados por la Corporación Eléctrica del Ecuador-CELEC EP y por el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología INAMHI, corresponden al año 2013. Para la simulación de la producción eólica se toma las características del parque eólico Villonaco, 11 aerogeneradores Goldwind GW70/1500, su respectiva curva de potencia y su potencia nominal de 16,5 MW.

El sitio más adecuado en la provincia de Loja para el desarrollo de una central fotovoltaica y termosolar se encuentra en Zapotillo en el sector de La Ceiba. Los datos de recurso solar se obtuvieron a través de la intervención del CIEMAT del sistema de información geográfica SolarGIS. Para la simulación de la producción fotovoltaica se toma como referencia el proyecto Zapotillo fotovoltaico de 20 MW, en cuanto a la central termosolar, se toma como base la central ANDASOL-2 presente en Granada-España, la cual es una planta termosolar con tecnología de concentradores cilíndricos parabólicos, la cual tiene una potencia instalada de 49.9 MW.

Para la simulación de la producción eólica y fotovoltaica (Fig. 1) se utiliza el software Hybrid Optimization Model for Electric Renewables HOMER y para la producción termosolar (Fig. 2) Solar Advisor Model SAM.

Fig. 1 Producción eólica-fotovoltaica simulada en HOMER

Fig. 2 Producción termosolar simulada en SAM

La central hidroeléctrica “Ing. Carlos Mora Carrión”, es una central de pasada (no tiene represa o embalse); se ubica a 32 Km. de la ciudad de Loja. Está conformada por tres unidades hidroeléctricas (dos turbinas tipo Pelton de 600 kW cada una y una tipo Francis de 1.200 kW), por tanto su potencia nominal es de 2,4 MW, con una producción de energía media anual de 17,5 GWh, que hoy representa el 12 % de la energía disponible de la Empresa Eléctrica Regional del Sur S.A.-EERSSA [2].

IV. GENERACIÓN

CONVENCIONAL

El sistema de distribución de la provincia de Loja, recibe los aportes de la central Térmica Catamayo MCI (Motor de Combustión Interna) con 20,25 MW de potencia instalada y el aporte principal del Sistema Nacional Interconectado (S.N.I.) Ecuatoriano con 25,2 MW [3].

Los datos de generación convencional empleados han sido proporcionados por la Empresa Eléctrica Regional del Sur S.A., además los parámetros del tiempo medio entre fallos MTTF y el tiempo medio de reparación MTTR provienen del test de sistemas de fiabilidad de la IEEE [4].

Las principales características de las unidades se muestran en la Tabla I.

TABLA I. UNIDADES CONVENCIONALES LOJA

Central

Unidades Convencionales

Unidad Tipo Potencia Nominal (MW) Catamayo U1 Térmica MCI 1,8

Catamayo U2 Térmica MCI 1,28









Cuenca-Loja SNI Interconexión 25,2

V. FIABILIDAD, MÉTODO MONTE CARLO

A. Índices de fiabilidad

La fiabilidad de un sistema eléctrico puede dividirse en

dos aspectos básicos [5], la adecuación y la seguridad. Por adecuación se entiende la capacidad del sistema de

satisfacer plenamente la demanda y responder a las órdenes del operador del sistema, e incluye toda aquella infraestructura necesaria para tal fin, desde la generación hasta el punto de consumo final, es decir, generadores, centros de transformación, red de transporte, subestaciones transformadoras y redes de distribución. Está asociada a las condiciones estáticas de la red. Es en esta parte dónde se incluye el presente estudio de fiabilidad [5].

Por seguridad se entiende la capacidad del sistema para

responder a las perturbaciones dinámicas o transitorias. Así, dadas las características de un sistema eléctrico en funcionamiento se pueden distinguir tres niveles jerárquicos [6]:

1. Nivel jerárquico 1, HL1. Incluye todas las instalaciones

generadoras. 2. Nivel jerárquico 2, HL2. Incluye el nivel jerárquico

HL1 más la red de transporte. 3. Nivel jerárquico 3, HL3. Incluye los dos niveles

jerárquicos anteriores más la red de distribución, por lo tanto estudia todo el sistema eléctrico.

En la presente investigación se toma en cuenta únicamente

el nivel jerárquico HL1, se definen a continuación los índices de fiabilidad de este nivel que se usarán para el análisis del sistema eléctrico en estudio, y, aunque existen otros, su cálculo y definición pueden verse en la bibliografía recomendada [6]:

• LOLE, “Loss of load expectation” o pérdida de carga

esperada, se mide en horas/año. La expresión general es:

𝐿𝑂𝐿𝐸 = ∑ 𝑝𝑖𝑇𝑖∈𝑠 (1)

pi: probabilidad del estado i del sistema; s: conjunto de todos los momentos en que la demanda es mayor

que la generación disponible; T: periodo de tiempo en el que permanece en ese estado.

• LOEE, “Loss of energy expectation” o pérdida de

energía esperada, se mide en MWh/año. La expresión general es:

𝐿𝑂𝐸𝐸 = ∑ 8760𝐶𝑖𝑝𝑖𝑖∈𝑠 (2)

Ci: la diferencia entre la demanda y la generación disponible en el estado i.

• LOLP, “Loss of load probability” o probabilidad de pérdida de carga, al ser una probabilidad es adimensional.

𝐿𝑂𝐿𝑃 = LOLE/8760 (3)

• EDNS, “Demand not supplied” o demanda no suministrada, se mide en MW/año:

Este índice indica la cantidad de potencia no abastecida a lo largo de un año.

B. Método Monte Carlo

La simulación estocástica de Monte Carlo se define en base a la generación de números aleatorios [6], en este caso entre 0 y 1, de las variables de entrada elegidas, esta simulación imita el funcionamiento de los sistemas considerando sus características aleatorias mediante métodos computacionales. Por tanto la simulación Monte Carlo proporciona estimaciones de los resultados exactos [7] no alcanza los niveles de precisión de las técnicas analíticas en sus resultados debido a su naturaleza variable.

Existen dos métodos para el cálculo de las variables de salida, si se sigue el orden cronológico de aquellas variables que se caracterizan mejor siguiendo este orden, se denomina secuencial, en cambio si no se sigue un orden cronológico de los sucesos el método se denomina no secuencial.

Para alcanzar los valores de los índices de fiabilidad del sistema, es necesario realizar una simulación durante un intervalo de tiempo determinado, debido a que el método de Monte Carlo no asegura la convergencia del proceso por su naturaleza oscilante, cuánto mayor es el número de repeticiones, el intervalo de confianza será mayor. No obstante, para evitar un número excesivo de repeticiones, se establece un criterio de convergencia que consiste en cuantificar el error a medida que se van añadiendo repeticiones, y establecer un valor máximo de dicho error.

C. Crédito de Capacidad

• ECPP, “Equivalent conventional power plant” o

capacidad equivalente de potencia convencional [8][9]. Se define como la cantidad de potencia convencional

instalada Y MW que pueden sustituirse con X MW de una potencia de otra tecnología sin que se modifique la fiabilidad del sistema.

ECPP=Y/X (4)

VI. RESULTADOS Teniendo en cuenta las condiciones actuales de la

provincia de LOJA en cuanto a proyectos referentes a tecnología renovable, se ha decidido realizar cuatro casos de estudio cada uno de los cuales dispone de diez estados que comprenden desde utilizar el 100% de potencia convencional (Estado_0) hasta el 100% de potencia renovable (Estado_10) para satisfacer la demanda eléctrica.

• Caso 1: simulación no secuencial sin variación en los

datos de producción simulados para el año 2013 de la central eólica, fotovoltaica y termosolar en cada año, es el caso base, es decir utilizando la misma Curva de Distribución de Frecuencia Acumulada (CDF) de las centrales renovables obtenida a partir de los datos de producción, en todos los años simulados.

• Caso 2: simulación no secuencial con variación de los datos de producción renovable mediante distribución normal respecto al caso base, utilizando para cada año simulado distinta CDF de las centrales renovables.

• Caso 3: simulación híbrida secuencial-no secuencial utilizando los datos simulados de producción renovable del caso base.

• Caso 4: simulación secuencial total utilizando los datos simulados de producción renovable del caso base de manera secuencial.

TABLA II. RESULTADOS DE LOS ESCENARIOS SIMULADOS CASO 1

Estados

Resultados Índices de Fiabilidad Caso 1 Potencia (%) LOLE

(h/año) LOEE

(MWh/año) EDNS

(MW/año) LOLP

Estado_0 100% PC 8,066 295,043 35,223 0,00093

Estado_1 90% PC-10% PR 6,140 164,413 24,831 0,00071

Estado_2 80% PC-20% PR 5,237 127,944 22,031 0,00060

Estado_3 70% PC-30% PR 4,904 119,135 21,595 0,00056

Estado_4 60% PC-40% PR 4,740 119,740 21,903 0,00054

Estado_5 50% PC-50% PR 4,564 120,039 22,701 0,00052

Estado_6 40% PC-60% PR 4,396 121,700 23,839 0,00050

Estado_7 30% PC-70% PR 4,246 125,539 25,218 0,00048

Estado_8 20% PC-80% PR 4,120 130,116 26,766 0,00047

Estado_9 10% PC-90% PR 4,083 137,704 28,459 0,00046

Estado_10 100% PR 4,832 172,614 30,832 0,00055

TABLA III. RESULTADOS DE LOS ESCENARIOS SIMULADOS CASO 2

Estados


(h/año) LOEE

(MWh/año) EDNS

(MW/año) LOLP

Estado_0 100% PC 8,051 295,770 34,943 0,00092

Estado_1 90% PC-10% PR 6,867 207,294 28,381 0,00078

Estado_2 80% PC-20% PR 6,300 181,333 26,914 0,00072

Estado_3 70% PC-30% PR 6,126 177,205 26,169 0,00070

Estado_4 60% PC-40% PR 5,984 178,727 28,084 0,00068

Estado_5 50% PC-50% PR 5,825 182,306 29,420 0,00066

Estado_6 40% PC-60% PR 5,634 186,707 31,049 0,00064

Estado_7 30% PC-70% PR 5,435 192,281 32,905 0,00062

Estado_8 20% PC-80% PR 5,243 198,306 34,948 0,00060

Estado_9 10% PC-90% PR 5,098 206,764 37,149 0,00058

Estado_10 100% PR 5,362 232,071 39,708 0,00061

TABLA IV. RESULTADOS DE LOS ESCENARIOS SIMULADOS CASO 3

Estados


(h/año) LOEE

(MWh/año) EDNS

(MW/año) LOLP

Estado_0 100% PC 8,046 292,585 34,806 0,00092

Estado_1 90% PC-10% PR 6,112 180,039 27,077 0,00070

Estado_2 80% PC-20% PR 5,515 160,869 26,107 0,00063

Estado_3 70% PC-30% PR 5,362 159,354 26,067 0,00061

Estado_4 60% PC-40% PR 5,320 164,759 27,564 0,00060

Estado_5 50% PC-50% PR 5,211 171,517 29,173 0,00059

Estado_6 40% PC-60% PR 5,119 179,854 31,041 0,00058

Estado_7 30% PC-70% PR 5,029 188,390 33,061 0,00057

Estado_8 20% PC-80% PR 4,943 197,277 35,195 0,00056

Estado_9 10% PC-90% PR 4,888 208,593 37,421 0,00055

Estado_10 100% PR 6,792 307,823 41,058 0,00078

TABLA V. RESULTADOS DE LOS ESCENARIOS SIMULADOS CASO 4

Estados


(h/año) LOEE

(MWh/año) EDNS

(MW/año) LOLP

Estado_0 100% PC 8,222 296,368 35,023 0,00093

Estado_1 90% PC-10% PR 6,149 177,688 27,118 0,00070

Estado_2 80% PC-20% PR 5,679 162,120 26,408 0,00064

Estado_3 70% PC-30% PR 5,507 161,513 26,290 0,00062

Estado_4 60% PC-40% PR 5,474 168,119 28,122 0,00061

Estado_5 50% PC-50% PR 5,368 175,215 29,796 0,00060

Estado_6 40% PC-60% PR 5,237 183,123 31,691 0,00059

Estado_7 30% PC-70% PR 5,109 191,843 33,732 0,00058

Estado_8 20% PC-80% PR 4,994 200,286 35,877 0,00057

Estado_9 10% PC-90% PR 4,910 210,234 38,105 0,00056

Estado_10 100% PR 6,833 310,050 41,709 0,00078

La figura 3 muestra la evolución del crédito de capacidad (ECPP) de los casos de estudio, a medida que se aumenta energía renovable en el sistema el crédito de capacidad, ECPP disminuye.

Fig. 3 Evolución del crédito de capacidad, ECPP

VII. CONCLUSIONES

• Se ha requerido gran cantidad de información, principalmente: datos de recurso renovable solar y eólico, demanda eléctrica, características y factores de fallo de las centrales convencionales y renovables de la zona de Loja.

• Fue necesario la utilización de herramientas computacionales para la simulación de los datos de producción renovable, lo cual permitió obtener resultados de manera eficiente y correcta, sin embargo se debe resaltar la importancia de tener acceso a información de entrada numerosa y de buena calidad, además de su respectivo tratamiento.

• Las simulaciones de las producciones eólica-fotovoltaica muestran que la producción eólica es mayor con respecto a la producción fotovoltaica debido al dominio del recurso eólico sobre el solar en la provincia de Loja, con esto se resalta y comprueba la presencia de recurso eólico tal como lo muestra el Atlas Eólico del Ecuador. Por tanto este potencial puede ser aprovechado para la producción de energía limpia en el sur del país.

• La simulación de la producción termosolar muestra que una central de este tipo sería de gran ayuda para abastecer la demanda de la provincia de Loja, contribuyendo al cambio de la matriz energética en el Ecuador. Además sería muy interesante la implementación de este tipo de tecnología ya que actualmente no se dispone ninguna en el territorio nacional ecuatoriano.

• El análisis de la fiabilidad del sistema eléctrico que abastece a la provincia de Loja en Ecuador con la penetración de potencia de carácter renovable muestra resultados con ligeras variaciones entre los casos de estudio realizados. Por tal motivo se puede concluir que con un análisis sencillo como el método de Monte Carlo no secuencial se puede obtener resultados confiables y útiles al momento de analizar la fiabilidad de un sistema.

• A medida que se incrementa la penetración de potencia renovable en el sistema, manteniendo el aporte de la interconexión Loja-Cuenca, el índice LOLE (pérdida de carga esperada) se reduce, es decir el sistema se vuelve más fiable (tablas II, III, IV y V cambio de Estado_0 a Estado_10). Sin embargo cabe notar que al utilizar completamente la potencia renovable en todos los casos de estudio, el LOLE experimenta un salto (cambio estado Estado_9 a Estado_10) debido a que las tecnologías intermitentes no son suficientes para satisfacer la demanda eléctrica especialmente en las horas punta y siempre será necesario el apoyo de potencia convencional. Sin embargo a pesar de este incremento del LOLE la fiabilidad del sistema se mantiene.

• El índice LOEE (pérdida de energía esperada) obtenido en el presente proyecto se reduce con una baja penetración de tecnologías renovables (tablas II, III, IV y V, cambio de Estado_0 a Estado_3) mientras que a medida que se hace notable dicha penetración y se reducen las centrales convencionales el LOEE se incrementa, lo que significa que la severidad del fallo esperado es mayor (cambio de Estado_3 a Estado_10).

• La probabilidad de pérdida de carga LOLP, disminuye a medida que se incrementa la penetración de las energías renovables y se reducen las centrales convencionales, lo que significa que la integración de tecnología renovable al sistema, permite una gran posibilidad de mantener cubierta la demanda en un periodo dado. El incremento observado en el LOLP es mayor en el caso de un sistema completamente renovable (Estado_10 de todos los casos de estudio).

• La demanda esperada no suministrada o EDNS sigue el mismo proceso que el índice LOEE, es decir se reduce con una baja penetración de tecnologías renovables (tablas II, III, IV y V, cambio de Estado_0 a Estado_3) mientras que a medida que se hace notable dicha penetración y se reducen las centrales convencionales la EDNS empieza a incrementarse.

• El crédito de capacidad, ECPP, disminuye a medida que aumenta la energía renovable en el sistema y se reducen las centrales convencionales (figura 3). Por tanto los resultados coinciden con los estudios realizados en [9] y [19], mostrando que es posible la reducción de centrales térmicas MCI y mantener la fiabilidad del sistema.

• La introducción de potencia renovable y el aporte del Sistema Nacional Interconectado (S.N.I.) en el sistema indican una mejora de los índices de fiabilidad y la posibilidad de reducir la utilización de las unidades térmicas de la zona, lo cual es fundamental para el cambio de la matriz energética en el Ecuador. La combinación de la interconexión Cuenca-Loja con las tecnologías renovables hidráulica, eólica, fotovoltaica y termosolar no solo mejoran la fiabilidad del sistema sino que también permiten disponer de potencia que puede ser utilizada para satisfacer la demanda de otros sectores del país.

AGRADECIMIENTOS

Gracias al Gobierno Nacional del Ecuador a través de la Secretaria Nacional de Educación Ciencia y Tecnología SENESCYT, por brindarme la oportunidad de seguir preparándome personal y académicamente en busca de un mejor futuro para el Ecuador.

Un agradecimiento al Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, en especial a la Dr. Lourdes Ramírez, al Dr. Luis Zarzalejo y al Dr. Luis Arribas, por su sentido de compromiso y apoyo, ya que supieron guiarme exitosamente durante este trabajo.

A la Universidad Carlos III de Madrid, en especial al Dr. Julio Usaola por su amable apoyo y ayuda a lo largo de todo el desarrollo del proyecto.

REFERENCIAS

[1] Billinton, R. and Allan, R N., "Reliability Evaluation of Power Systems", 2nd Edition, Plenum Publishing, New York and London, 1996.

[2] Empresa Eléctrica Regional del Sur S.A. – Gerencia de Gestión Ambiental, “Informe Auditoria EERSSA 2013”, Loja, 2014.

[3] Maldonado O. Miguel y Pachari P. José, “Cálculo y análisis de índices de confiabilidad del sistema de generación del sistema nacional interconectado” Tesis de Pregrado, Universidad de Cuenca, Cuenca-Ecuador, 2011.

[4] Grigg, C; Wong, P. et al., “The IEEE reliability test system 1996”, IEEE, Agosto, 1999.

[5] Billinton, R. y Bagen, “Reliability considerations in the utilization of wind energy, solar energy and energy storage in electric power systems”, 9th International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems KTH, Stockholm, Sweden – Junio 11-15, 2006

[6] Billington, R. y Li, W., “Reliability Assesment of Electrical Power Systems Using Monte Carlo Methods”, Plenum Press, New York, 1994.

[7] Imbarack, F., “Elaboración de una Herramienta Computacional para la Evaluación de la Confiabilidad de Sistemas de Transmisión Eléctricos”, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago de Chile, 2006.

[8] Casado Rodríguez, A. y Usaola García, J., “Fiabilidad de un sistema eléctrico con energía eólica. Crédito de capacidad”. Proyecto fin de carrera, Universidad Carlos III, Madrid, 2012.

[9] Lorca Martínez, J., “Fiabilidad de la generación eléctrica con energías renovables en la isla de Gran Canaria” Trabajo Fin de Máster, Universidad Carlos III, Madrid, 2014

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[19] UK Energy Research Centre: “The Costs and Impacts of Intermittency: An assessment of the evidence on the costs and impacts of intermittent generation on the British electricity network”, Imperial College, Londres, 2006.

Diseños biomiméticos de luz natural para edificios en Ecuador

Andrés Fernández Welsh School of Architecture

Cardiff University Cardiff, Reino Unido

Email: [email protected]

Abstract - This research focuses in the development of biomimetic designs to maximize the use of daylight for teaching rooms located in Ecuador. Biomimicry is a s ource of i nspiration to c reate novel and sustainable processes for technical, economic or social systems based on nature, so to create new daylight designs, the BioGen methodology [2] has been applied analyzing ten examples of organisms that manage daylight in different ways, resulting in two types of d esigns: four morpho designs that are related with structures and shape and one physiodesign that is related with the function of nanostructures; the morphodesigns were evaluated using software, the combined morphodesign was the only one with most satisfactory results of better illuminance in different sky conditions. In conclusion, biomimicry is a real source of inspiration on daylighting design, the BioGen methodology has served to th e purpose of creating new designs on tropical rooftops; finally, the nanoproperties found in nature can be studied further to i ncorporate innovative properties to construction materials.

Index terms - Biomimetics, passive design, daylight, sustainable buildings

Resumen- Esta investigación está enfocada al desarrollo de diseños biomiméticos para maximizar el uso de luz natural en edificios educativos ubicados en Ecuador. La biomimética es una fuente de inspiración para crear procesos novedosos y sustentables en sistemas tecnológicos, sociales o económicos basados en la naturaleza; para lograr este objetivo se ha aplicado la metodología BioGen [2] con 10 ejemplos de organismos que interactúan con la luz natural en diferentes formas; el resultado son cuatro diseños de forma (morfodiseños) a macroescala y un diseño de materiales (fisiodiseño) basado en nanoestructuras; el resultado final es un morfodiseño combinado del cual se obtienen los mejores resultados de iluminancia en diferentes condiciones del cielo, donde se asegura el confort visual de los ocupantes. En conclusión, la biomimética es una verdadera fuente de inspiración para crear diseños enfocados al aprovechamiento de luz natural y la metodología utilizada ha servido para la creación de diseños innovadores; finalmente como recomendación, las nanoestructuras deben ser estudiadas más profundamente crear materiales sustentables.

Palabras clave - Biomimética, diseño pasivo, iluminación natural, edificios sustentables

I. INTRODUCCIÓN

El sector de la construcción es considerado como una de las industrias más contaminantes a nivel mundial, por lo cual en la última década los esfuerzos se han enfocado en lograr una construcción sustentable buscando nuevas formas de minimizar sus impactos negativos [18]. Por lo tanto, para lograr una verdadera construcción sustentable, varios investigadores han enfocado sus esfuerzos en la biomimética, ya que este campo tiene el potencial de ser aplicado en casi todas las ciencias académicas [15].

La presente investigación tiene el objetivo de explorar las oportunidades para desarrollar un diseño pasivo en edificios

educativos por medio de la biomimética, en el cual se maximice el uso de luz natural durante el día en diferentes condiciones lumínicas del cielo logrando el confort visual de sus ocupantes y reduciendo el consumo de energía. Los diseños propuestos están basados en ejemplos de las interacciones entre varios organismos vivos y la luz natural; considerando también su posición geográfica en el Ecuador.

II. BIOMIMÉTICA

Las ideas innovadoras que vienen de la sustentabilidad tratan de integrar la idea de que los humanos somos parte de la naturaleza dentro de una comunidad global inmersa en el mismo sistema donde cada elemento tiene el mismo valor e importancia que los demás [15]. Para esto, los procesos antropogénicos deben transformarse en “naturales” donde se pueda recrear una sociedad basada en principios de la naturaleza, así los recursos naturales y los organismos biológicos se convierten en un fuente de conocimiento, más no de elementos a ser utilizados [15].

El objetivo de la biomimética es resolver problemas mediante la imitación de formas y principios de la naturaleza, en este contexto, se asume que la evolución ha permitido la supervivencia de los organismos creando procesos más efectivos y prácticos que los sistemas antropogénicos actuales [24]. Pawlyn (2011) muestra un ejemplo de biomimética, el diseño de un auto hecho por Daimler Chrysler (Fig. 1) en el cual su forma es aerodinámica reduciendo su fricción.

A. Biomimética en arquitectura La biomimética como un recurso creativo para el diseño,

tiene una posición asegurada en la arquitectura y la ingeniería como un medio de inspiración e innovación (El-Zeiny, 2012). Según Volstad & Boks (2012), las aplicaciones reales de la biomimética pueden ser categorizadas en: • Materiales: El material de las biorocas ayuda a r estaurar

arrecifes de coral por la deposición de minerales, este proceso puede ser utilizado para la creación de materiales más fuertes y resistentes [17].

• Mecánica y dinámica: Aspa de turbina de viento inspirada en la forma y superficie de las ballenas (Fig. 2) sus irregularidades permiten mantener el equilibrio y la rotación a velocidades bajas incrementando 20% de productividad [17].

• Estructura: El esqueleto de bajo peso en las aves (Fig. 3) es simulado en una estructura con vacíos distribuidos en el interior dentro de dos capas de hueso sólido [17].

• Forma: El edificio Eastgate Centre en Zimbawe tiene la forma de un termitero (Fig. 4) que está alineado en dirección norte y sur, gradúa su temperatura naturalmente, recibiendo mayor radiación solar en la mañana y menor radiación solar al mediodía y puede liberar calor por medio de las ventanas y ventilas conjuntamente con enfriadores subterráneos que proveen aire frío [17].

Fig. 1. Pez box y auto biomimetizado [17]

Fig. 2. Ballena y turbina de viento [17]

Fig. 3. Esqueleto de una ave y diseño de estructura [17]

Figura 4. Termitero y edificio Eastgate Centre [17]

III. METODOLOGÍA

Según varios autores como Pandrenemos et al. (2012) y Badarnah & Kadri (2014), la biomimética ha sido explorada y aplicada por varios años pero los investigadores aún discuten acerca de una metodología sistemática en términos generales, donde se puedan transformar procesos biológicos en elementos funcionales. Una de las dificultades más concurrentes es identificar los sistemas naturales que cumplen la misma función que el objetivo del diseño, elegir la estrategia más adecuada de varias opciones disponibles o la incompatibilidad de escalas en tamaño.

Se puede afirmar que existen dos enfoques principales para crear un diseño biomimético: top-down y bottom-up [10]. La diferencia radica en que en el primero, una solución es necesaria para resolver un problema específico, en la otra, un mecanismo es adaptado para convertirse en una solución potencial frente a diferentes problemas (Fig. 5).

Fig. 5. a) Enfoque basado en la solución (Bottom-up); b) Enfoque basado en el

problema (Top-down) [10]

A. Metodología BioGen La metodología BioGen [2] contribuye al entendimiento y

simplificación de m etodologías anteriores, esta metodología sigue el enfoque basado en un problema y propone la integración de todos sus elementos en un proceso cíclico que permite posterior innovación (Fig. 6).

Esta metodología se enfoca en la concepción y creación del diseño, en la fase preliminar se usan varias herramientas para entender los mecanismos y pr incipios biológicos a replicar como el modelo de exploración, el análisis de pináculos, la matriz de análisis de pináculos y la matriz de diseño.

Fig. 6. Metodología BioGen [2]

Finalmente, una evaluación cualitativa es propuesta por Antony et al. (2014), el cual evalúa un diseño a través de tres principios: Primero, la existencia de un modelo biológico; segundo, entender el principio y transformarlo en una tecnología y finalmente, la existencia de una aplicación real. Este tipo de evaluaciones cualitativas son necesarias para entender la conexión entre el modelo biológico y su aplicación en el mundo real.

IV. CONTEXTO

El diseño a desarrollar debe cumplir con ciertas funciones: proveer de luz natural, bloquear la radiación UV, bloquear la luz solar directa y evitar altos contrastes procurando la uniformidad; estos puntos son claves para el confort visual de los ocupantes.

A. Contexto geográfico Se asume que la ubicación del edificio, se encuentra en la

zona tropical en Ecuador, esta zona se caracteriza por la simetría que forma el recorrido del sol durante un año del Este hacia el Oeste y al mediodía, el sol alcanza su máxima altitud. Por lo cual, para el desarrollo de este diseño es necesario entender los cambios de la altitud solar durante todo el año. Al mediodía, los valores más altos del ángulo de altitud suceden en los equinoccios de Primavera (21 de Marzo) y Otoño (21 de Septiembre), mientras que los más bajos en los solsticios de Invierno (21 de Diciembre) y Verano (21 de Junio) del hemisferio Norte debido a la inclinación del axis de la Tierra con respecto al Sol (Fig. 7).

Fig. 7. Vista lateral desde el Este del recorrido del sol en Ecuador (0° Latitud)

al mediodía, de izq a der.: Solsticio de Verano, Equinoccios y Solsticio de Invierno [8]

B. Contexto del sitio Se asume que los alrededores del edificio son abiertos, es

decir que no existe ningún otro tipo de edificación que interfiera con la entrada de luz solar produciendo sombras al interior de la habitación, además, la luz difusa es causada solamente por la reflexión de la luz sobre las superficies interiores. El tamaño del modelo es de 80 m2, con un largo de 10 m y un ancho de 8 m. En promedio, el número de ocupantes en una clase es 30 a 40 estudiantes.

C. Contexto de la actividad Como especificaciones lumínicas se recomienda que en

habitaciones educativas se aproveche la luz natural al máximo con un factor de luz diurna en promedio de 5% y mínimo 2%, los niveles de luminancia no deben ser menores a los 300 lux y se recomienda 500 lux para actividades más minuciosas [7]. También se debe considerar la luz difusa por medio de panales reflectivos, la mínima reflectancia en paredes interiores debe ser 0,6 y 0,7 en techos, se deben evitar superficies que produzcan brillo excesivo [7].

V. BIOESTRATEGIAS PARA LUZ NATURAL

Existen varios organismos que interactúan con la luz natural, muchos de estos organismos tienen la capacidad de percibir diferentes longitudes de onda diferentes a los humanos para utilizarlas en otras funciones, aparte de la visión, como protección, apareamiento, obtención de energía o circulación interna de calor.

La Tabla 1 muestra un c uadro exploratorio de varios organismos y sus interacciones.

TABLA I. ORGANISMOS Y SU INTERACCIÓN CON LA LUZ NATURAL

Organismo Fotografía

Edelweiss bracts Sus filamentos blancos ab sorben radiación UV protegiendo a sus células de cualquier daño [20]. [20]

Plantas en gran altitud La especies que crecen en gran altitud de los Alpes Suizos protegen sus células con una sustancia cerosa que absorbe la radiación UV. [13].

-

Pez Dolichopteryx longpipes Sus ojos especiales le permiten captar luz en dirección horizontal y hacia abajo mediante una estructura llamada diverticulum [22].

[22]

Esponjas marinas Su estructura formada por pequeños canales permite la entrada de haces de luz hacia el in terior favoreciendo la transmisión de luz en un 60% [5] [5]

Cactus La estructura de los cactus permite enfriar su superficie por medio del movimiento del aire por diferencia de temperatura [3].

[3]

Luciérnaga Sus nanoestructuras en la s uperficie contribuyen a la transmisión de luz que se produce en su interior [14]. [14]

Mariposa Las nanoestructuras en las alas de las mariposas reflejan la lu z para formar los diferentes colores [23]

-

Árboles de olivo Sus hojas exteriores e in teriores presentan diferentes formas para captar la mayor luz solar posible [6].

[6]

Flores Los efectos de color en los pétalos se debe a la co nfiguración de su superficie [11]. [11]

Escarabajo dorado Se caracteriza por su caparazón de alta reflectividad producido por las nanoestructuras en su superficie [19].

[19]

VI. DISEÑO

Esta sección muestra el desarrollo de los diseños de acuerdo a la metodología BioGen [2]:

A. Modelo de exploración El modelo de exploración ordena la información obtenida

acerca de los organismos para entender las conexiones entre los objetivos del diseño y los biomecanismos encontrados. Por ejemplo para absorber radiación UV, los mecanismos encontrados son los filamentos del Edelweiss bracts y la cera que cubre a las plantas de altura en los Alpes suizos.

B. Derivar pináculos imaginarios La matriz de análisis de pináculos (organismos) integra los

pináculos que comparten la misma función creando un pináculo imaginario, en este caso las categorías de agrupamiento se definen por el tipo de proceso, características activas o pasivas, tipo de adaptación y la escala del mecanismo. El diseño puede volverse muy complejo al tratar de combinarlos, pero dos procesos con diferentes escalas pueden complementarse mutuamente.

Como resultado para bloquear radiación UV, el proceso principal es absorción la cual puede ser considerado un mecanismo pasivo mediante filamentos o cera absorbentes; para capturar la luz natural, la reflexión es más común la cual se considera un mecanismo pasivo que depende de las formas estructurales; para bloquear la luz solar directa, la forma del cactus es un buen ejemplo y para la transmisión de luz, simular las estructuras de la luciérnaga es la mejor opción (Tabla 2).

TABLA II. MATRIZ DE ANÁLISIS DE PINÁCULOS

C. Delinear el concepto del diseño Mediante la matriz de diseño (Fig. 8) se puede visualizar

las características dominantes posibles a s er integradas, pero ésta muestra múltiples caminos a s eguir, los cuales serán seleccionados a criterio del investigador. En este caso los pináculos escogidos muestran mecanismos pasivos provenientes de diferente adaptación y a diferentes escalas.

Fig. 8. Matriz de diseño para iluminación

Así se generan dos tipos de diseño, diseños morfológicos que pueden ser fácilmente integrados en arquitectura y los diseños fisiológicos los cuales están relacionados a la nanotecnología por su escala pero no excluidos de su aplicación.

D. Morfo diseño 1 Este diseño está inspirado en el pez Dolichopteryx

Longpipes, en esta estructura la luz solar será reflejada en el panel que proveerá luz difusa hacia el interior de la habitación. La característica principal es la curvatura que simula la estructura dentro del ojo del pez (Fig. 9). La Fig. 10 muestra la dispersión de luz esperada en diferentes momentos del año.

Fig. 9. Reflexión de luz en diferentes ángulos en la estructura ocular del

Dolichopteryx Longpipes [22]

a)

b)

c)

Fig. 10. Diseño morfo 1 en diferentes posiciones del sol en el año a) Solsticio de verano b) Equinoccios c) Solsticio de invierno

E. Morfo diseño 2 Aquí se replica la forma del espejo celular del

Dolichopteryx Longpipes donde el panel curvo se posiciona horizontalmente para que la luz sea reflejada a panales secundarios que transmitan la luz difusa a la habitación (Fig. 11).

a)

b)

c) Fig. 11. Diseño morfo 2 en diferentes posiciones del sol en el año a) Solsticio

de verano b) Equinoccios c) Solsticio de invierno

F. Morfo diseño 3 El diseño replica el mecanismo de recoger la luz como las

estructuras interiores de una esponja, así tiene la ventaja de obtener luz desde diferentes direcciones durante el día. Este diseño consiste en dos aberturas orientas al norte y al sur con un máximo de inclinación de 25° desde el axis vertical, estas dos aberturas se unen en una pequeña bóveda de luz la cual provee de luz difusa a l a habitación (Fig. 12). Se realizaron algunas modificaciones a este diseño, como se muestra en la Fig. 13, la dispersión de luz en diferentes condiciones para este diseño.

Fig. 12. Morfo diseño 3 replicando la estructura interior de la esponja

a)

b)

c)

Fig. 13. Diseño morfo 3 en diferentes posiciones del sol en el año a) Solsticio de verano b) Equinoccios c) Solsticio de invierno

G. Concepto del fisiodiseño De acuerdo a la matriz de diseño, el concepto del

fisiodiseño consiste en la aplicación de un material que puede cumplir una determinada función, y depende de esta función como puede ser integrado a un edificio, la Fig. 14 muestra los lugares donde las nano estructuras encontradas en las luciérnagas y en los filamentos del Edelweiss bracts son integradas al morfo diseño 3 para cumplir los objetivos dispuestos, bloquear la radiación UV y favorecer a la transmisión de luz.

Fig. 14. Fisiodiseño integrando nanoestructuras al morfo diseño 3 a) material

transmisor de luz encontrado en las luciérnagas [14] y b) nanoestructuras filtrantes de radiación UV de los filamentos del Edelweiss bracts[20].

VII. SIMULACIÓN Y RESULTADOS

Existen varios tipos de software que realizan simulaciones lumínicas, en esta investigación se han utilizado Design Buider software [8] y Dialux software [9], estos programas permiten la simulación en diferentes condiciones del cielo y trabajan con la posición geográfica, la distribución lumínica en el cielo propiedades de los materiales etc. [12].

Los niveles de iluminancia de los tres morfo diseños fueron simulados en Design Builder, cuatro condiciones del cielo fueron consideradas: cielo abierto en los dos solsticios y un equinoccio, y en cielo nublado, en la siguientes figuras se muestran los resultados, las áreas coloreadas corresponden a niveles de luz mayor a los 300 lux necesarias para el confort visual en sitios educativos (Fig. 15, 16 y 17).

Fig. 15. Iluminancia mayor a 300 lux en morfo diseño 1 a) cielo nublado, y a cielo abierto b) solsticio de Verano c) Equinoccio d) solsticio de Invierno[8]

Fig. 16. Iluminancia mayor a 300 lux en morfo diseño 2 a) cielo nublado, y a cielo abierto b) solsticio de Verano c) Equinoccio d) solsticio de Invierno [8]

Fig. 17. Iluminancia mayor a 300 lux en morfo diseño 3 a) cielo nublado, y a cielo abierto b) solsticio de Verano c) Equinoccio d) solsticio de Invierno [8]

Por lo visto en las anteriores figuras, los morfo diseños cumplen su función en las condiciones de cielo abierto en los equinoccios cuando el sol se encuentra en su punto más alto, pero en las demás condiciones se observan deficiencias notables, que indican que la iluminancia que proveen estas estructuras no es suficiente para los objetivos planteados.

A. Fase de innovación Debido a los resultados poco satisfactorios, un último

diseño ha sido desarrollado el cual es una combinación de características de los morfo diseños 2 y 3 con el objetivo de incrementar los niveles de iluminación y la uniformidad en la habitación.

La innovación da una gran contribución al pensamiento creativo y a la formación de nuevas ideas; para el diseño morfo combinado se ha añadido una base triangular que bloquea la luz directa del sol, reflejándola hacia otras superficies y se ha creado una nueva bóveda secundaria de luz, de esta manera, mayor cantidad de luz difusa puede llegar a la habitación (Fig. 18).

a)

b)

c)

Fig. 18. Diseño morfo combinado en diferentes posiciones del sol en el año a) Solsticio de verano b) Equinoccios c) Solsticio de invierno

Con los resultados de la simulación (Fig. 19) (ver Tabla 3), se confirma que el diseño combinado tiene un alto desempeño comparando con los anteriores, el área con suficiente iluminación alcanza entre el 82 y 100%, muestra buenos factores de luz diurna entre 4 y 5% aunque no alcanza totalmente los valores recomendados de uniformidad de 0,7 de acuerdo al Department for Education and Skills (2003); este diseño está considerado como el diseño final ya que conforma la integración de funciones biomiméticas. La simulación de este diseño con DIALUX software ha confirmado los valores aceptables de iluminancia obtenidos (Fig. 20).

TABLA III. RESULTADOS EN DIFERENTES CONDICIONES PARA EL DISEÑO MORFO COMBINADO [8]

Área con iluminancia

mayor a 300 lux (%)

Factor de luz diurna promedio

(%)

Ratio de uniformidad (Min/ Prom)

Nublado 100 5,31 0,36

Abi

erto

jun-21 85,2 5,48 0,22

sep-21 100 4,19 0,36

dec-21 82,38 4,94 0,26

Fig. 19. Iluminancia mayor a 300 lux en morfo diseño combinado a) cielo

nublado, y a cielo abierto b) solsticio de Verano c) Equinoccio d) solsticio de Invierno[8]

Fig. 20. Iluminancia en morfo diseño combinado en DIALUX sofware a) cielo nublado, y a cielo abierto b) solsticio de Verano c) Equinoccio d) solsticio de

Invierno [9]

VIII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La metodología BioGen tiene una gran ventaja al sugerir una serie de pasos pero da al investigador la libertad de complementar los procedimientos con sus propias ideas, por lo cual el resultado final depende de una conjunción entre la metodología y la experiencia del investigador.

No existe una sola vía para entender o interpretar como actúan las funciones de la naturaleza, estas siempre estarán sujetas al conocimiento y experiencia del investigador, por lo que al replicar los mecanismos naturales pueden surgir nuevas modificaciones para alcanzar los objetivos en el diseño.

El proceso de innovación no p uede quedar relegado, siempre habrá algo nuevo que probar, y mientras sucede, los resultados mejoran; sin embargo es necesario pensar si el diseño final aún mantiene su carácter biomimético. De acuerdo a los principios biomiméticos de Antony et al. (2014), tal vez el diseño morfo combinado pierde su característica biomimética ya que no existe ningún precedente biológico en las características finales del diseño; pero para autores como Bogatyrev and Bogatyreva (2014), la biomimética tiene la capacidad de ser adaptada y desarrollada con otras ideas por lo tanto el morfo diseño combinado si podría ser caracterizado como un diseño biomimético.

Los resultados de la simulación en el morfo diseño combinado son aceptables, mediante esta investigación se ha probado que este diseño tiene la capacidad de proveer niveles de iluminancia aceptables y puede ser modificado e fases posteriores.

Esta investigación tuvo el interés en enfocarse en la creación de diseños biomiméticos y durante este proceso se ha encontrado que el desarrollo del estudio de nanoestructuras y su aplicación en materiales de construcción será un factor clave para incentivar a la construcción sustentable.

AGRADECIMIENTOS

Esta investigación fue posible gracias al apoyo de Welsh School of Architecture en Cardiff University, por la provisión de material bibliográfico y adquisición de licencias de software. Un agradecimiento personal hacia el Dr. Don Alexander (Cardiff University) y la Dra. Eleni Ampatzi (C ardiff University) quienes contribuyeron con sus comentarios al cumplimiento de los objetivos de esta investigación.

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Andrés Fernández Yánez.- Nació en Quito, Ecuador en 1985. R ecibió su título de Ingeniero Ambiental de la Universidad Politécnica Nacional del Ecuador en 2010; y de Master en Diseño Ambiental de Edificaciones en Cardiff University en 2015. Sus campos de investigación y aplicación están relacionados con la sustentabilidad y

eficiencia energética en industrias y procesos productivos.

Evaluación del Comportamiento de Motores Otto y Diésel con el Uso de Biocombustibles en la Ciudad

de Quito

Ángel Adalberto Portilla Aguilar, María Gabriela Campuzano Páez Facultad de Ingeniería Mecánica

Escuela Politécnica Nacional (EPN) Quito, Ecuador

[email protected], [email protected]

Resumen: El impacto ambiental producido por el uso de

combustibles fósiles en los motores de combustión interna en las ciudades de altura promueve el estudio del comportamiento de estos motores con biocombustibles. Este estudio realiza la evaluación del comportamiento considerando las emisiones contaminantes y las prestaciones mecánicas que se determinan en base a la potencia, torque y consumo de combustible del motor. Se ejecutan pruebas estáticas, dinámicas y en ruta para motor de ciclo diésel y Otto. Para el motor Diésel se determinan la opacidad de los gases mediante prueba estática y dinámica (Lug Down), y el material particulado PM2.5, utilizando diésel puro, biodiesel puro (B100) y diésel con 10% de biodiesel (B10). Para el motor Otto se determinan los factores de emisión en (gr/km) de CO2, CO, HC y NOx utilizando gasolina como combustible puro y gasolina con 5%, 10%, 15% y 20% de alcohol anhidro como combustible de aporte. Los resultados obtenidos indican una reducción de emisiones de material particulado con el uso de biodiesel y un incremento en los NOx con el uso de etanol.

Palabras clave: motor de combustión interna, biocombustibles líquidos, emisiones contaminantes, potencia, consumo de combustible.

Abstract: The impact of burning fossil fuels in internal

combustion engines promotes the study of biofuels for engines. This study evaluates de performance considering emissions and mechanical parameters which are determined from power, torque and fuel consumption. Static, dynamic and road tests are performed for diesel and Otto engines. For diesel engine, smoke opacity and particle matter FM 2.5 are determined for static and dynamic (Lug Down) conditions using pure diesel, pure biodiesel (B100) and diesel with 10% of biodiesel (B10). For Otto engine emission factors are determined (gr/km) for CO2, CO, HC and NOx using pure gasoline and gasoline with 5%, 10%, 15% and 20% of anhydrous alcohol. The results show a particle matter reduction using biodiesel and NOx increase using ethanol

Key words: internal combustion engine, liquid biofuels,

emissions, power, fuel consumption

I. INTRODUCCIÓN

Los esfuerzos encaminados a reducir el impacto ambiental de los vehículos que utilizan motores de combustión interna como fuente de energía han considerado varios aspectos, como son el diseño de los motores orientado a la disminución de las pérdidas mecánicas y térmicas dentro del mismo, la optimización de los procesos de combustión y el postratamiento de los gases producto de la combustión, la recuperación de la energía con la utilización de frenos regenerativos, el cambio de fuente de energía como el hidrógeno y la electricidad, así como también el uso de los biocombustibles. La mayoría de estudios de uso de biocombustibles muestran resultados de investigaciones hechas a nivel del mar [1,2] y no para ciudades de altura como es el caso de Quito que se encuentra a 2800 msnm. El objetivo de este trabajo es evaluar el comportamiento de los motores de combustión interna con biocombustibles en Quito, empleando para el motor Otto alcohol anhidro (como combustible de aporte) y para el motor diésel biodiesel de palma.

II. METODOLOGÍA

Para el estudio se emplean dos tipos de biocombustibles producidos localmente, biodiesel a base de aceite de palma para el motor ciclo diésel y bioetanol a base de caña de azúcar para el ciclo Otto. Se compara el comportamiento del combustible fósil con biocombustible puro y diferentes niveles de mezcla.

Para el motor diésel se utiliza una camioneta Toyota

Hilux del año 1998 con una cilindrada de 2,8 litros con inyección de combustible mecánica empleado diésel puro, biodiésel puro (B100) y diésel con 10% de biodiesel (B10). Se realizan pruebas estáticas y dinámicas para determinar la influencia en el torque, potencia, consumo

de combustible, opacidad y material particulado. Se utiliza un dinamómetro de chasis LPS 3000, opacímetro, medidores de flujo, medidor de material particulado PM 2.5. La medición de la opacidad en la prueba estática se realiza con el método de aceleración libre de acuerdo a la norma INEN 2202 “Gestión Ambiental. Aire. Vehículos Automotores. Determinación de la Opacidad de Emisiones de Escape de Motores de Diésel mediante la Prueba Estática”. La prueba dinámica permite evaluar el desempeño del motor en base a las normas DIN 70020, CEE 80/1269, ISO 1585, JIS D-1001 y SAE J-1349 y la opacidad de los gases mediante la prueba Lug Down.

Figura 1. Dinamómetro de chasis MAHA LPS 3000

Figura 2. Opacímetro MAHA MDO2 LON

Figura 3. Medidor de material particulado MAHA MPM 4

Para el motor de ciclo Otto se emplea un automóvil

Chevrolet Aveo del año 2011 de cilindrada de 1,6 litros con inyección electrónica utilizando gasolina pura y mezclas de gasolina con 5% (E5), 10% (E10), 15% (E15) y 20% (20) de alcohol anhidro como combustible de aporte. Se realizan pruebas estáticas y dinámicas para determinar las prestaciones mecánicas del motor junto con las concentraciones de emisiones contaminantes que incluyen dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), hidrocarburos no combustionados (HC) asi como el factor lambda (λ). Se emplean un dinamómetro de chases ASM, analizador de gases fijo y on board y flujómetros. La medición de la concentración de gases contaminantes se realiza bajo el método descrito en la norma INEN 2203:99 “Gestión Ambiental. Aire. Vehículos Automotores. Determinación de la Concentración de Emisiones de Escape en Condiciones de Marcha Mínima o Ralentí Prueba Estática”.

Figura 4. Rodillos del banco de pruebas ASM

Figura 5. Analizado de Gases Maha MGT5

III. COMBUSTIBLES EMPLEADOS

Las mezclas de combustibles son realizadas considerando porcentaje en volumen de cada uno de los combustibles. A continuación se presentan las propiedades del diésel (Tabla 1) y biodiésel (Tabla 2) empleados.

Tabla 1. Especificaciones del diésel Premium

Tabla 2. Especificaciones del biodiésel de palma

Las propiedades de los combustibles empleados para

motor ciclo Otto se muestran en la tabla 3.

Tabla 3. Especificaciones de la gasolina pura y mezclas con etanol

IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN PARA MOTOR CICLO DIESEL

Una vez realizadas las pruebas estáticas y dinámicas se presentan los siguientes resultados para el uso de biodiesel considerando las condiciones climáticas de la ciudad de Quito y el estado actual del vehículo de prueba sin modificación alguna a sus sistemas principales.

Figura 6. Curvas de potencia normal vs rpm para diésel,

B10 y biodiesel puro

Las pruebas de torque y potencia (Figs. 6, 7, 8 y 9) indican que existe una ligera disminución en estos parámetros al emplear mayores de biodiesel, registrándose reducciones de alrededor del 2.2% en la potencia y 5.1% en el torque para B10 y 2.5% y 5.3% respectivamente para biodiesel puro mientras que existe un incremento en el consumo de combustible (Fig. 10) del 4.7% para B10 y 32.1% para B100 [3]. Este comportamiento está relacionado con el menor poder calórico que tiene el biodiesel frente al diésel.

Figura 7. Potencias máximas para diferentes combustibles

Figura 8. Curvas de torque normal vs rpm para diésel, B10

y biodiesel puro

Figura 9. Torque normal máximo para distintos

combustibles

Figura 10. Consumo de combustible para diferentes

combustibles Mientras mayor es la concentración de biodiesel se

presenta menores valores de opacidad en los gases de combustión (Fig. 11) registrándose reducciones (método aceleración libre, estática) de 10.9% para B10 y 51.1% para B100. Para la prueba dinámica de opacidad (Fig. 12) se obtienen reducciones de 63.1% para B10 y 67.7% para B100 [3]. Evaluando el material particulado PM2.5 (Fig. 13), mediante un ciclo urbano se registran reducciones de 5% para B10 y 36% para B100 [3]. Tanto la reducción de opacidad como del material particulado están directamente

relacionadas con el menor valor de azufre que contiene el biodiesel.

Figura 11. Opacidad en aceleración libre para diésel, B10

y biodiesel puro

Figura 12. Opacidad en prueba dinámica para diésel, B10

y biodiesel puro

Figura 13. Reducción de la concentración promedio de

material particulado para B10 y biodiesel puro

V. RESULTADOS Y DISCUSIÓN PARA

MOTOR CICLO OTTO

Las pruebas realizadas en el vehículo AVEO de

gasolina con inyección electrónica de combustible para las condiciones de Quito presentan los siguientes resultados.

En forma general, las prestaciones del vehículo (Fig. 14, 15 y Tabla 4) muestran una disminución del torque y potencia conforme aumenta la concentración de etanol. El consumo de combustible (Fig. 16) se incrementa con respecto a la línea base (gasolina extra) a medida que se adiciona alcohol anhidro en la mezcla, por ejemplo para el E15 se presenta un aumento del 29%, todo esto debido a la disminución del poder calórico del combustible.

Figura 14. Curvas de potencia normal para distintos

combustibles

Figura 15. Curvas de momento normal para distintos

combustibles

Tabla 4. Porcentaje de variación de la potencia y momento normal respecto a la gasolina pura

Figura 16. Rendimiento de combustible (km/galón)

para distintos combustibles

Para el factor de emisión del CO (Fig. 17) se presenta

un ligero incremento a medida que aumenta la cantidad de alcohol anhidro añadida a la gasolina [4]. Los factores de emisión de los HC (Fig. 18) son inestables para cada composición, no presentando una tendencia definida. Los factores de NOx (Fig. 19) se incrementan conforme aumenta la concentración de alcohol anhidro atribuyéndose a la presencia de mayor concentración de oxígeno en la cámara de combustión (mezcla pobre), lo cual genera un aumento de temperatura con la consecuente formación de NOx [4].

Figura 17. Factores de emisión de CO para distintos

combustibles

Figura 18. Factores de emisión de HC para distintos

combustibles

Figura 19. Factores de emisión de NOx para distintos

combustibles

IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los resultados obtenidos de la evaluación de los dos

vehículos en condiciones normales de funcionamiento en la ciudad de Quito, permiten concluir que:

• La utilización del biodiesel en los motores de ciclo

diésel permitiría disminuir las emisiones de material particulado PM2.5 (fino), así como el particulado grueso (opacidad) presente en los gases de combustión ofreciendo una oportunidad de resolver uno de los mayores problemas que se tiene en las emisiones contaminantes de las fuentes

móviles diésel que funcionan en Quito. • Con la utilización de alcohol anhidro en los

motores de ciclo Otto se aprecia un incremento en las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) lo que favorece en la formación de ozono troposférico.

• Se recomienda que se tomen en cuenta los resultados de estas pruebas para el uso de biocombustibles líquidos en Quito considerando los distintos beneficios y posibles problemas.

• Se recomienda establecer un límite máximo de NOx para el uso de alcohol anhidro en base a la concentración empleada.

AGRADECIMIENTOS

Se reconoce la participación en esta investigación de los

siguientes ingenieros: Diego Rafael Freire Romero, Javier Alexander Loza Rojas, Byron Orlando Loachamín Guacollante, Carlos Omar Mosquera Briceño.

Se agradece al Centro de Transferencia Tecnológica para la Capacitación e Investigación en Control de Emisiones Vehiculares (CCICEV) de la Escuela Politécnica Nacional por el equipamiento y personal facilitado para este estudio.

REFERENCIAS

[1] S. L. Cheah, “Analysis of engine performance using palm oil methyl ester,”. Tesis Ingeniería, University of Southern Queensland, Queensland, Australia, 2004.

[2] M.Christensen, S. Hearle, L. Norrgard, D. Schwart, “Biodiesel engine testing,” Economic Development Studies, University of British Columbia, Canadá, 2005.

[3] B. Loachamín, C. Mosquera. “Evaluación de las emisiones y el comportamiento de un vehículo utilizando biodiesel de palma como combustible,” Tesis Ingeniería, Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador, 2010.

[4] D. Freire, J. Loza, “Comportamiento de un motor a gasolina utilizando alcohol anhidro como combustible de aporte,” Tesis Ingeniería, Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador, 2013.

Regeneración por gasificación del coque del catalizador Ni/La2O3-αAl2O3 desactivado en el

reformado con vapor de etanol Carolina Montero

Facultad de Ingeniería Química. Universidad Central del Ecuador.

Quito-Ecuador E-mail: [email protected]

Javier Bilbao, Ana Gayubo Departamento de Ingeniería Química.

Universidad del País Vasco. Leioa- España

Resumen—Estudio de la gasificación como alternativa para eliminación del coque depositado sobre un catalizador Ni/La2O3-αAl2O3 utilizado en el proceso de obtención de hidrógeno por medio del proceso de Reformado con Vapor de Etanol. El coque producto de la presencia de reacciones secundarias en el proceso desactiva el catalizador generando una disminución en el rendimiento de hidrógeno. La gasificación se realizó en un intervalo de 500 a 650 ºC, hasta verificar la ausencia de productos de esta reacción, principalmente CO y CO2. Tras la realización de la gasificación, se verificó la eficacia del proceso efectuando una reacción de reformado, con la cual se verificó que existe recuperación de la actividad sin embargo la gasificación no es una estrategia eficaz para la completa regeneración del catalizador.

Palabras claves— E T A N O L ; R E F O R M A D O C O N V A P O R ; G A S I F I C A C I Ó N ; C O Q U E ; D E S A C T I V A C I Ó N

I. INTRODUCCIÓN

La Biorefinería agrupa las diferentes iniciativas de desarrollo tecnológico para obtención de combustibles líquidos y gaseosos, así como materias primas para petroquímica a partir de biomasa, en la cual el H2 desempeña un papel crucial como combustible limpio y como reactante.

Para la obtención de H2 el interés se ha centrado en el reformado con vapor (steam reforming, SR) de oxigenados derivados de la biomasa entre los que destaca el bio-etanol debido a l as crecientes perspectivas de su obtención como biocombustible de segunda generación a partir de biomasa lignocelulósica favorecido por el rápido desarrollo tecnológico de la hidrólisis enzimática [1].

El reformado con vapor de etanol (SRE) es un p roceso endotérmico, cuya estequiometría es:

C2H6O + 3H2O → 2CO2 + 6H2 (1)

Se han estudiado gran variedad de catalizadores basados en diferentes metales, entre los cuales el Ní presenta buenas perspectivas debido a su elevada actividad, alta capacidad para la ruptura de enlaces C-C y un costo relativamente bajo [2]. Sin embargo, los catalizadores de Ni tienen una fuerte tendencia a

promover reacciones de formación de coque conjuntamente con la reacción principal de reformado [3].

El Ni soportado en αAl2O3 modificada con La2O3, ha demostrado una alta estabilidad e n reacciones de muy larga duración (200 h). Operando por debajo de 700 ºC, la única causa de la desactivación del catalizador Ni/La2O3-αAl2O3 es la deposición de coque [4], el cual es de naturaleza fibrilar (no desactivante) y/o amorfa (encapsulante y desactivante) dependiendo de las condiciones de reformado.

La combustión es una estrategia efectiva de regeneración de este catalizador, lo que permite llevar a cab o de forma reproducible el proceso en ciclos de reacción-regeneración, cuando la regeneración se realiza mediante combustión con aire a 550 ºC durante 2 h [4].

Se ha propuesto la gasificación del coque con vapor de agua (Ec.2) como alternativa para la etapa de regeneración de los catalizadores de Ni desactivados en otros procesos de reformado [5,6].

C + H2O → CO + H2 (2)

Por lo cual en este trabajo se ha estudiando la gasificación del coque in situ en el reactor de reformado, con el objetivo de comprobar si la gasificación es también eficaz para la completa regeneración del catalizador Ni/La2O3-αAl2O3.

II. EXPERIMENTAL

El catalizador (10 %p de Ni y 9 %p de La2O3) se ha preparado por impregnación a humedad incipiente y se ha calcinado a 550 ºC [7]. Previamente a cada reacción se reduce in situ a 700 ºC durante 2 h en corriente de 10% H2 (v/v) en He.

Los experimentos se han realizado en un equipo Microactivity Reference con un reactor de lecho fluidizado, conectado en línea con un Micro-GC Agilent 3000, provisto de cuatro canales cromatográficos para el análisis de productos.

Las condiciones de reformado han sido: 500 ºC, relación vapor/etanol=3, tiempo espacial= 0.09 gcatalizadorh/gEtOH, presión parcial de etanol=0.08 bar y tiempo de reacción de 7 h.

Tras la reacción, se ha realizado la gasificación in situ utilizando caudales de 0.1 ml/min de agua y 30 ml (CN)/min de He, y una secuencia de temperatura con escalones sucesivos a 500-550-600-650 ºC, de duración variable a cada temperatura, hasta conseguir la ausencia total de los posibles productos de la gasificación (CO, CO2 e H2) en la corriente de gases de salida.

III. RESULTADOS

Los resultados muestran la presencia únicamente de H2O, CO2 e H2 en la corriente de productos. La ausencia de CO indica que la transformación del CO por la reacción WGS es instantánea (Figura 2), dado el exceso de agua en el medio, de modo que la reacción resultante de la gasificación viene dada por la Ec. (3).

C + 2 H2O → CO2 + 2H2 (3)

A 500 ºC se gasifica una cierta fracción del coque y al aumentar la temperatura hasta 550 ºC se logra gasificar una fracción adicional. Con el aumento de la temperatura de gasificación hasta 600 ºC la cantidad adicional de coque gasificada es casi insignificante, siendo necesario aumentar la temperatura a 650 ºC para que continúe gasificándose el resto del coque.

Los perfiles de oxidación a temperatura programada (TPO) correspondientes al coque depositado, indican que éste es mayoritariamente de tipo fibrilar (pico de combustión mayoritario a 550 ºC) con una pequeña fracción del coque de diferente naturaleza, que quema antes. Este último se corresponde a la fracción de coque que es más fácilmente gasificable (en el intervalo 500-500 ºC). Sin embargo, se requiere una elevada temperatura (650 ºC) para la gasificación del coque fibrilar, que como se ha indicado necesita elevada temperatura (por encima de 550 ºC) para su combustión.

Figura 1. Evolución de la fracción molar (base húmeda) de productos de la gasificación del coque depositado en el catalizador Ni/La2O3-αAl2O3.

Figura 2. Reacciones en la gasificación del coque.

Para verificar si la eliminación del coque por gasificación es eficaz para lograr la total regeneración del catalizador, se procedió a r ealizar una segunda etapa de reacción, en las mismas condiciones de reformado. Los resultados de las dos etapas de reacción, se muestran en la Figura 3. El catalizador regenerado es nuevamente activo, y tiene una tendencia de evolución con el tiempo de los índices de reacción similar a la obtenida en el primer ciclo de reacción, aunque se observa una ligera disminución en la conversión y rendimiento de H2 a tiempo cero respecto de los valores iniciales con el catalizador fresco. Esta pequeña pérdida de actividad podría ser debida a que permanece un cierto contenido de coque residual, que no ha podido ser eliminado por gasificación, dado que no es probable que haya tenido lugar la sinterización del Ni en las condiciones de gasificación utilizadas, puesto que los ensayos de larga duración (200 h) a 650 ºC y con una elevada relación S/E mostraron que no tiene lugar la sinterización apreciable del metal.

Cabe indicar que el aumento de temperatura para lograr la total gasificación del coque no es una estrategia recomendable, dado que una mayor temperatura de gasificación sí podría conducir a una apreciable pérdida de actividad irreversible del catalizador por sinterización del Ni.

Figura 3. Reacción de reformado con el catalizador

Ni/La2O3-αAl2O3 fresco (símbolos huecos) y regenerado mediante gasificación (símbolos rellenos).

0.4

0.6

0.8

1

0

0.05

0.1

0.15

0 90 180 270

xH2Oxi

tiempo, min

H2CO2COH2O

500 ºC

550 ºC

600 ºC

650 ºC

C+H2O→ CO + H2

+H2O → CO2 + H2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 1 2 3 4 5 6 7

XEtOH, RH2

tiempo, h

XEtOH RH2 CatalizadorNi/La2O3-αAl2O3 regenerado por gasif icaciónNi/La2O3-αAl2O3

IV. CONCLUSIONES

La gasificación del coque puede ser considerada como una alternativa a los procesos de regeneración por combustión de coque, dado que permite recuperar una gran parte de la pérdida de actividad originada por la deposición de coque en el proceso SRE con catalizador Ni/La2O3-αAl2O3, pero no es una estrategia eficaz para la completa regeneración del catalizador.

Así, una gasificación a 650 ºC no permite la recuperación total de la actividad del catalizador, dado que permanece un pequeño contenido de coque residual que requiere mayor temperatura de gasificación, a la cual se originaría probablemente sinterización del Ni.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo ha sido realizado con el financiamiento de la Secretaría Nacional de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación de Ecuador-SENESCYT (20110560) y e l Ministerio de Ciencia y Tecnología del Gobierno de España (CTQ2012-35263).

REFERENCIAS

[1] V. Menon, M. Rao, “Trends in bioconversion of lignocellulose: Biofuels, platform chemicals & biorefinery concept”, Progr Energ Comb Sci., vol. 38, no. 4, 8, pp. 522-550, 2012.

[2] A.G. Gayubo, J. Vicente, J. Ereña, C. Montero, M. Olazar, J. Bilbao, “Comparison of Ni and Co catalysts for ethanol steam reforming in a fluidized bed reactor”, Catal Letters, vol. 144, no. 7, pp. 1134-1143, 2014.

[3] J. Vicente, C. Montero, J. Ereña, M.J. Azkoiti, J. Bilbao, A.G. Gayubo, “Coke deactivation of Ni and Co catalysts in ethanol steam reforming at mild temperatures in a fluidized bed reactor”, Int J Hydrogen Energy, vol. 39, no. 24, pp. 12586-12596, 2014.

[4] C. Montero. “Condiciones de proceso y modelado cinético del reformado con vapor de etanol sobre catalizador Ni/La2O3-αAl2O3”, Universidad del Pais Vasco, Tesis Doctoral, 2015

[5] F. Alenazey, C.G. Cooper, C.B. Dave, S.S.E.H. Elnashaie, A.A. Susu, A.A. Adesina, “Coke removal from deactivated Co–Ni steam reforming catalyst using different gasifying agents: An analysis of the gas–solid reaction kinetics”, Catal Commun, vol. 10, no. 4, pp. 406-411, 2009.

[6] X. Chen, E. Yik, J. Butler, J.W. Schwank, “Gasification characteristics of carbon species derived from model reforming compound over Ni/Ce–Zr–O catalysts”, Catal. Today, vol. 233, pp. 14-20, 2014.

[7] B. Valle, B. Aramburu, A. Remiro, J. Bilbao, A.G. Gayubo, “Effect of calcination/reduction conditions of Ni/La2O3–αAl2O3 catalyst on its activity and stability for hydrogen production by steam reforming of raw bio-oil/etanol”, Appl Catal B: Environ, vol. 147, pp. 402-410, 2014.

Metodología TERA (Techno-economic Environmental and Risk assessment) como

herramienta para, modelar, evaluar y optimizar sistemas energéticos y de propulsión

César Ayabaca, Luis Tipanluisa, Salvatore Reina, Luis Chicaiza, Esteban Valencia Departamento de Ingeniería Mecánica Escuela Politécnica Nacional, EPN

Quito, Ecuador [email protected] [email protected] [email protected]

[email protected] [email protected] .

Resumen—Una respuesta a las variaciones en el precio del petróleo y a las normativas ambientales , conlleva a que los investigadores de s istemas energéticos propongan alternativas más eficientes y amigables al medio ambiente. La metodología TERA (Techno-economic Enviromental and Risk Analysis) permite evaluar, optimizar y comparar de forma sistemática el desempeño y los riesgos de diversos ciclos energéticos y de propulsión. Esta técnica está basada en modelos detallados de funcionamiento de los equipos que componen los s istemas de energéticos, unido a s imuladores económicos, ambientales y modelos que describen las condiciones en las cuales opera el s istema. TERA es un concepto que esencialmente es una herramienta de optimización multidisciplinaria, que puede cuantificar los riesgos, así como comparar técnica económicamente y ambientalmente de manera formal y consistente.

El presente artículo inicia con una recopilación

bibliográfica de la metodología TERA, en el campo de la aviación, transporte marítimo, centrales de generación, además presenta la propuesta para futuros modelos basados esta metodología , en aplicaciones actuales como son los s istemas aéreos no tripulados UAV en los sectores prioritarios considerados dentro del Plan Nacional del Buen vivir, como son medicina, vigilancia, agricultura.

Palabras claves—TERA; selección de equipos; ciclos

innovadores. – evaluación de sistemas energéticos

I. I NTRODUCCION

En los últimos, años, a nivel mundial las organizaciones

han impulsado diferentes esfuerzos e iniciativas para reglamentar las emisiones gaseosas al ambiente, así como incentivar a la población y a las industrias para que reduzcan el uso de combustibles fósiles.

Patrocinadores de este artículo: Escuela Politécnica Nacional – Proyectos de Investigación.

En ese sentido organizaciones han puesto en marcha diferentes tipos de programas y políticas , como por ejemplo en Europa el Emission Trading Scheme (ETS) que obliga las empresas emisoras de CO2 a comercializar bonos de emisiones, para industrias consideradas como fuentes fijas y también a los servicios de trasporte aéreo. En los Estado Unidos se tiene el programa de nominado Acid Rain Program (ARP).En el Ecuador la obtención de bonos de carbono, por la generación de proyectos innovadores, permitirán que el país obtenga bonos de carbono de la ONU; cada bono de carbono denominado certificado de reducción de emisiones equivale a una tonelada de dióxido de carbono ( CO2), que no se emite a la atmosfera. [1].

Los ciclos innovadores y sistemas energéticos, son más sofisticados que los tradicionales, por lo que se debe evaluar desde el punto de vista del costo de compra, del mantenimiento y operación a lo cual se incorpora los criterios del mantenimiento de clase mundial como es la fiabilidad y la disponibilidad.

El departamento de Power and Propulsion de Cranfield University tiene desde sus inicios un grupo especializado en el modelado de turbinas de gas y anexos que trabaja con sistemas energéticos y de propulsión. Esto incluye trabajos sobe plantas de generación aero –derivativas, uso de gases sintéticos en plantas de generación, degradación y diagnóstico, mitigación del impacto ambiental y aplicaciones de turbinas de gas entre otros [1].

La evaluación (TERA) es un concepto que fue concebido en la Universidad de Cranfield UK y es esencialmente una herramienta de optimización multidisciplinaria, que puede cuantificar los riesgos, así como comparar técnica económicamente y ambientalmente de manera formal y consistente. La técnica se basa en representaciones termodinámicas detalladas con otros modelos apropiados. [2]

Por ejemplo, la herramienta de TERA para la aviación civil integra modelos de rendimiento del motor con los modelos de diseño mecánico y aerodinámico, modelos de predicción del peso del motor, el diseño de aeronaves y modelos de rendimiento, modelos de costos de producción de potencia, modelos de economía y modelos de emisiones de gases y de ruido.[2]. Los resultados de un análisis TERA pueden dar un marco de referencia a inversores investigadores, legisladores y otros agentes para evaluar las inversiones necesarias para alcanzar un menor impacto ambiental, un mayor beneficio económico y unos mercados energéticos y de transporte más eficientes[1].

II. E STRUCTURA TERA PARA LA AVIACION

En la figura 1 se muestra el diagrama del TERA para la

aviación, el cual permite evaluar motores para esta aplicación. Está compuesto por módulos que interactúan de tal manera que lee uno o varios archivos con parámetros de entrada, simula un aspecto del sistema y describe uno o varios archivos de salida.

Fig. 1. Diagrama de módulos TERA para aviación [1]

El sistema optimizador tiene las funciones de alimentar a

los módulos con los parámetros de entrada correspondientes al diseño que se desea evaluar, ejecutar las simulaciones en el orden necesario y almacenar y procesar la información de salida. El flujo de información se describe en las flechas (entradas, salidas). La secuencia de ejecución de los archivos, debe ser en un orden particular, ya que la salida de unos es el ingreso de otros. La optimización tiene la función de alimentar a los módulos con parámetros de entrada correspondiente al diseño que se requiere evaluar[1]. Engine performance model: es el primer módulo en ser

ejecutado; aquí se lee tres archivos de entrada que definen: la configuración del motor (motor turbofan, Turbohélice, Turbofan con intercooler y recuperador de calor, etc.). Diseño particular a ser evaluado: relación de compresión, velocidad de giro, eficiencia de componentes en punto de diseño, etc. La misión a cubrir, sus características, etc.

Engine dimensions model: es el siguiente modulo a ser ejecutado es el que diseña los elementos claves del motor para luego calcular el peso, las dimensiones exteriores, el costo de adquisición y los elementos necesarios para evaluar el mantenimiento del motor.

Engine weight model: Con esta información se escribe los archivos necesarios para calcular las dimensiones y masa del motor, la performance del avión en la misión, las emisiones gaseosas y acústicas y el costo de operación del equipo.

Aircraft model: (módulo de la aeronave) calcula el funcionamiento del motor a lo largo de toda la misión y describe la información necesaria para los módulos de emisiones gaseosas y de costos.

Emissions model: (módulo de emisiones gaseosas) calcula los gases emitidos a lo largo de la misión y el modulo atmosférico estima el impacto ambiental de la misión.

Noise model: (módulo acústico) es ejecutado para calcular el ruido producido en los puntos de certificación.

Engine maintenance cost model: (módulo de costos de mantenimiento del motor) Finalmente el módulo de costos calcula el costo de compra, operación y mantenimiento

El corazón del TERA es una descripción termodinámica detallada de la turbina de gas que permite simular el funcionamiento en condiciones de diseño, fuera de diseño, transitorios y condiciones degradadas [3].

En este sentido en la universidad de Cranfield, se ha desarrollado:

TURBOMATCH: software de simulación modular en el que se puede definir un ciclo de potencia en base a sus componentes y características. Permite simular virtualmente cualquier ciclo de potencia, ya sea componentes contenidos en sus librerías o unidos a módulos que describan componentes novedosos (elementos finitos).

HERMES: Modelo de rendimiento de aeronave POSEIDON: Modelo de rendimiento de embarcación. Están basados en la dinámica de los vehículos en el medio

que se mueven y tienen la capacidad de evaluar diferentes trayectorias en diversas condiciones atmosféricas transportando distintas cargas [1].

III. R ENDIMIENTO Y SIMULACION DE TURBINAS DE GAS

INDUSTRIALES

Gayraud [4] fue uno de los primeros en la Universidad de

Cranfield para estudiar la evaluación tecnoeconómica y selección de las turbinas de gas industriales En estos años, los ingenieros han alcanzado un mayor incremento en la eficiencia y rendimiento de los turbinas a gas, y simultáneamente los operadores se han preocupado con maximizar la eficiencia operacional y la duración de los periodos entre los cuales se debe retirar la unidad del servicio para darle el mantenimiento necesario. Aún quedan sin embargo un número importante de problemas como son el rendimiento de la turbina de gas cuando se encuentra fuera de las condiciones de diseño y la degradación del rendimiento considerando el tiempo de servicio.

La degradación del rendimiento es usualmente debido a las condiciones de operación del día a día de la turbina de gas. El modelado de la turbina de gas y su operación son consideradas para proveer información útil que ayuda con la decisión de hacer y mejorar la operación, en la selección de la turbina y en la operación después de que ha sido instalada [3].

Mohamed W. [3] en su tesis doctoral, desarrollada en la universidad de Cranfield, utiliza TERA para una planta de Generación, en donde indica que el modelado del rendimiento de la turbina de gas es usualmente proporcionado por los parámetros del ciclo termodinámico de las turbinas en los puntos fuera de diseño en la cual está operando. Para simular el rendimiento de la turbina de gas en los puntos fuera de diseño uso TURBOMATCH, en donde:

Primero los archivos de entrada fueron construidos para la turbina de prueba y su rendimiento fue obtenido en los puntos de diseño.

El segundo paso fue obtener el rendimiento de fuera de los puntos de diseño para cada una de las turbinas de estudio. Esto determino el inicio del proyecto ya que estas variables fueron usadas para determinar las condiciones en puntos fuera del diseño para la turbina de gas, así como también como: la presión ambiente, la temperatura de entrada de la turbina y la temperatura ambiente, entre otras.

Adicionalmente utiliza modelos que permitan calcular: Mecanismo de Falla Común en la sección caliente de

turbina de gas: fatiga; Alta temperatura de corrosión / oxidación; deformación progresiva y la competencia entre los mecanismo que se dañen.

Comprensión de fluencia. Métodos paramétricos para calcular el tiempo de falla,

pudiendo utilizar el método del parámetro Larson Miller (LMP).

Selección de parámetros: predicción del tiempo de vida del material

Evaluación de la vida estimada de la deformación: enfoque de diseño, enfoque basado en servicio, enfoque estadístico / probabilístico.

Evaluación Económica de plantas de generación con turbinas de gas: como son el método de Evaluación Económica, Tasa de descuento del flujo de caja, método de devolución, retorno de la inversión, requerimientos mínimos de ingresos, valor presente neto, tasa de descuento, coste de la electricidad, coste normalizado de la energía eléctrica.

Impacto ambiental de las Emisiones industriales: emisiones de carbono y óxido de nitrógeno y las soluciones actuales como son la inyección de agua, tipo de combustible métodos para modelar emisiones por medio de CFD y el mapeo de emisiones por medio de correlaciones empíricas.

Revisión del método de Optimización: entre el más importante y reconocido de ellos está la simulación Monte Carlo (MCSA), además de otras técnicas escolásticas de optimización son los Algoritmos Genéticos (GA), el Tabu search (TS) y las Estrategias Evolucionadas (ES) como los métodos híbridos.

IV. ESTRUCTURA TERA PARA PLANTAS DE GENERACION CON

TURBINAS DE GAS

En el desarrollo de esta estructura, Mohamed W. [3] la

fundamenta en sub modelos de simulación usados para evaluar varios aspectos del diseño de la turbina de gas y el desempeño, al igual que el impacto económico. La herramienta de optimización TERA/GA es la que permite la selección y operación de una turbina de gas industrial para ofrecer la potencia demandada a un mínimo costo está basado en cinco sub modelos:

1) Rendimiento de la turbina de gas. 2) Tiempo de vida del alabe deformado en la sección

caliente – Creep. 3) Emisiones de la Turbina de Gas. 4) Rentabilidad de la Turbina de Gas. 5) Algoritmos Genéticos (GA) y Optimización. Los cinco sub modelos cuando son integrados forman el

TERA, y pueden ser usados para evaluación del rendimiento de la generación de potencia por medio de la turbina de gas. El modelo es vinculado al optimizador de algoritmos genéticos GA, los cuales pueden presentar resultados obtenidos de cada módulo separadamente antes de presentar resultados en el modelo integrado del TERA, como se muestra en la figura 2.

Fig. 2. Arquitectura TERA y GA [3]

A. TERA para generación de energía

Un grupo de subrutinas simples generadas en FORTRAN fueron integradas con el software TURBOMACH para determinar el rendimiento del motor, aspectos económicos y de vida a diferentes condiciones de operación [3]. La figura 3, muestra la estructura lógica del código que se utiliza.

Fig. 3. Arquitectura TERA [3]

B. Modelando el rendimiento de la turbina de gas

Con el uso de TURBOMATCH los parámetros de rendimiento de la turbina de gas que se esté investigando, puede ser predecida para condiciones de diseño y para un rango de condiciones de no diseño, que pueden estar experimentadas bajo condiciones de operación [3].

El paso inicial fue construir un archivo de entrada y obtener el rendimiento en las condiciones de diseño que se esté investigando. El siguiente paso fue obtener el rendimiento en condiciones de no diseño, para condiciones específicas dependiendo el caso de estudio. Algunas de estas condiciones pueden ser la Temperatura ambiente, temperatura de entrada a la turbina, la presión ambiental entre otras.

La simulación del rendimiento termodinámico investiga la funcionalidad del manejador de la Turbina de gas en detalle, basados en los requerimientos de cada turbina. Presión, temperatura y otros parámetros termodinámicos son calculados para cada etapa (compresor, combustión y turbina) del motor, como se muestra en la figura 4.

Fig. 4. Esquema del módulo de rendimiento [3]

C. Modelo de vida del alabe (lifing).

El Creep se refiere a la deformación permanente de un material bajo la influencia de esfuerzo debajo del límite de elasticidad normal del material. La modelación y los estudios asumen que la los alabes de la turbina de alta presión pueden ser usadas para representar el tiempo de vida de la turbina de gas. Los estudios pueden estar enfocados a que el Creep es el mayor modo de falla y no cubre las interacciones entre los diferentes modos. Usando modelos basados en física que incluyen esfuerzos mecánicos y térmicos, análisis fueron llevados a cabo en los alabes de la turbina de alta presión . Los datos del modelo de rendimiento fueron usados como datos de entrada en el los submodelos de cálculo de vida. El parámetro de Larson-Miller (LMP) fue usado para calcular el tiempo remanente de vida del alabe deformado y los resultados son presentados como el factor de Creep, como se muestra en la figura 5.

Fig. 5. Modelo de evaluación del Creep [3]

El modelo de esfuerzos: si bien hay diferentes fuentes para esfuerzos en los alabes de las turbinas, se considera que solo el esfuerzo directo centrifugo el cual aparece por la masa del alabe. Para el cálculo del tiempo de deformación Creep, los esfuerzos centrífugos fueron evaluados en la base raíz del alabe.

El modelo termal: calcula la temperatura del alabe en la primera etapa de la turbina de alta presión. El modelo calcula la temperatura del metal del alabe (Tb) y como cambia con condiciones de operación, el modelo es continuamente actualizado y la nueva temperatura del material del alabe es obtenida, en la figura 6 se muestra la tecnología de enfriamiento para alabes de turbinas.

El modelo de deformación de alabes Creep: se calcula por medio del parámetro de Larson-Miller LMP, y dependerá de la temperatura del material de la constante C, y nos permitirá obtener el tiempo de falla.

Fig. 6. Tecnología de enfriamiento en los alabes de turbina [11]

D. Modelo Económico.

Para calcular el costo de la electricidad, estos estudios han considerado los principales factores como son los costos de capital, impuestos sobre las emisiones y costos de mantenimiento y otros principales factores que son función del tiempo o año como las condiciones ambientales y el precio del combustible. Se considera al Valor presente Neto y el costo nivelado de electricidad como los factores más importante para evaluar el valor del proyecto.

TURBOMACH fue usado para simular el comportamiento termodinámico de la Turbina de Gas en las condiciones del punto de diseño y fuera de ellos. Este comportamiento está relacionado con el modelo de vida de los alabes, la siguiente figura 7, muestra el modelo de evaluación de la planta de generación que se creó para calcular el costo de electricidad [3].

Fig. 7. Módulo de evaluación económico de la planta de generación [3] E. Modelo de emisión de gases de la turbina de gas.

Se decidió cambiar el modelo teórico original de emisiones

usado en la aviación por uno que era más semi-empririco en su fundamento nos lo por que era un método más simple, pero podría estimar mejor la geometría y el arreglo de la cámara de combustión [3].

Entradas grupo 1: volumen de la cámara de combustión, volumen primario de la zona de evaporación del combustible, tiempo de permanencia, fracción de la zona primaria ocupada por el aire, eficiencia de la combustión, modo de combustión, tipo de combustible, altitud, número de cámaras de combustión, cambio entre los tipos de entradas de aéreo e industrial en la cámara de combustión.

Entradas grupo 2: (Parámetros termodinámicos de los resultados de rendimiento) temperatura a la salida del compresor, temperatura de llama, presión antes y después de la cámara de combustión, tasa de flujo másico, flujo de combustible.

Entradas grupo 3: No es una entrada, más bien es una correlación basada en el conocimiento de las características de la cámara de combustión. El conocimiento de estas características es mapeada como una ecuación empírica en EXCEL y luego esta ecuación es convertida en FORTRAN y en hard-coded. Cada tipo de motor tiene su propia correlación empírica.

Procedimiento general del modelo de emisiones. En la figura 8 se muestra el esquema de la estructura del

modelo de emisiones, para el cual el procedimiento se desarrollaría siguiendo los siguientes pasos:

1. La geometría más simple de la cámara de combustión

se utiliza y esto, junto con el tipo de combustible y tiempo de residencia, la eficiencia de combustión y la información de zona primaria son insumos para la entrada grupo 1.

2. La salida del módulo de rendimiento proporciona información relativa a las condiciones de funcionamiento, estos son los insumos para la entrada al grupo 2 e incluyen temperaturas, presiones, flujo de combustible y el flujo de masa del núcleo.

3. La temperatura de llama adiabática (AFT) se estima que el rendimiento de parámetros termodinámicos: T3, P3, la entalpía del combustible y la proporción de aire en la zona primaria.

4. Los índices de emisiones se estimaron a partir de flujo del núcleo de masa, volumen de la cámara de combustión, AFT, y las presiones que, entran en la turbina (P3).

5. Para un determinado tipo de cámara de combustión de los coeficientes de los índices de las ecuaciones de emisiones se revisan para adaptarse a las tendencias conocidas.

6. Las correlaciones son entonces codificados (hard-coded) como entradas al grupo 3.

7. Las emisiones de CO2 se basan en relaciones estequiometrias, mientras que las emisiones de NOx, CO y UHC se calculan sobre la base de correlaciones conocidas.

Fig. 8. Esquema de la estructura del modelo de emisiones [3] F. Método de optimización: Integración GA y TERA.

Un entorno optimización automatizada ha sido desarrollado para proporcionar una interacción continua entre el código de optimización GA y TERA módulos actuando como un solucionador externa como se ilustra en la figura 9 [3].

El código del algoritmo genético GA comienza inicializando aleatoriamente la primera población de individuos de las variables especificadas figuran en el archivo de entrada. En el presente estudio las variables son las condiciones de funcionamiento de cada motor se define en este caso por la temperatura de entrada a la turbina TET. Cada variable será entonces codifica con una cadena de caracteres de longitud fija compuesta de 0s y 1s. Los parámetros de control para esta función ya se encuentran en el archivo de entrada.

Fig. 9. TERA y optimización de arquitectura [3]

Las variables seleccionadas al azar junto con los ajustes necesarios serán proporcionados al solucionador externo (TERA) el que llamará automáticamente a partir del código de GA. La salida del análisis TURBOMACH será redirigido de nuevo al código GA para servir como una evaluación física de cada variable seleccionada en la población. Estos estarán en una forma de la función objetivo y de las restricciones.

La rutina GA creará una nueva población de individuos codificados (TET), utilizando los operadores de cruce y

mutación en base a un esquema de selección dado. La probabilidad de selección de cada variable generada

dependerá de su evaluación física (función objetivo; coste de la electricidad) y limitaciones (demanda de energía).

Iterativamente el código GA llevará a cabo estas operaciones en la población de las cuerdas hasta que el criterio de terminación se ha cumplido. G. Implementación de la metodología.

Uno de los principales objetivos del proyecto era desarrollar e integrar los métodos de análisis, diseño y optimización. Por lo tanto uno de los objetivos del sistema de diseño automatizado era permitir la aplicación de métodos de optimización de la metodología de funcionamiento de una planta de energía. Por consiguiente, el formato se basó en la idea de vincular un algoritmo de optimización (GA), un modelo de TERA y un conjunto de rutinas de interpolación resultados del código rendimiento GT (TurboMatch). Esta vinculación es necesaria porque uno de los resultados del modelo de TERA es que el evaluador optimizador se utiliza para calcular la aptitud de cada individuo (variable). Además, los parámetros de rendimiento resultantes de TurboMatch se utilizan como insumos para la rutina de TERA. Debe haber una interacción continua automatizada entre el optimizador y otros componentes del sistema de optimización. La representación esquemática de la operación se representa en la figura 10.

Fig.10. Ejemplo de implementación de la metodología [3]

Se obtiene Comunicación de los principales componentes del

proceso de optimización a través de una rutina de FORTRAN, que se llama desde el optimizador GA. El proceso se inicia llamando a la rutina de la demanda de energía que se creó para evaluar qué combinaciones de motores de las turbinas de gas que permitan obtener la carga requerida. Se itera a través de cada combinación de motores para calcular la potencia total disponible de cada combinación (por ejemplo, para 5 motores, cada uno puede estar encendido o apagado, dando 31 combinaciones viables (la combinación donde los 5 motores están apagados obviamente irrelevante). El método de selección

se basa en satisfacer la demanda potencia requerida inicialmente especificada por el usuario. Por lo tanto todas las posibles combinaciones que producen energía adecuada se toman a través del proceso de optimización.

El código de algoritmo Genético GA seleccionará aleatoriamente la Temperatura de entrada a la turbina TET para cada motor dentro de su combinación. Entonces la rutina TERA está llamada a calcular el costo de la electricidad para cada combinación. La rutina de TERA se ha modelado para permitir la especificación de entrada de cada motor que ser apagado si no hay necesidad de ejecutar la planta de energía (cinco motores) a plena capacidad y, en tal caso, para devolver un solo valor basado en el precio de la parada, en lugar de gastos de funcionamiento calculada.

Los resultados de la salida del modelo de TERA son entonces direccionados a volver al código de algoritmo genético GA. Estos incluyen el costo total de electricidad junto con la potencia de salida que servirá como entrada a la subrutina evaluador en el optimizador GA que devolverá la función objetivo que satisface las restricciones necesarias (demanda de potencia).

Después de calcular los valores óptimos de coste de la electricidad para todas las combinaciones de los motores de funcionamiento que proporcionan energía suficiente, el código GA seleccionará la combinación que produce el coste óptimo de electricidad a volver a ejecutar y presentar el resultado final de mínimo coste de la electricidad. H. Proceso de Optimización.

Primero leer el archivo de entrada (demanda de energía) y

después las iteraciones a través de las combinaciones de posibilidades utilizando una variable de control del bucle:

a) Girando la variable de bucle (1-31) en un número binario y el tratamiento de cada dígito como un motor encendido o apagado, todas las combinaciones posibles se comprueban por ejemplo, 29 = 11.101 significa 1,2,3,5 motor y el motor apagado 4 o 12 = 01100 significa motor 2, 3 encendido y 1, 4, 5 apagado. Este método hace que sea fácil definir todas las combinaciones posibles en un solo bucle.

b) Entonces iterar utilizando variable de control del bucle para los motores de 1-5 para producir la secuencia de impresión mostrando si cada motor está encendido o apagado.

c) Calcula la máxima potencia posible de la combinación actual de motores (por ejemplo, para la variable de bucle 12, la potencia máxima es igual a la potencia máxima del motor 2 más la potencia máxima del motor 3). Utiliza bucle (1-5 para cada motor) y se suma a la ejecución total de la variable PWRTEST si el motor está encendido.

d) Compruebe si la máxima potencia es mayor que la potencia requerida. Si no almacena el resultado como un valor mayor, salta hasta el final del bucle (ya que esta combinación no funcionará). Luego llame al TERA

TERA interpola los valores de una tabla de una librería 3D creada a partir del modelo de rendimiento para alimentar al modelo económico, lifing y los modelos de emisiones contenidos en el TERA. Cada uno de estos modelos requiere entradas adicionales son suministradas desde un archivo de entrada para cada modelo.

Cuando TERA es llamado. TERA calcula el costo de

mantenimiento, el costo del combustible, y el costo de las emisiones para cada motor y luego calcular el costo de la electricidad, que es la función objetivo que el algoritmo genérico GA está minimizando.

TERA era originalmente un programa separado que también se ha incorporado a la subrutina. Una vez más, para reducir al mínimo los cambios de codificación la subrutina TERA continúa escribiendo un archivo de salida que se lee a continuación, dentro de la subrutina función objetivo para obtener los costos de electricidad.

La función objetivo (func) usada para calcular el costo total de la electricidad mediante la suma de los costos para cada motor que se encuentren encendidos y también incluyen un costo de parada para cada motor que está apagado. Una función de penalización es aplica entonces y los resultados del valor fina suministrado por la función objetivo (func) regresa de nuevo al programa de algoritmos genéticos GA para minimizar.

Llama programa de algoritmos genéticos para esta combinación, el cual satisface la potencia necesaria como se mencionó anteriormente, (el algoritmo genético GA ha sido re-escrita como una subrutina) y almacena la función objetivo calculada. Bucles del 1 a 31, nuevamente usan lasos de control de variables.

Compara funciones objetivo para cada combinación y encuentra la función objetivo más pequeña. Ignorando combinaciones que podrían tener asignadas valores muy grande por lo que nunca se tomaran en cuenta (esta es una revisión separada que al menos una combinación produzca suficiente energía)

Vuelva a correr el algoritmo genético GA para la combinación más eficaz de los motores. Esta corrida asegura que los archivos de salida contienen la corrida más eficiente. Debido a que el algoritmo genético GA fue originalmente un programa separado cada corrida dentro del 31 crea archivos de salida que se sobrescriben a los anteriores.

Es más fácil codificar para que simplemente volver a ejecutar el algoritmo genético GA de nuevo al final para obtener la salida correcta. Para evitar que requeriría mayor reescritura del GA para almacenar todos los datos de cada corrida y entonces sólo de la corrida correcta. Si bien este cambio podría resultar en un programa más eficiente es el mayor componente de y no considero un buen uso del tiempo. Cada ejecución GA es bastante corto por lo que el tiempo adicional para una corrida 32 no es significativo.

IV. T RABAJOS FUTUROS: TERA PAR UAVS

Del estado del arte revisado, se puede establecer que la

metodología TERA se encuentra desarrollada para varias aplicaciones y ciclos termodinámicos, existiendo una amplia bibliografía con casos de aplicación, en el campo de la aviación, transporte marino y generación. Es en este sentido que se ha planteado desarrollar bajo el criterio de la metodología TERA una aplicación para vehículos aéreos no tripulados (UAV).

Adicionalmente para mitigar las diferentes problemáticas como: control de tráfico en fronteras, cultivos y pesca ilegales, se utilizan satélites o personal operativo, lo cual resulta sumamente costoso y representa un alto riesgo para quienes deben laborar allí.

Además, cuando existen situaciones de emergencia en zonas de desastre y de difícil acceso; o en algunos en casos, eventos donde cada minuto es crucial para salvar una vida, tales como infartos cardíacos o embolias vasculares, los

primeros auxilios pueden demorar mucho tiempo y significar la pérdida de vidas humanas. [5]

En cifras la aplicación de drones, implicaría beneficios en el margen de 82000 millones de dólares para un mercado global en Estados Unidos dentro de un periodo de 10 años, al cual se suman más de 34000 trabajos de manufactura y 70000 nuevos trabajos en los primeros 3 años de la integración dentro de la NAS (National Airspace System), teniendo en cuenta que un 79% de drones serán usados para la agricultura. [6]

De aquí se puede inferir que para un país como Ecuador, donde el campo agrícola represente un alto porcentaje del producto interno bruto, la aplicación de esta tecnología será de vital importancia. Las mencionadas utilidades se deben a que el uso de drones (UAV’s), en éstos campos integran ventajas sumamente competitivas tales como: mayor flexibilidad, control más oportuno, suma precisión, acceso rápido y reducción de costes en personal; en comparación con las tecnologías más costosas como la satelital.

[7]. Sin embargo para tener independencia tecnológica y mejorar el sector productivo del país es importante que se comience a desarrollar dispositivos aéreos no tripulados con tecnología y experticia ecuatorianos [8].

Algunos de los estudios que se requieren dentro de esta línea de investigación y que se están formulándose en proyectos relacionados con el presente proyecto son [9] [10]:

i) Estudio tecno-económico y de riesgos para analizar la factibilidad económica y tecnológica de desarrollar estos sistemas en el país,

ii) Sistemas de control, basados en inteligencia artificial o sistemas de automatización convencionales,

iii) Sistemas de propulsión iv) Fuselaje e integración aerodinámica, v) Sistemas de producción de energía y almacenamiento, vi) Políticas ambientales y regulaciones aéreas para

drones. En el proyecto de investigación que se encuentra planteado

en la EPN se espera desarrollar, el análisis TERA para UAV, considerando, la interacción de los siguientes modulo.

a) Módulo de Performance del motor. b) Módulo de Mantenimiento y Falla. c) Módulo de Emisiones. d) Módulo Económico. e) Algoritmos de optimización. También hay que considerar que se está generando la

legislación correspondiente para el uso de UAV en Ecuador. EL proyecto busca desarrollar la metodología TERA para aplicaciones en UAV, para actividades de vigilancia, agricultura y salud.

Se debe considerar también los tipos de UAV que se han desarrollado y las recomendaciones para cada aplicación.

V. C ONCLUSIONES

La metodología TERA, combina los criterios técnicos, de

diseño, operación, mantenimiento y permite realizar una evaluación para la selección de quipos o para la operación de los mismos en condiciones de diseño o fuera de ellas, y cuantificar las respuestas bajo estas condiciones.

El acoplamiento de los modelos de performance (rendimiento de la turbina de gas.), tiempo de vida del alabe

deformado en la sección caliente- Creep (para el caso de turbinas a gas), emisiones de la turbina de gas, rentabilidad de la turbina de gas, los Algoritmos Genéticos (GA) y la optimización, permite tener resultados que permiten evaluar desde el punto de vista de la inversión, de la investigación o de la legislación para un menor impacto ambiental.

La metodología TERA, permitiría evaluar ciclos termodinámicos innovadores, por medio de la cual se puede evaluar técnica, económica y ambientalmente

AGRADECIMIENTOS Un especial agradecimiento a la universidad de Cranfield y a

todo el grupo de investigadores que a través del departamento de Energía y propulsión, ha desarrollado varios proyectos y trabajos de investigación con relación al TERA, en el cual se basa el presente artículo, y que se espera sea la base para futuros trabajos de investigación.

Los autores agradecen el financiamiento otorgado por la Escuela Politécnica Nacional, para la realización del proyecto PIJ 11-15 ¨Desarrollo de la Metodología TERA (Techno-economic Environmental and Risk Analysis) en sistemas aéreos no tripulados con aplicación en los sectores de la medicina, vigilancia y agricultura¨, ya que este artículo se lo ha realizado con el objetivo de realizar una revisión del estado del arte, dentro de esta investigación.

REFERENCIAS [1] P. Bellocq, P. Pillidis, V. Sethi, “TERA: Una metodología multidisciplinar

para evaluación optimización de sistemas energéticos y de propulsión. Memoria de Trabajos de Difusión científica y técnica, núm. 7, 88-98 (2009) ISSN 1510-7450.

[2] D. Nalianda, “Impact of environmental Taxation Polices on civil aviation – a Techno-Economic Environmental Risk Assessment” PhD Thesis, School of Engineering, Cranfield University, 2012.

[3] W. Mohamed, “Techno-Economic, Environmental and Risk Analysis (TERA) for power Generation” PhD Thesis, School of Engineering, Cranfield University, 2013.

[4] S. Gayraud, “Technical and Economical Assessment for industrial gas turbine selection”, MSc Thesis, School of Engineering, Cranfield University, 1996.

[5] M. Blanks, “Unmanned Aircraft Systems, UAS in agriculture”, (pp. 25-30,36,50). Kansas State University, 2014

[6] AUVSI, “The Economic Impact of Unmanned Aircraft Systems Integration in the United States”. pp.2, 2013.

[7] E. Valencia, V.H. Hidalgo, A. Aguinaga, E. Cando, M. Caldera, “Estudio de tecnologías innovadoras para sistemas de propulsión en aeronaves”, 2014.

[8] E. Valencia, D. Nalianda, P. Laskaridis, R. Singh, “Methodology to assess the performance of an aircraft concept with distributed propulsion and boundary layer ingestion using a parametric approach”, UK, 2014.

[9] E. Valencia, C. Lyu, P. Laskaridis, R. Singh, “An alternative configuration for distributed propulsion with boundary layer ingestion on a hybrid wing body airframe”, 2013.

[10] E. Valencia, P. Laskaridis, et al., “Review of the Investigation of Innovative Propulsion System Architectures for Aircraft”, Revista Politecnica, Vol. 35, 2015.

[11] Koff, B. L (2003), Gas Tutbine Tecnology Evolution-A Designer’s Perspective, 14-17 July, Dayton Ohio, 2013.

Caracterización Geoquímica e Hidrogeológica para el Aprovechamiento Geotérmico en la Provincia de

Chimborazo

Danilo Ibarra; Danilo Asimbaya (Autores) Coordinación General Técnica

INER Quito, Ecuador

[email protected]; [email protected]

Rodrigo Vaca (Autor) Gerencia de Operaciones

EPMAPS Quito, Ecuador

[email protected]

Benito Mendoza (Autor) Facultad de Ingeniería

Universidad Nacional de Chimborazo Riobamba, Ecuador

[email protected]

Gabriela Jimbo (Autor) Ingeniería en Geología

Universidad de Guayaquil Guayaquil, Ecuador

[email protected]

Resumen— El recurso geotérmico a nivel mundial es utilizado en balneología, industria, calefacción y generación de electricidad, sin embargo, en Ecuador este recurso solo se aprovecha en balneología (5.16 MWt) El propósito de este trabajo es presentar una línea base de los recursos geotérmicos en la provincia de Chimborazo a través de la caracterización de los fluidos termominerales, para lo cual se usaron técnicas de exploración geológica, geoquímica e hidrogeológica. El área de estudio involucra parte de las provincias de Chimborazo y Tungurahua entre 1°16´S - 1°50´S, dentro del cinturón volcánico cuaternario del norte de la cordillera de los Andes. El análisis químico de las aguas termominerales muestra concentraciones elevadas en bicarbonato, sulfato y cloruro, mientras el análisis isotópico de deuterio (δ2H) y oxígeno (δ18O) indica un origen meteórico y zonas de recarga que están entre 3 700 y 5 900 ms nm. Estas características permitieron identificar 2 zonas de interés: Cununyacu (NO del volcán Chimborazo) y Guayllabamba (SO del volcán El Altar) con temperaturas en profundidad que oscilan entre 77 y 107 °C, óptimas para desarrollar proyectos agroindustriales y turísticos.

Palabras claves—Geoquímica, Hidrogeología, Geología, Geotermia, Chimborazo.

I. INTRODUCCIÓN

La ubicación del Ecuador dentro del Círculo de Fuego del Pacífico, y su relación con los procesos de subducción, donde la Placa de Nazca desciende bajo la Placa Sudamericana, incide para que la fuerte actividad magmática y elevados flujos térmicos, generados en la corteza terrestre, permitan que las aguas subterráneas que circulan a g randes profundidades, adquieran un grado geotérmico alto que, en superficie se manifiestan por surgencias de aguas calientes, ligadas especialmente a rocas volcánicas continentales de edad Pliocuaternaria, así como depósitos glaciares, fluvioglaciares y aluviales del Cuaternario, asociados a un contexto estructural caracterizado por lineamientos y fallas activas [16].

La geotermia es el calor natural que puede ser extraído del interior de la Tierra y aprovechado para usos prácticos en la superficie. En Ecuador, su aprovechamiento todavía está restringido al uso directo en piscinas (5.16 MWt y 102.4 TJ / utilización anual), sin embargo, las políticas gubernamentales tienen como objetivo desarrollar los recursos energéticos

renovables, incluyendo la hidráulica, eólica, solar, biomasa y geotérmica [9].

El área de estudio se encuentra en el cinturón cuaternario del norte de la Cordillera de los Andes, entre los volcanes Chimborazo, Carihuairazo, Tungurahua y El Altar 1°16´S y 1°50´S (Fig. 1). Las surgencias aparecen en el valle que divide las Cordilleras Occidental y Real (valle interandino) y hacia los flancos de las mismas.

Fig. 1. Localización de Zona Geotérmica entre los Volcanes Chimborazo, Carihuairazo, Tungurahua y Altar

Geológicamente presenta una variada distinción litológica. Rocas sedimentarias, ígneas y metamórficas con edades que van desde el Jurásico hasta el reciente se encuentran distribuidas en ambas cordilleras y hacia la cuenca de Riobamba.

La presencia de vertientes termales y un recurso hídrico subterráneo importante motivaron el desarrollo del presente trabajó, el cual sirve para proponer los posibles usos del recurso geotérmico.

mailto:[email protected]








II. METODOLOGÍA

Esta investigación se realizó en dos etapas, la primera consistió en buscar, revisar y analizar los estudios geotérmicos ejecutados en Ecuador, así como estudios en geología, geoquímica e hidrogeología para complementar la información sobre geotermia. La segunda etapa fue trabajo de campo para verificar la existencia de escorrentía superficial (manantiales termales y fríos), además, la presencia de pozos, fallas y fracturas descritas en la bibliografía, al mismo tiempo se recolectaron nuevas muestras de agua para análisis químico.

La descripción geológica de la zona de estudio se realizó a partir de la información recolectada de: mapa geológico 1:100 000 de Riobamba elaborado por [4], información de pozos descritos en [8] y la cartografía geológica desarrollada por [6]; la fotointerpretación de Modelos Digitales de Elevación (MDE ± 3 m) en conjunto con la campaña geológica.

Para geoquímica se recolectaron 24 muestras de agua usando la metodología descrita por [1]. In situ se determinó pH, temperatura y conductividad eléctrica. El análisis se dividió en 8 muestras para componentes mayores, sílice e isótopos estables (δ2H y δ18O); y 16 muestras para análisis de aniones.

Los datos nuevos y antiguos se interpretaron usando QGIS, Surfer, Diagrammes y SPREADSHEETS FOR GEOTHERMAL WATER AND GAS GEOCHEMISTRY [1].

III. RESULTADOS La zona de estudio presenta 3 áreas de interés bien

diferenciadas: Cununyacu, Guano - Los Elenes y Guayllabamba; las cuales se encuentran en dos unidades hidrogeológicas importantes: la unidad hidrogeológica Latacunga-Ambato y la unidad hidrogeológica Chimborazo-Altar.

La unidad Latacunga-Ambato se ubica en el callejón interandino, cubre la provincia de Tungurahua y parte de la provincia de Cotopaxi, con un área aproximada de 2 070 km2, esta unidad presenta rocas de origen fluvio lacustre y sedimentos de origen laharítico, dependiendo de su grado de permeabilidad conforman acuíferos locales de permeabilidad media.

La unidad Chimborazo-Altar tiene una extensión aproximada de 3 9 05 km2, es conocida como “Depresión Interandina” y está limitada por fallas longitudinales de dirección N-S. La cuenca se encuentra cubierta por sedimentos vulcanoclásticos del cuaternario, conformados por lavas, sedimentos volcánicos y laharíticos, que cubrieron s uperficies preexistentes. Los depósitos recientes: aluviales, coluviales, terrazas, cangahua, volcánicos y formaciones del pleistoceno son permeables por porosidad intergranular, que han originado acuíferos con una permeabilidad variable, generalmente baja.

Las formaciones volcánicas son depósitos permeables por fisuración, produciendo acuíferos locales o discontinuos de permeabilidad baja a media, dependiendo del grado de fracturamiento que estos presenten [18].

En el sector de Cununyacu se encontraron 2 ve rtientes termales y 2 vertientes frías que surgen a través de depósitos volcánicos del Chimborazo, estas se usan para balneología y consumo humano respectivamente. En Guayllabamba se identificaron 6 vertientes termales, 3 a lo largo del río Timbul y 3 en el balneario Aguallanchi; afloran a través de depósitos volcánicos del Altar que estos a s u vez cubren a r ocas metamórficas.

En el sector Guano-Los Elenes se identificaron 8 lagunas de uso ecológico, 40 pozos perforados, 2 pozos surgentes y más de 30 vertientes [21]. Los pozos operativos son administrados por la Empresa Pública Empresa Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Riobamba (EP EMAPAR), mientras que el agua de las vertientes se usa para balneología, consumo doméstico y riego; aparecen generalmente a través de sedimentos poco litificados de la cuenca de Riobamba. A. Área Cununyacu

Los manantiales termales en Cununyacu (Fig. 2) se encuentran al NNW del volcán Chimborazo, se interpreta esta zona como una salida de flujo de un sistema geotérmico bajo el edificio volcánico [2].

El basamento del volcán está conformado por rocas volcánicas máficas del cretáceo sobreyacidas por secuencias volcano-sedimentarias del Paleogeno-Neógeno Temprano y depósitos volcánicos del Mio-Plioceno.

Las vertientes termales aparecen en los depósitos aluviales del río Colorado y aparentemente la circulación se da en el contacto de los depósitos volcánicos del Chimborazo y los sedimentos de la Formación Zumbagua (edad miocénica). La vertiente de mayor temperatura es clorurada (Fig. 3), emerge a 47 °C, con 8.37 de pH y 4 300 µS/cm de conductividad eléctrica. Presenta burbujeo continuo no disperso.

La Fm. Zumbagua está conformada por depósitos volcanoclásticos de composición ácida a intermedia [19]. Depósitos masivos de flujos de ceniza y pómez de composición riolítica, color blancuzco, bien compactadas, matriz soportada, con una potencia de 50 m, son parte de los productos del Chimborazo basal (CH I) [3]; localmente los depósitos se encuentran fallados y frecuentemente fracturados con estructuras de tendencia NW-SE y buzamientos fuertes. Estos depósitos se encuentran cubiertos por elementos volcánicos del último período eruptivo del Chimborazo (CH III).

Fig. 2. Mapa Geológico de los manantiales en Cununyacu

Fig. 3. Contenidos relativos en Cl, SO4 y HCO3

Los manantiales residen dentro de la unidad hidrogeológica Latacunga-Ambato. Las formaciones de origen volcánico, hidrológicamente son rocas permeables por fisuración y fracturamiento, conforman acuíferos locales y discontinuos que se descargan a t ravés de los ejes de drenaje del Callejón Interandino por manantiales de alto rendimiento [18]. El acuífero superficial presente en la zona es parte de los Depósitos Glaciares.

B. Área Guano-Los Elenes

Está ubicado al N de la ciudad de Riobamba en el sector de Guano. Esta zona se caracteriza por el gran número de manantiales que aparecen a lo largo del río Guano.

Esta zona se caracteriza por el gran número de manantiales que aparecen a lo largo del río Guano. Las rocas más antiguas la conforman los productos volcánicos del Igualata. Se observa hacia el valle del poblado de Guano, los depósitos sedimentarios de la cuenca de Riobamba (indiferenciados), que son cubiertos por el depósito de avalancha de escombros y flujos lávicos del Chimborazo (Fig. 4).

Los manantiales aparecen únicamente a través de los sedimentos de la cuenca de Riobamba que presenta una serie de capas métricas a d ecimétricas de arenas finas a gruesas, deleznables a poco compactas, de colores grises a cr emas, frecuentemente bien clasificadas y con buzamientos leves; en ocasiones las capas están falladas y fracturadas con estructuras de tendencia N-S a NE-SW con buzamientos fuertes.

En la Fig. 3 se observa que la vertiente más representativa del área Guano-Los Elenes es sulfatada, emerge a 20.1 °C, con 7.50 de pH y 1 804 µS/cm de conductividad eléctrica; presenta burbujeo discontinuo no disperso. El resto de muestras emergen a través de la Avalancha de escombros del Chimborazo (CH I) con temperaturas entre 6.9 y 20.9 °C, pH entre 5 .80 y 9 .52 y conductividad eléctrica entre 334 y 2 310 µS/cm; las vertientes no presentan burbujeo. También se observa que en esta área existe dilución de los fluidos vapor calentados (formados a partir de la condensación de vapor que contiene H2S y HCl) con agua bicarbonatada.

La presencia de facetas triangulares en el valle del río Guano sugiere la presencia de una falla que representaría el camino principal para la surgencia de las vertientes en la zona de Guano y Los Elenes.

Fig. 4. Mapa Geológico de los manantiales en Los Elenes

Los manantiales son parte del acuífero del Chambo [8], el área del acuífero se caracteriza por presentar un relieve relativamente plano, en donde afloran los depósitos volcánicos del Chimborazo (DAE Chimborazo). C. Área Guayllabamba

Está ubicada al SE de la ciudad de Riobamba y el centro volcánico más cercano es El Altar además de los conos de escoria Calpi. Cinturones alongados de rocas metamórficas separadas por fallas regionales en dirección NNE-SSW de los terrenos Guamote y Alao del Jurásico conforman las rocas más antiguas del área de estudio y que a su vez son sobreyacidas por los productos volcánicos del Altar.

Las vertientes termales en el área aparecen en los depósitos aluviales del río Timbul. Lavas de El Altar forman farallones de hasta 20 m en la zona de recreación Aguallanchi; más hacia el oriente a través del río los productos volcánicos cubren a la subdivisión Peltetec y Maguazo del terreno Alao (Fig. 5). La muestra más representativa es bicarbonatada (Fig. 3), emerge a 37.6 °C con 6.34 de pH y 1 386 µS/cm de conductividad eléctrica; se observa burbujeo continuo disperso.

Los depósitos volcánicos al igual que las rocas metamórficas en el área de estudio se presentan masivos y su permeabilidad se restringen a zo nas de fractura. Múltiples deslizamientos a t ravés del río y la permeabilidad baja de los depósitos da a entender que las vertientes termales poseen un control estructural.

Fig. 5. Mapa Geológico de los manantiales en Guayllabamba

Fig. 6. a) SO4 vs Cl en Guano-Los Elenes y Guayllabamba

b) SO4 vs Cl en Cununyacu

Además, se observa que existe mezcla y dilución de los fluidos profundos, esto se evidencia al graficar SO4 en función de Cl. En Guano – Los Elenes se observan 3 tendencias de dilución, en Cununyacu 1 y Guayllabamba 1 (Fig. 6).

D. Isótopos

Los isótopos estables δ2H y δ18O permitieron determinar el origen del agua y su zona de recarga (Tabla 1), los resultados varían entre -83 y -107 ‰ V-SMOW para δ2H y entre -11.5 y 15.1 ‰ V-SMOW para δ18O. En la Fig. 7 se observa que todas muestras están próximas a l a Línea Meteórica Mundial (LMM), lo que indican un alto contenido de agua meteórica.

En la Fig. 8 se observa que las zonas de recarga están aproximadamente 1 000 m más arriba del sitio donde se recolectaron las muestras. Así las zonas de recarga son 5 100 msnm para C ununyacu, 3 700 msnm para Guayllabamba y entre 3 900 a 5 300 msnm para Guano – Los Elenes.

La Tabla 1 muestra los resultados para δ13C y δ14C. El isótopo estable δ13C ayudó a determinar el origen del agua, los resultados encontrados para l as especies de carbono inorgánico disuelto total (TDCI) y CO2 en Cununyacu, Guayllabamba y Guano–Los Elenes varían entre 2.7 y – 10.23 ‰ PDB, lo que sugiere un origen profundo para estos fluidos. Por otro lado, los resultados del isótopo radioactivo δ14C indican la existencia de aguas fósiles en Guano-Los Elenes, con edades entre 3 100 y 8 706 años.

TABLA I. RESULTADOS δ13C Y δ14C [13][15][21]

Muestra δ13C(TDIC) ‰ PDB

δ13CCO2 ‰ PDB

δ14C % pmc

Edad años

CU IG -2.70 GU IG -6.90 -10.19 RG IG -6.30 LE IG -5.50 LE UC -5.86 23.8 6 810 SP UC -5.48 17.7 8 706 L5 UC -8.98 31.6 8 000 YE UC -10.23 65.1 3 100

Fig. 7. δ2H vs δ18O

Fig. 8. Elevación vs δ2H

E. Geotermómetros y equilibrio multimineral Las temperaturas en profundidad fueron estimadas con

ayuda de geotermómetros catatónicos y de SiO2. Para distinguir aguas equilibradas, parcialmente equilibradas e inmaduras se usó el diagrama ternario Na-K-Mg. Existen 4 muestras duplicadas de Guano-Los Elenes y 1 m uestra de Cununyacu que también se usaron para la interpretación.

El diagrama ternario Na-K-Mg muestra en equilibrio parcial al agua de Cununyacu, mientras que las aguas de Guayllabamba y Guano–Los Elenes son inmaduras (Fig. 9).

En la Tabla 3 se observa que los rangos de temperaturas estimadas en profundidad van de 40 a 106 °C (Na-K-Ca y Na/K) en Cununyacu, de 33 a 382 °C (Na-K-Ca-Mg corregido y Na/K) en Guayllabamba y de 16 a 635 °C (Na-K-Ca-Mg corregido y Na/K) en Guano–Los Elenes.

Fig. 9. Evaluación de temperaturas Na-K-Mg

TABLA II. COMPOSICIÓN QUÍMICA E ISOTÓPICA DE VERTIENTES, RÍOS Y POZOS [13][16][21][22]

Muestra Procedencia Coordenadas T °C pH CE

µS/cm Ca

mg/L Mg

mg/L Na

mg/L K

mg/L HCO3 mg/L

CO3 mg/L

F mg/L

Cl mg/L

Br mg/L

SO4 mg/L

PO4 mg/L

NO3 mg/L

SiO2 mg/L

δ18O ‰ V-SMOW

δ2H ‰ V-SMOW Este Norte

CU IG Vertiente 737474 9851982 47.0 8.37 4 300 304.8 0.9 640.7 7.8 61.0 0 1289.0 5.51 265.6 -13.7 -104.0 CU IN Vertiente 737474 9851982 40.3 8.10 4 530 272.7 0.5 561.0 6.0 40.0 1300.0 379.0 0.28 62 V15 Vertiente 737474 9851982 42.7 8.48 4 770 0.1 1343.0 2.22 304.0 0.81 0.14 V16 Vertiente 737980 9851059 13.4 7.42 400 0.4 5.6 20.0 0.65 11.94 V24 Vertiente 739883 9849677 12.1 7.18 322 0.2 2.0 5.0 0.19 V25 Vertiente 737468 9852032 21.7 8.09 2 400

RG IG Río 772993 9801830 37.6 6.34 1 390 105.1 27.8 197.0 14.1 951.9 0.6 37.2 0.08 0.5 -11.9 -83.0 GU IG Vertiente 772983 9801830 8.6 5.69 83 6.936 3.8 5.5 2.4 67.1 0.1 0.4 1.0 -12.3 -84.0

V04 Vertiente 764516 9810141 18.4 7.51 744 33.1 22.1 >100.0 9.0 304.0 1.4 52.1 38.60 51.5 55 -11.7 -83.6 V17 Vertiente 773998 9802163 19.2 7.31 248 0.9 0.4 4.7 0.10 V18 Quebrada 773789 9801830 11.7 8.10 220 0.1 0.4 1.8 0.61 0.44 V19 Vertiente 773789 9801830 17.8 7.13 782 0.2 23.3 0.04 3.1 V20 Vertiente 772983 9801830 37.1 6.73 1 370 0.3 33.9 0.08 0.3 V23 Vertiente 772970 9801825 27.9 6.94 906 0.3 25.3 0.06 6.1 0.78 0.31

LE IG Vertiente 765912 9820911 20.1 7.50 1 804 86.5 120.7 186.0 10.6 439.4 1.7 24.8 720.9 -11.6 -88.0 LE IN Vertiente 765919 9820912 22.7 7.80 1 938 84.1 126.9 159.0 12.0 370.0 28.8 900.0 1.18 70 V13 Vertiente 765918 9820900 21.3 7.29 2 070 0.9 18.6 0.04 669.0 1.16 V14 Vertiente 765981 9821047 21.4 7.27 1 670 0.8 46.9 0.09 346.0 0.49 1.00 V06 Vertiente 766395 9820367 18.3 7.78 1 264 56.7 107.0 >100.0 7.0 678.0 0.8 61.9 66.00 119.0 75 -13.1 -93.6 V07 Vertiente 766650 9820076 19.3 7.50 1 290 52.4 111.0 >100.0 7.0 615.0 1.1 63.3 67.50 78 -13.1 -94.0 V02 Vertiente 739797 9831563 8.5 7.20 2 310 149.1 165.0 >100.0 17.0 1166.0 0.5 74.9 0.14 515.0 90 -14.7 -102.0 V03 Vertiente 740749 9832213 9.2 7.12 360 26.4 19.9 21.0 3.0 185.0 0.2 11.4 4.00 47.0 69 -15.1 -107.0 V05 Vertiente 748095 9810985 21.0 7.82 640 46.9 37.8 42.0 10.0 323.0 0.3 9.7 13.20 30.0 83 -12.8 -93.9 V08 Vertiente 753938 9827175 10.5 7.34 366 31.6 21.6 22.0 4.0 169.0 0.5 42.8 13.90 48.0 74 -14.1 -98.9 V09 Pozo 759003 9813510 20.9 8.29 1 680 93.1 63.1 >100.0 23.0 444.0 79.0 52.10 389.0 72 -11.8 -90.5 V12 Vertiente 762083 9822016 15.4 6.45 723 0.8 16.9 52.0 11.92 V21 Vertiente 766543 9819932 20.8 7.67 1 020 1.8 16.2 348.0 15.98 V22 Vertiente 767384 9819518 20.7 7.79 1 470 1.4 13.1 460.0 11.10 V10 Vertiente 747848 9842215 8.9 9.52 44.2 0.2 1.5 1.0 V11 Vertiente 747039 9842853 6.9 7.51 143 0.1 1.3 1.0

EC UC Pozo 758401 9820331 7.10 1 200 80.1 93.3 64.0 408.0 3.0 269.0 AE UC Pozo 760790 9817687 7.90 334 20.8 4.34 61.0 3.0 138.0 1.0 7.0 35.0 0.08 1.34 SP UC Pozo 759300 9816800 7.20 795 143.8 2.66 51.0 5.0 355.0 11.8 30.0 35.0 0.31 MV UC Pozo 764359 9816828 20.7 7.90 1 060 40.1 24.3 95.0 408.0 1.0 191.0 LE UC Vertiente 766886 9821554 22.3 6.50 1 710 76.8 114.5 139.0 9.0 552.0 41.0 301.0 2.40 -11.5 -88 LG UC Pozo 760132 9822180 20.9 6.50 1 586 65.6 99.1 135.5 265.2 2.8 297.4 LC UC Pozo 769032 9822158 20.7 7.90 1 060 30.4 60.3 121.0 285.6 5.7 186.7 L5 UC Pozo 754634 9827594 11.6 6.00 547 38.4 44.7 13.95 2.6 408.0 12.8 30.0 4.20 -13 -94.6 SP UC Vertiente 753938 9827175 10.8 5.80 383 32.1 27.2 5.5 9.1 264.0 14.2 58.0 2.80 -13.6 -97.7 PY UC Pozo 759335 9813936 7.80 1 674 65.21 55.0 279.1 104.0 416.1 23.8 1.6 73.8 225.0 11.22 YE UC Pozo 759003 9813510 24.2 7.20 1 720 35.43 18.1 190.2 17.4 600.0 82.2 273.0 2.40 -11.5 -89.8

TABLA III. GEOTERMÓMETROS CATIÓNICOS Y DE SiO2 [°C]

Mue

stra

Cal

cedo

nia

cond

uctiv

a

Cua

rzo

cond

uctiv

o

Cua

rzo

adia

bátic

o

Na-

K-C

a

Na-

K-C

a M

g

Na/

K G

igge

nbac

h 19

88

K/M

g G

igge

nbac

h 19

86

CU IG 53 53 106 90

CU IN 83 112 111 47 47 100 92

GU IG 46 46 382 47

V04 77 107 106 84 33 224 56

LE IG 75 18 191 42

LE IN 90 118 117 78 16 211 44

V06 93 122 120 65 18 205 35

V07 96 124 121 66 16 205 35

V02 104 132 128 72 23 279 49

V03 89 118 116 41 41 262 35

V05 99 127 124 71 32 313 53

V08 93 121 119 46 46 285 40

V09 91 120 118 93 29 309 65

AE UC 55 55 181 50

SP UC 33 33 231 67

LE UC 70 19 200 40

L5 UC 28 28 288 26

SP UC 55 39 635 54

PY UC 185 26 365 105

YE UC 114 37 225 73

IV. DISCUSIONES

La mayoría de geotermómetros de soluto iónico funcionan solo si se utilizan con aguas próximas a la neutralidad que contengan cloruros como anión principal [14].

En Cununyacu, las temperaturas estimadas con los geotermómetros catiónicos y de SiO2 son muy parecidas y oscilan entre 83 y 106 °C. Estos resultados parecen ser correctos ya que el agua está en equilibrio parcial y tiene alta concentración de cloruros (agua madura). Este rango debería definirse con ayuda de geotermómetros gaseosos e isotópicos, para lo cual sería conveniente analizar los fluidos de las dos vertientes termales identificadas.

La baja permeabilidad que presentan los depósitos presentes en el área de Cununyacu da a i nterpretar que la circulación de las aguas termales es a través del contacto entre las capas; y considerando la presencia de aguas cloruradas en el área, implicaría que probablemente existe una comunicación directa con el reservorio, en este caso los posibles caminos de circulación directa podrían estar relacionados con los lineamientos o fallas inferidas profundas identificadas por [20]. El tiempo de circulación a través de las capas recientes, sería ínfima. Estas dudas se esclarecerían con la aplicación de métodos geofísicos (Magnetotelúrico, tomografías eléctricas profundas), considerando un área de incidencia mayor, para conocer el potencial geotérmico del prospecto Chimborazo.

En Guayllabamba y Guano–Los Elenes las aguas son inmaduras y contienen bicarbonatos como anión principal, por lo que las temperaturas estimadas con geotermómetros catiónicos serian erróneas. En Guayllabamba, la última temperatura de equilibrio estaría entre 77 y 107 °C, como lo indican los geotermómetros de SiO2. Por el contrario, en Guano-Los Elenes no se puede estimar las temperatura del reservorio porque las aguas parecen ser vapor calentadas, estos fluidos no pueden emplearse en geotermometría ya que las concentraciones de los constituyentes disueltos no guardan relación con los fluidos minerales equilibrados en el reservorio [17]. El trabajo realizado por [5] corrobora la presencia de una falla a t ravés del río Guano que limita el acuífero y que representaría el camino principal de desfogue por donde aparecen las múltiples vertientes que alimentan el propio río.

La distribución espacial de las características sulfato ácida y alteración ácida pueden ayudar a identificar áreas superpuestas a una zona de ebullición permeable (Fig. 10). Sin embargo, se requiere cierta precaución en tal interpretación, ya que la presencia de un horizonte el cual es impermeable a aguas y gases provocaría un flujo lateral de ambas fases; bajo tales circunstancias la presencia de descargas con características ácidas solo puede indicar un adelgazamiento de esta barrera de migración [17].

Fig. 10. Distribución de las características sulfato ácidas

V. C ONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La Tabla 4 presenta un resumen de las zonas de interés geotérmico identificadas.

TABLA II. CARACTERÍSTICAS DE LAS ZONAS DE INTERÉS GEOTÉRMICO

Zona

Orig

en d

e ag

ua

Zona

de

reca

rga

[msn

m]

Tem

pera

tura

en

supe

rfic

ie [°

C]

Tem

pera

tura

en

el re

serv

orio

[°

C]

Cununyacu Meteórico 5 100 47,0 83 - 106 Guayllabamba Meteórico 3700 37,6 77 - 107

Guano Los Elenes Meteórico 3 900 - 5 300 22,1 -

El sector de Guano-Los Elenes presentan una serie de capas de arenas finas a gruesas, poco compactas, frecuentemente bien clasificadas, en ocasiones fracturadas y con buzamientos leves, su permeabilidad es muy buena. El agua parece ser vapor calentada (condensación de H2S en acuíferos someros) o resultar de la prolongada interacción con minerales de azufre (agua fósil), por lo que las temperaturas en profundidad serían bajas y poco aprovechables como fuente de energía.

En Cunuyacu, los manantiales aparecen en los depósitos aluviales del río Colorado, aparentemente el flujo de agua se da en el contacto de los depósitos volcánicos del Chimborazo y los sedimentos de la Formación Zumbagua, el área cuenta con permeabilidad media-baja. E n Guayllabamba, los manantiales aparecen en los depósitos aluviales del río Timbul, su permeabilidad se restringe a zonas de fractura. En ambos sitios se puede aprovechar el recurso en calefacción de espacios, deshidratación de alimentos y piscicultura principalmente. La socialización y asesoramiento técnico a las comunidades indígenas que administran los balnearios será prioridad en futuros trabajos.

Los tres sitios requieren más estudios geocientíficos que permitan elaborar modelos geotérmicos, reducir el grado de incertidumbre referente a la existencia del recurso y decidir si se realizan los estudios de prefactibilidad

AGRADECIMIENTOS

Nuestro agradecimiento especial al Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables (INER) por su respaldo desinteresado, al equipo del laboratorio Ambiental de la Universidad Nacional del Chimborazo (UNACH), a la Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento (EPMAPS), a Msc. Andrea Linares y Msc. Andrés Lloret, quienes colaboraron con la gestión de los análisis químicos e isotópicos que permitieron hacer realidad este trabajo.

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[9] B. Beate and M. Urquizo. "Geothermal Country Update for Ecuador: 2010-2015." Proceedings World Geothermal Congress 2015.

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[21] S. Reino, “ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS DE LA CIUDAD DE RIOBAMBA Y SUS ZONAS DE INFLUENCIA: LÍNEA BASE”, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, 2013

[22] L. Naranjo, “CARACTERIZACIÓN HIDROGEOLÓGICA DE LA SUBCUENCA DEL RÍO CHAMBO”, Universidad Central del Ecuador, 2013

ANÁLISIS ESTADÍSTICO INICIAL DEL PERFIL DE CONSUMO ENERGÉTICO DE UN

TREN METROPOLITANO

Davi Martins Lamas Vital Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

Porto Alegre, RS, Brasil E-mail: [email protected]

Geomar Machado Martins Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)

Santa Maria, RS, Brasil E-mail: [email protected]

Resumen - Este trabajo presenta un estudio estadístico del consumo energético de tracción y de frenado eléctrico en trenes metropolitanos de una operadora brasilera. Son analizados los consumos energéticos en cada tramo entre las estaciones a través de comparaciones y correlaciones. Se muestra como el consumo energético varía en función de la marcha determinada por el conductor y cuanta energía es perdida durante el frenado dinámico. Fue constatado un importante potencial para la conservación de energía gastada con la tracción optimizándose la forma de conducción del tren y caso fuese adoptado un sistema de frenado regenerativo.

Palabras claves - eficiencia energética, tren urbano, tracción

eléctrica, cuantificación energética estadística

I. INTRODUCCIÓN Para mejorar la sostenibilidad de la movilidad en áreas

urbanas, es imperativo que la sociedad desarrolle sistemas de transporte eficientes energéticamente. L a energía gastada con transportes corresponde al 33% de toda la energía generada en el mundo, siendo que 85% de esta energía es de origen fósil. Por este motivo, debido a que el modal ferroviario posee costo por pasajero por km mucho menor que los sistemas ferroviarios, este representa una de las más interesantes soluciones para las demandas de alto tráfico utilizando poca energía [01].

Actualmente, en el Brasil, es posible encontrar diferentes generaciones de trenes urbanos de pasajeros funcionando en las metrópolis. En función de la tecnología de cada época, estas flotas poseen muchas diferencias. Una de las diferencias más significantes es el consumo de energía de tracción. El principal motivo para la flota brasilera de trenes, construida en las décadas del 70 y 80, consumieren más energía que los actuales, es la tecnología empleada en el sistema de tracción.

En aquellas épocas, era común utilizar motores de corriente continua y sistema de frenado reostático, en el cual la energía cinética del movimiento es convertida en calor disipado en resistores. Además, la tecnología de señalización actual permite el uso más inteligente de la potencia eléctrica contratada a través de la sincronización de partidas y llegadas de trenes en las estaciones. Esta regulación permite maximizar el aprovechamiento de las energías de frenado

regeneradas y minimizar picos de corriente en las subestaciones de tracción.

Motores de corriente continua (CC) fueron ampliamente utilizados en el pasado por la industria de la celulosa, en la siderurgia y en la tracción ferrocarril, en función de poseyeren alto torque de partida y facilidad para el control de la velocidad. Actualmente, la tecnología de los semiconductores permitió que estas aplicaciones, antes típicas de los motores de CC, emigraren para los motores de corriente alternada (CA), debido al menor costo de operación y mantenimiento. Por tratarse de equipamientos cuya sustitución de tecnología es bastante costosa, motores de CC siguen, sin embargo, siendo muy encontrados.

II. REFERENCIAL TEÓRICO

Del 2012 para el 2013, el consumo de energía eléctrica total en el Brasil creció de 498.4 para 516.3 TWh, lo que representa un aumento de 3.6%, mientras que la generación de este insumo pasó de 552.2 TWh para 570.0 TWh, representando un crecimiento de 3.2% [02].

Los sistemas de ferrocarril urbanos impactan significativamente en el sistema eléctrico nacional, y representan algo de 0.5% del consumo de energía eléctrica del país. Un problema del sector es que la mayoría de los trenes urbanos y metros brasileros fueron adquiridos entre las décadas del 70 y 80. Estos vehículos consumen 30% a más de energía que los vehículos actuales. El porcentaje del costo de energía eléctrica sobre el costo operacional total de las empresas operadoras es significativo, llegando al 25.5% en el sistema de trenes urbanos de Rio de Janeiro.

Existe, desde el 2008, una propuesta de ley para reducir entre 5% y 10% la tarifa de energía eléctrica para empresas de transporte de pasajeros. Para esto, el gobierno debería recompensar las empresas de energía con valores entre R$ 300 millones y R$ 400 m illones. Una alternativa ya fue propuesta para usar estos recursos en la reforma del sistema de tracción y señalización de los trenes, dejándolos eficientes energéticamente [03].

A pesar de los avanzos tecnológicos, la eficiencia del sistema de transporte está relacionada con la pericia de los

operadores que conducen los vehículos. Mover un tren de un lugar de origen a otro de destino

requiere diversas manobras por parte del operador, destacándose aceleraciones, frenados y paradas, practicadas en diferentes tipos de topografía y condiciones climáticas [04]. Investigaciones anteriores señalaron los factores que impactan en el consumo del aceite diésel en trenes de carga, que pasan por acciones en el ámbito operacional, tecnológico, de mantenimiento, de recibimiento, control de abastecimiento y gerencia [05].

También ya fue propuesta la concepción de un sistema de conducción óptima de locomotoras diésel eléctricas con la finalidad de aumentar el rendimiento energético a través de la reducción del consumo de combustible [06].

En el Brasil, el poder público ha dado el ejemplo en la búsqueda de la certificación de edificaciones sustentables. Sin embargo, para vehículos de ferrocarril, todavía no existe ninguna certificación [07].

Una gran cantidad de vehículos utiliza frenado por fricción. En este caso, la energía cinética del movimiento longitudinal es convertida en calor generado por la fricción entre los elementos de frenado.

Por otra parte, hay por lo menos dos formas de frenado eléctrico comúnmente utilizadas, la reostática y la regenerativa. En los dos casos los motores, que acompañan a los ejes, actúan como generadores y la energía cinética del tren es convertida en energía eléctrica. En el sistema reostático, esta energía es direccionada a los resistores, y en el regenerativo, es devuelta a la red eléctrica que alimenta al tren [04].

Se concluye, a través de la investigación bibliográfica, que las soluciones para la economía de energía en sistemas de trenes eléctricos pasan por la combinación de estrategia de conducción, frenado regenerativo y sistemas de almacenamiento de energía [08].

En sistemas regenerativos más comunes, la energía de frenado regenerada debe ser absorbida por algún tren que esté en aceleración en el mismo intervalo de tiempo y en las inmediaciones del tren que está frenando. Una forma más reciente de utilizar la energía regenerada es a través de súper capacitores que almacenan esta energía y la reutilizan de la forma más apropiada. Estos súper capacitores pueden estar fijos, junto a las subestaciones, o embarcados en los vehículos.

La transmisión de energía para ser almacenada en las subestaciones genera más pérdidas de que mantener los súper capacitores en el tren, sin embargo, esto causa un aumento de su masa [01]. Otro estudio propone el uso del frenado regenerativo a través de un generador linear de inducción, donde el primario del motor (equivalente al estator) está fijado en los rieles, y el secundario (equivalente al rotor) está fijo al tren. Simulaciones de aplicación indican recuperación de cerca de 20% de la energía cinética del tren [09].

La automatización considera una línea urbana equipada con Operación Automática de Trenes (ATO) para obtenerse perfiles con velocidad óptima. Según [10], es necesario inversiones para la instalación de inversores de frecuencia en

subestaciones o di spositivos de almacenamiento de energía embarcados.

La tecnología de señalización CTBC (Communication Based Train Control) que permite la regulación del movimiento de los trenes, y así, la sincronía de los movimientos, hace posible la creación de estrategias para la economía de energía, como por ejemplo: optimización del orden de regulación de los trenes, uso de coasting por el máximo tiempo posible en los tramos inter-estaciones y uso de adormecer, despertar y stand-by en trenes parados en el patio [10].

Otra investigación, [01] propuso las estrategias: tiempo óptimo, regeneración de energía, economía de energía, y regeneración con economía. Fueron hechas simulaciones para una línea simplificada con solo tres estaciones, donde los dos primeros métodos presentaron reducción de 48.47%, 47.75%, respectivamente, mientras que el tercero presentó reducción de 37.46%.

El sistema de frenado regenerativo, además de traer economía de energía, puede traer los siguientes beneficios indirectos: mejoría del conforto térmico de los usuarios, por la eliminación de resistores disipadores sobre el techo del vehículo, economía de energía por la disminución de la masa del vehículo a través de la retirada de resistores disipadores y, mejoría en el desempeño del sistema de ventilación en túneles.

Según Ríos y Garcia [11], la potencia demandada por un metro o VLT depende de la velocidad y de la aceleración del vehículo en cada instante de tiempo. Por lo tanto, la demanda de energía de una red eléctrica de alimentación de trenes puede ser dividida en rutinas: a) Cálculo del consumo de energía por tiempo de viaje para un tren entre cada dos estaciones considerando vehículos con y s in frenado regenerativo; b) Algoritmo probabilístico para el cálculo de pasajeros por carro para cada viaje, tiempos de parada en cada estación, velocidad de entrada y de salida de pasajeros en las estaciones, cantidad de pasajeros en cada estación y, c) Cálculo del consumo total instantáneo en cada estación considerando un intervalo de tiempo definido.

Se debe considerar las inclinaciones a lo largo de la línea de ferrocarril.

III. OBJETIVOS

Este trabajo trata del análisis estadístico del consumo energético de tracción eléctrica de una línea de tren urbano equipado con motores de CC y sistema de frenado reostático.

Se desea cuantificar la energía gastada con tracción y la energía que podría ser recuperada en el frenado si el tren tuviese frenado regenerativo.

IV. METODOLOGÍA

La metodología se aplica al estudio de un caso. Cuanto a su naturaleza, tratase de una investigación aplicada donde se hace un abordaje cuantitativo de datos levantados en campo.

Un tren típico del tipo construido en las décadas del 70 y 80 fue instrumentado para que pueda obtener las variables de

interés. Fueron realizados adquisiciones de datos de mediciones y un análisis estadístico. Después del tratamiento inicial, fue calculada la energía consumida con la tracción en cada tramo y la energía cinética disipada en los resistores del frenado reostático. Finalmente, se obtuvo la relación entre el tiempo de recorrido y la energía consumida para recorrer cada tramo.

La figura 1 presenta un esquema eléctrico simplificado del circuito de tracción del tren. Los motores son conectados permanentemente en pares y en serie, configurando un bogie. Los bogies, en cada vehículo motorizado (carros M1 y M2) son conectados primero en serie y después en paralelo, en función de las llaves S y P. Las llaves S y P son cerradas siempre en el modo alternado. Cuando S está cerrada, P está abierta, y viceversa. El circuito de control de tracción garantiza que las corrientes en los cuatro grupos de motores sean prácticamente iguales a cada instante y que las llaves S y P de cada vehículo conmuten simultáneamente. De esta forma, el registro de corriente de solo un bogie es suficiente para calcular la corriente de tracción demandada por todo el tren.

Lo que se desea conocer es la corriente total consumida por los ocho motores del tren. En este análisis, no se dio atención al consumo de otras cargas, tales como: la del compresor de aire, iluminación y aire acondicionado. Por falta de transductores que pudiesen medir las corrientes de un pantógrafo, y también porque se deseó medir exclusivamente el consumo de energía de tracción, optase por medir las corrientes de cada par de motores, y una señal digital informando si los pares están en serie o en paralelo entre sí. Idealmente, los valores de corriente en los ocho motores del tren deben ser iguales, de forma que medir solo uno de ellos ya sería suficiente para conocer la corriente total de tracción. En la práctica, ellos realmente son muy parecidos, y la aproximación podría ser hecha sin pérdida de fidelidad de los resultados. Sin embargo, optase por registrar la señal de dos pares para que se obtenga una lectura más robusta, para prevenir la falla de algunos transductores.

Fig. 1 - Modelo simplificado del circuito de tracción. .

La corriente total que demanda la red aérea por el tren es

calculada, por lo tanto: ( )2. . 1= +TREN BOGIEI I P (1)

Donde:

TRENI es la corriente total que demanda la red aérea por el tren

BOGIEI es la corriente en un truque cualquier P vale 1 cuando está cerrada y S abierta, y 0 en caso contrario

Fue hecha la adquisición de datos, de las variables: i. Tiempo [hh:mm:ss,sss] (analógica)

ii. Recorrido (analógica) iii. Velocidad (analógica) iv. Apertura de puertas (digital) v. Solicitación de frenado (digital) vi. Corriente en un motor (analógica) vii. Llave P (digital)

Se obtuvo datos de un tren para un ciclo de 5 días. Los datos fueron entonces tratados para que se pueda

analizar, por separado, cada tramo entre dos estaciones, siempre usando la variable “Horario” como referencia.

Después del tratamiento, se puede: a) Identificar las estaciones a partir de los registros ii, iii, iv y v; b) Calcular la corriente de tracción total del tren a partir de las variables vi y vii; c) Separar, a partir de las variables v y vi, la corriente de tracción de la corriente del frenado reostático, y d) Identificar el cargamento del tren a partir del horario del viaje.

Es calculada la energía consumida con la tracción en cada tramo y la energía cinética disipada en los resistores del frenado reostático, por

[ ] ( )1

0. .

3600.1000= ∫

t

TRENt

VE kWh I t dt (2)

Donde: V es la tensión promedio presente en la red aérea. t0 y t1 son los tiempos de partida y llegada de una estación a otra.

La ecuación 2 no podrá ser aplicada directamente, porque es necesario primero separar los dos tipos de corrientes que ocurren en el motor: la corriente de tracción y la corriente del frenado:

( ) ( ).=FRENADO TRENI t I t SOLF (3)

( )( ) (t)= −Tracción TREN FRENADOI t I t I (4)

Donde: SOLF es la señal digital que indica solicitación del freno cuando vale 1. Así, la energía total se puede descomponer en Energía de Tracción y Energía del Frenado:

[ ] ( )1

0. .

3600.1000= ∫

t

TRACCIÓN TRACCIÓNt

VE kWh I t dt (5)

[ ] ( )1

0. .

3600.1000= ∫

t

FRENADO FRENADOt

VE kWh I t dt (6)

Como no se pretende cuantificar con exactitud la energía implicada en el frenado reostático, sino solamente conocer su orden de grandeza, las ecuaciones 2 y 6 admiten que la tensión generada por el motor durante el frenado posee un valor constante igual al valor promedio de la red de alimentación.

Será analizado como se repiten estos consumos por tramo en los diversos viajes realizados y entonces será calculado:

• El consumo energético promedio por tramo y la desviación

estándar; • El consumo energético máximo y mínimo por tramo; • El consumo energético máximo calculado por la suma de las muestras con valor mayor de cada tramo; • El consumo energético mínimo calculado por la suma de las muestras con mayor valor de cada tramo; • La correlación entre tiempo de recorrido y energía consumida para recorrer cada tramo.

V. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La operadora poseía 22 estaciones (desde la estación A hasta la estación V) en funcionamiento en el momento de la prueba. Sin embargo, cerca del 67% de los tramos recorridos a lo largo del mes lo fueran entre las estaciones A y O. Se obtuvo 4 m uestras por dirección para los tramos en el intervalo AO y fueron registradas 12 viajes, de acuerdo con la tabla 1.

Tabla 1 – Viajes registrados

Periodo Pico es horario de punta: mañana (6h00 – 8h00) y tarde (17h00 – 19h00) – el intervalo entre los trenes es de 5 minutos. Periodo Vale es horario de baja demanda: que es de 10 minutos

Con una faja de muestreo variable de los registradores, fueron clasificados como muestras datos a cada 1 metro de distancia recorrida o menos, y el periodo de muestreo varia de un centésimo de segundo hasta cerca de 90 segundos. La figura 2 representa la señal en la forma como se encuentra disponible por los registradores.

Fig. 2 - Ejemplo de un tramo antes del tratamiento.

Después de la corrección del error off-set, ajuste de la

escala y eliminación de datos espurios, los datos obtenidos están de acuerdo a l o que se muestra en los gráficos de la figura 3, que presenta el viaje 1 a t ravés de las señales de velocidad, corriente de tracción y corriente de frenado contra el eje del tiempo. En este caso, el tren sale de la estación A en el tiempo cero y llega a la estación O en el tiempo 2.224 s. El instante en que la señal de velocidad va para cero representan las estaciones. Los trenes acostumbran estar de 20 a 25 segundos parados en las estaciones de embarque y desembarque de pasajeros. La figura 4 representa el tramo BC ampliado, donde se pueden ver que en tres momentos ocurre tracción, y en un momento ocurre frenado reostático.

Fig. 3 - Señales del Viaje 1 (sentido AO).

Fig. 4 - Tramo BC del viaje 1.

La tabla 2 muestra resultados de los cálculos de las ecuaciones 1, 3, 4, 5 y 6 para la masa de datos disponibles.

Estación Hora Estación Hora1 A 18:25 O 19:03 Pico2 O 07:08 A 07:48 Pico3 A 07:50 O 08:25 Pico4 O 08:38 A 17:04 Vale5 A 17:11 O 17:50 Pico6 O 17:55 A 18:34 Pico7 A 18:37 O 19:19 Pico8 D 05:07 A 05:15 Vale9 A 05:20 V 06:15 Vale

10 V 06:20 A 07:17 Pico11 A 07:20 V 08:13 Pico12 V 08:15 A 09:11 Pico

ViajeOrigen Destino

Período

Tabla 2 – Informaciones calculadas para cada tramo de cada viaje

Viaje TramoEnergía de

tracción (kWh)Energía de

frenado (kWh)Tiempo (s)

Velocidad Promedio

(km/h)1 AB 10,31 1,51 90,52 37,031 BC 34,44 3,98 133,34 55,711 CD 20,97 2,99 148,82 43,401 DE 17,91 3,69 130,13 53,451 EF 19,76 3,33 92,54 48,301 FG 34,50 3,13 144,81 60,131 GH 33,11 4,08 115,21 58,261 HI 35,07 2,89 142,86 55,271 IJ 25,12 2,48 113,02 53,801 JK 20,52 2,58 134,76 50,841 KL 20,44 3,49 91,22 48,241 LM 31,47 1,88 165,87 60,381 MN 34,30 3,47 148,61 63,191 NO 26,71 1,00 206,73 34,492 BA 7,67 0,44 138,76 24,032 CB 18,42 1,81 176,07 41,612 DC 19,73 3,51 151,76 43,482 ED 23,25 2,21 136,03 50,002 FE 18,00 1,83 96,44 47,962 GF 35,23 5,42 145,36 57,602 HG 23,92 2,25 187,62 37,692 IH 27,46 3,97 143,18 55,492 JI 32,87 4,47 128,05 47,392 KJ 19,51 3,91 136,53 49,592 LK 10,96 2,47 108,75 40,63

⁞ ⁞ ⁞ ⁞ ⁞ ⁞ 12 RQ 28,73 2,70 169,58 50,1712 SR 23,69 3,05 133,84 58,4012 TS 23,72 4,04 104,63 56,0612 UT 21,77 2,29 114,69 52,1912 VU 16,47 2,34 141,25 40,64

La tabla 3 muestra los resultados para los viajes

realizados en los horarios de punta y de baja demanda, para un total de 138 viajes/dia.

Tabla 3 – Comparación entre los tramos de punta y de baja demanda

Promedio ± DE Máxima Mínima Promedio ± DE Máxima Mínima Promedio ± DE Promedio ± DEPico 104 24,5 ± 0,3 7,67 57,07 3,0 ± 0,4 0,10 5,42 141,3 ± 34,5 49,7 ± 8,5Vale 34 25,7 ± 0,3 10,12 48,20 4,1 ± 0,4 0,50 7,00 142,0 ± 32,0 49,3 ± 9,8

Energía de tracción (kWh) Energía de frenado (kWh) Tiempo (s) Velocidad (km/h)Período N

Se observa que no hay diferencia significativa en relación al consumo de energía por tren en función del horario de viaje. Partiendo de esta constatación, los datos obtenidos del horario de punta y de baja demanda fueron unidos para generar las demás estadísticas.

Las figuras 5 (a) y (b) representan la distribución del consumo de energía de tracción por tramo. En ellas, se observa que algunos tramos poseen consumo más uniforme entre los viajes, tal como el tramo DE en el sentido AO y el tramo KJ en el sentido OA, que presentan desviación estándar de 6% y de 3%, respectivamente, de su valor promedio. Por otro lado los tramos como FG, GH y HI en el sentido AO, presentan desviaciones estándar mayores, con valores, respectivamente 18%, 22% y 24% del valor promedio.

Figura 5 – Distribución de la energía de tracción por tramo.

0

10

20

30

40

50

Ener

gía d

e tr

acci

ón (k

Wh)

Energía de tracción por tramo - Sentido AO

(a)

0

10

20

30

40

50

Ener

gía d

e tr

acci

ón (k

Wh)

Energía de tracción por tramo - Sentido OA

(b)

Figura 6 – Tramo GH.

(a)

(b)

El consumo de energía en cada tramo es muy influenciado

por la forma en que el operador conduce el tren. Las imágenes 6 (a) y (b) presentan un mismo tramo (GH) siendo conducido por diferentes conductores en los viajes 9 y 11.

Observase que el conductor del viaje 9 aceleró de manera más amena que el del viaje 11. Sin embargo, la aceleración rápida ocurrida en el viaje 11 consumió 10.6 kWh (29%) menos de energía que el primero, y todavía llegó 19 segundos (14%) antes.

La vía donde fue hecho el estudio es equipada con un sistema de señalización separado por bloques fijos. En este sistema, en función de las limitaciones civiles de seguridad para la velocidad del tren, cada segmento de la vía permite una velocidad máxima. Esta velocidad máxima es informada al tren a través de ondas electromagnéticas transmitidas por los rieles. Si el tren sobrepasa la velocidad máxima permitida en algún momento, ocurre la llamada “penalización”, que es cuando el circuito de control del tren detecta un sobrepase de la velocidad máxima y aplica el freno automáticamente. Las figuras 7 (a) y (b) muestran un mismo tramo siendo recorrido por dos operadores diferentes. En el tramo de la figura 7 (a), el operador recibe 4 penalizaciones consecutivas. Esto puede ser constatado en los picos de la corriente de frenado y de tracción.

El viaje en este tramo recibiendo las penalizaciones resultó en un consumo de 10.1 kWh y duración de 128 segundos. La figura 7 (b) presenta el mismo tramo siendo recorrido por un operador que no recibió penalizaciones. En este viaje, el consumo fue de 7.67 kWh y la duración fue de 138.8 segundos, es decir, hubo un consumo de energía 24% menor y un tiempo de trayecto 8.4% mayor.

A pesar de que algunos tramos permiten deducir que recorrer el trayecto en un tiempo mayor lleva a un m enor consumo de energía, tal como el tramo CB que se muestra en la figura 8, la grande mayoría de los tramos no pr esento ninguna correlación entre esas dos grandezas.

Figura 7 – Tramo BA.

(a)

(b)

Figura 8 – Distribución de la energía de tracción en función del tempo de trayecto.

La figura 9 muestra que, de forma global, tramos recorridos con velocidades mayores consumen más energía. Sin embargo, notase también que, un tramo recorrido a una velocidad promedio de 60 km/h puede consumir menos energía que un tramo recorrido a 40 km/h. Esto se debe a las diversas variables del sistema. Además, para los tramos recorridos con velocidades promedios aún mayores (cerca de 25 km/h y 70 km/h), el consumo de energía se muestra proporcional. Fue aplicada la prueba producto-momento de Pearson, que predijo haber una correlación por tramo entre la energía de tracción promedio y la velocidad promedio (r = 0.64; p < 0.001).

Figura 9 – Distribución de la energía de tracción en función de la velocidad promedio.

La Figura 10 presenta una distribución de los valores promedios de consumo por tramo en función de las distancias por tramo. Fue aplicada la prueba producto-momento de Pearson, que demostró la existencia de una correlación entre las grandezas (r = 0.78; p < 0.001), conforme se esperaba.

Figura 10 – Distribución de la en ergía de tracción x distancia entre las estaciones.

La tabla 4 presenta el consumo de energía entre las estaciones A y O, en los dos sentidos, para viajes diferentes. Observase, que para el trayecto AO, el viaje más dispendioso consumió 22% más energía que el más económico. Para el trayecto OA, esta diferencia fue de solo 16%.

Tabla 4 – Consumo energético de viajes entre A y O

Estación EstaciónOrigen Destino

1 364,6 40,53 304,6 33,39 372,7 63,0

11 334,4 46,82 314,4 42,4

10 357,7 59,412 307,0 36,0

Viaje

O A

Energía de tracción (kWh)

Energía de frenado (kWh)

A O

La tabla 5 presenta, además del valor promedio y desviación estándar, los consumos mínimos y máximos encontrados para cada tramo, lo que permite estimar la economía generada por un viaje totalmente conducido de forma económica y el gasto extra generado por una conducción que utiliza más energía. Su observación se deduce que, en una situación óptima, el tramo AO podría ser recorrido consumiendo 291.7 kWh, lo que representa 15% por debajo del valor promedio, o de jaríase de consumir en torno de 600.000 kWh por mes. Viajes realizados de forma ineficiente pueden consumir hasta 16% más de energía que el promedio, representando 800.000 kWh por mes. En relación a la tecnología de frenado, si la energía de frenado reostático fuese regenerada y utilizada, la economía seria cerca de 15%, considerando que todos los frenados fuesen 100% regenerados.

Tabla 5 – Datos estadísticos por tramo – sentido AO

Promedio ± DE Mínima Máxima Promedio ± DE Mínima Máxima

AB 0,9 4 10,7 ± 1,6 8,5 12,0 2,0 ± 1,4 0,89 3,97 BC 2 4 32,3 ± 4,1 28,4 37,1 4,1 ± 1,5 2,52 6,03 CD 1,8 4 21,7 ± 3,9 17,6 27,1 2,6 ± 1,0 1,76 3,88 DE 1,9 4 17,2 ± 1,1 15,8 18,1 4,4 ± 1,6 3,01 6,73 EF 1,2 4 19,3 ± 2,0 17,1 21,8 4,2 ± 1,9 3,08 7,00 FG 2,4 4 32,6 ± 5,9 27,0 39,9 4,2 ± 1,4 3,13 6,20 GH 2 4 29,6 ± 6,4 22,6 36,7 4,5 ± 0,9 3,68 5,82 HI 2,2 4 33,3 ± 7,9 25,0 43,5 3,5 ± 2,0 2,07 6,48 IJ 1,7 4 22,3 ± 2,1 20,1 25,1 2,7 ± 0,6 2,31 3,53 JK 1,9 4 19,2 ± 1,7 17,7 20,9 2,9 ± 0,7 2,17 3,91 KL 1,2 4 18,9 ± 1,3 17,6 20,4 2,4 ± 0,8 1,70 3,49 LM 2,8 4 26,2 ± 5,2 19,0 31,5 2,9 ± 0,8 1,88 3,65 MN 2,6 4 31,3 ± 2,7 28,7 34,3 3,0 ± 0,9 1,74 3,70 NO 1,9 4 29,4 ± 2,4 26,7 32,3 2,5 ± 1,6 1,00 4,36

Total 26,5 56 344,1 291,7 400,7 45,9 30,93 68,74

Dist. (km)

NEnergia de tracción (kWh) Energía de frenado (kWh)

Tramo

VI. CONCLUSIÓN

La mayor parte de los trabajos de eficiencia energética en

el transporte sobre rieles trata del tema con un abordaje donde los sistemas son moldados en la forma clásica usando modelos matemáticos. Para que traiga resultados confiables, esas técnicas exigen profundo conocimiento de las leyes físicas que rigen los movimientos.

Este estudio trató de un análisis inicial del tema, usando un abordaje estadístico con simplificaciones para que se tenga una idea mejor de la cantidad de energía que se puede economizar.

Sin embargo, permite cuantificar potenciales beneficios y decidir qué camino seguir para la optimización del sistema.

En el presente estudio, un sistema de tracción con motores de CC, fue observado que hay una gran variación del consumo energético de cada tramo del camino seguido, en función de la operación adoptada.

También fue constatado un i mportante potencial para la conservación de energía, pues hasta 22% de la energía gastada con la tracción podría ser conservada optimizándose la forma de conducción del tren y otros 15%, caso fuese adoptado un sistema de frenado regenerativo.

VII. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a U niversidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Núcleo de Tecnologias Educacionais, Universidade Aberta do Brasil/CAPES y a otros colaboradores por el apoyo técnico, financiero y logístico para éste proyecto. En especial al Prof. Cesar Valverde Salvador por la traducción y revisión al español.

VIII. REFERENCIAS

[01] V. DE MARTINIS y M. GALLO, “Models and methods to optimise

train speed profiles with and without energy recovery systems: a suburban test case”, SIDT Scientific Seminar 2012, Elsevier, 2013.

[02] EPE, “Brazilian Energy Balance 2014: Year 2013”, Empresa de Pesquisa Energética, Rio de Janeiro, Brasil, 2014. Disponible: https://ben.epe.gov.br/downloads/Relatorio_Final_BEN_2014.pdf. Accesado en: 15 Dec. 2015.

[03] D. AMORA, “Velhos, trens urbanos desperdiçam energía”, Folha de São Paulo, 09/03/2014. [Online]. Disponible:

http://www1.folha.uol.com.br/mercado/2014/03/1422789-velhos-trens-urbanos-desperdicam-energia.shtml. Accesado en: 15 Dec. 2015.

[04] R. BARBOSA, “Estudo da Dinâmica Longitudinal do T rem”, Dissertação (Mestrado em Engenharia), Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, Brasil, 1993.

[05] O. C. PEREIRA, “Soluções de otimização da eficiência energética de uma ferrovia de carga: o caso da Estrada de Ferro Carajás”, Dissertação (Mestrado em Engenharia Industrial), Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, 2009.

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Modelado y Simulación de una Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones Usando ANSYS Fluent

G.A. Almeida† F.R. Condo‡

Escuela Superior Politécnica del Litoral, ESPOL, Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción, Centro de Energía Renovables y Alternativas, Campus “Gustavo Galindo” Km 30.5 Vía Perimetral, P.O. Box 09-

01-5863, Guayaquil, Ecuador E-mail: † [email protected], ‡ [email protected]

Abstract: Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is an electrochemical device that through oxidation of hydrogen (fuel) in anode and reducing of oxygen (oxidant) in cathode, and using an electrolyte membrane produces electricity, heat and water. Nowadays, PEMFC is an attractive clean technology for power generation for some useful reasons, such as its simplified water and heat management, high efficiency, operating at low temperature, delivering of high-power density with low weight, cost, and volume, moreover producing zero contaminant gases, making it an appropriate power source for transportation. On the other hand, PEMFC faces several limitations for reaching commercial viability, including reduction of the cost, size and weight of fuel cells while also enhancing their durability and performance. This document is based on the design of an efficient serpentine for a proper flow of reactants, high quality modeling and simulation using Ansys Fluent, and obtaining a calculated numerical curve of polarization of a single PEMFC. The cell was modeled with an active area of 100 cm2, operating at 70 °C, 0.6 v and atmospheric pressure using hydrogen and air as a fuel and oxidant, respectively, and producing 5 W electrical power. Computer modeling is a useful method to improve understanding of the components and reactions that take place within the fuel cell.

Index terms−− PEMFC, fuel cell, modeling, simulation, Ansys Fluent, CFD, polarization curve, and single cell.

Resumen−− La Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones (PEMFC) es un dispositivo electroquímico que a través de oxidación del hidrógeno (combustible) en el ánodo y la reducción de oxígeno (oxidante) en el cátodo, y usando una membrana electrolítica produce electricidad, calor y agua. Hoy en día, la PEMFC es una tecnología limpia y atractiva para la generación de energía por algunas razones útiles, tales como su gestión simplificada del agua y el calor, su alta eficiencia, que opera a baja temperatura, que entrega alta densidad de potencia con bajo peso, costo y volumen, además de la producción de cero gases contaminantes, por lo que lo hace una fuente de potencia adecuada para su uso en transporte. Por otro lado, la PEMFC se enfrenta a varias

limitaciones para alcanzar la viabilidad comercial, que incluyen la reducción del costo, tamaño y peso de las pilas de combustible a la vez del aumento de su durabilidad y rendimiento. Este documento se basa en el diseño de un serpentín eficiente para un flujo adecuado de reactivos, el modelado y la simulación de alta calidad utilizando Ansys Fluent, y la obtención de una curva de polarización numérica calculada un PEMFC simple. La pila fue modelada con una superficie activa de 100 cm2, operando a 70 °C, 0,6 v y p resión atmosférica con hidrógeno y aire como combustible y oxidante, respectivamente, y produciendo 5 W de potencia eléctrica. El modelado por ordenador es un método útil para ayudar a la comprensión de los componentes y las reacciones que tienen lugar dentro de la pila de combustible.

Palabras clave−− PEMFC, celda de combustible, modelado, simulación, Ansys Fluent, DFC, curva de polarización, celda de combustible simple.

1. INTRODUCCIÓN

Las celdas de combustibles son dispositivos electroquímicos que usan hidrógeno y oxígeno para generar energía eléctrica, y el proceso electroquímico se lleva a cab o mediante una membrana electrolítica una vez que los gases reactantes empiezan a fluir dentro de las celdas de combustibles [1]. Hoy en día, las celdas de combustibles son una fuente prometedora de energía limpia debido a que usan gases inorgánicos que pueden ser producidos a través de diferentes procesos, y generar electricidad y calor, además de agua como subproducto.

Los PEMFC utilizan como combustible hidrógeno puro por tres razones principales. Primero, la densidad de energía del hidrógeno es la más grande en comparación con otros combustibles que es 33,3 Wh/kg. Segundo, es el combustible más fácil para oxidar bajo condiciones cercanas al ambiente. Y tercero, si el cátodo es alimentado con oxígeno del aire, el proceso en la celda de combustible puede ser emisión cero (libre de gas de invernadero y contaminantes) porque su único producto son electricidad, calor y agua [2].

En el ánodo, la molécula de hidrógeno se divide en iones de hidrógeno (H+) y electrones. Los PEMFC tienen una membrana electrolítica que conducen los iones a través de una dirección definida. Los iones de hidrógeno se difunden hacia el cátodo cruzando el

electrolito y los electrones a través de un circuito externo generando potencia eléctrica [3]. Las reacciones en el cátodo y el ánodo son los siguientes:

Reacción en Ánodo: 2H2 => 4H+ + 4e−

Reacción en Cátodo: O2 + 4H+ + 4e− => 2 H2O

Reacción Total: 2H2 + O2 => 2 H2O + calor + agua

Las celdas de combustibles poseen la mayor densidad de energía considerando todos los sistemas de generación de poder. Además, el tiempo de reabastecimiento de combustible es despreciable comparado con el tiempo de recarga de batería en vehículos eléctricos. Las eficiencias son mayores, se producen cero emisiones, se genera poco ruido y se consume menos combustible si se lo compara con un motor de combustión interna. Lo que hace más atractivo a los PEMFC para aplicaciones en automóviles es su temperatura de operación, que está por debajo de 100 °C, permitiendo un rápido encendido [4].

Para alcanzar una mayor eficiencia en la conversión de energía se deben analizar ya sea de forma experimental o numérica las diferentes partes de la celda de combustible. Un PEMFC simple consiste típicamente de: el colector de corriente del ánodo con canales estriados para el flujo de gas combustible, la capa de difusión de gas e n el ánodo (GDL), la capa catalítica del ánodo, la membrana electrolítica, la membrana electrolítica polimérica, la capa catalítica del cátodo, la capa de difusión de gas en el cátodo, y el colector de corriente del cátodo con canales estriados para el flujo del oxidante [5]. El esquema de un PEMFC se muestra en la Fig. 1.

Figura 1: Esquema de un PEMFC [5]

Un diseño eficiente de cada componente de la celda de combustible puede ayudar a reducir los daños de operación tales como saturación de agua en el proceso, pérdidas de eficiencia, reducción de durabilidad. Los serpentines tanto del lado del ánodo como del cátodo en las placas bipolares tienen un rol muy importante en la operación de las celdas de combustibles, ya que puede reducir los cambios de saturación de agua, además de distribuir de manera eficiente los gases de reactantes a

través de la membrana catalítica de manera más uniforme. La manufactura de placas bipolares con diferentes patrones de canales y luego ponerlos a prueba ya nos una opción hoy en día, después que se han desarrollado recientemente técnicas de dinámica de fluidos computacional

Las simulaciones por computadora es una herramienta de gran ayuda para desarrollar modelos en distintas situaciones en las que deben operar, y que para este caso es la celda de combustible. Para este documento se empleó el módulo de PEMFC del software Ansys Fluent V15.0 para modelar y similar un celda de combustible simple en la que se emplea hidrógeno y aire como gases reactantes.

2. PROCEDIMIENTO DE MODELADO Y SIMULACIÓN

El proceso de modelado y simulación que se empleó se detalla a continuación:

2.1. Prototipo del PEMFC

2.1.1 Cálculos de Diseño de la Celda de Combustible

Los cálculos de diseño de la celda de combustible simple están basados en las condiciones de operación deseados del voltaje de la celda y la densidad de corriente, con un factor de utilización del combustible Uf = 0.8 y factor de utilización del oxidante Uox = 0.8 [6].

A partir de que la potencia de la celda el voltaje de operación se determinó que sean 5 W y 0.6 v, respectivamente, la corriente de la celda se determinó de la siguiente relación:

(1)

Para determinar el área activa total se empleó la densidad de corriente de 0.1 A/cm2 [7].

(2)

Para determinar el área activa total se empleó la densidad de corriente de 0.1 A/cm2 [7].

Teniendo en cuenta la utilización realizada en el ánodo, la cantidad de hidrógeno que se consumiría dentro de la celda es:

(3)

Para el requerimiento de suministro de aire, la razón estequiométrica de hidrógeno y oxígeno es 2 a 1 o H2O. Por lo tanto, la cantidad de moléculas de oxígeno requerido para la reacción en la celda de combustible se determinó de la siguiente manera:

(4)

El aire contiene aproximadamente 21 % O2 del volumen total. Por lo tanto, el flujo másico requerido de aire seco es:

(5)

2.1.2 Modelado de la Celda de Combustible

Ansys a t ravés del Workbench ha creado un software innovador para similar modelos. Hay diferentes pasos que permiten obtener soluciones.

El pre-proceso incluye la creación de una geometría y mallado de los modelos. El modelado de la geometría se realizó utilizando el software Modeler y el mallado con el software Meshing.

La geometría de la celda de combustible referida en este estudio posee un modelo de serpentín donde el flujo inicial de gases se divides en tres trayectorias siguiendo la forma de “U” a lo largo de los colectores de corriente, como se muestra en la Fig. 2. En la Fig. 3 se muestra el detalle de las dimensiones del serpentín.

Figura 2: Esquema del Diseño del Serpentín

Figura 3: Detalle de la Forma del Serpentín

La configuración del modelo de celda de combustible se basó en datos bibliográficos y que fue detallado anteriormente. La Fig. 4 muestra el esquema del PEMFC, y Fig. 5 las dimensiones de la misma

Figura 4: Esquema de la Celda de Combustible Simple

Figura 5: Dimensiones de la Celda de Combustible Simple

Las dimensiones de los componentes de la Tabla 1 demuestran que el peso son relativamente pequeños en comparación a las partes de otros dispositivos de conversión de energía, como es el caso de motores de combustión interna, turbinas, etc.

Tabla 1: Dimensiones de Componentes del PEMFC Componente Alto

(mm) Ancho (mm)

Largo (mm)

Placa Bipolar 1.500 100 100

Capa de Difusión de Gas

0.200 100 100

Capa Calatítica 0.012 100 100

Membrana 0.036 100 100

Canal 0.500 1.00 98

Una vez que la geometría de todas las parte del PEMFC y el diseño del canal en lo colectores de corriente se generaron, la celda de combustible fue mallada usando el software Meshing.

Varsteg [8] menciona que de acuerdo a la geometría del sistema era recomendable elegir una configuración de malla ya sea hexaédrica o tetraédrica. El PEMFC se consideró como un vol umen hexaédrico con caras paralelas e iguales a lo largo de un eje, es por tal motivo que se optó por un mallado hexaédrico. Anderson [9] muestra que hay un número determinado de nodos en el que la solución converge y el valor de la solución se reitera. Cada parte de la celda de combustible, aunque son objetos independientes, la malla de cada elemento debe ajustarse y coincidir entre ellos. Varsteg, además menciona que para tener un modelo decente, el tamaño mínimo de una celda de malla debe ser igual al tamaño mínimo del componente más pequeño en la parte. Para el caso del serpentín, el tamaño mínimo debe ser igual a la altura del canal. La Tabla 2 muestra las dimensiones de los nodos a los largo de tres ejes perpendiculares

Tabla 1. Tamaño de los nodos

Componenet X(m) Y(m) Z(m)

Placa Bipolar 5e-4 5e-4 5e-4

Capa de Difusión de Gas

5e-4 1.0e-4 5e-4

Capa Calatítica 5e-4 3e-6 5e-4

Membrana 5e-4 9e-6 5e-4

Se puede distinguir en la Tabla 2 que los tamaños a lo largo de los ejes X y Z son uniforme, pero en el eje Y el tamaño es diferente debido a la diferencia de alturas.

A parte del número de elementos, otro dos aspectos deben chequearse para predecir si la malla es óptima o no. La Tabla 3 muestra el número de nodos, elementos, Calidad Ortogonal Promedio y Oblicuidad Promedio.

Tabla 3. Calidad Ortogonal Promedio de la Malla

Descripción Número

Nodos 848421

Elementos 800000

Calidad Otrogonal 0.999

Oblicuidad 1.175e-3

2.2. Cálculos de Solución del PEMFC

El procesamiento o simulación involucra la solución de ecuaciones diferenciales parciales no lineales que

están acopladas entre sí. La integración numérica de estas ecuaciones se realiza con métodos de volumen finito (FVM) en cada celda de dominio computacional. Por este motivo, se definieron varios parámetros físicos, condiciones iniciales y de frontera, y parámetros de operación. La Tabla 4 muetsra las condiciones de operación que fueron ajustados para la simulación del PEMFC.

El PEMFC fue simulado como un problema de estado estable, y de las nueve partes de la celda siete fueron considerados sólidos y dos como fluidos.

Tabla 4. Condiciones de operación

Descripción Cantidad

Entrada del Ánodo

Entrada del Cátodo

Terminal A 0.0 V

Terminal C 0.1V – 0.6V

Salida del Ánodo 70°C

Salida del Cátodo 70°C

Presión 3 atm

3. RESULTADOS

El pos-proceso involucra el cálculo de varios parámetros como densidad de corriente, caída de presión, concentración de masa, curvas de polarización y varios tipos de gráficas de aquellas cantidades en la superficie o en el volumen de interés.

Los resultados obtenidos a través de las simulaciones se muestran en imágenes a c ontinuación, donde se puede apreciar la tendencia de variación por colores que representan un valor determinado.

Figura 6 Flujo de corriente ánodo (A/m2)

La Fig. 6 muestra la variación de la densidad de corriente en el ánodo y la Fig. 7 en l cátodo, en que se ilustra por la coloración verde donde se ubica los valores más altos.

Figura 7 Flujo de corriente cátodo (A/m2)

Figura 8 Caída de presión (Pa)

Figura 9 Perfil de concentración de Hidrogeno

La Fig. 8 muestra la variación de la caída de presión a lo largo del serpentín en el ánodo y el cátodo, en el que se puede apreciar que existe mayor caída de presión en la entrada que en la salida, evidenciada por la coloración rojiza.

El consumo de hidrógeno en la celda de combustible incrementa con el flujo, el color rojo significa que la cantidad de concentración del combustible es mayor, tal como se muestra en la Fig. 9

Figura 10 Perfil de concentración de O2

En la Fig. 10 se ilustra que el consumo de oxígeno en la celda de combustible decrece a l o que el flujo cruza la celda.

La curva de polarización de la Fig. 11 muestra las pérdidas de activación, óhmica y de concentración en el PEMFC, siendo la primera de 0.3 v, la segunda de 0.4 v y la última de 0.1 v. Se alcanzó una densidad de corriente de 0.1 A/cm3 a un voltaje de operación de 0.6 v.

Figura 11 Curva de polarización

3.1. Análisis de Resultados

El contorno de densidad flujo de corriente en el ánodo y en el cátodo parece ser similares, y esto puede ser explicado por la ley de conservación de energía. Las áreas azules indican que hay menos flujo de corriente es

las determinadas regiones, y se debe a q ue no hay suficiente especies para reaccionar y que exista la transformación electroquímica en energía eléctrica. La Fig. 6 muestra que la cantidad incrementa en las partes del serpentín. Se puede especificar que en la simulación el valor de densidad de corriente alcanzado es muy cercano al valor de diseño de 100 mA/cm2

La caída de presión mostrada en la Fig. 8 se debe al cambio de dirección del flujo. Sin embargo, la caída de presión total es de 96 kPa que es menor a la presión de diseño de 3 atm, lo que significa que no hay necesidad de una fuente mecánica para propulsión de gases. La velocidad en cada fluido es suficiente para vencer la fricción.

El consumo de oxígeno es más rápido que el de hidrógeno de acuerdo a las Fig. 9 y Fig. 10, y esto se debe a l a relación estequiométrica de los gases. La cantidad consumida indica que al final del serpentín el fluido todavía transforma energía química en electricidad.

En la curva de polarización se muestra caída de voltaje debido a l a energía de activación. Además, mientras que la densidad de corriente aumenta el voltaje decae por la ley de conservación de energía.

4. RECOMENDACIONES

Para mejorar la reacción electroquímica, debe existir contraflujo de gases, lo que resulta en que las entradas deben estar próximas.

Incrementar el área total de activación, además de mantener el mismo diseño de serpentín terminaría con poca eficiencia debido a que dependiendo de la dimensión total del canal, se debe cambiar el flujo másico en la entrada.

Para mejorar el modelo simulado se debería alcanzar un mallado más fino, sin embargo existe un punto donde el tamaño de la malla es indiferente del tamaño de la celda de combustible. Después de alcanzar este punto el refinamiento del mallado debería alcanzarse

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Gonzalo Almeida Pazmiño.- Nació en Guayaquil, Ecuador en 1981. Recibió su título de Ingeniero Mecánico de la Escuela Superior Politécnica del Litoral ESPOL en 2006; de Master en Ingeniería Mecánica de la Universidad de Yuan Ze de

Taiwán en 2011. Sus campos de investigación están relacionados con el Desarrollo de Celdas de Combustible de Intercambio Protónico, Generación de Hidrógeno, Sistemas Térmicos Eficientes y las Energías Alternativas.

Felipe Condo Colcha.- Nació en Riobamba en 1992. En la actualidad, se encuentra cursando sus estudios de pregrado en Ingeniería Mecánica en la Escuela Suoerior Politécnica del Litoral (ESPOL), y su campo de trabajo se encuentra relacionado con la

Energía Renovable y Celdas de Hidrogeno.

Análisis de platos típicos de la sierra Ecuatoriana para el Programa Nacional de Cocción Eficiente

J. Martinez1, S. Alvarez2, A. J. Riofrio1, P. R. Cruz2. 1 Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables

(INER), 6 de Diciembre N33-32, Quito, Ecuador

2 Universidad Internacional de Ecuador, Quito, Ecuador6 de Diciembre N33-32.

[email protected] [email protected]

Palabras clave Cocina, cocina de inducción, cocina de gas licuado de petróleo, GLP, Programa Nacional de Cocción Eficiente, costo al usuario. Resumen El consumo de energía durante los procesos de cocción de alimentos tiene una influencia directa sobre la economía energética de una nación. Por ello es necesario analizar los procesos de cocción residencial y más concisamente el consumo y tiempos de cocción con gas licuado de petróleo (GLP), cuya utilización está ampliamente extendida en América latina (45 %), Asia (27 %) y Europa (15 %). Actualmente en Ecuador, se está llevando a cabo el Programa Nacional de Cocción Eficiente, que es una iniciativa coordinada por el Ministerio de Electricidad y Energías Renovables (MEER). El principal objetivo es migrar el uso de GLP a la electricidad por medio de la cocción de alimentos mediante cocinas de inducción en el sector residencial del país. Este artículo describe un análisis de la energía, costos y tiempos consumidos durante la cocción de platos típicos de la sierra Ecuatoriana en el sector residencial. Este estudio hace una comparación entre dos fuentes de energía diferentes como son el gas licuado del petróleo (GLP) y la electricidad, mediante el uso de cocinas de GLP, y de inducción. Como resultado del experimento se ha observado que la cocina de inducción es más eficiente en términos de costo al usuario, tiempo y energía consumida durante el proceso de cocción.

I. INTRODUCCIÓN

El sector residencial consume aproximadamente el 92% del Gas Licuado de Petróleo (GLP) que se utiliza en el Ecuador. El precio tiene un subsidio que es asumido por el estado Ecuatoriano y alcanza aproximadamente los USD 700 millones por año [1-4]. Por otro lado alrededor del 78% de la demanda nacional de GLP es importado, lo que genera dependencia y por

tanto una importante salida de divisas al exterior que afecta a la balanza comercial del país.

Debido a que el 92% del uso de GLP a nivel nacional está focalizado en el sector residencial y el gas de uso doméstico está subsidiado de manera generalizada a todos los segmentos de la población. Todos los segmentos de población pueden comprar el GLP a 1.60 US por cilindro de 15 Kg, US$ 2 por cilindro para entrega a domicilio. Frente a un precio de mercado que podría situarse en un rango entre 16 y 20 dólares por cilindro según las condiciones de mercado [2-4]. A diferencia del Perú y Colombia cuyos precios oscilan entre 25 dólares y 18 d ólares respectivamente [1-4].

El Programa Nacional de Cocción Eficiente (PNCE) tiene como principal objetivo migrar el uso de GLP a la electricidad por medio de la cocción de alimentos mediante cocinas de inducción en el sector residencial del país. El (PNCE) busca introducir alrededor de 3 millones de cocinas de inducción hasta el 2016. Las cocinas estará acompañadas de su respectivo juego de ollas de características adecuadas para la tecnología de inducción (material ferromagnético) conformando kits de inducción [3-5]. El proyecto se enmarca en el cambio de la matriz productiva que se está realizando en Ecuador. En la actualidad está basada en fuentes de hidrocarburos, que principalmente está generada en centrales térmicas, hacía energías renovables generadas principalmente por la industria hidroeléctrica. Siendo esta una tecnología que involucra menores emisiones de efecto invernadero durante la producción de energía [5-7].

Las cocinas de inducción frente a las de GLP presentan algunas diferencias, como son: Mayor seguridad en cuanto a riesgos por quemaduras. Menor esfuerzo en la limpieza pues las cocinas de inducción. Emiten una menor concentración de partículas volátiles, mayor rapidez en la cocción de los alimentos. Finalmente duplican su eficiencia energética en la transformación de energía alcanzando un valor del 92 % en algunos casos [7-8]. De esta manera, cocinar con una cocina de inducción, en una familia que actualmente consume un cilindro de GLP por mes, equivaldrá a consumir aproximadamente 80 kWh de energía [9-13].

El Programa contempla además un fuerte incentivo tarifario para promover la migración del GLP a l a electricidad. Hasta el año 2018 los usuarios que usen cocinas eléctricas de inducción no pagarán por los primeros 80 KWh mensuales [1-4]. A partir de 2018 la tarifa para los primeros 80 KWh/mes será de USD 0,04/KWh, debido a que entrarán en operación los proyectos hidroeléctricos en construcción. El costo medio de generación caerá sustancialmente ya que la generación térmica será


limitada, llegándose a u na generación entre 80% y 90% hidroeléctrica [1-4].

El Ministerio de Electricidad y Energía Renovable (MEER) desarrolla en Ecuador el “Plan de Cocción Eficiente” (PCE). El PCE contempla introducir de dos a tres millones de cocinas de inducción [14-15]. La fuente energética está basadas en electricidad con sus respectivos sets de menaje de inducción en desde 2014 al 2016, por cocinas cuya fuente energética está basadas en gas licuado del petróleo (GLP) [2-5].

El propósito de esta investigación ha sido mostrar un análisis de los consumos de energía y tiempos en los procesos de cocción residenciales en 13 platos (4 menús) típicos de la zona de la sierra de Ecuador. Comparar el gasto energético con el subsidio que da el gobierno. En este estudio se hace una comparación entre dos fuentes de energía, como el gas licuado de petróleo (GLP) y la electricidad, a t ravés del uso de cocinas de GLP y una cocina de inducción. II. EQUIPOS Y MÉTODOS DE ENSAYO Los estudios de cocción se han realizado en el laboratorio de la Escuela de Gastronomía de la UIDE en la ciudad de Quito. Las mismas que estuvieron a cargo de Pablo Cruz (director de la escuela de Gastronomía de la Universidad Internacional del Ecuador (UIDE)) y su equipo de trabajo. Mientras el equipo de trabajo del proyecto de INER se encargó de monitorear y registrar los datos de los parámetros eléctricos en la cocción de 13 platos (4 menús). Correspondientes a la tensión, corriente, consumo de potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente, factor de potencia, distorsión armónica de voltaje y energía consumida por la cocina eléctrica de inducción y por la cocina eléctrica de resistencia mediante un analizador de calidad energética. Para este estudio se han utilizado una cocina de inducción de 6000 W de potencia nominal y 4 zonas de inducción. Una cocina eléctrica de 800 W de potencia nominal, con 2 zonas de calentamiento. Una cocina de laboratorio de GLP de 15.000 W, regulada a u na potencia por zona de 3000 W, para tener la misma potencia térmica que la cocina de inducción. Las ollas empleadas en los ensayos, fueron ollas comerciales, con acero AISI 304 austenítico como cuerpo del menaje y material tricapa en la base formado por acero AISI 430 ferrítico, aluminio y hierro soldado al cuerpo y embebido en una cápsula de acero AISI 304. Para la medición de la energía en cocinas de inducción, se puso en serie entre la cocina y la red eléctrica e u n analizador de calidad de la energía Fluke 43B. A través de este dispositivo se midieron los parámetros de red, la curva de potencia y la potencia instantánea. En el caso de la cocina eléctrica un analizador Sentron PAC3200 de Siemens se puso en serie entre la cocina y la red eléctrica. A través de este dispositivo, se midieron los parámetros de red como la curva de potencia y la potencia instantánea. Para la cocina de GLP se ha medido a cad a instante el peso

consumido por el cilindro de gas. Para obtener el dato de la energía contenida en un cilindro de GLP se utilizó las expresiones (1) y (2) [2].

E=∆m*PCs (1) Dónde:

• E: representa la energía calorífica contenida por el cilindro de GLP en [kcal].

• Δm: es la variación de masa de GLP en [kg]. Para este caso los 15 kg del cilindro que se encuentra a la venta al público en general.

• PCs: constituye el poder calorífico superior del GLP expresado en [kcal/kg]. Se preguntó a la empresa de gas y se ha considerado con un valor de 13,005 kcal/kg.

Eelec = (E[kcal]*1[kWh])/(860[kcal]) (2)

En la cual:

• Eelec: representa la energía eléctrica consumida en [kWh].

También en la expresión (4), se utilizó el factor de conversión que indica que 1 k Wh es equivalente a 860 kcal. Para este análisis hemos considerado un precio del cilindro de GLP de 15 kg a 20.00 $ y un precio de la energía eléctrica de 0,09 $ / kWh. En el caso de las pruebas de cocción eficiente se verificó las cantidades de alimentos a cocer y para las tres pruebas se diseñó un menú. Para garantizar la homogeneidad en los ensayos realizados todos los ingredientes fueron previamente pesados y divididos en porciones iguales. El menú preparado consta de 13 platos típicos de cocina típicos de la sierra Ecuatoriana, que se corresponderían con cuatro menús. Las características de los platos preparado con sus ingredientes puede observarse en la el tabla 1. Las pruebas de cocción se finalizaron bajo la consideración del chef de cocina que realizó los tres ensayos y que probó los alimentos y los consideró finalizados. III. RESULTADOS En primer lugar se analizaron los datos registrados por el analizador de la energía. En la tabla 2 se muestran la información de tiempos, energías consumidas y costos al usuario de los platos elaborados. Se ha observado que el tiempo de cocción se reduce en la cocina de inducción con respecto a l a de GLP. Con la cocina de inducción el tiempo se redujo entre 26 % y 58 % con la de GLP, dependiendo del plato. Esta disminución en el tiempo está relacionada en la mayoría de los casos con las etapas 1 y 2 en relación con el calentamiento del agua o aceite. La cocina de inducción disminuye el consumo de energía en relación con la cocina de GLP. La energía consumida en la cocina de GLP aumenta entre 94 % y 291 % en relación con la cocina de inducción. Este aumento de la energía consumida, está relacionado con la eficiencia energética de las dos cocinas [1]-[4].

Tabla 1 Información esencial de cada plato

Plato Ingredientes Cantidad Tratamiento Fotografía Descripción

Desayuno americano

Huevos

Aceite

Salchicha

Tocino

200 g

0,1 l

50 g

50 g

Batidos

fritura

Se fríe cortado en tiras.

El desayuno americano t iene su origen e n Estados Unidos en el año de 1906 donde nacen los desayunos compuestos de proteínas, lácteos y sustitutos de la carne. Este desayuno puede ser complementado con frutas, yogurt o cereales conjuntamente con café en agua o leche. Se lo realiza internacionalmente en Hoteles, hostales y restaurantes.

Leche con avena y huevos

cocidos

Huevos

Agua

Avena

Leche

Canela

Azúcar

200 g

1000 g

150 g

1000 g

2 g

100 g

Se hierven

Se hierve en leche

La avena con leche es una bebida típica de la gastronomía de múltiples países se lo realiza cocinando la avena, leche, azúcar junto con el aromatizante principal la canela. Se sirve caliente. El origen de la avena data desde los egipcios hasta los romanos que creían que era un cereal desagradable. Al pasar de los años se ha cambiado este concepto por lo cual es un producto con alto nivel de nutrientes y energía para el ser humano. Variedad de recetas a base de avena como galletas, pan, postres en la gastronomía internacional.

Motepillo

Cebolla blanca

Aceite de achiote

Manteca vegetal

Ajo

Mote

Sal, Culantro y Pimienta

Huevo

70 g

100 g

100 g

5 g

300 g

10 g

200 g

Cortado en cuadraditos

Picado

Se fríe con la cebolla

Se agrega cuando está frito

Es un plato típico ecuatoriano de la ciudad de Cuenca, conocido a nivel mundial. Este elaborado a base de mote, huevo, cebolla, ajo, sal, culantro y leche. Revuelto con una textura esponjosa, aroma, textura y color variado.

Tigrillo

Plátano verde

Cebolla Paiteña

Huevo

Queso

Mantequilla

Aceite

Sal y cilantro

300 g

40 g

200 g

200 g

20 g

0,1 l

10 g

Cortado en la mitad

Picada

Batir los huevos

Rallado

Picado

En un pl ato típico ecuatoriano de Zaruma que se encuentra en la Provincia del Oro, se lo llama tigrillo porque al servirlo se puede diferencias los colores de los tigrillos. Se lo sirve en el desayuno, un plato preferido por los ecuatorianos de las regiones de la Sierra, Costa, Oriente e Insular de Galápagos. Producto principal en esta preparación el plátano verde conocido a nivel mundial, huevo, cebolla y queso manaba, sabor característico de la región Costa. El tigrillo también es conocido en Guayaquil a diferencia que se lo acompaña con carne de cerdo

Sopa de chifles

Plátano Verde

Agua

Cebolla blanca

Queso criollo

Huevos

Sal y Pimienta

Achiote

170 g

1 l

35 g

125 g

100 g

25 g

0.1 l

Cortado en rodajas.

Picada

Rallado

Ligeramente batido

La sopa de chifles es un plato típico ecuatoriano de la región Sierra, su ingrediente principal es el plátano verde llamado dominico, cebolla, huevo, cilantro y queso; da ndo una fritura lo podemos obtener para acompañar los platos principales como son encebollado de pescado, ceviches y entre la gastronomía de la Sierra se acompaña con el ceviche de chochos.

Llapingachos con chorizo

Papa chola

Agua

Queso criollo

Aceite Achiote

Chorizo Ambateño

Huevo

Aguacate

Sal y pimienta

2000 g

1 l

200 g

0,15 l

1000 g

200 g

50 g

10 g

Pelada

Rallada

Cortada

Partida en cuartos

El Llapingacho es un plato fuerte típico ecuatoriano de la provincia Tungurahua cantón Ambato. Es un plato que consiste en tortillas de papa chola rellenas de queso, su color particular amarillo por el achiote, el chorizo ambateño a base de carne y aromatizantes junto con huevo. Su nombre proviene de la palabra quechua “llapiy” que significa aplastar. La textura principal de este plato es la masa de las papas por lo que obtendremos un sabor inigualable

Sopa de lenteja

Costilla de res

Cebolla

Zanahoria

Col

Lenteja

Papa

Aceite

Agua

Sal, pimienta, ají, cilantro y comino

250 g

150 g

100 g

100 g

400 g

150 g

0,1 l

1 l

30 g

Picada

Picada

Picada

La sopa de lenteja es un plato típico de la gastronomía de múltiples países. Se origina al suroeste de Turquía al norte de Siria un delicioso potaje que es utilizado en sopas y arroz para la dieta diaria. Consiste en cocinar la lenteja junto con la costilla de cerdo ahumando o hueso de chancho, vegetales y papa, dejando espesar. Principal fuente de vitaminas y energía para el ser humano.

Pescado a la plancha

Corvina

Huevo

Pan rallado

Aceite

Sal y Pimienta

Agua

Arroz

500 g

55 g

50 g

0,2 l

10 g

0,5 l

450 g

Batir

El pescado a l a plancha es un plato típico de la gastronomía de múltiples países. Su origen se da en las zonas costeras a nivel mundial, con diferentes preparaciones tales como en guiso, frito, apanado, plancha o al horno; con diferente tipos de salsas como son salsa de mariscos, con frutos cítricos. En Ecuador es un plato de la región Costa que aporta con un gran porcentaje de Omega3 y vitaminas. Considerado en la gastronomía ecuatoriana el producto más consumido de los platos típicos de la zona.

Sopa de arroz de cebada

Carne de cerdo

Cebolla blanca

Agua

Arroz de cebada

Papa chola

Col

Achiote

Sal, pimienta y comino

300 g

100 g

1 l

200 g

250 g

100 g

100 g

20 g

Picar cebolla

Picada

Remojado 1 h

Picada

La sopa de arroz de cebada es un plato típico de la gastronomía ecuatoriana especialmente en l a región Sierra. La receta está compuesta de hueso de cerdo, arroz de cebada, vegetales y papas. Su origen en Asia Occidental y África nororiente, con la llegada de los españoles se empezó a dar los cultivos en Sudamérica. La variedad de formas para consumir el arroz de cebada son como sopa, galletas, chicha de cebada, pasteles, pizza y pasta entre otras. Cereal que aporta carbohidratos y vitaminas al ser humano.

Chuleta de cerdo con

menestra de lenteja

Chuleta de cerdo

Lenteja

Ajo

Cebolla paiteña

Tomate de Riñón

Aceite

Agua

Arroz


600 g

400 g

50 g

60 g

100g

0,2 l

0,5 l

450 g

30 g

Sazonada

Remojar una hora antes

Picado fino.

Retirar semillas. Picado.

La chuleta de cerdo con menestra es un plato típico de la provincia de Guayas. Es un pl ato conocido en la Sierra, Oriente, Insular de Galápagos. Se lo cocina desde el siglo XVI por colonizadores españoles, donde en el Ecuador a p artir de este siglo se encontraba el ganado bobino. Se lo sirve caliente y su cocción se la puede realizar en la parrilla, plancha o sartén; su sabor es gracias a los condimentos empleados para dar el mejor sabor.

Bistec de carne

Carne de res

Cebolla paiteña

Tomate de riñón

Pasta de Tomate

Pimiento rojo

Aceite

Agua

Arroz


400 g

40 g

70 g

40 g

100 g

0.1 l

0,5 l

450 g

30 g

Sazonada

Remojar una hora antes


Picado fino

Lavado

El bistec de carne es un plato típico de la gastronomía Mexicana y Estadounidense, que también se la realiza en los múltiples países; se lo realiza a base de una lonja de carne con vegetales y en especial uso de la pasta de tomate. Se lo sirve calientes. A veces se lo sirve con huevo, queso o embutidos. En países como Ecuador es un plato tradicional de las regiones Sierra, Costa, Oriente e Insular de Galápagos

Tallarín de pollo

Pollo

Tallarín

Cebolla paiteña

Tomate de riñón

Pasta de tomate

Aceite

Agua

Arroz


300 g

250 g

40 g

70 g

30 g

0,25 l

0,5 l

450 g

30 g

Picado en tiras

Picado fino


Lavado

El tallarín de pollo es un plato típico de la gastronomía de múltiples países hecho cocinando el tallarín con pasta de tomate y pollo. Se sirve caliente. Se suele utilizar diferentes especies como el orégano, albahaca, pimienta. Se lo suele servir con queso parmesano en los países de Italia, Francia, Australia etc. El origen del tallarín es incierto se cree que fue en China, Italia su antigüedad es desde 4 000 años atrás.

Arroz relleno

Pollo

Arroz

Cebolla paiteña

Arveja

Zanahoria

Maduro

Aceite

Agua

Comino, pimienta-sal

300 g

450 g

80 g

50 g

60 g

70 g

0,1 l

0,5 l

30 g

Desmenuzado

Lavado

Picada

Pelado y rebanado

El arroz relleno es un plato típico de España y América Latina que se lo realiza en múltiples países. Su cocción se basa en preparar el arroz, cocinar el pollo y desmenuzarlo y mezclar con los vegetales. En Colombia y Panamá se desmecha el pollo y en Perú se lo sirve con culantro. En Ecuador su color particular es amarillo que aporta el achiote, en España es muy conocida por la paella con los ingredientes de carne, pollo y marisco.

Tabla 2 Proceso de cocción

Plato Proceso de cocción Tiempo cocina de inducción

[s]

Tiempo cocina gas

[s]

Energía consumida cocina

de inducción [kWh]

Energía consumida cocina de gas [kWh]

Costo cocina de

inducción* [$]

Costo cocina de gas* [$]

Desayuno americano

• Paso 1: Encender la cocina.

• Paso 2: En un sartén aceite que este caliente

• Paso 3: Agregar los huevos y revolverlos agregando sal al gusto

• Paso 4: Colocar el tocino en la sartén

• Paso 5: Colocar las salchichas en la sartén

• Paso 6: Apagar la cocina.

926 1995 0,28 0,893 0,025 0,079

Leche con avena y huevos

cocidos


• Paso 2: Hervir el agua

• Paso 3: Agregar la leche y se deja hervir.

• Paso 4: Agregar la avena, la canela y azúcar al gusto y se deja calentado.


1891 2463 0,52 1,268 0,047 0,112

Motepillo


• Paso 2: Freír la cebolla con la manteca y el ajo.

• Paso 3: Añadir el mote cuando la cebolla esté suave.

• Paso 4: Agregar huevos, condimentar y dejar secar.


330 743 0,15 0,435 0,013 0,038

Tigrillo


• Paso 2: Agregar el verde pelado para su cocción

• Paso 3: Realizar refrito con mantequilla y cebolla

• Paso 4: Agregar verde majado con el queso


1135 2070 0,31 0,945 0,028 0,083

Sopa de chifles


• Paso 2: Agregar el plátano verde

• Paso 3: Realizar refrito

• Paso 4: Agregar agua, huevo y queso.


1628 2164 0,45 1,026 0,041 0,090

Llapingachos con chorizo


• Paso 2: Hervir en una olla la papa con agua y sal.

• Paso 3: Freír el chorizo.

• Paso 4: Freír las tortillas y el huevo frito.


1934 3471 0,65 1,702 0,058 0,150

Sopa de lenteja


• Paso 2: Hervir en agua las costillas de res y los vegetales.

• Paso 3: Realizar refrito de las cebollas y el ajo.

• Paso 4: Freír las tortillas y el huevo frito.


2265 5380 0,69 2,671 0,062 0,236

Pescado a la plancha


• Paso 2: Freír el pescado apando.

• Paso 3: Realizar sofrito en una olla, mezclar, condimentar y servir.


1203 2398 0,46 1,236 0,041 0,109

Sopa de arroz de cebada


• Paso 2: Cocinar la cebada con agua.

• Paso 3: Cocinar la carne de cerdo con ajo.

• Paso 4: Realizar un refrito de cebolla y ajo

• Paso 5: Realizar un refrito en el fondo de hueso con papa y arroz de cebada.


2025 3592 0,49 1,754 0,044 0,155

Chuleta de cerdo con

menestra de lenteja


• Paso 2: Realizar un refrito con cebollas, tomate de riñón y ajo.

• Paso 3: Agregar el refrito con la lenteja.

• Paso 4: Freír la chuleta.

• Paso 5: Condimentar y servir.


2640 3720 0,61 1,818 0,054 0,160

Bistec de carne


• Paso 2: Realizar un refrito con cebollas, tomate de riñón y pimiento.

• Paso 3: Agregar la carne con pasta de tomate y condimentar y freír.


1398 1886 0,47 0,914 0,042 0,081

Tallarín de pollo


• Paso 2: Hervir el agua.

• Paso 3: Agregar el tallarín.

• Paso 4: Realizar un refrito con cebollas, tomate de riñón y salsa de tomate.

• Paso 5: Freír el pollo y mezclarlo todo.


2085 3504 0,50 1,698 0,045 0,150

Arroz relleno


• Paso 2: Cocer el pollo y vegetales.

• Paso 3: Realizar sofrito con cebolla.

• Paso 4: Freír maduros y juntar con los anteriores.


2143 2865 0,51 1,379 0,046 0,122

* Para este análisis hemos considerado un precio del cilindro de GLP de 15 kg a 20.00 $ y un precio de la energia eléctrica de 0,09 $ / kWh.

Figura 1 Variación de la potencia activa en la cocina de inducción

En la tabla 2 se observa como con la cocina de GLP se aumenta el costo de al usuario, con respecto a l a cocina de inducción, cuando se comparan el precio de las dos tecnologías, en condiciones de libre mercado. El costo monetario de la cocina de GLP aumenta entre 93 % y 252 % en relación con la cocina de inducción. Sin embargo, el costo de un cilindro de gas de 15 Kg en Ecuador, se encuentra subsidiado en casi un 90 %, por lo que el costo de la [3]-[7]. Es por ello que la gente percibe que la cocina de inducción es una tecnología más cara. En la figura 1 se muestra la gráfica de las variaciones de potencia activa durante la cocción en cocina de inducción, se observa cómo la potencia activa y el consumo de energía muestra un comportamiento variable. Se ha observado cómo la cocción por inducción no funcionó a la máxima potencia.

IV. DISCUSIÓN Se ha observado que el consumo energético con la cocina de inducción de un menú diario que incluya un desayuno, un almuerzo y una cena.se encontraría entre 1,07 y1.58 kWh (Tabla 2). A este menú se le podría incluir el consumo energético del arroz de cebada 0,49 kWh, para tener un almuerzo compuesto de una sopa y un plato. El PNCE especifica que los usuarios adscritos al programa, con una cocina de inducción recibirán un incentivo de subsidio de los primeros 80 kWh [4]-[7]. Con los resultados obtenidos se observa que ese subsidio cubre toda la energía necesaria para los menús de un mes de hasta 31 días. V. CONCLUSIONES Se han realizado menús de comida de típico de la cocina de la sierra ecuatoriana en cocinas de inducción y de GLP. Se ha observado que el tiempo de cocción, la energía consumida y el costo al usuario se reducen en la cocina de inducción en comparación con la de GLP, por lo que puede decirse que es una tecnología más eficiente. Agradecimientos Los autores de la presente investigación reconocen a la Secretaría Nacional de Planificación y Desarrollo (SENPLADES) para la financiación de la ejecución de la presente investigación. Este trabajo fue patrocinado por el proyecto Prometeo de la Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT), celebrada en la República de Ecuador. La información necesaria para completar este trabajo fue dada por el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable (MEER) de Ecuador. Referencias

[1] J. Martínez, S. P. Villacís, M. A. Orozco, D. E. Vaca. Corrosion analysis in different materials for induction cookware. Conference Paper · X CONGRESO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA. 2015. [2] J. Martínez, A. J. Riofrio, S. P. Villacis, J. P. Kastillo. Heat transfer analysis in different cookware materials. Conference Paper · X CONGRESO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA. 2015.

[3] Augusto Riofrío, Diego Carrión, Marco Orozco, Diego Vaca, Javier Martínez. Análisis del consumo energético en procesos de cocción eficiente para el sector residencial. Conference Paper · X COLIM VIII congreso latinoamericano de ingenieria mecánica, At Cuenca, Ecuador, Volume: 1. 2014 [4] Javier Martínez, Diego Vaca, Marco Orozco, Andrés Montero. Selección de materiales para menaje de cocinas de inducción. Métodos Pugh, Dominic y Pahl Beitz. Revista Energia, Volume 11, Pp. 116-126. 2014. [5] Marco Orozco, Diego Vaca, Javier Martínez, Augusto Riofrío, Diego Carrión, Stefany Villacis. Estudio de ensayos de eficiencia energética, concavidad, convexidad y rugosidad en menaje para cocinas de inducción. Conference Paper · X COLIM VIII congreso latinoamericano de ingenieria mecánica, At Cuenca, Ecuador, Volume: 1. 2014. [6] S. Villacís, J. Martínez, A. J. Riofrío, D. F. Carrión, M. A. Orozco, D. Vaca. Energy efficiency analysis of different materials for cookware commonly used in induction cookers. 7th International Conference on Applied Energy during March 28-31, 2015 [7] J.P.Kastillo, J.Martínez, Villacís, A. J. Riofrío, M. A. Orozco, Computational fluid dynamic analysis of olive oil in different induction pots. 1st Pan-American Congress on C omputational Mechanics – PANACM 2015. [8] ASHRAE Standard Project Committee 62.1. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality ASHRAE 62. 2001. [9] ANSI/ASHRAE Standard Project Committee 55. Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy ASHRAE 55. 2004. [10] Indoor Air Quality Standard of China (GB/T 18883-2002),, pp. 2 (in Chinese), 2002. [8] Ministerio de electricidad y Energía Renovable, Informe de resultados de la implementación del “Plan Fronteras para Sustitución de Cocinas de Inducción en el Carchi”, Mayo del 2011, Pág. 3 [9] J. Muñoz Vizhñay, Análisis de la incidencia del uso de cocinas eléctricas de inducción, Empresa eléctrica regional del sur S.A. Loja, , pp 1-14. 2013 [10] MEER Ministerio de electricidad y energías renovables. Estudio sobre menaje para cocinas de inducción eléctrica y requerimientos de la red para incorporación masiva de cocción eficiente, pp 2-15. 2011. [11] J. Martínez-Gómez, D. Ibarra, S. Villacis, P. Cuji, P. R. Cruz. Analysis of LPG, electric and induction cookers during

cooking typical Ecuadorian dishes into the national efficient cooking program. Food Policy, 59, pp.88-102. 2016. [12] L. Alvarez Quito, C. A. Apolo Apolo, Incidencia del programa'cocción eficiente'en la demanda máxima unitaria para la provincia de Morona Santiago. 2015. [13] C. M. Orellana Uguña, M. I. Pañi Uguña, Incidencia del programa'cocción eficiente'en la demanda máxima unitaria en el sector residencial rural de la ciudad de Cuenca. 2015. [14] Plan Maestro de Electrificación. Electrificación 2013–2022. Volumen 2: estudio y gestión de demanda eléctrica. 2014. [15] W. D. González Hidalgo. Impacto de la implementación del sistema de cocción inducción electromagnetica en las redes de distribución de la empresa Eléctrica Regional del sur en la ciudad de Loja. 2014.

ANÁLISIS CFD DEL CALENTAMIENTO DE AGUA EN DIFERENTES CONFIGURACIONES DE OLLAS DE INDUCCIÓN

Juan Pablo Kastillo Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías

Renovables (INER) Quito, Ecuador

[email protected]

Javier Martínez Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías


[email protected]

Resumen—El Ministerio de Electricidad y Energía Renovable (MEER) desarrolla en Ecuador el “Plan de cocción Eficiente” (PCE), cuyo principal objetivo es migrar las cocinas basadas en gas licuado de petróleo (GLP) a cocinas de inducción, este cambio de tecnología permitirá al gobierno ecuatoriano ahorrar unos 295 M$ por el uso de energía eléctrica generada en el país y así contribuir al cambio de la matriz productiva, basada en plantas hidroeléctricas. Las cocinas de inducción se han vuelto muy populares en hogares a nivel mundial, debido a que presentan ventajas con respecto a las cocinas de GLP y eléctricas como: mayor seguridad, altos valores de eficiencia son fáciles de limpiar y además presentan un gran ahorro de energía. Sin embargo, para aprovechar al máximo las ventajas que presentan las cocinas de inducción se deben analizar el sistema cocina-olla. Por lo tanto es muy importante el análisis de la configuración de materiales, especialmente en la base de las ollas. La d istribución de temperaturas en las ollas va a d epender de las propiedades térmicas del material, así como de las configuraciones geométricas de las mismas, en el caso de procesos de cocción, los gradientes generados en las ollas determinan el comportamiento del flujo convectivo que afecta la calidad de la comida y los tiempos de cocción. En este contexto el objetivo de este estudio fue analizar el desempeño de la convección natural, junto con la distribución de temperaturas que presentan diferentes configuraciones de ollas para cocinas de inducción; olla de acero inoxidable en la base y en el cuerpo, olla de hierro enlozado y olla de aluminio en el cuerpo y disco de acero inoxidable prensado en la base, al calentar un lito de agua. Los datos experimentales fueron analizados mediante una simulación CFD del agua. Los datos experimentales fueron analizados mediante una simulación CFD realizada en el software COMSOL para comprender los fenómenos térmicos del calentamiento de agua. Por otro lado, estos resultados fueron comparados con los resultados obtenidos experimentalmente en las termografías para calibrar el modelo.

Palabras claves—CFD; Convección Natural; Inducción; Eficiencia

I. INTRODUCCIÓN En los últimos años Ecuador está transformando s u matriz

energética, con el objetivo de disminuir el consumo de combustibles fósiles utilizados principalmente para la generación de energía eléctrica y optar por una energía limpia, generada principalmente por fuentes renovables (hidroeléctricas) [1]-[4]. Como una alternativa a esta problemática, se ha implementado el plan de cocción eficiente, el cual consiste en remplazar las cocinas de GLP por cocinas de inducción [5]-[7].

Las cocinas de inducción son equipos que generan campos magnéticos, los cuales se inducen en la base de la olla, ocasionando que el calor se transfiera directamente en los alimentos [8], [9] con lo cual se asegura que las pérdidas de calor hacia los alrededores sean mínimas. Como muestra Sazak y Cetin [10], el flujo de calor a través de la base de la olla generado por el

campo magnético depende del espesor y de la geometría del cuerpo.

Por este motivo, el utensilio debe ser hecho de un material ferromagnético por lo menos en la base para asegurar el correcto funcionamiento o la mayor eficiencia [1]-[4]. Además dicho material debe garantizar que la distribución de calor sobre los alimentos sea homogénea. Sin embargo, no solo esta condición debe cumplirse para obtener alimentos de calidad, también se debe conocer el comportamiento del flujo durante la cocción de alimentos. Como muestra Abdul Ghani et al. [11], muchos procesos de cocción de alimentos como la refrigeración, secado, cocción, mezclado, congelación, pasteurización y la esterilización se basan en al análisis CFD del fluido, y como esto afecta la calidad de los alimentos con respecto a la textura, sabor, microbiología y composición alimenticia [8]-[11].

Los modelos CFD en procesos de cocción permiten resolver las ecuaciones de momento y energía (Navier Stokes) y además modelar la convección natural a partir del cálculo de la fuerza volumétrica en el dominio del fluido, como muestran estudios realizados por Verboven y Scheerlinck [12]. Un ejemplo típico de transferencia de calor en el cual se resuelven las ecuaciones de calor, momento y continuidad al mismo tiempo, se observa en procesos de esterilización de recipientes cilíndricos como muestra, Abdul Ghani, Frid y Chen [13], en su estudio. El modelo se utilizó para determinar los patrones de flujo transitorios y los perfiles de temperatura en el fluido durante el calentamiento.

Al conocer dichos flujos es posible conocer patrones de transporte de microorganismos en el fluido y así determinar la calidad alimentaria de los alimentos, según Abdul Ghani [11], inclusive con el uso de estos mismo modelos [14] se logró determinar propiedades térmicas de los materiales durante el proceso de cocción, las misma que sirven como parámetros de entrada para el diseño de nueva tecnología para la cocción de alimentos.

Todos los modelos CFD deben ser validados a p artir de resultados obtenidos experimentalmente ya que para resolver las ecuaciones diferenciales se ha cen varias aproximaciones. Los modelos pueden ser validados comparando las temperaturas del fluido [15].

En este sentido, el objetivo de este estudio fue el análisis del calentamiento de agua para tres diferentes configuraciones de menaje, mediante el análisis de los flujos de calor, gradientes de temperatura y la observación del comportamiento del fluido para determinar la mejor configuración de olla usada para la inducción.

El modelo físico fue simulado utilizando el software COMSOL multiphysics y los datos obtenidos de la simulación fueron validados con datos obtenidos experimentalmente.

El modelo fue calibrado comparando las temperaturas

medidas del fluido con las calculadas, para lo cual se utilizó

termografías, con las cuales se pudo observar la distribución de temperaturas durante el fenómeno de calentamiento por inducción [16].

II. METODOLOGÍA

A. Procedimiento del ensayo

Los ensayos consisten en el calentamiento de las ollas con y sin agua, en condiciones controladas de laboratorio. Las ollas fueron colocadas sobre una cocina de inducción marca Povos/Pentium C21-PH12T de una sola zona de inducción, con una potencia nominal de 1000 W y un vol taje de 110 V . Una cámara termográfica modelo FLUKE Til125 fue usada para medir las temperaturas sobre la olla y el fluido, con una escala de 60 ºC a 385 ºC. La cámara termográfica fue ubicada a una distancia de 1,20 m como se observa en la Fig. 1. Además se utilizó una termocupla tipo K para medir la temperatura del agua durante el calentamiento, esta fue ubicada como se muestra en la Fig. 2.

Después la cocina fue encendida mientras la cámara termográfica media y almacenaba los valores de temperatura tanto para la base de la olla como para el cuerpo de la olla. Esto se realizó para observar la distribución de temperaturas en la olla durante el calentamiento. Es importante mencionar que este ensayo fue realizado en la fábrica UMCO, ubicada al sur de Quito a una altura de 2800 m sobre el nivel del mar y en donde el agua hierve a 92 ºC aproximadamente.

Por otro lado, los ensayos fueron realizados en tres diferentes

configuraciones de ollas, como se observa en la Fig. 3. La primera olla está compuesta de hierro enlozado tanto en la base como en el cuerpo; la segunda olla está conformada por acero inoxidable AISI 430 para el cuerpo; la base está conformada por una tricapa de: AISI 430, aluminio y hierro, esta base se suelda al cuerpo de la olla. La última olla corresponde a aluminio para el cuerpo y un disco de acero AISI 430 para la base.

Se colocó un litro de agua en cada una de las ollas a una

temperatura de 15 ± 1 ºC y se encendió la cocina hasta la ebullición del agua. Una vez que el agua hierve, se apaga la cocina y se deja enfriar a temperatura ambiente hasta llegar a

una temperatura de 50 ºC en el caso de las ollas sin agua, y durante 10 minutos en el caso de las ollas con agua. También se realizaron pruebas con las ollas sin fluidos para correlacionar los resultados con los de la cocina. Las temperaturas obtenidas fueron usadas para calibrar el modelo CFD desarrollado en el software COMOSOL Multiphysics. B. Simulación

1. Suposiciones Para simplificar el problema, las siguientes aproximaciones fueron hechas:

(1) Simetría: Al tener la olla una forma cilíndrica. La convección dentro de la olla se considera solo en el eje axial.

(2) La generación de calor debido a la disipación viscosa es despreciable.

(3) La aproximación Boussinesq se aplicó al modelo de convección

(4) La suposición de no deslizamiento para la pared interior es aceptable

(5) La convección en el agua se considera laminar, debido a que se está modelando la convección natural.

(6) El valor de la gravedad es 9,8 m/s2 (7) Las propiedades térmicas del agua varían durante la

simulación.

Densidad de corriente (A/m2)

Frecuencia angular (rad/s)

Conductividad eléctrica (S/m)

Permisividad vacío (F/m)

Permisividad relativa material

Potencial magnético (Wb/m)

Permeabilidad vacío (H/m)

Permeabilidad relativa

Densidad de flujo magnético (T)

Frecuencia (Hz)

Numero de vueltas de la bobina

Voltaje en la bobina (V)

Voltaje en el inductor (V)

Resistencia de la bobina (ohm)

Densidad (Kg/m3)

Velocidad (m/s)

Presión (Pa)

Fuerza volumétrica (N/m3)

Calor específico (J/kg*K)

Temperatura (K)

Conductividad (W/K*m)

Viscosidad (Pa*s)

Calor generado (W/m3)

2. Ecuaciones del modelo

El modelo, se basa en la solución de las ecuaciones diferenciales de dos fenómenos físicos al mismo tiempo. Por un l ado el calentamiento por inducción y por otro la transferencia de calor conjugada entre el fluido y la olla, una vez resueltos los dos modelos físicos se obtuvo la distribución de temperaturas en la olla y en el agua, así como los flujos convectivos. A continuación

Fig. 2 Posición de la termocupla

Fig.1 Posición de la cámara termográfica

Fig. 3 Esquema de las ollas ensayadas

se detallan las ecuaciones que nos permiten modelar el fenómeno físico.

a. Inducción

El calentamiento por inducción responde a un modelo electromagnético basado en las ecuaciones de Maxwell, como se muestra a continuación:

(1)

Donde la densidad de flujo magnético B se resuelve en función del vector de potencial magnético:

(2)

Para encontrar el vector de potencial magnético en la ecuación 1, se fija como condición de frontera una densidad de corriente definida en función de los parámetros propios de la bobina.

(3)

b. Transferencia de calor

Las ecuaciones diferenciales que gobiernan el flujo convectivo en un cilindro son las ecuaciones de Navier-Stokes, para el caso de esta investigación se utilizaron las ecuaciones simplificadas de la continuidad y momento:

Continuidad:

(4)

Para modelar el cambio de la densidad con respecto a la temperatura asumiendo que se tiene convección natural durante el calentamiento del agua, se utilizó la aproximación de Boussinesq, la cual se establece como condición de frontera en el término de la fuerza volumétrica de la ecuación 4.

(5)

Momento:

(6)

Las dos ecuaciones se resuelven en conjunto con la ecuación de calor:

(7)

Donde el término de calor Q que entra al sistema depende del calor generado por el campo magnético inducido por la cocina de inducción.

Para resolver el modelo físico se establecen las siguientes condiciones iniciales.

(8)

(9)

Donde z es la altura de la olla, esta condición calcula la variación de la presión en toda la superficie de la olla.

3. Solución del modelo

El software utilizado para la solución de las ecuaciones diferenciales del calentamiento inductivo, combinado con el calentamiento de agua fue COMSOL multiphysics. Este software permite la solución del modelo mediante el método de elementos finitos, el cual consiste en dividir a la geometría en subdominios no intersecantes que se le conoce como mallado. En esta investigación el modelo fue resuelto utilizando un mallado fino tetraédrico triangular libre para el dominio del fluido y para el dominio de la olla se utilizó un mallado normal tetraédrico triangular libre.

Para disminuir el tiempo de cálculo de la simulación se construyó un modelo simétrico, tomando solamente la mitad de la olla para la simulación del flujo convectivo, todas las ollas fueron simuladas bajo las condiciones establecidas en la Tabla 1.

Tabla 1 Características de la solución del modelo

Simulación

Tiempo [s] (0,10,500)

Memoria física 3,55 GB

Memoria Virtual 3,78 GB

Grados de libertad 236772

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

A. Temperaturas medidas con la cámara termográfica La distribución de temperaturas medidas con la cámara

termográfica, en la base de la olla sin agua después de 10 segundos de calentamiento se muestra en la Fig. 4 a),b),c) y en la Fig. 4 también se observa el flujo de calor generado por el campo magnético de la la cocina de inducción a través de la base. La olla de hierro enlozado de la Fig. 4 a), presenta un calentamiento en forma de toroide, la cual se forma justo en la posición en la que se encuentra la bobina de la cocina de inducción. En el caso de la olla de acero inoxidable y la olla de aluminio, Fig. 4 b), c) se tiene la misma forma de calentamiento de la base debido a la bobina, pero estas presentan una distribución más uniforme, ya que la diferencia entre la temperatura en el centro de la olla y la de los lados es menor, con una diferencia de 5 ºC.

En el caso de los flujos de calor se observa la misma distribución que se encontró en el análisis de la temperatura y se puede evidenciar claramente que la cocina que se caliente más rápido es la olla de hierro enlozado, Fig. 4. a).

-0,04 -0,02 0,00 0,02 0,040

15000

30000

45000

60000

75000

Hea

t flu

x [W

/m2 ]

Distancia con respecto al centro [m]

Heat flux at 15 s Heat flux at 30 s Heat flux at 50 s

a)

B. Comparación de las temperaturas medidas y calculadas

durante el calentamiento de agua. En la Fig. 5, se observan las curvas de calentamiento de

agua, obtenidas durante los ensayos y posteriormente calculadas en el modelo mutifisico. En la gráfica se observa la correlación que existe entre las medidas de temperatura calculadas y medidas, la cual corresponde a u na correlación lineal entre las dos medidas.

Al comparar las dos medidas se obtuvo un error del 20% entre las temperaturas calculadas y medidas. Según [9], para simulaciones CFD el error aceptable en la predicción de flujos y temperaturas del fluido se acepta un error de hasta el 40%.

Tomando en cuenta esta consideración, el modelo CFD planteado nos sirve para calibrar el modelo y así calcular la predicción del flujo conevectivo en las demás configuraciones de ollas.

C. Distribución de temperaturas en el fluido. El cambio en la temperatura en el fluido y en la base se

puede observar en la Fig. 6,a),b),c) se muestra la distribución de temperaturas del agua cuando esta comienza a cambiar de estado debido a que el agua comienza a h ervir. La olla de hierro enlozado, Fig. 6 a) presenta la mayor temperatura en toda la

superficie del fluido a dicho tiempo alcanzando una temperatura de 114,53 ºC en casi toda la superficie, en comparación con la olla de acero inoxidable y la de aluminio las cuales presentan menor superficie a dicha temperatura, Fig. 6 b),c).

Esto se debe a las propiedades del material, el cual tiene una

mayor conductividad en comparación a las otras ollas. En cuanto a la transferencia de calor en la olla, se observa que las ollas de acero inoxidable y aluminio concentran el calor sobre el fluido teniendo menos pérdidas de calor hacia el ambiente, ya que la temperatura sobre el lateral en comparación a la temperatura del fluido es menor, lo que no sucede en la olla de hierro enlozado, en la cual la temperatura del fluido y del lateral de la olla llegan a tener la misma temperatura. Fig. 6 Distribución de temperaturas a) olla de hierro enlozado, b) olla de

acero inoxidable en el cuerpo y en la base, c) Olla de aluminio en el cuerpo y en la base acero inoxidable.

-0,04 -0,02 0,00 0,02 0,040

15000

30000

45000

60000

75000

Hea

t flu

x [W

/m2 ]

Distance from center [m]


-0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04

0

15000

30000

45000

60000

75000

Heat

flux

[W/m

2 ]Distance from center [m]


Fig. 4 Distribución de temperaturas en la base de las ollas sin agua después de 15 s. a) olla de hierro enlozado, b) olla de acero inoxidable en el cuerpo y en la base, c)

olla de aluminio en el cuerpo y la base de acero inoxidable.

Fig. 5 Temperaturas medidas y calculadas

b)

c)

a)

b)

c)

D. Evolución del flujo convectivo. La determinación del flujo convectivo durante el

calentamiento de agua es muy importante al momento de conocer la mejor configuración de menaje para la cocción de alimentos debido a que los alimentos se cocinan mejor, si el flujo convectivo presenta una distribución uniforme.

En la Fig. 7 a),b),c) se observa la resultante de la velocidad del flujo convectivo a 10 s, 60 s y 300 s de las tres configuraciones de ollas.

Al inicio de la simulación se tiene que el flujo es mínimo para los tres casos, esto se debe a l as aproximaciones que se realizaron para la simulación del modelo.

A los 60 s se obtuve que tanto la olla de hierro enlozado como la olla de aluminio presente un flujo convectivo distribuido sobre toda la superficie, además los mayores vórtices de velocidad se distribuyen desde el centro hacia la pared de la olla. A los 300 s de calentamiento del agua, se observa que la olla de hierro enlozado presenta parámetros de flujo convectivo más uniformes sobre toda la superficie del fluido, esto se debe a que el agua comienza a hervir a los 300 s para el caso de la olla de hierro enlozado. Lo contrario ocurre en la olla de aluminio y de acero inoxidable en donde se tiene una distribución del flujo convectivo solamente concentrado en la parte central de la olla.

E. Comparación de flujo convectivo La resultante de la velocidad del fluido en el calentamiento

de agua es una variable directa en la determinación de la mejor configuración de menaje en la cocción de alimentos, ya que si esta variable es homogénea en toda la superficie del fluido l a cocción de alimentos es uniforme.

Como se observa en la Fig. 8, las configuraciones que tiene una mejor distribución de flujo en toda la superficie del fluido son: olla de hierro enlozado y la olla de acero inoxidable.

Siendo la configuración de acero inoxidable y base de aluminio la olla que presenta la menor distribución homogénea de flujo convectivo, las tres configuraciones de ollas fueron comparadas cuando el agua comenzó a hervir.

Fig. 7 Distribución de velocidades a) Olla de hierro enlozado, b) olla de acero inoxidable, c) olla con cuerpo de acero inoxidable y base de aluminio

Fig. 8 Velocidades resultantes

a)

b)

c)

Estos valores se pueden corroborar con las imágenes de la

distribución de flujo que se muestran en la Fig. 9 a),b),c). Las ollas llegan a hervir a distintos tiempos, siendo la olla de acero inoxidable la que se demora más en hervir un litro de agua. Esta olla presenta velocidades de flujo convectivo de hasta 0,03 m/s distribuidas sobre el centro de la olla y orientados hacia la superficie lo cual crea una distribución no homogénea sobre la superficie del fluido, esto es contrario en la olla de hierro enlozado, en la cual el agua hierve más rápido con velocidades de flujo convectivo menores pero bien distribuidas, siendo la olla más apta para la cocción de alientos. Para el caso de la olla de aluminio, la cual p resenta la menor distribución homogénea del flujo convectivo, se tiene velocidades de flujo altas, pero solamente distribuidas en el centro de la olla.

IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Al analizar la generación de calor en la olla debido al campo

magnético generado por la cocina de inducción, se encontró que la temperatura tiene una distribución en forma de dona para los tres casos, en donde las temperaturas más altas se encuentran en el centro de la olla y las más bajas sobre los laterales. La olla de hierro enlozado es la que presenta un mayor gradiente de temperatura entre el centro como en los laterales. Este resultado podría afectar a la eficiencia de la olla debido a que se puede tener mayores pérdidas de calor hacia los alrededores. Este resultado se relaciona directamente con los patrones de flujo convectivo ya que esta misma olla es la que presenta la distribución más homogénea, con valores de velocidad de flujo entre 0,02-0,03 m/s. Estos mismos valores se obtienen para la olla de acero inoxidable, sin embargo esta olla presenta una distribución menos homogénea que la olla de hierro enlozado, debido a que las mayores velocidades se concentran sobre la pa rte superior del fluido. Este mismo comportamiento se puede observar en la olla de aluminio, con la variante que esta presenta una mayor superficie del fluido con velocidades que tienden a cero, esto ocasiona que la olla sea la que presenta la peor distribución de flujo convectivo.

V. AGRADECIMIENTOS Los autores de la presente investigación agradecen A la Secretaría Nacional de Planificación y Desarrollo (SENPLADES) por el financiamiento para la ejecución de la presente investigación.

Al proyecto Prometeo de la Secretaria de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT) de la República de Ecuador por su patrocinio en este trabajo. Al Ministerio de Electricidad y Energía Renovable (MEER) por las facilidades prestadas para el desarrollo de los ensayos.

VI. REFERENCIAS [1] J. Martínez, A. J. Riofrio, S. P. Villacis, J. P. Kastillo.

Heat transfer analysis in different cookware materials. Conference Paper · X CONGRESO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA. 2015.

[2] Augusto Riofrío, Diego Carrión, Marco Orozco, Diego Vaca, Javier Martínez. Análisis del consumo energético en procesos de cocción eficiente para el sector residencial. Conference Paper · X COLIM VIII congreso latinoamericano de ingenieria mecánica, At Cuenca, Ecuador, Volume: 1. 2014.

[3] S. Villacís, J. Martínez, A. J. Riofrío, D. F. Carrión, M. A. Orozco, D. Vaca. Energy efficiency analysis of different materials for cookware commonly used in induction cookers. 7th International Conference on Applied Energy during March 28-31, 2015

[4] J.P.Kastillo, J.Martínez, Villacís, A. J. Riofrío, M. A. Orozco, Computational fluid dynamic analysis of olive oil in different induction pots. 1st Pan-American Congress on Computational Mechanics – PANACM 2015.

[5] J. Martínez, S. P. Villacís, M. A. Orozco, D. E. Vaca. Corrosion analysis in different materials for induction cookware. Conference Paper · X CONGRESO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA. 2015.

[6] Javier Martínez, Diego Vaca, Marco Orozco, Andrés Montero. Selección de materiales para menaje de cocinas de inducción. Métodos Pugh, Dominic y P ahl Beitz. Revista Energia, Volume 11, Pp. 116-126. 2014.

[7] Marco Orozco, Diego Vaca, Javier Martínez, Augusto Riofrío, Diego Carrión, Stefany Villacis. Estudio de ensayos de eficiencia energética, concavidad, convexidad y rugosidad en menaje para cocinas de inducción. Conference Paper · X COLIM VIII congreso latinoamericano de ingenieria mecánica, At Cuenca, Ecuador, Volume: 1. 2014.

[8] G. Cerri, S. Kovyryalov, V. Primiani, and P. Russo,

“Rigorous electromagnetic analysis of domestic induction heating appliances,” PIERS Online, 2009.

Fig. 9 Distribución de flujo convectivo cuando el agua comienza a hervir a) Olla de hierro enlozado, b) olla de acero inoxidable, c) olla con cuerpo de acero inoxidable y base de aluminio

a) b) c)

[9] W. KK and N. Fong, “Experimental Study of Induction Cooker Fire Hazard - 1-s2.0-S1877705813002178-main.pdf,” Procedia Eng., 2013.

[10] B. Sazak and S. Cetin, “Reducing the number of measurements in induction cooker design,” … Meas. Instruments, 2009. ICEMI’ …, 2009.

[11] a. G. Abdul Ghani, M. M. Farid, X. D. Chen, and P. Richards, “Investigation of deactivation of bacteria in a canned liquid food during sterilization using computational fluid dynamics (CFD),” J. Food Eng., vol. 42, no. 1999, pp. 207–214, 1999.

[12] P. Verboven, N. Scheerlinck, J. De Baerdemaeker, and B. M. Nicolaï, “Computational Fluid Dynamics modelling and validation of the temperature distribution in a forced convection oven,” J. Food Eng., vol. 43, pp. 61–73, 2000.

[13] a. G. Abdul Ghani, M. M. Farid, X. D. Chen, and P. Richards, “Thermal sterilization of canned food in a 3-D pouch using computational fluid dynamics,” J. Food Eng., vol. 48, pp. 147–156, 2001.

[14] V. M. Puri and R. C. Anantheswaran, “The finite-element method in food processing: A review,” J. Food Eng., vol. 19, pp. 247–274, 1993.

[15] B. Xia and D. Sun, “Applications of computational fluid dynamics (CFD) in the food industry: a review,” Comput. Electron. Agric., 2002.

[16] H. Kawakami, Y. Llave, M. Fukuoka, and N. Sakai, “CFD analysis of the convection flow in the pan during induction heating and gas range heating,” J. Food Eng., vol. 116, no. 3, pp. 726–736, Jun. 2013.

Análisis de los resultados de la operación del catamarán “Génesis Solar” en el estrecho de Itabaca

(Islas Galápagos)

Marcelo Moya

Coordinación General técnica, Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables

INER Quito, Ecuador

[email protected]

Daniel Arroyo Coordinación General técnica, Instituto Nacional de

Eficiencia Energética y Energías Renovables INER

Quito, Ecuador [email protected]

Resumen—Las Islas Galápagos poseen uno de los ecosistemas con mayor biodiversidad y fragilidad en el mundo. Las actividades del ser humano como el transporte marítimo de pasajeros ponen en peligro a este ecosistema. Las embarcaciones con motores de combustión interna que operan en el canal de Itabaca tienen un consumo promedio anual de 4200 galones de combustible mezclado con aceite y produce una emanación de 38 toneladas de CO2 por año. A fin de reducir este impacto, las autoridades de Ecuador desarrollan iniciativas como “Cero combustibles fósiles para Galápagos” que impulsó a la implementación de un prototipo tipo catamarán propulsado por motores eléctricos y alimentados parcialmente por energía solar, que busca ser un modelo sostenible y renovable para el transporte de pasajeros dentro de las Islas Galápagos. El presente trabajo analiza los resultados alcanzados en el desarrollo del proyecto, principalmente la autonomía y eficiencia del banco de baterías de LiFePO4, la energía real entregada por los paneles fotovoltaicos, la eficiencia energética y la potencia nominal de los motores eléctricos. Los resultados obtenidos muestran que en un día soleado, el catamarán solar puede realizar un total de 8 viajes sin necesidad de recarga en la red eléctrica.

Palabras claves—Transporte marítimo; Galápagos; solar; fotovoltaica; medio ambiente

I. INTRODUCCIÓN

A. Antecedentes

Los botes con sistemas de propulsión eléctricos han tenido un importante desarrollo tecnológico en la última década, el “sun21” fue el primer bote motorizado en cruzar el océano atlántico aprovechando únicamente la energía solar, estableciendo un record mundial en el 2007 [1]. Posteriormente el “MS Tûranor PlanetSolar” en 2012 concluyó un recorrido de 584 días alrededor del mundo alcanzando un nuevo record. Sin embargo el bote fue optimizado para romper sus propios records y cruzo el atlántico en 22 días en 2013 [2].

El gobierno nacional del Ecuador se encuentra preocupado acerca de la viabilidad ecológica, económica y social de las actividades que actualmente realiza el ser humano en Galápagos, como el transporte marítimo de pasajeros que amenaza al

ecosistema [3]. Por ello las autoridades de Ecuador impulsan el desarrollo e implementación de un prototipo tipo catamarán propulsado por motores eléctricos [4].

El Instituto nacional de eficiencia energética y energías renovables (INER), fomenta la innovación y difusión de la eficiencia energética y energías renovables. Siendo dos de sus líneas de investigación la eficiencia energética en transporte y la energía solar. Además el gobierno nacional inició el programa “Cero Combustibles Fósiles en Galápagos” [4]. Con estos antecedentes, surgió el proyecto del Catamarán “Génesis Solar”. Su finalidad es implementar un modelo sostenible y renovable para el transporte de pasajeros en las Islas, más específicamente en el canal de Itabaca. Reemplazando a las barcazas contaminantes que tradicionalmente operan en el lugar propulsadas con motores de combustión a gasolina por barcazas con motores eléctricos alimentados por energía solar. En junio de 2014 se inauguró en Galápagos la primera lacha eléctrica solar “Solaris”, desarrollada por la Dirección del Parque Nacional Galápagos (DPNG), en coordinación con el Fondo Mundial para la Naturaleza (WWF). Evidencia del real interés del Ecuador y del mundo en desarrollar e implementar ésta tecnología.

B. Planteamiento del problema

El presente trabajo pretende analizar los resultados de autonomía y eficiencia del banco de baterías de LiFePO4 [5], la energía real entregada por los paneles fotovoltaicos, la eficiencia energética y la potencia nominal de los motores eléctricos. Se evaluará la factibilidad del uso del catamarán solar como reemplazo de las embarcaciones convencionales.

En el año 2014 se contabilizaron 215691 visitantes de las Islas Galápagos, de los cuales el 74 % (158672) lo hizo por el aeropuerto de Baltra, mientras que el 26 % (56849) ingresó por el aeropuerto de San Cristóbal [6]. En el primer trimestre del 2014 se contabilizaron 86 visitantes que entraron por la isla Isabela vía marítima en embarcaciones privadas, es decir el 0.15 % del total del trimestre [7], de lo cual se puede evidenciar que el aeropuerto de Baltra es la principal entrada de visitantes a Galápagos.



En este caso, después de que los pasajeros cruzan los respectivos controles del aeropuerto, deben recorren aproximadamente 6 km en transporte terrestre, generalmente en buses provistos por las distintas aerolíneas, hasta el muelle del canal de Itabaca, para posteriormente cruzar el canal hacia Santa Cruz, de aproximadamente 0.6 km mediante transporte marítimo, (Fig. 1).

En este canal regularmente operan tres embarcaciones, de acuerdo a la frecuencia de los vuelos, entre las 07h00 y 16h00. Dos de ellas a cargo de empresas turísticas, tienen una capacidad aproximada de 60 pasajeros denominadas “fibras de vidrio”. La tercera embarcación está bajo la administración del gobierno autónomo descentralizado de Santa Cruz denominada “Sopladora” con las siguientes características relevantes:

Estructura de madera (especialmente matasamo). Capacidad de carga 8,5 toneladas. Asientos bajo cubierta para 40 pasajeros. Motor de combustión interna de 75 HP de dos tiempos,

gasolina extra y aceite (mezcla 5/1). Las condiciones operativas de la barcaza "SOPLADORA",

según información presentada por el capitán y el marinero de la barcaza, son [8]:

Trabaja todos los días, de 07h00 a 14h00. Realiza usualmente 5 viajes de ida entre Santa Cruz y

Baltra, y 5 de regreso, cada día. El tiempo aproximado de cada trayecto es de

aproximadamente 7 a 10 minutos, según el peso y la marea.

La barcaza "SOPLADORA" consume entre 9 y 14 galones de gasolina extra por día.

Las embarcaciones con motor de combustión interna convencionales son poco eficientes, debido a un diseño monocasco poco hidrodinámico, con una proa plana, y motores que no conservan su eficiencia original, al ser reparados continuamente para maximizar su vida útil. Por esta razón consumen mayor cantidad de combustible generando mayor impacto ambiental. En promedio cada embarcación convencional consume anualmente 4200 galones de combustible y produce una emanación de 38 toneladas de CO2 por año [9].

Como consecuencia de la operación de éstas embarcaciones tenemos: emisiones de gases, derrames de aceite y combustible, ruido del motor, desprendimiento de pintura biocida del casco,

elementos que caen al agua como bollas, llantas, chalecos salvavidas, etc. Debido a la fragilidad del ecosistema, éstas representan una seria amenaza para el mismo, provocando una elevada mortalidad en los animales y contaminando el ambiente. Por ésta razón, el Ministerio de electricidad y energía renovable (MEER) solicitó al INER evaluar la los aspectos económicos, técnicos y ambientales para la factibilidad de usar botes eléctricos con energía solar en Galápagos [10].

Además, el uso de combustibles fósiles en el Ecuador representa un costo al estado debido a los subsidios y aun mayor en Galápagos debido a los costos adicionales, producto del transporte hacia las islas. El Ecuador destina $ 3931 millones en subsidios a los combustibles fósiles, de los cuales según la proforma presupuestaria del 2014, $ 1300 millones para gasolina importada, lo cual representa el 19,6 % del total de los ingresos fiscales [11].

II. DISEÑO

El catamarán Génesis solar deberá ser capaz de reemplazar a una da las embarcaciones con motor de combustión interna convencionales, que se encuentran en el canal de Itabaca, con capacidad para 40 persona. El Génesis solar deberá realizar el mismo trabajo de transportar a los visitantes de Santa Cruz a Baltra y viceversa en conjunto con su equipaje, durante 8 recorridos diarios de 0.6 km cada uno.

El catamarán “Génesis Solar” cuenta con un sistema completo de gestión de energía. Los motores son alimentados por un grupo de baterías de LiFePO4 que pueden ser recargadas por los paneles solares de la embarcación o conectando el sistema a la red de distribución.

Embarcaciones con condiciones de operación de baja velocidad y cortos recorridos son ideales para este tipo de propulsión, además de que no producen emisiones contaminantes en el lugar de operación y un muy bajo nivel de ruido [12].

Se evaluó el potencial solar existente en la zona gracias a una estación meteorológica ubicada en Puerto Baquerizo Moreno [13], el promedio diario de irradiación solar global registrada en el año 2012 se muestra en la Fig. 2 y la heliofanía (horas de sol) registradas por el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología

Fig. 1. Ruta de los visitantes que entran a Galápagos por Baltra (Google Maps)

Fig. 2. Radiación solar global mensual registrada en la estación meteorológica de Pto. Baquerizo Moreno [14] (INAMHI)

Fig. 3. Heliofanía registrada en la estación meteorológica Pto. Baquerizo Moreno [13].

(INAMHI) [14] en el periodo 2005-2010 se muestran en la Fig. 3. Se analizó el consumo energético del catamarán. En la tabla 1,

se observa un consumo diario de alrededor de 26 kWh/día. Se simuló el sistema fotovoltaico con el software PVsyst, con información de radiación solar de las imágenes satelitales de la NASA. Se definieron todos los componentes con los que cuenta la embarcación y el horario de operación. El resultado de la simulación determina que el promedio de generación anual es de 6.926 kWh, mientras que la demanda de la embarcación en el mismo periodo es de 8.760 kWh, es decir que el sistema fotovoltaico cubre alrededor del 80 % de la demanda energética [15].

La solución para la instalación del sistema de recarga fotovoltaica fue incorporarlo en un área de 41,5 m2 sobre la cubierta. No se instaló el sistema en tierra debido a la falta de infraestructura física adecuada en el lugar. En la Fig. 4 se puede observar la distribución de los paneles solares sobre la cubierta de la embarcación. Según las especificaciones técnicas de los paneles solares policristalinos para aplicaciones marinas, la potencia nominal de cada panel es de 280 W a 24 V DC con un área de 1.94 m2 a 24 V DC. Se instalaron 16 paneles con una configuración de tres paneles en serie y cinco en paralelo generando una potencia de 4,2 kW a 108 V DC y 38.5 A. El panel adicional se utiliza para cargar las baterías del sistema de dirección a 24 V DC [16]. En la Fig. 5 se puede observar el esquema eléctrico principal del catamarán.

III. METODOLOGÍA

Los equipos utilizados para la toma de datos utilizados en el análisis se realizaron con los siguientes equipos:

Piranómetro clase 1 con rango de 0 a 2000 W/m2. Monitor de gestión energética Color Control GX con

versión de firmware v1.20. Cámara termográfica Fluke TI-105 con rango de

medición de temperatura de -20 a 250 °C y precisión de medida ± 2 °C o 2%.

Pinza amperimétrica marca Fluke 376 CA/CC de verdadero valor eficaz (True RMS) con rango de 999,9 A, resolución de 0,1 A y exactitud del 2% ± 5 dígitos (10-100 Hz).

Se instaló el piranómetro sobre la cubierta del catamarán para determinar la radiación solar incidente sobre los paneles solares (kW/m2) [17], almacenando datos al mismo tiempo que se realizaban las distintas mediciones. Para las mediciones de temperatura en los equipos se utilizó la cámara termográfica. En la medición de temperatura de los paneles solares se consideró mediciones 10 minútales de cada panel durante su funcionamiento. Se utilizó la pinza amperimétrica para tomar mediciones de corriente de entrada y salida de las baterías, corriente consumida por los motores, corrientes de cada arreglo de paneles solares y del arreglo total. El monitor de gestión energética Color Control GX [5] permite descargar los datos de todo el sistema de gestión de energía, incluyendo:

Potencia de entrada al sistema por paneles solares y por punto de recarga.

Potencia generada por el inversor. Consumos en potencia de corriente continúa para el

sistema de propulsión. Consumos en potencia de corriente alterna para

accesorios. Estado de carga de las baterías.

IV. RESULTADOS

Para el análisis de los datos obtenidos se ha procesado la información en periodos de 10 minutos, obteniendo las siguientes gráficas:

Radiación Solar vs Producción Fotovoltaica. Producción Fotovoltaica vs Temperatura. Producción Fotovoltaica vs Descarga de Baterías.

En la Fig. 6, se muestra la radiación solar en una escala de 0 a 1000 W/m2 con su correspondiente producción fotovoltaica que tiene un pico máximo de 4600 W. Cabe recalcar que la producción fotovoltaica promedio del catamarán solar se encuentra entre los 600 y 800 W/m2 equivalentes a valores entre 2500 W y 3500 W.

En la Fig. 7, se muestra la producción fotovoltaica versus la temperatura promedio de los 15 paneles fotovoltaicos instalados en el catamarán solar. Se puede apreciar que para las potencias más altas entre 3000 W y 3500 W. La temperatura promedio de los paneles oscila entre los 40 y 41 °C, lo cual no afecta en la eficiencia del panel fotovoltaico, que es del 15.90% en condiciones normales de funcionamiento.

En la Fig. 8, se presenta la potencia fotovoltaica generada junto a la descarga de las baterías, en la cual, se obtiene un pico máximo en la descarga de 11300 W. Este pico corresponde con las horas del día donde el catamarán solar se encuentra en operación y es alimentado por el banco de baterías; para los demás valores de descarga de baterías la producción fotovoltaica se encarga de cubrir la necesidad de energía.

Tabla I. Previsión del consumo energético del catamarán [15]

Cargas Unidades

Potencia (W)

Consumo (horas/día)

Consumo diario

(Wh/día) Motor 2 4.000 3 24.000 Televisión 1 310 3 930 Unidad de procesamiento de datos 1 300 3 900

Inversor Cargador QUATTRO 3 KVA-5 KVA 120 V 1 25 3 75

Controlador de carga Blue Solar MPPT 150/70 1 3 3 9

25.914

Fig. 4. Distribución y conexión eléctrica de los paneles solares en el techo de la cubierta del catamarán “Génesis Solar”

Fig. 5. Esquema del sistema fotovoltaico [16]

Los motores del catamarán operan a 1500 rpm. Esto provoca un desplazamiento de la embarcación a una velocidad promedio de 4 nudos, con un promedio de 40 pasajeros que representan un peso de 2800 kg y su equipaje equivalente a 1000 kg. Además se debe considerar que el peso muerto de la embarcación es de 15000 kg; el recorrido de la embarcación dura entre 5 a 7 minutos cubriendo una distancia de 600 m, realizando en promedio 8 viajes por día 3 veces a la semana.

Con las condiciones descritas anteriormente el consumo eléctrico promedio del catamarán solar es de 1,37 kWh por viaje.

Tabla 2. Valores máximos registrados en la embarcación.

Consumo Máximo 171.7 Ah

Potencia máxima Salida 23.3 kW Potencia máxima Carga 6.6 kW Potencia máxima PV 4.6 kW

Tabla 3. Comparativa entre el dimensionamiento calculado y la operación real.

Calculado Actual

Viajes 5 viajes diarios 8 viajes diarios

Tiempo 10 minutos 5 a 7 minutos

Velocidad 5 nudos 4 a 5 nudos

Radiación 300 W/m^2 600-800W/m^2

PV 17kW 4.2kWp

Demanda por viaje 12kWh 1.37kWh

Baterias 96kWh @ 24 horas 11.5kWh @ 2 horas

En las mediciones y análisis realizados se logró determinar

que el controlador solar Victron MPPT 150/70 disminuye su producción en un 50 %, debido a la existencia de estelas marinas provocadas por la navegación de otras embarcaciones en el canal.

Dentro del monitoreo del sistema de propulsión, se encontraron consumos parásitos de energía de aproximadamente 109 W. Esto se debe a que los controladores de los motores se encuentran en modo de espera incluso cuando la embarcación se encuentra apagada.

En el diseño de la embarcación se consideró una inclinación de 1° en las bases de los paneles solares para evitar estancamiento de agua, el análisis realizado muestra que producción fotovoltaica de la embarcación no se ve afectada por esta inclinación.

V. CONCLUSIONES

El catamarán solar ahorra $ 29,73 al día, esto se debe a que consume tan solo 3kWh de la red eléctrica de Baltra. Cabe recalcar que este sistema sigue siendo renovable debido a que el Parque eólico instalado en la Isla de Baltra entrega la energía faltante a la embarcación.

Gracias a la operación del catamarán solar se ha dejado de emitir alrededor de 105 Kg de CO2 a la atmosfera y también residuos de la combustión al mar, además de la reducción de consumo de 11.5 galones de combustible por día.

El banco de baterías posee una autonomía de 2 horas con consumo máximo de 11,5 kWh. La tecnología LiFePO4 usada en el banco de baterías ha mostrado ser adecuada y eficiente para esta aplicación donde se maneja alta potencia en cortos periodos de tiempo.

La eficiencia de los motores eléctricos del catamarán solar se encuentra entre el 80 % y el 89 % dependiendo de las condiciones de operación de la embarcación, con un consumo máximo de 10 kW por motor. El sistema de gestión energética cumple con las necesidades requeridas por los habitantes y turistas que arriban diariamente a Santa Cruz.

AGRADECIMIENTOS

Los autores del presente trabajo agradecen a la secretaría de educación superior, ciencia, tecnología e innovación (SENESCYT) por financiar el proyecto de investigación Agradecemos a todas las personas que hicieron posible el desarrollo e implementación del proyecto “Uso de energías alternativas para el transporte marítimo de pasajeros en Galápagos”.

Fig. 6. Radiación Solar vs Producción Fotovoltaica

Fig. 7. Producción Fotovoltaica vs Temperatura

Fig. 8. Producción Fotovoltaica vs Descarga de Baterías

REFERENCIAS

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2015. [5] V. Energy, "Material safety data sheet for Victron Energy

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el canal de Itabaca," ed, 2013. [9] A. V. Consultores, "Plan de Movilidad sustentable de

Galápagos," ed, 2001. [10] A. M. Beatriz Rivela, Byron Criollo, Diego Vaca, Jesús Lopez

Villada., "Enviromental Polices in Marine Transport: A Case Study of Solar Ship in Galapagos Islands," EuroSun, 2014.

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e Hidrología. [15] INER. (2013). Simulación del sistema aislado de la estación

fotovoltaica de la barcaza. [16] INER, "Informe del sistema fotovoltaico del catamarán solar de

las Islas Galápagos," ed. Quito, 2014. [17] OMM, Gia de instrumentos de medicion 2014.

Refrigeración Solar por Adsorción empleando un

Concentrador Solar Parabólico Compuesto y Carbón Activado Local

María Gabriela Campuzano Páez, Ángel Adalberto Portilla Aguilar Facultad de Ingeniería Mecánica

Escuela Politécnica Nacional (EPN) Quito, Ecuador

[email protected], [email protected]

Resumen: La creciente preocupación por la destrucción de la capa de ozono y el incremento en emisiones de gases de efecto invernadero motivan a estudiar sistemas de refrigeración alternativos. Esta investigación contempla el modelamiento, diseño, construcción y evaluación de un sistema de refrigeración solar por adsorción empleando carbón activado local y metanol, que contribuye a las investigaciones que buscan incrementar la eficiencia de estos sistemas y convertirlos en alternativas comercialmente viables. El refrigerador solar desarrollado emplea un concentrador solar parabólico compuesto. Durante la modelación del sistema, se analiza principalmente la influencia de la orientación del concentrador, el rastreamiento del sol, el porcentaje de truncamiento de la parábola del colector solar, los parámetros característicos de la adsorción y la temperatura del carbón activado en función del tiempo y del radio. Una vez construido el sistema de refrigeración las pruebas en días soleados y nublados validan el modelo matemático y demuestran la factibilidad de construir este refrigerador empleando carbón activado producido en el Ecuador.

Palabras clave: Refrigeración por adsorción, refrigeración

solar, ciclo de adsorción, concentrador solar parabólico compuesto, carbón activado

Abstract: The increasing concern for t he ozone layer depletion and the growing greenhouse gas emissions promote the study of alternative refrigeration systems. This research includes the modelling, design and construction of a solar adsorption refrigeration system using local activated carbon and methanol, to support the researches which intend to increase these systems’ efficiency. This solar refrigerator utilizes a solar compound parabolic concentrator. During the system modelling following parameters are analyzed: concentrator orientation, solar tracking, optimization index, adsorption characteristics and activated carbon temperature as a time function. Once the refrigeration system was built, the tests for sunny and cloudy days validate the mathematical model and show the feasibility of building this refrigeration using activated carbon produced in Ecuador.

Key words: adsorption refrigeration, solar refrigeration,

adsorption cycle, solar compound parabolic concentrator, activated carbon

I. INTRODUCCIÓN

En el Ecuador, los combustibles de origen fósil corresponden a la principal fuente de energía primaria. En el año 2013, el 73% de la demanda de energía dependió directamente de los combustibles fósiles (diésel, gasolina, fuel oil, GLP, kerosene, gas natural, petróleo), el 13% de la electricidad, entre las principales fuentes energéticas. Se importaron 44,258 kBOE de energía de los cuales el 99% corresponde a combustibles fósiles [1]. El país presenta un gran potencial solar con una insolación global promedio de 4575 Wh/m2/día [2], la cual es poco aprovechada.

El uso de la energía solar para enfriamiento puede

emplear los siguientes dos métodos: a) sistema que usa energía eléctrica proveniente de sistemas fotovoltaicos que reemplaza al suministro eléctrico de la red y emplea un compresor convencional b) sistema que emplea energía térmica a t ravés de un colector solar mediante el uso de tecnologías de sorción donde el enfriamiento es obtenido de los cambios químicos o f ísicos entre el sorbente y el refrigerante [3]. La tecnología de sorción se clasifica en refrigeración por absorción y adsorción, este trabajo se basa en la adsorción.

A pesar del alto número de investigaciones realizados para las tecnologías de sorción, las eficiencias obtenidas son menores que los sistemas de compresión tradicionales, por lo cual, existe un amplio campo de investigación para dicho fin [4, 5]. La ventaja de la tecnología por sorción radica en el uso de fuentes energéticas alternativas de baja temperatura que puede provenir de calor residual, geotermia y energía solar. Esta tecnología tiene un futuro promisorio al emplear recursos renovables y al ser adecuada para enfriamiento en áreas remotas donde el suministro energético es limitado [6].

La refrigeración solar por adsorción emplea sustancias

naturales que al ser liberadas al ambiente no contribuyen a la destrucción de la capa de ozono ni al efecto invernadero como los refrigerantes convencionales (CFCs, HCFs y HFCs). Los sistemas por adsorción comparados con los de absorción pueden emplear un mayor rango de fuentes de

calor, son más robustos, menos complejos y menos sensibles a impactos físicos y problemas de corrosión [6].

Este trabajo involucra el modelamiento, diseño,

construcción y evaluación un sistema de refrigeración solar por adsorción empleando carbón activado local y un concentrador parabólico compuesto (aprovecha radiación directa y difusa), que contribuye a las investigaciones que buscan incrementar la eficiencia del sistema y convertirlo en una alternativa comercialmente viable.

II. CILO DE REFRIGERACIÓN POR ADSORCIÓN

La adsorción es un fenómeno termodinámico donde se da la retención selectiva de uno o más componentes de un gas o un líquido (adsorbato) en la superficie de un sólido microporoso (adsorbente) [7]. La adsorción libera calor mientras que la desorción se da por un proceso endotérmico. Un sistema de refrigeración solar emplea los siguientes elementos: evaporador, condensador y colector solar o generador (Fig 1).

Figura 1. Esquema del sistema de enfriamiento por adsorción

El ciclo de refrigeración por adsorción ideal involucra

las siguientes cuatro etapas (Fig. 2): • Etapa 1 (A → B) calentamiento isostérico (concentración constante) + presurización • Etapa 2 (B → C) calentamiento y desorción + condensación del adsorbato • Etapa 3 (C → D) enfriamiento isostérico + despresurización • Etapa 4 (D → A) enfriamiento y desorción + evaporación

Figura 2. Ciclo de refrigeración por adsorción

Donde: Qcal = calor entregado para calentar el adsorbente; Qdes = calor de desorción; Qcond = calor disipado por el condensador; Qs = calor disipado por el adsorbente; Qevap = calor extraído del espacio a en friar; Qad = calor de adsorción.

III. METODOLOGÍA

Para realizar la construcción y evaluación del sistema de enfriamiento por adsorción se siguen las siguientes fases: selección del par de adsorción, selección del tipo de colector solar, modelación del sistema (colector solar, cama adsorbedora, evaporador, condensador y cámara fría), diseño del sistema, construcción y pruebas del refrigerador. Para la simulación del sistema se emplea el software MATLAB el que permite variar los diferentes parámetros de diseño como la orientación del colector, geometría del colector, dimensiones de la cámara fía, longitud y diámetro de los tubos del condensador y evaporador. La construcción del equipo se la realiza empleando materiales adquiridos en el mercado local. Las campañas de mediciones se realizan para días soleados y nublados en las cuales se registran radiación solar global, temperatura ambiente, temperatura del absorbedor, temperatura del reflector, presión de la cámara adsorbedora, temperatura del evaporador, temperatura del condensador y presión del evaporador.

Este trabajo emplea el par de adsorción carbón

activado-metanol al disponer de las constantes de la ecuación de Dubinin-Astakhov (que rige el fenómeno de la adsorción) para un carbón local. Este par es el más común para este tipo de aplicaciones al presentar temperaturas de regeneración bajas (menores a 1 20°C) [6] y al ser producido localmente a partir de materiales y/o residuos ricos en carbono. Se opta por un concentrador parabólico compuesto (CPC) debido a que este colector solar emplea la radiación directa y difusa y permite alcanzar las temperaturas requeridas para la desorción del metanol (refrigerante) del carbón activado (adsorbente), lo que no es posible con un colector solar plano. No se opta por un concentrador cilindro-parabólico que requiere rastreamiento ni un colector solar con tubos al vacío por los altos costo de construcción de estos equipos.

IV. MODELO MATEMÁTICO

El modelo matemático del sistema para su simulación y diseño se basa en el análisis de los siguientes subsistemas:

a) Colector Solar:

Se realiza el cálculo de la geometría del colector con la altura truncada. El perfil del concentrador está dado por las coordenadas expresadas a continuación, conforme se representa en la Fig. 3 [8]:

𝑥 = 𝑟𝑎𝑠𝑠𝑠𝜃𝑝 − 𝜌𝑝𝑐𝑐𝑠𝜃𝑝 (1)

𝑦 = −𝑟𝑎𝑐𝑐𝑠𝜃𝑝 − 𝜌𝑝𝑠𝑠𝑠𝜃𝑝 (2)

𝜌𝑝 = �𝑟𝑎𝜃𝑝 𝑠𝑠 �𝜃𝑝 ≤ 𝜃𝑎 + 𝜋

2� �

𝑟𝑎𝜃𝑝+𝜃𝑎+𝜋 2� −𝑐𝑐𝑐�𝜃𝑝−𝜃𝑎�

1+𝑐𝑠𝑠�𝜃𝑝−𝜃𝑎� 𝑠𝑠 𝜃𝑎 + 𝜋

2� ≤ �𝜃𝑝� ≤ 3𝜋2� − 𝜃𝑎

(3)

C = 1senθa

(4)

Donde:

𝜃𝑝 = ángulo de la parábola (º) x = coordenada x del punto B que describe a la parábola (m) y = coordenada y del punto B que describe a la parábola (m) ra = radio del tubo absorbedor (m) 𝜌𝑝 = 𝐵𝐵�� = distancia entre el punto B y C de la parábola (m) θa = semiángulo de aceptancia (º)

C = índice de concentración

Figura 3. Geometría del concentrador CPC completa y truncada

Cuando la altura del concentrador es muy grade se procede a truncarla recortándola una altura h’ (Fig. 3).

El balance de energía para el colector (Fig. 4) está dado por:

Eentra-Esale = Eacumulada (5)

Fig. 4. Balance de energías para el colector solar CPC

Para determinar la energía que entra, se emplea el valor de radiación solar mensual promedio del Atlas Solar desarrollado por el CONELEC. La energía que entra (S) está dada por [8]: S = AcG(τcτCPCαa) (6)

G = Gb + Gd (7)

Gb = FGbncosθ (8)

Gd = �GdC

si (β + θc) < 90°Gd2�1C

+ cosβ� si (β + θc) > 90° (9)

τCPC = ρrnr (10)

nr = 1 − 1C (11)

Donde:

S = radiación absorbida (W) Ac = área del colector (m2) G = radiación global (W/m2) Gb = radiación directa (W/m2) Gd = radiación difusa (W/m2) τc = transmisividad de la cubierta τCPC = transmisividad del CPC αa = absortividad del receptor C = índice de concentración β = inclinación (º) θa = semiángulo de aceptancia (º) ρr = reflectividad de la parábola nr = número promedio de reflexiones.

Para determinar la orientación del colector más óptima se analizan los siguientes cuatro casos, con el fin de estudiar cómo se comporta este tipo de colector en el Ecuador. F toma valores de 1 ó 0 dependiendo si el colector le ve al sol [8]:

1. Orientación este-oeste (sin rastreamiento)

2. Orientación este-oeste (con un ajuste diario)

cosθ = sen2δ + cos2ω (12)

β = |∅ − δ| (13)

Si (∅ − δ) > 0, γ = 0° (14)

Si (∅ − δ) < 0, γ = 180° (15)

F =

�1 si (β − θa) ≤ tan−1(tanθzcosγs) ≤ (β + θa)0 caso contrario

(16)

3. Orientación norte-sur (sin rastreamiento)

4. Orientación norte-sur (con rastreamiento continuo)

cosθ = (cos2θZ + cos2δsen2ω)1/2 (17)

tanβ = tanθZ|cos(γ − γS)| (18)

𝑆𝑠 𝛾𝑆 > 0, 𝛾 = 90° (19)

𝑆𝑠 𝛾𝑆 < 0, 𝛾 = −90° (20)

F =

�1 si senθZcosγSsenβ+cosβcosθa�(senθacosγSsenβ+cosβcosθa)2+(senθasenγS)2

> 𝑐𝑐𝑠θa0 caso contrario

(21)

Donde:

θ = ángulo incidencia sobre un plano inclinado (º) δ = declinación (º) φ = latitud (º) β = inclinación (º) γ = acimut de la superficie (º) ω = ángulo horario (º) θZ = ángulo del cenit (º) γS = ángulo del acimut solar (º)

La energía que sale del sistema está dada por las pérdidas de calor del sistema:

Qsale = (Ta−Tamb)

Reqc (22)

Donde: Ta = temperatura del absorbedor (K) Tamb = temperatura ambiente (K) Reqc = resistencia térmica equivalente del circuito del colector solar (K/W)

Considerando que la temperatura de la cubierta, la temperatura del reflector y del aislante son semejantes se puede calcular la resistencia equivalente del circuito térmico empleando la Fig. 5 y las ecuaciones generales de la transferencia de calor para coeficientes de pérdidas de

calor por convección y radiación para los distintos casos presentados.

Figura 5. Circuito de resistencias equivalente para calcular la

energía que sale del colector solar

Donde: hrac = coeficiente de radiación entre el absorbedor y la cubierta (W/m2K) hcac = coeficiente de convección del fluido circundante entre el absorbedor y la cubierta (W/m2K) hrar = coeficiente de radiación entre el absorbedor y el reflector (W/m2K) hcar = coeficiente de convección del fluido circundante entre el absorbedor y el reflector (W/m2K) hrrc = coeficiente de radiación entre la cubierta y el reflector (W/m2K) hrc = coeficiente de radiación entre la cubierta y el ambiente (W/m2K) hcc = coeficiente de convección del fluido entre la cubierta y el ambiente (W/m2K)

kai = conductividad térmica del aislante (W/mK) hraia= coeficiente de radiación entre el aislante y el ambiente (W/m2K) hcaia = coeficiente de convección entre el aislante y el ambiente (W/m2K) ee = espesor equivalente del aislante (m) Aa = área del absorbedor (m2) Ac = área de la cubierta (m2) Ar = área del reflector (m2) Aai = área del aislante (m2) Ta = temperatura del absorbedor (K) Tc = temperatura de la cubierta (K) Tr = temperatura del reflector (K) Tai = temperatura del aislante (K) Tamb = temperatura ambiente (K)

El calor útil es empleado para el análisis de la cama adsorbedora que se encuentra en el interior del tubo absorbedor del colector solar. Se analiza el estado transitorio para conocer el tiempo de calentamiento y enfriamiento para las distintas fases del ciclo de adsorción.

Para la fase AB:

Eentra-Esale = Eacumulada (23)

Ta = Tamb − SReqcet B� + SReqc (24)

Para la fase BC:

Eentra-Esale = 0 (25)

S = Ta−TambReqc

(26)

Ta = SReqc + Tamb (27)

Para la fase CD y DA:

Ta = Tamb + (Ti − Tamb)et B� (28)

b) Cama adsorbedora:

Se realizan balances de energías y de masa empleando ecuaciones para calcular el calor de adsorción/desorción y la concentración en función del tiempo, presión y temperatura, p ara las distintas fases del ciclo termodinámico de adsorción. El calor de adsorción o desorción se expresa como [9]:

∆Had/des =

∆Hf,g + RTC−Aln �PsatP� +

∝RTC−AnD

�TC−Aln �PsatP��1−n

(29) Mientras que la concentración en función del tiempo está dada por [9]:

∂X∂t

=g �∂lnP∂t

−∆Had/des

RTC−A2�∂TC−A

∂t�� (30)

Donde: ∆Hf,g = entalpía de evaporación y/o condensación (kJ/kg) R= constante universal de los gases (J/molK) Psat= Presión de saturación del metanol gaseoso a la temperatura del adsorbente (bares) P = presión del adsorbente (bar) α = Coeficiente de dilatación cúbica (m3/K) n = exponente obtenido experimentalmente de la ecuación D-A D = coeficiente de afinidad, que depende de las características del adsorbato y adsorbente.

Los coeficientes n (1.18) y D (3.48 x 10-4) son obtenidos de un carbón producido localmente y caracterizado para la adsorción de metanol.

c) Condensador, evaporador y cámara fría:

Para el diseño del condensador se realiza un balance de energías para calcular el calor que removerá el aire para cambiar de fase el metanol gaseoso. Para el evaporador se emplea un balance de energías considerando que la temperatura de entrada del metanol al evaporador es la ambiente y haciendo uso de la correlación de ebullición nucleada. El cálculo de la cámara fría junto con su aislante se lo realiza considerando el calor ganado a través de las paredes de la cámara empleando un circuito de resistencias equivalentes.

V. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

A continuación se presentan los resultados obtenidos de la simulación realizada en MATLAB.

En cuanto a la orientación del colector solar se

simularon las cuatro orientaciones presentadas en el modelo matemático (Fig. 6, 7, 8 y 9). Debido a la trayectoria del sol, la orientación norte – sur sin rastrear aprovecharía la radiación en un porcentaje significativamente inferior que la orientación este – oeste. Se decide orientar el colector con su eje focal este-oeste sin rastreamiento debido a que ni el ajuste diario ni el sistema de rastreamiento ofrece una mejora sustancial en la captación de la radiación solar. . Cabe resaltar que este tipo de colector aprovecha la radiación solar directa y difusa. La geometría del reflector óptima obtenida presenta un semiángulo de aceptancia de 13º, inclinación 0º, porcentaje de truncamiento 75% y un

radio del absorbedor de 3 pulgadas.

Figura 6. Comparación entre la radiación incidente de la

orientación este- oeste sin rastrear (1) y este-oeste con ajuste diario (2). Ángulo de inclinación y azimut = 0º, ángulo de

aceptancia (sin truncar) 15º, 80% de truncamiento

Figura 7. Comparación entre la radiación incidente de la orientación este oeste sin rastrear (1) y este-oeste con ajuste diario

(2). Ángulo de inclinación = 15º y azimut = 0º, ángulo de aceptancia (sin truncar) 15º, 80% de truncamiento

Figura 8. Comparación entre la radiación incidente de la orientación este-oeste sin rastrear (1) y norte-sur sin rastrear (3).

Ángulo de inclinación y azimut = 0º, ángulo de aceptancia (sin truncar) 15º, 80% de truncamiento

Figura 9. Comparación entre la radiación incidente de la orientación este oeste sin rastrear (1) y norte sur con

rastreamiento (3). Ángulo de inclinación y azimut = 0º, ángulo de aceptancia (sin truncar) 13º, 45% de truncamiento

En la Fig. 10 se muestra como la temperatura incrementa para el calentamiento isostérico y se observa que la temperatura del carbón activado en la cama adsorbedora no varía significativamente en función al radio.

Figura 10. Temperatura del carbón activado en función del tiempo y del radio para la fase AB calentamiento isostérico.

El ciclo de refrigeración por adsorción teórico obtenido

luego de la simulación y el diseño del sistema se muestra en la Fig. 11.

Figura 11. Diagrama teórico de presión y temperatura para el

ciclo de refrigeración por adsorción obtenido

Una vez que el sistema fue simulado y diseñado, se procedió a construirlo e instrumentarlo. En la Fig. 12 se muestra un e squema del mismo y la Fig. 13 el equipo construido.

Figura 12. Esquema del refrigerador solar por adsorción

mostrando la instrumentación empleada. A la derecha se ve una vista lateral de la plancha reflectora

Figura 13. Fotografía del refrigerador solar por adsorción

construido y evaluado

Una vez construido el refrigerador solar por adsorción con su

respectivo sistema de adquisición de datos se realizan diferentes pruebas para un área de colección solar de 0.98 m2, una cámara fría de dimensiones 45x30x20 cm. Para una radiación solar total de 741.6 W se obtuvieron temperaturas del colector solar de alrededor de 100°C, una diferencia de temperaturas de 10°C para la cámara fría, lo que implica un coeficiente de operación (COP) de 0.01 mientras que el valor obtenido en el diseño fue de COP = 0.02. En general los valores del COP de los refrigeradores por adsorción que se reportan en la literatura van desde 0.02 [10] hasta 0.7 [4], dependiendo del par de adsorción (en este estudio carbón activado y metanol) y de la temperatura de la fuente de calor. Debido a que el estudio se centra en uso de materias primas locales, el carbón activado disponible en el Ecuador es producido para aplicaciones que involucran la fase líquida. Este material presentó una baja capacidad de adsorción de metanol gaseoso y por lo tanto el sistema de refrigeración un bajo coeficiente de operación. Si se fabrican localmente carbones

activados para adsorción de gases como el metanol, el sistema aumentaría su eficiencia. Los sistemas de adsorción emplean fuentes renovables y refrigerantes que no destruyen la capa de ozono y no contribuyen con el efecto invernadero, sin embargo, presentan bajas eficiencias lo cual puede ser atribuido a las irreversibilidades entre el acople térmico de los componentes (no poseen temperaturas uniformes) y sus reservorios de calor [11].

Durante días con poca nubosidad la cama adsorbedora

localizada en el eje focal del colector alcanzó temperaturas de hasta 120°C. En días nublados la temperatura del colector alcanzó hasta los 80°C debido a que el CPC permite aprovechar tanto la radiación directa como la difusa.

Las Fig. 14 y 15 m uestran las temperaturas de la cámara

adsorbedora y del evaporador respectivamente en función del tiempo. En la Fig. 16 s e observa que el ciclo real registrado durante las pruebas varía con respecto al ciclo teórico.

Figura 14. Temperatura y presión del carbón activado en función de la hora del día

Figura 15. Temperatura del evaporador y temperatura ambiental en función de la hora del día

Figura 16. Ciclo de refrigeración por adsorción

obtenido con el refrigerado construido

VI. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

• Es factible emplear carbón activado producido en el

Ecuador junto con metanol para la refrigeración solar por adsorción.

• El modelo matemático fue validado con el funcionamiento del sistema construido y se alcanzaron valores similares a los de la simulación.

• El colector solar parabólico compuesto construido y evaluado en el Ecuador permite alcanzar temperaturas superiores a los 120°C sin la necesidad de rastreamiento

o un ajuste diario. • El manejo de la estanqueidad del sistema de

refrigeración es un factor esencial para el correcto funcionamiento de este equipo.

• Es relevante desarrollar carbones activados locales para adsorción de gases como el metanol variando la materia prima, método y parámetros de activación de manera que se presente mayor capacidad de adsorción y se pueda mejorar el desempeño del sistema.

• Se recomienda incorporar después del condensador un tanque de reserva de metanol para que exista suficiente refrigerante en el sistema.

• Es recomendable desarrollar un banco de pruebas de colectores con lámparas que permita la experimentación sin la necesidad de contar con los equipos en el exterior donde se ven sujetos a las condiciones climáticas.

• Se sugiere continuar con la investigación de los sistemas de enfriamiento por adsorción y analizar la aplicación de chillers que tienen un funcionamiento continuo.

AGRADECIMIENTOS Se reconoce la participación en esta investigación de los

siguientes ingenieros: Juan Víctor Chiriboga Albuja y Claudio Eugenio Álvarez Pacheco.

Se agradece a la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Escuela Politécnica Nacional por el equipamiento facilitado para este estudio a través de los laboratorios de Mecánica de Fluidos, Transferencia de Calor y Termodinámica.

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Energía solar en estrategias de eficiencia energética en Iluminación, para condiciones de confort en

Ecuador.

Marina Pérez P. (Autora) Investigadora Prometeo: Universidad de Cuenca

Proyecto PROMETEO, SENESCYT Cuenca, Ecuador.

[email protected]

Alfredo Márquez (Autor) Universidad Autónoma de Yucatán

Mérida, Yucatán. México [email protected]

Resumen— Este artículo comparte resultados específicos

del proyecto de investigación “Estrategia Eficiencia Energética” del programa ECOINVOLUCRATE EN 5Rs, desarrollado en el marco del proyecto PROMETEO de la Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación. A través de este documento se presentan resultados de la identificación de los criterios sostenibles de la arquitectura tradicional del Ecuador, desde el análisis de casos seleccionados de las provincias de Azuay y Cañar, posterior a la selección de casos de estudio se identifican las estrategias pasivas que dotan a las edificaciones tradicionales del componente de iluminación natural para la eficiencia energética, en base a la información recogida se realiza una clasificación con los resultados y al final se presentan las conclusiones de rigor.

Palabras claves— iluminación natural, energía solar, edificación.

I. INTRODUCCIÓN La eficiencia energética es fundamental para conseguir un

futuro con bajas emisiones de carbono. Según la Agencia Internacional de la Energía, proporcionaría un 56% de las reducciones necesarias de CO2, una cifra superior a la que se conseguiría con el efecto combinado de incrementar el uso de energías renovables y la captación y almacenamiento de carbono. NEILA (2000) en “Arquitectura bioclimática en un entorno sostenible: buenas prácticas edificatoria” considera que los principios bioclimáticos deben aparecer como un hábito en la arquitectura y no como una rareza o una excepción. En cuanto a los aspectos medioambientales asociados a la arquitectura actual a través de la construcción es evidente, en cuanto a que el impacto en el medioambiente es significativo y afecta a los subsectores de la construcción, como las emisiones de gases de efecto invernadero. Es en las emisiones del CO2, en la cual la arquitectura puede contribuir en el ahorro energético y la eficiencia energética, cuidando la calidad ambiental sin descuidar las condiciones de confort en las edificaciones.

El concepto de Desarrollo Sustentable establece que satisfacer las necesidades del presente no comprometer las generaciones futuras. Desde esta perspectiva, al analizar ejemplos de arquitectura tradicional se percibe la razón del

Desarrollo Sustentable, las líneas que dan forma a los espacios están en completa armonía con climas más extremos, creando antecedente de la arquitectura contemporánea para lograr óptimas condiciones de confort.

El objetivo principal de la eficiencia energética es reducir

el consumo de energía en los edificios, para lograrse se debe: reducir la demanda energética, actuar simultáneamente sobre la demanda energética y

el consumo energético. Siendo que la demanda de energía varía considerablemente,

dependiendo el uso y la función. En general, la demanda energética es de tres tipos: Térmica, para satisfacer los requerimientos de agua caliente sanitaria, calefacción y refrigeración, Luminosa, para los requerimientos de confort lumínico y Eléctrica, para las aplicaciones (a través de diferentes aparatos). También la demanda energética varía dependiendo de diversos factores, como: la ubicación, las condiciones macroclimáticas _ la latitud, la longitud y la región determinada; las temperaturas medias, máximas y mínimas a lo largo del día; la humedad relativa; la radiación solar incidente. Siendo las más importantes:

La orografía del terreno _ la accesibilidad solar, y la

dirección de los vientos dominantes. La existencia de masas de agua cercanas, que reducen

las variaciones de temperatura e incrementan la humedad ambiente.

La existencia de vegetación. Es evidente que la edificación afectará directamente al

consumo energético, no obstante el nivel de aislamiento térmico, la estanqueidad al aire, el tipo de vidrio, los detalles constructivos que eviten los puentes térmicos, determinará la transferencia de energía entre el edificio y el entorno, y por tanto, su demanda energética y el consiguiente consumo energético.

Las estrategias pasivas suponen una perspectiva de sustentabilidad en el uso de la arquitectura actual. De la mano de los sistemas de aprovechamiento energético que han garantizado el acondicionamiento interior de los espacios y

../3_Enviados_INER_20150629/[email protected]

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respondiendo ante los condicionantes climáticos del territorio en que se emplazan.

La investigación ha tenido por finalidad revisar la arquitectura tradicional de la Sierra Andina del Ecuador, desde la perspectiva de las estrategias pasivas inherentes a la construcción tradicional.

En ese marco se define el objetivo general de este artículo: “Identificar los mecanismos de aprovechamiento energético de la arquitectura tradicional del Azuay y el Cañar, mediante el análisis de sus aspectos tipológicos, constructivos y sus soluciones pasivas”.

Desde la perspectiva de poner en valor las estrategias pasivas de la arquitectura tradicional de la Sierra Andina del Ecuador, que aun cuando se realizaron sin conocimiento específico de sustentabilidad, han logrado espacios confortables térmicos y de iluminación.

LA ARQUITECTURA TRADICIONAL DE LA SIERRA ANDINA

DEL ECUADOR. La diversidad geográfica, climática y cultural, los alrededor

de 283.561 Km² que conforman el territorio de la sierra ecuatoriana, es el origen de una variedad de expresiones arquitectónicas tradicional.

El Azuay y el Cañar, son regiones de la sierra andina del Ecuador (Figura 1), en sus aspectos tipológicos —a escala territorial y a escala arquitectónica— se identifican estrategias pasivas particulares.

Figura 1: Localización geográfica de la zona de estudio. Para la investigación se seleccionaron edificaciones con

distribución tradicional; después de un exhaustivo trabajo de

identificación de los casos que representan la arquitectura tradicional de Azuay y Cañar. Posteriormente se realizó el análisis crítico, identificando las estrategias pasivas y su conexión con el entorno, en el caso que nos ocupa: emplazamiento, soleamiento y ventilación, que permiten mejorar la calidad térmica y lumínica al interior de las viviendas.

Figura 2: Análisis de los casos de estudio. La identificación de los casos de estudio, se realizó en el

periodo que inició en septiembre 2014, con la clase de

Construcciones 6 del 8º ciclo de la carrera de arquitectura y urbanismo; en principio en la clase, identificada como “Construcciones Vernáculas”, se definieron los parámetros de la arquitectura tradicional, con esos conocimientos y teniendo como finalidad levantar un testimonio gráfico referencial, con miras a poner en valor las características arquitectónicas locales, se pidió a los estudiantes de la clase que realizaran una propuestas de potenciales casos de estudio. De los trabajos académicos se seleccionaron los casos de estudio (Figura 2), de los cuales en este artículo se comparte la identificación de las estrategias pasivas, a través de su tipología.

Aun cuando los ejemplos estudiados representan la arquitectura característica de la sierra andina, existen casos que no se incluyen en este estudio, porque carecen de los parámetros de la investigación.

En el análisis crítico de los casos, se obtuvo como

resultados que: 1. En la zona de estudio subsiste la arquitectura

tradicional, principalmente en el ámbito rural o en lugares aislados geográficamente.

2. La arquitectura tradicional ha conseguido adaptarse al medio natural en que se ubica, con un mínimo consumo energético necesario para el confort del usuario.

3. El uso de la energía solar está presente en las soluciones pasivas, a través de la proporción de las ventanas y la orientación de las fachadas, lo cual permite que la iluminación natural esté presente en el interior.

LA ENERGÍA SOLAR EN EL CONFORT LUMÍNICO.

El objetivo de edificios de elevada eficiencia energética es reducir el consumo de energía primaria, y consecuentemente las emisiones de CO2 a la atmósfera. Siendo el edificio capaz de generar, recibir, almacenar y distribuir energía térmica y eléctrica de forma inteligente, reduciendo el impacto energético y ambiental provocado por la construcción.

El éxito del confort lumínico en los edificios suele atribuirse a sistemas convencionales de iluminación; en menor medida a las soluciones pasivas; y en última instancia se da la importancia a la influencia de la forma arquitectónica. No obstante la realidad es que la eficiencia energética en la edificación requiere alterar el orden de importancia y a través de un esquema inverso, donde la mayor parte del confort lumínico gracias a la forma, proporción, materiales y orientación elegida; los conocidos como sistemas pasivos, que aprovechan las condiciones climáticas del entorno; y, por último, a los sistemas activos de alta eficiencia con energía solar.

CONCLUSIONES.

A la luz de la identificación de las estrategias pasivas para el ahorro energético en la iluminación y siendo que la arquitectura tradicional posee un cumulo de conocimientos, de los casos de estudio se obtiene como primera lección, que estando especialmente en aquellos contextos aislados del Ecuador, aun con altos índices de pobreza, representan una verdadera lección del hábitat sostenible.

De ahí que se requiera sensibilizar al arquitecto en formación y al profesional de la arquitectura, que reconozca la importancia de realizar un proceso de diseño acorde al entorno de la edificación.

Además concienciar e implicar tanto a las autoridades como a las comunidades locales, acerca de la estrecha relación

que existe entre la arquitectura tradicional y el desarrollo sostenible, potenciando que la arquitectura tradicional no sólo guarda relación con el entorno inmediato, sino que es la respuesta de la arquitectura a los antecedentes de la eficiencia energética en la edificación.

Una manera para lograrlo es acercando el conocimiento de las estrategias pasivas para una arquitectura de bajo consumo energético, con miras qué a partir de la reinterpretación de los elementos identificados en la arquitectura tradicional local, de la Sierra Andina, se logre propuestas de arquitectura contemporánea sustentable para el Ecuador.

El programa ECOINVOLUCRATE EN 5Rs, a través de este artículo quiere contribuir a la difusión del conocimiento de las estrategias pasivas, en la educación formal del arquitecto y la sensibilización en la mejora del medio ambiente en manos del arquitecto en prácticas.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo científico ha sido patrocinado por el Proyecto Prometeo de SENESCYT del Ecuador. El artículo se inscribe dentro del programa "ECOINVOLUCRATE EN 5Rs", proyecto de investigación llevado a cabo por Marina Pérez P. en la Facultad Arquitectura y Urbanismo de la Universidad de Cuenca (Ecuador).

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http://arquitecturaypatrimonio.com.mx/html/ARTICULO18.pdf

Daylight Modelling Calibration in order to inform future Library Design

Mauricio A. Masache Heredia (Author) dept. of Energy Efficiency

ECOGlobal Solutions Quito, Ecuador

[email protected]

Christopher A. Jensen (Author) Faculty of Architecture, Building and Planning

The University of Melbourne Melbourne, Australia

[email protected]

Abstract— The building sector uses 32% of the world's

resources, it is accountable for contributing to 55% of the greenhouse gas emissions worldwide, 40% of waste material that goes to landfill, and its energy consumption is measured to up to 62%. Hence, in order to tackle these environmental issues, better building performance needs to be achieved. Computer Modelling and simulations are considered important tools in order to quantify the benefits of Environmental Sustainable Design (ESD) and its strategies. This research intends to evaluate the accuracy of IES Virtual Environment when used for daylight analysis by comparing measurements from an existing building, The East Melbourne Library (EML). The EML is a s ustainable library that prioritized the use of daylighting in its design. Field monitoring sensors were placed in the building to record the illuminance (Lux) in four spaces. Computer simulation was used to develop a 3D model with parameters adjusted to match the light levels of the existing building. Comparisons between the on-site monitored data and the predicted illuminance simulations were analyzed to assess the software accuracy (put this bit before the ‘parameters’ bit. Calibration accuracy is presented and discrepancies among the results are discussed. Comparisons from the simulations show discrepancies no greater than 60% on the instantaneous illuminance, which can be addressed as the accuracy and limitations of IESVE for future library design.

Keywords— Daylighting, Energy Efficiency, Building Modelling, Sustainable Building, Sustainable Libraries

I. INTRODUCTION The building sector uses 32% of the world's

resources, it is accountable for contributing to 55% of the greenhouse gas emissions worldwide, 40% of waste material that goes to landfill, and its energy consumption is measured to up t o 62% [1] [2]. In order to tackle the environmental issues, there is a need for better performing buildings and optimization of energy consumption in design and operation [1] [2] [3].

Computer Modelling and simulations are considered important tools in order to understand the effects of Environmental Sustainable Design (ESD)

strategies; assessing the performance of the building from the design to the operational stage, resulting in better performance in buildings [4]. Nonetheless, the complexity of building design, the diversity of variants and the enormous amount of variables interacting, makes a difficult task to emulate the real world of building operation. Therefore, validating the simulation outputs with real data is a critical part of the feedback loop that is often ignored in the sustainable building design process. [5].

Energy saving and daylighting performance in buildings are commonly forecasted by t he use of computer simulations. However, these tools have rarely been validated against real collected data and despite the availability of assorted lighting and daylighting software developed. These tools are being used without the insight of precision on i ts simulations, understanding of its limitations and well documented data [6].

This research intends to evaluate the accuracy of IES Virtual Environment software by performing daylight calibration.. By monitoring an existing building and the limitations and accuracy of the software for daylighting, will derive in a wider understanding of computer modelling.

How accurate can IESVE simulation tool be for daylighting modelling of a green building space, compared to monitored data, in order to be replicated for the benefit of future library design?

Objectives • Assess the accuracy of the simulation

software IESVE compared with monitored information in order to achieve better design accuracy in modelling.

• Assess the daylighting performance of the East Melbourne Library.

II. DAYLIGHTING Electric lighting is considered one of the

principal pieces of the energy consumption breakdown in buildings. It is claimed that lighting is responsible for up to 30% of the total electricity demand in commercial buildings [7]. Strategies to promote energy savings can derive in reduction in greenhouse gas emissions (repeated?) [8]. Integration of daylighting in buildings combined with the use of artificial lighting is considered an energy saving response to address sustainability [9].

Implementation of daylighting strategies in buildings can provide an economic benefit; reduction of electric loads as well as thermal loads requirements, which would lead to smaller sizes of HVAC systems design and improve the overall energy (good) [10] [11]. An imperative point on the subject is that the inadequate approach of daylighting can cause discomfort, visual difficulties and disproportionate demands of energy [8].

Moreover, daylit libraries have demonstrated to be more attractive to users, and their collections are used up t o 50% more compared to traditional libraries. Users want to stay extended periods of time in, or have returned to the building more frequently if they find a well daylit space [12]. Situations that give support to the daylight design for better building environments and that are recurrent drivers in most Green building’s rating tools such as Australia’s Green Star (and U.s. GBC LEED – but check this)[13] [14] [15].

III. LIBRARIES AND SUSTAINABILITY The awareness of the link that exists between

how humans develop and modernize society, and how this translates into a high cost for the environment due to the resources we use, is imperative in the process of building design. The City of Melbourne increased their awareness of the building case and its relationship with the environment; and set ambitious plans to overcome the sustainability issues with the objective of being leaders in this field. The “Zero Net Emission by 2020” target, is one of these plans that set a benchmark for their projects; involving

constructions such as CH2 building, East Melbourne Library and Docklands Library, among others [16]. The last projects mentioned before are part of the “City of Melbourne’s strategy of inserting or updating public libraries across the municipality”; libraries that need to be urban examples of sustainability [17].

The Melton library can be used as a case study in order to illustrate different features related to sustainability. Since the completion of the Melton Library and Learning Hub in 2013, it has saved $30,000 per year in utility cost, 52% reduction of energy consumption, 60% cutback in gas usage, and 82% of water savings. Its ESD design features include the use of 92% of recycled materials from the previous existing building, “efficient design to minimize heating, cooling and lighting costs”; implements mixed mode ventilation (mechanical and natural) combining underfloor air distribution system (UFAD), night purging of hot air and solar thermal collectors. This strategy provides 50% of the heating required for the building.

Among these strategies, the key focus of the Melton Library is to optimize the use of daylight control, increasing the natural light in the building and combining this feature with digital automatic lighting. It also takes advantage of the sunlight to produce energy through 50 m2 of PV panels [19]. Explain that these features are common to modern libraries.

IV. CASE STUDY Fig. 1. East Melbourne Library

The case st udy chosen for this research was the East Melbourne Library (EML). It was chosen due

to its applicability and as part of a monitored intention for green libraries. The library is located in Melbourne, Australia at latitude of -37.815084 and longitude of 144.987422. The address of the building is 122 George Street East Melbourne VIC 3002. The EML is a two storey building, that in the first floor converged a double height main central space, the information desk, bookshelves, office, storage place, and a kids space and in the second floor is placed the administration offices, multipurpose room and a history room. The working hours of the library are resumed in the Table 1:

TABLE I. WORKING HOURS EML

Monday 10am to 6pm Tuesday 1pm to 8pm Wednesday 10am to 6pm Thursday 10am to 6pm Friday 1pm to 6pm Saturday 10am to 4pm Sunday 2pm to 5pm

Daylighting design at the EML is addressed using

north-south orientation, and the architectural design of overlapping roof shells helps to increase the amount of daylight through the building. The building was constructed with high performance Low-E glazing that blocks the excessive heat load while allowing the entrance of natural light. Shaded perimeter glazing helps to spread a beautiful diffuse light within the spaces and this design acknowledge the views and connections with the surrounding outdoor environment. The daylighting passive is combined with the use of high efficient artificial lighting. In the main space, artificial lighting is controlled by s ensors that switch-off the lights fittings when natural light is sufficient to illuminate the space [20] [21]. This bit is great

There are a series of interesting ESD strategies of the East Melbourne Library, however, the daylighting performance is the focus of this research. The objective of this study is to analyze the accuracy and the quality of daylighting within the East Melbourne Library using monitoring sensors in order to validate IES Virtual Environment software in simulating the illuminance. This will be used to compare against monitored values with simulations.

Validating the building computer model is an important step to achieve more precise outcomes in future library design.

V. METHODOLOGY The research methodology intends to provide the

strategies used to gather information from the East Melbourne Library’s daylight impact, as does the process involved in the elaboration of the Building modelling of the EML, in order to compile the data for this study. The 3D building model is used for the daylight simulation method, which is going to be validated and compared against the real data collected on site (EML), in order to fulfil the aims of this research.

A. Research Strategy This research uses the East Melbourne Library as

a ‘case study’ considering it a su stainable library, designed to take advantage of the daylighting in the location in order to achieve an environmental- friendly outcome as mentioned in Chapter 1. The research strategy is similar to the process used for calibration, adapting the traditional method used for energy audit calibration from (Krarti, M. 2010 p16- 14). The process can be summarized as follows:

Fig. 2. Simplified Research Strategy

The process intention of data comparisons, between measurements and simulations, shall be comprehended as an analysis of how accurate is the program for its intended purpose and not only as whether the simulations are consistent with the measurements. The validation process was then developed following the next steps:

• Before performing the research, those involved in the study made contact with Linda Longley and Fiona Campbell, part of the staff of the East Melbourne Library, who were the facilitators of the project in the assigned location and allowed us to set up t he equipment for the research.

• Collect information of the building (East Melbourne Library), including plans, drawings and by making regular site visits.

• In order to analyse the daylighting information, Light Meters were used. The Light Meter LX-1128SD registers the amount of daylight in the space in ‘lux’ for a period of time. The period of research was chosen between March 17th to April 17th of 2015. Acknowledging that East Melbourne Library closes during Easter, closing from Friday April 3rd to Monday April 6th of 2015, where it can be tested pure daylight influence, without occupancy, user’s interactions and artificial lighting.

• A 3D building model was designed in IESVE software in order to match the shape, surface properties, and glazing amount of the East Melbourne Library. The 3D model will be used to run a simulation of daylighting in the building.

• Comparison of the results from the simulation with the data collected from the Light Meters.

• Identify the reason for matching or mismatching between the collected data and the simulation results.

B. Data Collection In order to record the amount of daylighting this

research used 4 Light Meter LX-1128SD. The equipment saved the readings in an SD card. Each of the Light Meters was installed with 4GB SD card in

order to storage the information. It was decided to record the information from 17 o f March to 17 of April of 2015. The locations to spot the sensors were defined as: 1. Main Hall: The sensor was placed on t op of a bookshelf close to the north facade, separated around 0.80m from the north facade window and at a height of 2.00m due to safety reasons, as shown in Fig. 3.

Fig. 3. Main Hall, location of sensor 1

2. Main Hall: The sensor was placed on t op of a bookshelf, in the middle of the main hall, at a height of 2.00 m due to safety reasons as shown in Fig. 3. Fig. 4. Main Hall, location of sensor 2

3. Local History Room: The sensor was placed on top of a file cabinet next to the window at the south facade of the building, as shown in Fig. 5. A s the local history room with limited access, only to library’s staff the safety reasons of placement allow their location at 1.5 m above the level floor. Fig. 5. Local History Room, location of sensor 3

4. Community Room: The sensor was placed at the north facade as shown in Fig. 6. located in the blue frame. The height of placement was 2.3 m from the level floor. The location was chosen to avoid the influence of public, and for safety reasons. Fig. 6. Community Room, location of sensor 4

VI. BUILDING MODELLING

A. Simulation Inputs and Assumptions According to the IESVE (2015b) website, in the

section of RadianceIES, the software uses

sophisticated ray-tracing techniques to perform the simulation and takes into account:

• Position of your building and site

• Time of day and date

• Sky conditions

• Material properties

• Shading surfaces

• Adjacent buildings In order to draw the 3D building model to

perform the simulations, a process of obtaining the required 2D CAD drawings was addressed on t he regular site-visits as well. Fiona Campbell facilitate us with the first set of drawing, although the plans were in PDF, which made them confusing for the researcher to use them for modelling, considering the difficulty to draw the height of the building and the shapes. City of Melbourne through Gary Ormoston facilitated the file including the CAD drawings, which were used to draw the external constructions and internal partitions of the East Melbourne Library. The drawings were imported to IESVE as shown in Fig. 7.

Fig. 7. Overview of the EML model

The selected simulation materials are shown in the following tables.

TABLE II. MAIN HALL SELECTED MATERIALS

Material Color Reflect. Trans. External Roof Concrete Grey 0.437 -

Internal Ceiling Plaster White 0.9 -

Internal Floor Concrete Grey 0.437 -

External Wall Concrete Grey 0.437 -

Internal Partition Plaster White 0.9 -

Glazing Glass Clear - 0.71

TABLE III. LOCAL HISTORY ROOM SELECTED MATERIALS



Internal Floor Carpet Orange 0.576 -




TABLE IV. COMMUNITY ROOM SELECTED MATERIALS



Internal Floor Concrete Brown 0.319 -




In order to perform the simulation in the 3D, RadianceIES allowed the user to place lighting sensors. Sensors were placed emulating the same conditions considered to the light meters. Same altitudes were defined and the locations can be seen in the Fig. 8 as blue dots in the construction. Considering the Radiance manual, among the standardized skies used in the software, there are two particular sky types used in RadianceIES to represent daylighting. The ‘CIE Overcast Sky’, which sets the worst condition scenario for a design in terms of illuminance, allows the designer to have more conservative approach of the outcomes. CIE Overcast Sky, varies according to site latitude, season and time of the day. The other sky is the Sunny Sky, which set an over lighted scenario, mostly used for luminance and glare control (Crone, 1992). As this research is focusing on i lluminance performance, a C IE Overcast Sky is chosen in Apache Simulation, giving values of 20-60% or Average conditions for the simulation.

Fig. 8. Placement of sensors in the East Melbourne Library

VII. RESULTS

A. Measured Data In this study, four locations were chosen to set

the sensors, thus they were set in RadianceIES for simulations; the following graphics represent the different locations, according to the sensors. The compared results and measurements are shown. The data gathered in the EML, using the Light Meters, suggest that a vast amount of daylight gets in the spaces where the sensors were placed. The amount of light varies in ranges from around 300 Lux to over 50,000 Lux in the highest values (Fig. 9 – 12). This condition can be seen as an opportunity for

future energy saving. In the future, the library can set an automation system, using lighting sensors combined with the artificial lighting to switch off the light when the daylight conditions fulfil the lighting needs of the space. This scenario can save energy by reducing the electric and heating loads related to lighting fixtures. Variations of the values are related to room location (north façade, south façade, etc.), size of windows (amount of glazing and its properties), reflectance of materials and external conditions (sky light).

Fig. 9. Main Hall: Measured Data Sensor 1

Fig. 10. Main Hall: Measured Data Sensor 2

Fig. 11. Local History Room: Measured Data Sensor 3

Fig. 12. Community Room: Measured Data Sensor 4

A closer look at the data indicates that comparing the sensors placed at the north façade (Fig. 9 a nd 12), the sensor 1 at the Main Hall registered its highest values close to 800 Lux, while sensor 4 at the Community Room has its highest measured values around 50,000 l ux. This variation is due to external micro perforated element, acting as shading, placed outside the glazing of the Main Hall at the north façade. According to conversations with Fiona Campbell, this architectural element was placed after the construction was completed, in order to control the amount of direct sunlight entering the building, controlling the excessive light as well as

reducing the heat gain related to this effect. Moreover, a comparison with the sensor placed at the Local History Room, south façade of the building (Fig. 11), which has measured values around 5,000 lux, higher than the sensor 1, demonstrate that the use of external micro perforated façade is an effective way of controlling excessive sunlight while maintaining efficient daylighting intake.

B. Data Comparisons Fig. 13. Local History Room: Comparison during Easter Period

The Local History Room is considered as the best

scenario in order to analyze the comparisons and obtain clearer outcomes. Local History Room is the smallest room compared to other spaces analyzed, it is located at the south façade of the building, which helps to avoid direct sunlight impacting the sensor and it has little or zero occupancy. The data that is going to be analyzed and compared is within the Easter period (3 to 6 of April) where library was on holiday, closing its doors to the public, without occupancy, user’s interactions and artificial lighting on the space. This type of validation method can present noticeable limitations for daylight modelling, as it tries to compare the results from the simulations against the measured data in the same spaces, the limitations lies in new designs where there is no space to test during the design phase.

Within the Easter period, Fig. 13 presents the Local History Room’s data comparisons between the results generated from IESVE with the measurements, it is highlighted that the tendencies of the graphs are similar, however the amounts of daylighting fluctuate. The following figures will be a breakdown of each day in order to provide a more

depth understanding of the daylighting behaviour in both simulations and real life.

April 3 Fig. 14. Local History Room: Comparison April 3

Analyzing the differences between the simulated data and the measured data, from 6:30 to 18:00 the discrepancies for this day range over 50% to 120%, considering the trending line among the results (Fig. 14). Furthermore, a closer look to this analysis exposed that over 48% of the overall measurements have discrepancies below 60%, and 19% represents differences no m ore than 20% between the simulations and the real data. This finding illustrates that, although the difference can be greater than 120% between the data, a high proximity, no greater than 60%, can be achieved in around 50% of the results from the day.


Fig. 15 displays the comparison of the results for 4 of April; the simulations were closed to the measurements in this day, nonetheless, the peak registered at around 14:00h can be addressed as a

result of the variability of sky conditions previously explained. An analysis of the differences among the real data and the simulations was performed, demonstrating that, although, the graph shows more peaks, the trend line framed the discrepancies of the results between the 30% and 40%. Besides, an 89.8% of the differences are ranged below the 60%, and around 25% of the totals are even closer, showing proximities below the 20%, demonstrating more accurate results of the simulations with the real data for this day.


Figure 18 displays the comparison of the results for 5 of April; the simulations are following a tendency similar to the real data, however, the amount of lighting registered does not perfectly match the results. Conditions explained of the sky variability, complex building modelling, windows frames and reflections could be affecting the data; as well the VLT related to the glazing could be adjusted in order to have closer results.

The discrepancy analysis between the results set up the differences amongst the 50% and the 30%. In this case 96.5% of the differences are ranged below the 60%, and only 12% of the total ranged below the 20%. Although, around 44% of the total discrepancies can be positioned below 40%, a high percentage of simulated results have high proximities for matching the measurements registered by the sensor.


Fig. 17 exhibits the comparison of the results for 6 of April; the simulations in this particular day, just from the observation of the curves, seem to be more accurate with the measurements performed by the sensor. According to the discrepancy analysis (Figure 4.13), the trending line places the differences among the data around 10% to 50%. Although the gap in the trend is higher compared to the two previous days, it registered that the gaps between simulated daylight and the sensed data in this case are closer, 36.2% of the discrepancies are below the 20% and 74.14% of the total is registering below the 40% differences. These circumstances enlist this day into the highest precision matching the simulations with the real data.

Summarizing, taking into account the 4 days, in 3 of them, 4 to 6 of April, simulations have differences no greater than 60% compared to the actual measurements realized in the building. These differences are accounted to no less than 88% of the results acknowledged in those days, and getting even to cover over 95% of the simulation results. Even though a higher accuracy with differences up to 20% discrepancy are acknowledged in all the results, condition that on the 6 of April is counting in more than 35% of all the instantaneous illuminance simulated and registered in the Local History Room. The condition of the 3 of April differs from the other 3 days, as in 48% of the results registered in the simulations; the discrepancies reach the 60%, which leave 52% of the results with higher discrepancies, however in 19% of the simulations, the discrepancies are lower than 20%, which is a higher amount of results with that type of accuracies than

the ones found on 5 of April. This last day is the lower case scen ario for accuracies below 20%, considering that those are found in only 12% of the all simulation results for that day.

VIII. CONCLUSIONS As the evidence demonstrated during this study,

it is possible to closely calibrate a model for daylight measurement, in this case the EML, based on t he measurements of the existing building. This pilot study shown a wider understanding of computer modelling, which can be used in future designs of this type of constructions.

The research also shown limitations that be addressed in using simulation in future library design, such as cloud cover, direct sunlight, location of the rooms, material reflections and glazing lighting transmittance, which influence the results. Moreover, limitations of the equipment, such as working on battery power, adding to the other limitations, were the most problematic issues.

Based on t he limitations, the study shows that south facing rooms were easier to get more accurate results than the other locations. However, there is a need to consider longer periods of time without artificial lighting on to best study daylight, and address the user interaction.

It is recommended for future research on daylighting, instead of using one light meter for each space, the use of different points of measurements recording in one space. This scenario will support the fact that light spreads through the room and will address different points of test. It will develop a wider understanding of the simulations and the software ability to replicate real conditions, considering differences through the room.

The results in the study verified a great amount of daylight entering in the EML, acknowledging a good design based on t he designers’ skills and a great opportunity for future energy savings. Energy savings can be performed by combining lighting fixtures with daylight sensors in order to switch off the lights when that amount of daylight fulfill the lighting needs of the space. Improving the interactions with artificial lighting.

The north shading screens, acting as ex ternal shade, were added after the original design for heat

issues, which affect the daylight, demonstrating that the initial design did not consider this effects, or did not took into account these conditions that could affect the building performance.

Moreover, it can be evidenced that the designer of the building, did not get feedback, i.e. performance data, which can improve their own work. It can be considered a big failing of the industry that need to be acknowledged.

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[21] M. Krarti, Energy audit of building systems: an engineering approach. CRC press, 2010.

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Reducción de emisiones de GEI por el uso de biocombustibles en el Ecuador

* Quintana Paola, Guayanlema Verónica, Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables (INER)

Quito-Ecuador Av. Iñaquito N35-37 y Juan Pablo Sanz

[email protected]

Resumen— En el presente trabajo se evaluó las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) por el uso de biocombustibles en el sector del transporte. Primero, se determinó el consumo de energía en el sector transporte, a continuación se determinaron las potenciales fuentes de biocombustibles en el Ecuador. Con esta información se proyectaron las tasas de crecimiento de la demanda energética del transporte al año 2043, como un escenario de cambios a mediano plazo.

Se utilizó el software de Planificación Energética a Largo Plazo (por sus siglas en ingles LEAP), con el fin de correlacionar las variables económicas con el desarrollo y los datos históricos en el sector energético. Para ello se simuló las condiciones más favorables para la introducción de los biocombustibles.

Finalmente se obtuvo la evaluación de las emisiones evitadas por el uso de estos biocombustibles las mismas que pueden ser alineadas para continuar con el compromiso ambiental.

Palabras claves—Biodiesel; GEI; transporte; etanol

I. INTRODUCCIÓN El transporte es identificado como una de las actividades

de mayor consumo energético a nivel mundial (27% de total de la energía). Esta actividad económica consume más del 50% de la demanda mundial de petróleo [1]. De la misma manera, con un 4 9%, es el sector de mayor demanda energética en el Ecuador [2]. El transporte es además una actividad indispensable en el desarrollo económico de la sociedad.

La utilización de los biocombustibles como alternativa a los derivados de petróleo, es una propuesta atractiva para la reducción de impactos ambientales ya que los biocombustibles son una fuente de energía renovable que proviene esencialmente de la fotosíntesis, proceso por el cual las plantas reducen y fijan el CO2, transformándolo en carbonos, como azúcares y almidones. Como alternativas de solución se observa un incremento de la producción a nivel mundial [3]. La Agencia Internacional de Energía [4] prevé una ampliación importante del papel de los biocombustibles en el transporte a nivel mundial como solución a la reducción de emisiones contaminantes.

Los biocombustibles pueden ser elaborados con una amplia gama de productos agrícolas y forestales. El biodiesel es un c ombustible que se produce a partir de la reacción química entre el aceite (animal vegetal o animal) y el alcohol (etílico o metílico). Posee características similares a las del aceite diésel que se obtiene a partir del refinado del petróleo y su eficiencia energética es similar. El bioetanol, en cambio, se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en

la materia orgánica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un c ontenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como combustible. El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder energético con características muy similares a l a gasolina pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión.

En Latinoamérica el caso más representativo es Brasil, pues tiene una trayectoria de más de 35 años. En este país el desarrollo de los biocombustibles está motivado por la combinación de factores económicos y normativos que influyen en la agricultura. Brasil se ha convertido en el segundo productor a nivel mundial de bioetanol con 26 billones de litros y 1,1 billones de litros biodiesel en el 2009.

En Ecuador los biocombustibles se constituyen en la alternativa para una sustitución parcial de los combustibles fósiles para el consumo en el transporte terrestre, aéreo y marítimo [5]. La biomasa es una de las principales energías renovables de la cual se puede obtener combustibles líquidos de alta densidad energética capaz de sustituir a los combustibles fósiles. Los biocombustibles provocan menores impactos por cambio de uso del suelo cuando se utilizan residuos agrícolas o los cultivos se realizan en tierras marginales, degradadas o en aguas residuales (e.g. biodiesel de algas, piñón que es capaz de crecer en tierras áridas) [6]. Una de las iniciativas pioneras en el país para la producción de biocombustibles es la planta de biorefinería piloto de la Pontifica Universidad Católica del Ecuador (PUCE) ubicada en el Distrito Metropolitano de Quito, DQM. Esta planta busca producir biocombustible, biofertilizantes y material químico a partir de residuos agrícolas provenientes de la palma, la caña de azúcar y el banano. Otra iniciativa piloto es el proyecto piñón para Galápagos el cual es llevado a cabo por el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable, MEER. La finalidad de este proyecto es sustituir el diésel por aceite vegetal obtenido de piñón para la generación eléctrica. El piñón se lo cultiva en cercas vivas en la provincia de Manabí y se extrae el aceite puro vegetal (al momento no se refina a b iodiesel) que se utiliza en los generadores termoeléctricos de Galápagos [7].

Con estos antecedentes, la finalidad de este artículo es evaluar alternativas potenciales a gran escala de la introducción de biocombustibles en el sector transporte. Para ello a continuación se presentan el proceso metodológico así como los supuestos para este análisis.


II. BIOCOMBUSTIBLES EN ECUADOR

A. Gasolina E5 La iniciativa pública en el Ecuador se originó a finales

del año 2004, con la creación del Consejo Nacional de Biocombustibles de cuyo trabajo deriva la propuesta de implantar un Plan Piloto en la ciudad de Guayaquil (una de las ciudades más importantes del Ecuador), para el uso de gasolinas combinada con etanol (E5) con proyección al resto del país aumentando la mezcla a etanol (E10), se tiene como objetivo ampliar superficies de caña de azúcar y de palma africana en 50.000 ha respectivamente para estos fines incrementando así nuevas oportunidades de empleo [8].

En el marco del Cambio de la Matriz Productiva, el Ecuador fomenta la producción de la gasolina E5 llamada ECOPAÍS, un biocombustible compuesto de 5% de bioetanol (proveniente de la caña de azúcar) y un 95% de gasolina base. Gracias al alto octanaje de bioetanol, al incorporarlo en la producción de ECOPAÍS, genera una reducción de la producción de naftas de alto octano (NAO) en un 14% , lo que implica menos importaciones de este derivado y un e fecto positivo en la balanza comercial nacional (MCPEC).

Entre los resultados obtenidos en el país por el uso de E5 se consiguió un ahorro en subsidios, se fomentó el empleo rural ya que el etanol utilizado proviene de la caña de azúcar y se redujo la importación de NAO, el consumo es este combustible es de l 17% en el puerto principal del país (Guayaquil), lo que equivale al 3% a nivel nacional.

B. Biodiesel

Cada vez hay más interés en las fuentes de energía alternativas o nuevas, a causa de los impactos ambientales y la disminución de los suministros de combustibles fósiles. El biodiesel un combustible no tóxico, biodegradable puede utilizarse en vehículos de motor diésel sin modificación importante del motor [9].

El biodiesel se produce en la mayoría de los casos como resultado de la transesterificación de grasas, aceites vegetales, algas, entre otros [10]. El biodiesel se define, según la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM ), como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivadas de una materia prima renovable como el aceite vegetal o grasa animal [11].

En Ecuador, como alternativa a los combustibles fósiles se está realizando una mezcla de diésel con aceite proveniente de la planta jatropha curcas o como comúnmente se lo conoce como “piñón”, para generación eléctrica. El aceite de piñón ingresa sin que haya pasado por el proceso de transesterificación, por lo que no se quema directamente biodiesel sino aceite, sin embargo si existe la reducción en GEI.

La jatropha, es un arbusto perenne que crece en zonas secas y en terrenos degradados, de baja fertilidad, que no son apropiados para otros cultivos. Se puede obtener producciones entre uno y diez toneladas de semillas por hectárea, dependiendo de la edad de las plantas, zonas de cultivo y uso de riego. La siembra puede ser directamente en el campo o p or plántulas producidas en viveros y trasplantarlas con 30 o 45 días de edad. La germinación de la semilla tarda de 6 a 10 días [12].

Dentro de las iniciativas del país por utilizar

biocombustibles, en el 2008 inició el proyecto de estudio de factibilidad de “Cero combustibles fósiles en Galápagos”. En una primera etapa de esta iniciativa se ha instalado motores que funcionan con biodiesel para la generación de electricidad en una de las islas de Galápagos (Floreana). Se espera con esta iniciativa atender el 90% de demanda total de la isla. La producción de piñón se da en la región costa del país en la provincia de Manabí y es trasladado a l as islas para ser gestionado por ELECGALAPAGOS.

De acuerdo a las proyecciones del suministro de energía que considera por un lado el crecimiento de la demanda convencional, la demanda ocasionada por el ingreso en operación de los proyectos de agua potable en las Islas y por otro lado las tecnologías a instalarse como son los proyectos eólicos y fotovoltaicos, se ha realizado una proyección de demanda de aceite de piñón que se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1 Producción de aceite de piñón Isla Aceite vegetal

(gal/año) Semilla (Ton/año)

Santa Cruz 780 000 10 156 San

Cristóbal 300 000 30 906

Isabela 160 000 2 083 Floreana 11 000 143

Total 1’253 015 160 289

A pesar de ser un proyecto nuevo se está iniciando con la difusión y apoyo a l os agricultores para incrementar la disponibilidad de este recurso. En la tabla 2 se puede observar la producción de semillas de piñón.

Tabla 2 Producción de semillas de piñón

Año Cantidad de semilla para procesamiento, qq

2012 3 947.23 2013 1 801.31 2014 2 105.73

Esta iniciativa ha generado cerca de 110 MWh (2013)

[13], que resultan no ser un valor significativo en cuanto a la demanda total de generación eléctrica del país. Debido a esto, en este estudio se detalla la factibilidad de incrementar el uso de biodiesel.

En la figura 1 se puede observar la producción de biodiesel obtenido de la palma africana. El biodiesel que se proyecta utilizar será principalmente obtenido del excedente de aceite de palma africana, ya que el consumo nacional de palma africana se encuentra en alrededor de las 210 000 t quedando 235 667 t de excedentes que son exportados a o tros países [14]. Por esta razón se puede asegurar la seguridad alimentaria en el Ecuador y aprovechar este recurso renovable para la producción de biodiesel y con este a su vez el de energía eléctrica.

Las mezclas de biodiesel al 20% o menos (B20 o menos) minimizan la mayoría de problemas asociados con la compatibilidad de materiales: no hay riesgo con ningún tipo de plásticos y elastómeros presentes en mangueras y

empaques normales [15]. El B20 se degrada más rápido que el diésel de petróleo en contacto con cobre, bronce, latón o zinc, pero mucho más lento que el biodiesel puro, y en general tiene una mayor vida – puede ser almacenado por mayor tiempo – que el biodiesel puro. La estabilidad del B20 depende, al igual que la del biodiesel, del aceite de procedencia. La mayoría de B20, sin embargo, deberían poderse almacenar sin riesgo hasta por 8 a 12 meses [16].

Fig. 1 Producción de biodiesel obtenido de la palma africana

Las áreas que se espera explotar son las hábiles y

propias para el cultivo como se indica a continuación en la figura 2:

Fig. 2 Rendimiento aceite rojo y área sembrada de palma

III. EMISIONES DE GEI

Para la determinación de las reducciones de emisiones de GEI se utilizó las directrices del Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

El desarrollo de escenarios se plantea de acuerdo a decretos ejecutivos y bajo condiciones óptimas disponibles para la explotación de las tierras. En una primera etapa se planteó el uso del software LEAP (Long-range Energy Alternative Planning), en esta herramienta se ingresó información macro económica propia del sector como tamaño del parque automotor, recorridos medios, consumos específicos; estas variables permitieron determinar la demanda energética, así como el impacto en la reducción de emisiones de GEI.

A. Bioetanol En un principio se planea una perspectiva a futuro de

5% etanol al 2016 y del 10% en el 2020, para todo el país, incrementándose posteriormente porcentajes d e mezcla mayores si se introducen motores Flex Fuel y por el lado de la oferta la producción a p artir de otras tecnologías y biomasas en el futuro. Como se muestra en la figura 3.

Es importante considerar la necesidad de instalar destilerías nuevas que incrementen su capacidad hasta 11´300 000 litros diarios a partir del año 2020, debiendo adicionarse áreas sembradas con caña hasta de 40 000 Ha al final del periodo.

Fig. 3 Penetración de etanol

B. Biodiesel

Una vez analizado el excedente de acetite de palma, respecto al aceite de piñón, se observó que este ocupa un volumen más representativo. Para la construcción de un escenario de reducción de emisiones de GEI, se consideró solamente la producción a partir de palma aceitera y sin sobrepasar en ningún momento los excedentes de aceite crudo de palma previstos. Se espera poder llegar a comercializar mezclas de biodiesel comenzando gradualmente por un B3 como prueba inicial, comenzando con un B5 a escala comercial y llegando como máximo a un B15.

Fig. 4 Mezcla de biodiesel

Para poder cubrir la producción de biodiesel para el

mercado interno se deberá instalar plantas de aprovechamiento de aceite de palma hasta llegar a unas 800 000 Toneladas por año. Si se considera que un módulo eficiente es de 100 000 TM/año, eso representaría unas 8 plantas. Por otro lado, en ningún momento el área sembrada destinada a l a producción de biodiesel superaría el área equivalente para la producción de los excedentes de aceite crudo, ya que como se mencionó anteriormente el biodiesel se produciría únicamente en base a los excedentes previstos por la propia agroindustria.

IV. RESULTADOS

Una vez realizadas las simulaciones de los escenarios factibles para el aprovechamiento de etanol y aceite de palma, se determinaron las emisiones en un escenario base y en un escenario con la utilización de biocombustibles.

Como se puede observar en la figura 5, las emisiones de acuerdo a la demanda actual de energía sin ningún cambio en los patrones de consumo llegarían hasta 75 millones de Ton CO2 eq. en el 2043. Un escenario más optimista en el cual se aplican alternativas al uso de biocombustibles con la mezcla de etanol con gasolina y biodiesel con diésel, muestra que las emisiones podrían ser cerca de 58 millones de Ton de CO2 eq. al 2043.

Comparando los dos escenarios, la reducción de las

emisiones de CO2 eq, implementando las medidas mencionadas más el desarrollo tecnológico con la introducción y uso de vehículos eléctricos e híbridos hasta el momento, el porcentaje estaría cerca del 19.5 % en comparación al escenario sin cambios (BaU).

Fig. 5 Emisiones de GEI

V. CONCLUSIONES

Dentro de las principales conclusiones del presente estudio podemos destacar la importancia de impulsar el desarrollo de los biocombustibles. Pues al conocer que el Ecuador que es importador de derivados, exportador de materias primas como el Piñón y con altos porcentajes de subsidios hace que m edidas como la implementación de biocombustibles disminuyan las importaciones de combustibles fósiles lo que conlleva a una mejora en la calidad del aire por la reducción de emisiones de CO2.

Debido a que el Ecuador tiene la capacidad de producir

biomasa vegetal, por lo tanto, biocombustibles, podría brindad cierta independencia en la producción de energía no dependiente de energías no renovables.

Se debe pensar en alternativas o estudios que

consideren una factibilidad de utilización de este tipo de recursos naturales incrementado las áreas de producción. Para ello a l a par se debe mantener una visión en la cual este recurso garantice también la seguridad alimentaria, que es uno de los principales lineamientos de las políticas de gobierno dentro del Plan Nacional del Buen Vivir.

AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Instituto Nacional de Eficiencia

Energética y Energías Renovables (INER) y a la Secretaria Nacional de Planificación y Desarrollo (SENPLADES) por el apoyo en el proyecto de investigación “Línea Base para la investigación en eficiencia energética en el sector transporte”.

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[13] ELECGALAPAGOS S.A., “Informe de la presidencia ejecutiva a la junta general de accionistas por el ejercicio económico 2013,” Galápagos, 2013.

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Estudios de eficiencia energética y análisis químico del menaje disponible comercialmente en Ecuador

P.S. Dávila, J.P. Kastillo, J. Martinez, S. Villacís Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías


6 de Diciembre N33-32. [email protected]


Palabras clave Inducción, Eficiencia, Análisis Químico, Ensayo, Plan de cocción eficiente. Resumen El propósito de esta investigación ha sido probar que el menaje de inducción disponible comercialmente en el Ecuador, cumple con la composición química y eficiencia energética requerida en la Norma NTE INEN 2851, basada en la Norma ASTM F 1521 -3 correspondiente al “Método de ensayo estándar para eficiencia en Menaje”. Inicialmente se ha determinado la eficiencia energética de las ollas ensayadas (2 criterios de diferenciación, 7 tipos de olla en total) en distintas cocinas (4 modelos en total), de acuerdo con la Norma NTE INEN 2851. Además se ha realizado el estudio de la composición química del material usado en el menaje (6 modelos en total) para ratificar que estos materiales son aptos para el uso y no alteran las propiedades organolépticas de los alimentos; de acuerdo a normas técnicas nacionales e internacionales. El principal aporte del presente estudio es contribuir en el cambio de la matriz productiva del Ecuador, al sustituir el uso del GLP en cocinas por electricidad en cocinas de inducción.

I. INTRODUCCIÓN

El Ministerio de Electricidad y Energía Renovable (MEER) desarrolla en Ecuador el “Plan de Cocción Eficiente” (PCE). El PCE contempla introducir de dos a tres millones de cocinas de inducción, cuya fuente energética está basadas en electricidad con sus respectivos sets de menaje de inducción en desde 2014 al 2016, por cocinas cuya fuente energética está basadas en gas licuado del petróleo (GLP) [1]-[7]. El proyecto se enmarca en el cambio de la matriz productiva que se está realizando en Ecuador, que actualmente está basada en fuentes de hidrocarburos, que principalmente generadas por centrales térmicas, para sustituirlas por energías renovables generadas principalmente por la industria hidroeléctrica, siendo esta una

tecnología que involucra menores emisiones de efecto invernadero durante la producción de energía [1]-[8].

La primera fase del PCE se ha desarrollado desde el año 2009 en la provincia del Carchi, en donde se reemplazaron cocinas de GLP, por cocinas de inducción. EMELNORTE escogió a 26 hogares servidos por un mismo transformador en la parroquia Julio Andrade, a quienes se les entregó la cocina de inducción previa la instalación de un medidor de energía y de una acometida eléctrica a 220 V para alimentar las cocinas. El objeto de la implementación fue determinar el consumo eléctrico por uso de las cocinas de inducción y evaluar el comportamiento de la red de distribución eléctrica [8].

En el caso particular del sistema energético de Ecuador se han realizado estudios para cuantificar los beneficios de la implantación de las cocinas de inducción [4], [9], [10]. Se ha observado que si se elimina el subsidio del estado al uso del gas licuado, si se adecua el déficit tarifario y se otorga el subsidio total a los primeros 80 KWh de los hogares insertos en el programa, para datos de consumo del año 2012, el estado ahorraría 260.7 millones de US$ al año. Si además se incluye el cambio de la matriz eléctrica en donde la generación sería mayoritariamente con energías renovables, el Estado se podría ahorrar el valor de hasta US$ 906.5 millones al año. Lo normal es que el ahorro se encuentre entre los dos valores mencionados [4], [9].

Para conseguir una mayor eficiencia energética, económica y garantía respecto a la salud de las personas en la cocción es necesario estudiar y analizar el material adecuado de las ollas para ser utilizado en cocinas de inducción. La inducción tiene una eficiencia energética que se sitúa entre el 80 y 95 %, mientras que en las cocinas de GLP su eficiencia se sitúa en torno al 45 % [5]-[6]. Además, emplear sistemas de calentamiento por inducción para la cocción de alimentos presentan mayores beneficios con respecto a los sistemas tradicionales, como son: mayor rapidez en el calentamiento, mayor seguridad, mayor facilidad de limpieza y operación con mandos digitales. Como principales desventajas tiene; el uso de una tecnología más sofisticada que las cocinas de resistencia eléctrica y de gas, la cubierta de vitrocerámica debe ser tratada con mayor cuidado y así evitar rayarla, y suelen presentar un precio más elevado que la cocina de GLP [1]-[5].

Dentro del contexto de esta investigación, el INER a través de su proyecto “Estudio sobre menaje para cocinas de inducción eléctrica y requerimientos de la red para incorporación masiva de cocción eficiente” ha realizado estudios sobre la eficiencia energética y análisis químico composicional del menaje disponible en el país; los objetivos del estudio han buscado determinar la eficiencia energética de las ollas, en distintas cocinas, de acuerdo con la Norma NTE INEN 2851, basada en la Norma ASTM F 1521 -3 correspondiente al “Método de ensayo




estándar para eficiencia en Menaje”, y además conocer la composición química de los materiales usados para la fabricación de dicho menaje, por medio de espectrometría a través del método de las chispa, con la finalidad de ratificar que estos materiales son aptos para el uso y no alteran las propiedades organolépticas de los alimentos; esto último fue ensayado teniendo en cuenta normas técnicas nacionales e internacionales, que señalan los porcentajes máximos de nivel de toxicidad permitidos, estas normas son:

Norma NTE INEN 2361, Artículos de uso Doméstico. Ollas de Aluminio. Requisitos, Primera Edición, 2005 Norma ISO 209-1, Aluminio y aleaciones de aluminio forjado. Composición química y formas de productos. Parte Uno, 1989. Norma NTE INEN 2382, Artículos de uso Doméstico. Ollas a presión. Requisitos, Primera Edición, 2005. II. EQUIPOS Y MÉTODOS DE ENSAYO Los métodos de ensayo que se han utilizado en esta investigación incluyen la eficiencia energética para las ollas de inducción y la espectroscopia de masas.

2.1 Ensayo de Eficiencia Energética para las ollas de inducción A continuación se van explicar los equipos utilizados, el procedimiento de ensayo. 2.1.1 Equipos utilizados

-Tablero de medición de parámetros eléctricos, marca Siemens, modelo PAC3200; este tablero mide y muestra valores del voltaje, amperaje y potencia usada en cada ensayo de eficiencia energética realizado. -Multímetro Digital, marca Fluke, modelo 289, este equipo sirvió para medir y comprobar que las medidas que mostraba el tablero de medición de parámetros eléctricos eran correctas. -Termómetro de mercurio, dispositivo utilizado para tomar la temperatura del agua antes y al término de cada ensayo de eficiencia energética. -Flexómetro, marca Stanley, longitud: 5 metros; herramienta utilizada para medir el diámetro de base y boca de cada utensilio ensayado. -Probeta volumétrica plástica graduada 0 – 1000 ml.; utilizada para medir la cantidad de agua que debe ser utilizada para cada ensayo, esto depende del diámetro de base y boca de cada utensilio. -Cronómetro, marca Casio, Modelo TPM-HS3, dispositivo utilizado para medir el tiempo empleado en cada ensayo de eficiencia energética.

2.1.2 Identificación de los prototipos ensayados

Para este ensayo se ha usado menaje que fue clasificado según el Tamaño (Tabla 1) y Material en cuerpo y base (Tabla 2).

Tabla 1. Identificación de ollas según el tamaño

No. Descripción Diámetro de boca Diámetro de base

1 Grande 24 20±1 2 Mediana 20 16±1

3 Pequeña 16 13±1

Tabla 2. Identificación de ollas según el material

No. Base Cuerpo 1 Acero Inoxidable Aluminio Serie 1000 2 Acero Inoxidable Aluminio Serie 3000

3 Acero Inoxidable Acero Inoxidable Serie AISI 200

4 Acero Inoxidable Acero Inoxidable Serie AISI 300

2.1.3 Cocinas utilizadas Cada cocina presenta una diferente combinación de diámetros en sus zonas de inducción (Figura 1), por lo tanto se tomó como muestra representativa un total de 4 cocinas sobre las cuales se realizó los ensayos de eficiencia energética. Para realizar este ensayo se usaron cocinas disponibles en el mercado ecuatoriano, cuyas zonas de inducción tienen los siguientes diámetros: Tabla 3. Especificaciones técnicas de las tres cocinas utilizadas

en los ensayos.

Descripción Diámetro Zonas de inducción (cm)

Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Cocina 1 17 20 17 20 Cocina 2 20 17 20 17 Cocina 3 13 13 13 20 Cocina 4 14.5 21 14,5 21

Nota: Todas las cocinas usan un voltaje nominal de 220 V; y su potencia nominal máxima oscila entre 3500 y 4000 W. Con la finalidad de identificar cada zona de inducción en la cual está siendo ensayado el prototipo, se asignó un número a cada zona, tal como se muestra en la figura 3.

Figura 1. Identificación de zonas de inducción

2.1.4 Procedimiento

El procedimiento de ensayo consiste de dos partes, un precalentamiento y un calentamiento que a continuación se van explicar:

2.1.4.1 Precalentamiento

Se llena el utensilio de cocina normalizado con la cantidad de agua que indica la Norma NTE INEN 2851 (Tabla A.2). La temperatura inicial del agua debe ser de 15 °C ± 1 °C. Cubrir el recipiente con la tapa. Insertar el sensor en el centro de la tapa a través del agujero hasta 1 cm del fondo del recipiente. Confirmar que la temperatura T1 es de 15 °C ± 1 °C. Prender la zona con el nivel más alto (se puede utilizar el potenciador, en caso de existir). Calentar el agua hasta la temperatura T2 de 75 °C ± 1 °C. Quitar el recipiente caliente de la zona. El precalentamiento se termina. La segunda parte de calentamiento y medición debe empezar dentro de los siguientes 60 segundos.

2.1.4.2 Calentamiento Medir la masa total de la tapa y el cuerpo del segundo utensilio de cocina normalizado (m2). Llenar el segundo recipiente con la cantidad de agua indicada en la Tabla A.2 de la Norma NTE INEN 2851, misma que está dada de acuerdo al diámetro de base de la olla a ensayar. La temperatura inicial del agua debe ser de 15 °C ± 1 °C. Cubrir el recipiente con la tapa. Insertar el sensor en el centro de la tapa a través del agujero hasta 1 cm del fondo del utensilio de cocina). Confirmar que la temperatura T3 es de 15 °C ± 1 °C. Prender la zona con el nivel nominal más alto (si está provisto de potenciador, no se usa el potenciador). Calentar el agua hasta la temperatura T4 de 75 °C ± 1 °C. Apagar la zona y registrar la temperatura T4 y la energía consumida. [2],[11].

2.2 Análisis de composición Química 2.2.1 Espectrometría de masas La espectrometría de masas está basada en la obtención de iones a partir de moléculas orgánicas en fase gaseosa; una vez obtenidos estos iones, se separan de acuerdo con su masa y su carga, y finalmente se detectan por medio de un dispositivo adecuado, como se muestra en la Figura 2.

Un espectro de masas es en consecuencia, una información bidimensional que representa un parámetro relacionado con la abundancia de los diferentes tipos de iones en función de la relación masa/carga de cada uno de ellos.

Los procesos que tienen lugar en un espectrómetro de masas, son de naturaleza química; en consecuencia, la presencia y abundancia en el espectro de determinados tipos de iones, identificables a partir de su masa son función de la estructura química de cada compuesto. La espectrometría de masas ofrece una enorme cantidad de información sobre un compuesto determinado. [12].

Figura 2. Haz de iones en un espectrómetro de masa [13]

2.2.2 Descripción ensayo de Espectrometría de masas por el método de chispa Este método se usa para el análisis de elementos metálicos en muestras sólidas. Para materiales no conductores, se usa polvo de grafito para hacer conductora a la muestra. En los métodos de espectroscopia de arco tradicional o chispa, se usa una muestra sólida que es destruida durante el análisis. En este método un arco eléctrico o chispa pasa a través de la muestra, calentándola a una temperatura alta para excitar los electrones dentro de ella (Figura 3). Los electrones excitados de la muestra emiten luz en longitudes de onda características que se detectan con ayuda de un monocromador.

Los ensayos realizados se efectuaron por espectrometría bajo el método del ensayo de chispa con el equipo Bruker, Modelo Q4 Tasman.

https://es.wikipedia.org/wiki/Monocromador

Figura 3. Descripción del proceso de espectrometría [14].

2.2.3 Descripción dimensional de la probeta El análisis de las muestras se realizó por el procedimiento de espectrometría a través del método de la chispa. Por lo tanto fue necesario cortar una sección de las ollas a ensayar, para obtener una placa de dimensiones 40x40 mm. En la figura 4 se muestra un esquema de las dimensiones de las muestras ensayadas.

Figura 4. Dimensiones de la probeta a ensayar

Nota: Espesor depende de cada prototipo de olla

2.2.4 Identificación de los prototipos ensayados Las muestras analizadas corresponden a las diferentes combinaciones de materiales para la fabricación del menaje en el Ecuador, los casos encontrados se muestran en la Tabla 4:

Tabla 4. Identificación de muestras para análisis químico

Identificación Diámetros olla

origen (cm)

Material del

cuerpo

Material de la base

Obs.

Modelo 1 Boca:16.5 Base:12

Aluminio Acero

Inoxidable

Disco prensado

en su base.

Modelo 2 Boca:20 Base:16

Aluminio Acero Inoxidable

Disco prensado

en su base


Acero Inoxidable

Acero Inoxidable

Base tipo sánduche


Acero Inoxidable

Aluminio

Plancha interna en base

tipo sánduche


Acero Inoxidable

Acero comercial

Plancha interna en base

tipo sánduche

Modelo 4 Boca:20

Base:16.5 Acero

Inoxidable Acero

Inoxidable Base tipo sánduche

Modelo 5 Boca:24 Base:20 Aluminio

Acero Inoxidable

Sartén Espesor olla 5±1

mm

Modelo 6 Boca:16 Base:13.5

Aluminio Acero Inoxidable

Espesor olla 5±1

mm

III. RESULTADOS

3.1 Ensayo de Eficiencia Energética para las ollas de inducción El valor promedio máximo de eficiencia energética fue detectado en las ollas de mayor tamaño, entorno al 82.00 %, disminuyendo de manera progresiva a un valor promedio en ollas medianas de 77.57 %, y en ollas pequeñas de 72.48%. La combinación de material de Acero inoxidable de la serie 400 (base) y aluminio de la Serie 3000 (cuerpo) muestra una mayor eficiencia energética; esto se debe a que la aleación binaria de Aluminio-Manganeso, presenta buena conductividad térmica además de resistencia mecánica, buena maquinabilidad y alta resistencia a la corrosión. Se han presentado problemas de detección de ollas en las diferentes zonas de inducción cuando el prototipo ensayado tiene como refuerzo de su base un disco prensado de acero inoxidable y el material del cuerpo es aluminio de la serie 1000. Las ollas con base de diámetro menor a 13 cm presentan problemas de detección en dos de las cuatro cocinas ensayadas. En ollas de diámetro de base 13±1 cm, la cantidad de líquido contenido en el recipiente es un factor importante para la eficiencia del mismo, si el recipiente está lleno a un nivel mayor que la mitad de su capacidad máxima, el peso que tiene el recipiente genera acoplamiento entre el menaje y la zona de inducción de la cocina, de lo contrario se presentan problemas de acoplamiento magnético y eficiencia energética en 6 de cada 10 ollas. La eficiencia máxima detectada se presentó en la olla con diámetro de base de 20 cm y zona de inducción 13 cm; mientras que le eficiencia mínima se dio en la olla pequeña de 12 cm en su base y 20 cm en la zona de inducción; cuyos valores son 95.6% y 45.8% respectivamente, esto se debe a que ollas de un diámetro de base menor o igual a 13 cm no son detectables por zonas de inducción mayores a 21 cm, pues no existe un acople

ferro-magnético entre ambos cuerpos. Sin embargo en ollas de mayor tamaño no se observan dichos problemas 3.2 Análisis de la composición química

Todas las muestras analizadas químicamente presentan un porcentaje de Pb menor a 0,05%, por lo tanto no representan un riesgo tóxico para el usuario, cumpliendo así con el requerimiento dispuesto en la norma INEN 2851 en el punto 4.1.3. Los materiales detectados en los distintos modelos de menaje se muestran en la Tabla 5. En el caso del modelo con base tipo sánduche el material superior está hecha de la aleación de aluminio serie 1200, esta presenta un contenido en aluminio mínimo del 99%, siendo las principales impurezas el Fe y Si, la resistencia de esta aleación fluctúa alrededor de 90 MPa., esta aleación es utilizada principalmente para embutido de ollas en el Ecuador.

La capa intermedia del modelo con base tipo sánduche corresponde a un Acero ASTM A36. Cumple con dos funciones principalmente: proporcionar peso a la base de la olla, esto para garantizar una detección de la misma en la zona de inducción; y trabajar como elemento soldable entre la capa de acero Inoxidable inferior y la aleación de Aluminio superior.

Tabla 5. Resultados de análisis químico

Material detectado en cada muestra No.

muestra Identificación Zona Material detectado

1 Modelo 1 Cuerpo Aluminio serie 3105

2 Modelo 1 Base Acero AISI 410

3 Modelo 2 Cuerpo Aluminio Serie 1350


5 Modelo 3 Cuerpo Acero AISI 202


7 Modelo 3 Base (Disco Aluminio)

Aluminio Serie 1200

8 Modelo 3 Base (Disco Acero)

Acero ASTM A36

9 Modelo 4 Cuerpo Acero AISI 202






IV. CONCLUSIONES Al realizar el ensayo de Eficiencia descrito en la Norma NTE INEN 2851, el menaje de tamaño mediano y pequeño, presentan menor eficiencia energética (promedio 75%) que las ollas grandes (promedio 82%), esto se debe a que las zonas de inducción en algunas cocinas ensayadas tienen un diámetro de 13 cm, lo que dificulta la detección del material ferromagnético en la base de dichas ollas.

El diámetro crítico de ollas en su base para la manufactura en Ecuador es 13 cm, ya que diámetros menores presentan problemas en el acoplamiento electromagnético con las zonas de inducción de las cocinas disponibles en el mercado.

El menaje fabricado en el Ecuador tiene como principal material Aluminio de la serie 3105 para el cuerpo y Acero Inoxidable AISI 430 para su base ,cumpliendo con la exigencia de la Norma NTE INEN 2382, 2361 e ISO 209-1 para el primer caso; y la Norma NTE INEN 2851 para el segundo caso. Agradecimientos Los autores de la presente investigación reconocen a la Secretaría Nacional de Planificación y Desarrollo (SENPLADES) para la financiación de la ejecución de la presente investigación. Este trabajo fue patrocinado por el proyecto Prometeo de la Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT), celebrada en la República de Ecuador. La información necesaria para completar este trabajo fue dada por el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable (MEER) de Ecuador. Referencias

[1] J. Martínez, S. P. Villacís, M. A. Orozco, D. E. Vaca. Corrosion analysis in different materials for induction cookware. Conference Paper · X CONGRESO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA. 2015. [2] J. Martínez, A. J. Riofrio, S. P. Villacis, J. P. Kastillo. Heat transfer analysis in different cookware materials. Conference Paper · X CONGRESO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA. 2015. [3] Augusto Riofrío, Diego Carrión, Marco Orozco, Diego Vaca, Javier Martínez. Análisis del consumo energético en procesos de cocción eficiente para el sector residencial. Conference Paper · X COLIM VIII congreso latinoamericano de ingenieria mecánica, At Cuenca, Ecuador, Volume: 1. 2014 [4] Javier Martínez, Diego Vaca, Marco Orozco, Andrés Montero. Selección de materiales para menaje de cocinas de inducción. Métodos Pugh, Dominic y Pahl Beitz. Revista Energia, Volume 11, Pp. 116-126. 2014. [5] Marco Orozco, Diego Vaca, Javier Martínez, Augusto Riofrío, Diego Carrión, Stefany Villacis. Estudio de ensayos de eficiencia energética, concavidad, convexidad y rugosidad en menaje para cocinas de inducción. Conference Paper · X COLIM VIII congreso latinoamericano de ingenieria mecánica, At Cuenca, Ecuador, Volume: 1. 2014.

[6] S. Villacís, J. Martínez, A. J. Riofrío, D. F. Carrión, M. A. Orozco, D. Vaca. Energy efficiency analysis of different materials for cookware commonly used in induction cookers. Energy procedia 75, 925-930, 2015 [7] J.P.Kastillo, J.Martínez, Villacís, A. J. Riofrío, M. A. Orozco, Computational fluid dynamic analysis of olive oil in different induction pots. 1st Pan-American Congress on Computational Mechanics – PANACM 2015. [8] Ministerio de electricidad y Energía Renovable, Informe de resultados de la implementación del “Plan Fronteras para Sustitución de Cocinas de Inducción en el Carchi”, Mayo del 2011, Pág. 3 [9] J. Muñoz Vizhñay, Análisis de la incidencia del uso de cocinas eléctricas de inducción, Empresa eléctrica regional del sur S.A. Loja, , pp 1-14. 2013 [10] MEER Ministerio de electricidad y energías renovables. Estudio sobre menaje para cocinas de inducción eléctrica y requerimientos de la red para incorporación masiva de cocción eficiente, pp 2-15. 2011. [11] Norma NTE INEN 2851, Utensilios de cocina. Recipientes domésticos usados sobre hornillas, cocinas o placas de calentamiento. Requisitos y métodos de ensayo, Primera Edición, 2014. [12] O. David Sparkman, Mass spectrometry desk reference. Pittsburgh: Global View Pub. ISBN 0-9660813-2-3. 2000. [13] Maciej. Kotlinski. Electrospray (nanoSpray) Ion Source in LTQ-FTICR mass spectrometer. 2005. [14] V. Cedeño. La espectrometria de masas aplicadas a la biotecnología acuícola, agrícola y ambiental. Universidad de las Tumbes 2014

1

Impacto en la economía de Ecuador debido a la nueva estructura de refinación

Castro, Pedro / Cunha, Marcelo Universidad Estatal de Campinas – UNICAMP

Facultad de Ingeniería en Mecánica - FEM Campinas, Brasil


Resumen— Se realiza un análisis estático de los impactos

en la economía ecuatoriana debido a la mejora y aumento de la capacidad instalada de refinación del País. Lo mencionado en el contexto de la importación significativa de derivados de petróleo, valor que para el año 2012 fue de 5.441 millones de USD equivalentes al 6,18% do PIB nominal, esto se debe a la limitada capacidad actual de refinación y una producción principalmente de fuel oil. Mediante el análisis de matriz insumo – producto se determinan los impactos en la economía toda, implicando una reducción de la importación y aumento de las exportaciones de derivados, se estima un aumento en del valor agregado en 2,42% ligado a una generación de 3,41 Miles de nuevos empleos en toda la economía y un incremento del consumo de energía de 5,07%. Los mayores impactos positivos se dan en los sectores industria y servicios.

Palabras claves— Ecuador; energía; refinería; economía; insumo-producto.

I. INTRODUCCIÓN Desde los comienzos de la exportación petrolera en los

años 70s, el petróleo se convirtió en la fuente primaria de energía de mayor abundancia en la sociedad ecuatoriana, desplazando de esta categoría a la leña. Esta característica implicó una mudanza estructural en la sociedad y con una serie de impactos en la economía ecuatoriana [1], desde ese período hasta la actualidad la estructura de refinación ha ido incrementando paulatinamente hasta llegar a una capacidad nominal de 176 mil B/D [2]. De tal forma que, de los 177 millones de Bbls producidos en el año 2010, el 30,66% fue destinado a los centros de transformación para consumo interno de la sociedad y la diferencia hacia la exportación [3].

Desde el año 2000 hasta el 2013 la tasa de crecimiento de consumo final de energía fue del 4,51%, cifra que a nivel general tiende a s er del 2%, variando conforme a las características económicas de cada País [4]. Tomando como referencia la situación de España, esta tasa de crecimiento fue del 3,95% y en promedio para el bloque Europeo fue del 1,25% [5]. Respecto a la cobertura de la oferta con producción nacional, esta ha ido disminuyendo significativamente, tal es el caso que para el 2010 la producción nacional sólo abasteció el 58% de la oferta total, realidad debida a temas de infraestructura e inversiones [6]. Como consecuencia, la importación de combustibles para abastecer el mercado interno se incrementó significativamente, llegando a al canzar la cifra de 6.080 millones de USD para el año 2013 [7], agravado por la producción mayoritaria de fuel oil y residuo de las refinerías.

El principal consumidor de energía final es el sector transporte, tal es el caso que en el año 2013 del consumo total de energía final (87 millones de BEP) tuvo una participación del 49% [3]. De todas las categorías de transporte, el transporte terrestre de carga es el consumidor mayoritario llegando a alcanzar 29 millones de BEP y con énfasis en el transporte de carga pesada cual tuvo una participación del 58,62% de este valor; estos valores fueron estimados por el autor conforme a modelos energéticos desarrollados. El comportamiento del consumo en el sector transporte de carga varia conforme a las características geográficas y económicas de cada País [8], con lo cual este es un criterio a t ener en cuenta para el caso de Ecuador. Tomando en consideración que el transporte terrestre de carga consume básicamente diésel, combustible que es importado significativamente, debido a la baja oferta local [3].

Si bien es cierto que la economía ecuatoriana está basada en el sector servicios, cual tiene un peso predominante en la estructura del valor adicionado, es de considerar que el sector petrolero contribuye con el 11% del mismo [9]. Adicionalmente de los 24.958 millones de US$ de exportaciones en el año 2013, el petróleo tuvo una participación del 56,52%. Así como una participación promedio del 17,9% de los ingresos del sector público no financiero-SPNF en el período 2000-2012, complementado por la alta importancia de este sector en la balanza comercial [7]. Por lo tanto las variaciones en el sector petrolero y sus encadenamientos productivos, tiene altos impactos en la economía ecuatoriana.

Considerando que las reservas petroleras para el año 2012 fueron estimadas en 6.186 millones de Bbls [10], además de un horizonte petrolero poco favorable alcanzando la cima de la curva de Hubbert [11] y con una alta importación de combustibles, el Gobierno actual dentro de su Plan Nacional del Buen Vivir estableció la construcción de una refinería para dar solución a es ta problemática [12], la capacidad inicialmente planificada era de 300 miles de B/D [13]; no obstante para el año 2014 se dispuso la reprogramación operativa para iniciar con una primera fase de 200 miles de B/D [14], con la finalidad de aumentar la rentabilidad del proyecto [15].

La construcción de esta refinería permitiría reducir las importaciones de combustible y cubrir la demanda interna con la producción nacional de derivados, así como la posibilidad de exportar los mismos [13].

Mostrada la importancia del sector petrolero y sus encadenamientos productivos en la economía ecuatoriana, el objetivo del presente artículo es determinar y analizar los impactos en la economía toda debido al cambio en la estructura de refinación del País.


2

II. METODOLOGÍA

En los Países de Latinoamérica existe una alta correlación entre el crecimiento económico (reflejado en la variación anual del PIB) y el consumo de energía, debido básicamente a la dependencia de sus economías a los factores de producción de energía y trabajo [16]. Para el caso de Ecuador, en el periodo de 1990-2005 las tendencias del crecimiento del PIB y demanda de energía eléctrica presentaron patrones similares [17], de igual manera para el período 2000–2013 el consumo final de energía y el crecimiento del PIB real en precios constantes del año 2007 presentan tendencias similares, además de un coeficiente de correlación 0,99 unidades entre las dos variables [3]. Con lo cual se puede estructurar modelos económico-energéticos que permitan explicar el comportamiento de las variables existentes; en el caso de nuestro estudio el impacto en todas las variables económicas debido a u na modificación en la estructura energética.

Existen diversos modelos con el enfoque económico-energético que son de mucha utilidad para este análisis, por mencionar: modelos econométricos [18], modelos macroeconómicos [19] y modelos de equilibrio general [20]. Este artículo emplea el modelo insumo-producto (MIP) desarrollado por Wassily Leontief, quien recibió el premio nobel de economía por esta contribución, el MIP mediante un sistema de ecuaciones lineales cuantifica las relaciones mutuas entre los distintos sectores de un sistema económico [21]. Dado que el modelo insumo-producto es muy versátil, este puede ser estructurado desde enfoques regionales como la medición de los impactos por la implementación de políticas energéticas en el sector de generación eléctrica de Europa [22], hasta enfoques locales como el análisis del impacto económico de la extracción de petróleo y gas natural en Texas [23]. Similar manera permite evaluar los impactos de nuevas tecnologías como la penetración de vehículos eléctricos [24], así como la evaluación del uso de fuentes de energía como la energía nuclear en diferentes Países [25].

El modelo insumo producto está basado en las transacciones existentes de todos los sectores económicos, es decir la cantidad de bienes y/o servicios que demanda el sector j de la producción del sector i medidos en términos monetarios para un período determinado, resultando un flujo zij de bienes y servicios intersectorial. De tal forma que la producción del sector i, denotada como xi es demandada por todos los sectores intermediarios y consumidores finales (yi) como: hogares, gobierno, formación de capital fijo y exportaciones netas, por lo tanto la ecuación (1) expresa producción del sector i en función de sus sectores de consumo.

( 1 )

Donde n representa el total de los sectores en la economía, para el caso ecuatoriano existen 71 sectores económicos. Mediante un arreglo matricial, la producción total de la economía (X) es representada en función de todos los consumos intermediarios (Zi) mas todos los consumos finales (Y), la ecuación (2) muestra esta estructura.

X = Zi + Y ( 2 ) En la estructura del MIP, una premisa básica es que la

relación de demanda/producción entre los sectores es fija, es decir que la cantidad de insumos que requiere el sector j de toda la economía para realizar su producción no varía [21], esta relación es representada en la ecuación (3) y es denominada como coeficiente técnico sectorial.

( 3 )

Según la estructura del MIP estos coeficientes (aij) son fijos durante el modelamiento, porque representan la capacidad de tecnológica de la sociedad, estos coeficientes sólo varían si existen mudanzas tecnologías significativas que modifiquen la estructura productiva de la sociedad, de tal forma que puede definirse la Matriz de coeficientes tecnológicos, denotada con la letra A. Mediante una serie de relaciones algébricas de la ecuación (2) se puede obtener la siguiente expresión:

( 4 ) En la ecuación (4) el elemento (I – A)-1 es conocido como

la matriz inversa de Leontief, denotada con la letra L. La estructura de esta ecuación será empleada para determinar el impacto en la economía toda debido a la mudanza tecnológica existente en Ecuador, considerando los impactos per se debido al cambio en la estructura de refinación, conocidos como efectos directos y los impactos a los largo de los encadenamiento productivos, conocidos como efectos inducidos [21].

El año referencial del modelo es 2010 por la información oficial disponible en el Banco Central del Ecuador de las cuentas nacionales, generando una matriz insumo-producto de 71 sectores denominada como ZI. Basados en la teoría mostrada, obtenemos los respectivos coeficientes técnicos sectoriales (aijI) y como consecuencia una matriz inicial de coeficientes técnicos (AI), considerando la actual capacidad de refinación del Ecuador.

Adicionalmente se estructura el vector de consumo (YI), en el cual exportaciones para el año 2010 fueron de 18.518 millones de US$, el 48% de esta cifra corresponde a la exportación de petróleo. Igualmente, es estructurado el vector de producción (XI), con una producción total de 117.654 millones de US$ para la economía toda, donde los subsectores petróleo y refinación contribuyeron con 9.742 y 2.938 millones de US$ respectivamente [9].

La nueva estructura de refinación además de incrementar la capacidad instalada en 200 miles de B/D, implicará una variación en las cantidades de producción de cada derivado. Como muestra la Fig. 1, en la situación actual existe una alta producción de fuel oil y en la situación futura existirá una estructura mayoritariamente productora de diésel y gasolina. La nueva capacidad implica un aumento en la producción de derivados de 48 a 131 millones de BEP. De tal forma que se estructuró un MIP para realizar un análisis estático del impacto en la economía toda, asumiendo la estructura de refinación futura con las condiciones económico-energéticas del año 2010.

3

Fig. 1 Mudanza en la estructura de refinación. Fuente: Ministerio dos Sectores Estratégicos

Esta nueva estructura de refinación implica una variación tecnológica en la económica, modificando los coeficientes técnicos de los sectores relacionados al petróleo y refinación. Con lo cual fueron calculados los nuevos coeficientes técnicos, denotados con la letra aijF. Consecuentemente se obtuvo una nueva matriz de coeficientes técnicos (AF) para todos los sectores económicos.

Evidentemente, el aumento de la producción nacional de derivados incrementa el abastecimiento de petróleo a las refinerías locales, implicando una disminución de las exportaciones de petróleo. No obstante, esta disminución puede ser compensada por las exportaciones de derivados producidos excedentariamente. Estas consecuencias implican impactos en el consumo final de todos los sectores económicos, de tal forma que para analizar el impacto en la economía toda se calcula el nuevo vector de consumo final (YF), con la finalidad de determinar las nuevas cantidades de producción de todos los sectores económicos (XF) para atender esta variación en el consumo final.

Evidentemente se espera una disminución de la importación de combustibles de los sectores intermediarios y final, principalmente de gasolina y diésel, aunque se mantendría una parcela de importación de GLP porque la producción nacional (XF) no abastecería a la demanda final de GLP. El MIP fue diseñado tomando en cuenta todas las consideraciones mostradas y determinar si efectivamente construcción de la refinería tiene impactos positivos en todos los sectores económicos, además de comprobar si la producción de petróleo (xiF) cubre toda la nueva demanda final (YF) y demás análisis que serán presentados posteriormente.

Para determinar la creación de nuevos empleos en toda la economía (∆GE), fue definida una relación matemática entre los empleos generados inicialmente por cada sector (gei) y la producción de cada sector (xiI) [9], de tal forma que esta relación es multiplicada por el incremento en la producción de cada sector (∆xi), como muestra la ecuación (5) la generación de total de nuevos empleos es la sumatoria de los empleos generados en cada sector.

(5)

Para calcular el incremento de la demanda total de energía en la economía toda (∆DE), se emplea la misma estructura matemática mostrada anteriormente. Tomando de referencia los consumos energéticos en transformación, consumos propios y consumos finales por cada sector (dei) para el año 2010 [3] y producción de cada sector (xiI) [9]. De tal forma que el aumento de energía fue calculado como muestra la ecuación (6).

(6)

Para calcular el incremento del valor agregado en todos los sectores económicos (∆VA), se define una matriz diagonal ( i), donde los elementos de la diagonal relacionan el valor agregado de cada sector con sus respectivos valores de producción (vai / xi).

(7)

El resultado de la multiplicación de esta matriz con la

variación de la producción de cada sector (∆xi) es la variación del valor agregado en la economía toda [21] , que se puede resumir de manera matricial como muestra la ecuación (8).

(8) Como resultado del MIP obtendremos la variación en el

consumo final para cada sector (∆yi), producto de una mudanza estructural, así como las cantidades de producción de todos los sectores económicos (xiF) para cubrir la nueva demanda final (yiF). Además de sus implicaciones en la economía toda, generación de empleo, demanda final de energía y valor agregado.

Complementariamente para cuantificar la importancia de los sectores en el impacto, serán identificados los sectores “claves” en la economía debido a sus altos encadenamientos productivos [26]. Estos sectores serán definidos mediante la siguiente ecuación (9) denominada como indicador Rasmussen-Hirschman.

(9)

De tal forma que los sectores que presentan valores

significativamente superiores a la media, serán considerados como sectores “clave” Dependiendo del grado de encadenamiento, existen sectores de alta importancia hacia arriba o hacia abajo de la cadena productiva [27]. Existen muchas variantes de esta metodología dependiendo de las características de las economías y de los intereses de la investigación [5], pero en este estudio se empleará la metodología estándar para su cálculo, ecuación (9).

4

III. RESULTADOS Y ANÁLISIS

Como fue mencionado anteriormente la implementación de políticas energéticas tiene impactos en todos los sectores económicos, los cuales serán positivos para algunos sectores y negativos para otros, por lo tanto analizaremos ambos aspectos en este artículo.

Como primer resultado del MIP, en los sectores intermediarios se muestra una disminución significativa del uso de combustibles importados en favor de la producción nacional; inicialmente la demanda de productos del petróleo del sector intermediario era de 2.185 millones de US$, de los cuales el 50,52% era importado y la diferencia cubierta con producción local. En el escenario propuesto la totalidad demanda es cubierta por la producción local, no obstante la demanda de productos del petróleo asciende a 4.190 millones de US$, debido al aumento de la carga a las refinerías locales y los efectos inducidos en la cadena productiva.

El total de importaciones en el escenario inicial fueron de 22.541 millones de US$ [9], las cuales disminuirían a 18.141 millones de US$ en el escenario propuesto, el 89,17% de la reducción se debe per sé a la disminución de la importación de productos del petróleo (efecto directo) y la diferencia al encadenamiento productivo (efecto inducido). El peso significativo del efecto directo probablemente sea por su relación con el sector transporte [28]. Conforme al estudio de Creamer (2010), la diminución de importaciones implicaría un ahorro de 3.000 millones de US$ [29].

Desde el lado de las exportaciones, estas disminuirían, desde 18.437 millones de US$ a precios básicos para el estado inicial [9], hasta 16.493 millones de US$ a precios básicos en el escenario propuesto, evidentemente por la reducción en la exportación de petróleo.

Fig. 2 Impacto en los sectores económicos. Fuente: Elaboración del autor

Como muestra la figura 2, el impacto en la economía

varía dependiendo de las características tecnológicas de los sectores y el grado de encadenamiento productivo existente con el petróleo o s us derivados, similar forma existen comportamiento variados entre los diferentes subsectores. A continuación analizaremos con mayor detalle los parámetros.

A. Impacto en la economía La balanza comercial para el año 2010 f ue de -1.979

millones de US$, ligado a una balanza comercial petrolera de 5.630 millones de US$ [30]. De tal forma que, si estuviera implementada la nueva estructura de refinación, el valor de la balanza petrolera aumentaría a 7.910 millones de US$, implicando un superávit de 301 millones de US$. Tomando como referencia el año 2012 y c on un incremento en la capacidad nominal 300 miles de B/D, es decir su capacidad inicialmente planificada, según Guillín (2013) implicaría un superávit de 4.240 Millones de US$ [31].

En el escenario inicial de la totalidad de exportaciones el petróleo representa el 48,55%, mientras que en el escenario propuesto disminuiría a 18,71%, esto se debe al aumento en el consumo interno de petróleo en la transformación de productos, explicado anteriormente. No obstante, las exportaciones de derivados aumentaron de 1.060 millones de US$ en el escenario inicial hacia 5.334 millones de US$ para el escenario propuesto. Pese al aumento en la capacidad de producción, se mantienen importaciones de GLP, fuel oil y servicios petroleros por un valor de 510 millones de US$. Los principales productos de exportación son gasolinas de alto octanaje y diésel, los cuales tienen mayores precios de venta que los productos actules de exportación: petróleo, gasolina de bajo octanaje y fuel oil.

B. Impacto en la producción La nueva estructura energética implica un incremento de

5,79% en la producción de toda la economía, es decir que todos los sectores productivos deben incrementar su producción para satisfacer el nuevo requerimiento de la demanda. Este incremento es equivalente a 6.815 millones de US$, de los cuales los sectores agricultura, industria y servicios tienen una participación del 10%, 50% y 40% respetivamente del aumento de la producción. Este incremento en la producción es equivalente a 10,25% del PIB del año 2010.

Refiriéndonos exclusivamente a la producción del sector industria, esta tendría un incremento del 8,18% donde los subsectores: Aceites crudos y refinados, y Aceites refinados de petróleo y otros productos tienen significativamente el mayor aumento de producción. Adicionalmente conforme a los índices Rasmussen-Hirschman Aceites refinados de petróleo y otros productos es un subsector clave en la economía. Los subsectores Electricidad y Construcción tienen aumentos de producción, pero en menor escala que los anteriores. Es importante mencionar que todos los subsectores industriales tienen aumento en la producción.

El sector servicios tendría un aumento de 5,07% en comparación al escenario inicial, de este aumento cuatro subsectores comercio, transporte y almacenamiento, servicios de prestación, y servicios a la industria tienen los mayores aumentos. Probablemente este efecto en los dos primeros subsectores sea porque están incluidos los márgenes de utilidad. Adicionalmente conforme a los índices Rasmussen-Hirschman estos cuatro subsectores son definidos como “sectores claves” y tienen alto impacto en la economía.

C. Generación de empleo Conforme a la distribución de empleos generados por cada

sector en la estructura actual, además de considerar el cambio estructural de refinación, y basados en el nuevo vector de

5

producción (XF), se generan 341 Miles de nuevos empleos en todos la economía, esto es un aumento de 5,26% de los empleos existentes. El sector servicios tiene la mayor participación de los nuevos empleos con el 50%, el menor impacto de nuevos empleos es el sector agricultura con 14% y el sector industria tendría el 36% de los nuevos empleos. Según Egas (2013), existirían 25.000 empleos directos y 40.000 empleos indirectos ligados a la etapa de construcción de la Refinería [32].

Es importante mencionar que dentro del sector servicio los subsectores comercio, transporte y almacenamiento, servicios de prestación a la industria tiene el mayor aumento en la generación de nuevos empleos. En el sector industria los nuevos empleos están distribuidos entre algunos subsectores relacionados a la transformación de metales, no metales, químicos y derivados de petróleo. El subsector Trabajos de la construcción tendría la mayor concentración de empleos nuevos. En el sector agricultura se generaría una cantidad significativa de empleos en los subsectores banana, café, cacao y cereales.

D. Consumo de Energía Conforme a la estructura actual, el consumo de energía en

los sectores intermediarios y final es 101 Millones de BEP [3], este consumo fue distribuido proporcionalmente entre los sectores agricultura, industrial y servicios con una participación de 8%, 41% y 51% respectivamente. Considerando la nueva estructura de refinación y sus encadenamientos en la economía, el consumo de energía se incrementa en 5,07%. Sin duda alguna se debe al impacto de una industria energo-intensiva como es la refinación de petróleo y los procesos productivos relacionados, los altos consumos de energía son característicos de este tipo de industrias [33].

Los consumos finales de energía (gef) entre los sectores varían considerablemente, tal es el caso que la participación del sector industrial sería del 54%, tornándose mayoritario. Se presentaría una reducción significativa del consumo de energía en el sector agrícola, disminuyendo de 8% en la situación inicial hasta 4% en el escenario propuesto y el sector servicios tendría una participación final del 42%.

E. Valor agregado La nueva estructura de refinación implica un aumento de

2,42% en el valor agregado equivalentes a 1.651 millones de US$ para todos los sectores productivos, donde los sectores industria y servicios tienen el 53% y 46% respectivamente de este incremento, y el sector agricultura tiene una participación casi marginal del 1%. Es de recalcar que en los otros indicadores el sector agricultura tenía incrementos más relevantes. Según Egas (2013), estima que el incremento promedio del PIB de la localidad (Provincia de Manabí) sea de 1,69% vinculado directamente al desarrollo de industria alimenticia y producción de textiles [32].

Efectivamente el sector industria tendría un aumento significativo en su valor agregado, la razón es que el sector industria es más intensivo en factor capital que factor trabajo. El sector servicios tiene muchos encadenamientos productivos, además de una generación significativa de empleos, con lo cual sus efectos tienen altos impactos en la economía toda, en especial en la generación de valor agregado.

IV. CONCLUSIONES

• La mejora en los procesos de refinación tienen impactos económicos positivos en la sociedad, específicamente en el aumento del valor agregado, generación de empleo y aumento de la producción. Aunque, un aumento significativo de consumo de energía es predecible.

• Para atender el aumento en la demanda final de derivados, sea para exportación o consumo interno, los sectores que principalmente tienen que aumentar su producción son industria y servicios. Dentro de los análisis se determina que la actual producción de petróleo pude abastecer la nueva estructura de refinación, así como los consumos inducidos en el resto de la economía.

• Los mayores incrementos de valor agregado son en los sectores servicios e industria. No obstante el sector agricultura presenta un incremento casi marginal en este parámetro, este comportamiento se debe a la disminución de las exportaciones petroleras. En beneficio del crecimiento del sector industrial, porque es un sector altamente intensivo en factor capital.

• Los incrementos en la producción y valor agregado del sector industrial, tienen efectos de encadenamiento hacia industrias relacionadas con procesamiento de metales, químicos, y productos de petróleo. No obstante los sectores de generación eléctrica no son tan favorecidos de estos incrementos en producción.

• De igual forma, la mayor cantidad de empleos nuevos se concentran en los sectores industriales y servicios; el sector industria es menos intensivo en empleos en comparación a servicios, ya que requiere de una mano de obra muy calificada por los procesos técnicos, de tal forma que el 50% de los empleos nuevos son generados en el sector servicios, probablemente sean empleos operativos.

• En la óptica de los indicadores de Rasmussen-Hirschman, fueron detectados diez “sectores claves” donde tienen un peso significativo los subsectores de servicios y ciertos subsectores relacionados al petróleo y derivados, confirmando de esta manera la importancia del sector servicios en la estructura económica, tal es el caso que en todos los incrementos de los indicadores analizados, el sector servicios es el principal favorecido.

• De manera general, con la nueva estructura de refinación existiría una mejora de los indicadores económicos en comparación a l a situación actual, implicando impactos positivos en la economía toda, pero es importante definir apropiadamente las políticas de uso eficiente de energía en el sector transporte para evitar un efecto Jevons en sociedad [34].

• Sería deseable realizar un estudio dinámico del impacto en la economía debido a la nueva estructura de refinación, así como de la disponibilidad de recursos. Complementado con un análisis de sensibilidad o elasticidad en el mercado de derivados ante posibles variaciones de precios.

6

AGRADECIMIENTOS

Al equipo de profesionales y funcionarios ecuatorianos de las diferentes instituciones por el aporte de sus criterios y el acceso a la información, Al equipo de profesores e investigadores del Programa de Planificación Energética de la UNICAMP.

REFERENCIAS

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[12] Secretaría Nacional de Planificación y Desarrollo, “Plan Nacional Buen Vivir 2013-2017,” SENPLADES, Quito, 2013.

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“MONITOREO DE CARGA Y RADIACIÓN SOLAR PARA DISEÑO DE SISTEMAS

FOTOVOLTAICOS EN HOGARES UNIFAMILIARES DE LA CIUDAD DE

LATACUNGA”

Edgar Roberto Salazar Achig Latacunga, Ecuador

[email protected]

Carlos Leonel Burgos Arcos Ambato, Ecuador

Universidad Tecnológica Indoamérica, Facultad de Ingeniería Industrial, Av.

Manuelita Sáenz y Agramonte,


Resumen

El presente trabajo de investigación pretende determinar la magnitud del potencial solar en la ciudad de Latacunga que proviene de la radiación directa y difusa, para el diseño de un sistema fotovoltaico conectado a l a red. Los parámetros a considerar durante el diseño son la radiación solar en vatios por metro cuadrado (W/ ), la potencia de carga en vatios por hora (W/h) y los Costos de construcción ($): En las etapas iniciales se recopilarán valores de radiación solar con el piranómetro APOGEE MP-200 y la demanda de potencia empleando equipos como el analizador de carga FLUKE 1735; los datos obtenidos fueron comparados con los estándares mínimos de construcción para este tipo de sistemas.

Palabras claves — Radiación solar, paneles fotovoltaicos, energía renovable.

Introducción

En la actualidad la electricidad se ha vuelto indispensable en las actividades diarias de las personas, es latente la preocupación por el agotamiento de los recursos no renovables como son los provenientes del petróleo. Como una solución a este problema está el uso más eficiente de la energía y la incorporación de fuentes energéticas renovables mismas que ocupan una posición destacada [1].

El consumo de energía procedente de combustibles fósiles es una de sus piedras angulares, lo que ha venido provocando por un lado, una creciente escasez de recursos y de otro un agravamiento de las externalidades negativas producidas por el actual modelo económico. El más claro ejemplo de estas externalidades es el fenómeno conocido como “cambio climático” [2].

El gobierno preocupado en estos fenómenos ha planteado nuevas políticas para el cambio de la matriz energética hacia el 2020, la generación fotovoltaica en Ecuador es sumamente escasa y los diferentes sistemas instalados se encuentran ubicados en poblaciones rurales distantes donde no es posible llevar energía eléctrica por medio de las redes de las diferentes empresas eléctricas de distribución.

El desafío por conseguir un crecimiento con equidad de la población, exige la incorporación de los sectores: rural y urbano al proceso de desarrollo del país. Para alcanzar este logro se requiere dotar a estas poblaciones, de servicios básicos que permitan impulsar sus capacidades socio-económicas. Constituyéndose entonces la energía eléctrica, como una de las herramientas que requiere la población para el desarrollo de sus actividades productivas y mejoramiento de su calidad de vida, atendiendo sus necesidades de comunicación, alumbrado y principalmente para el desarrollo de sus actividades agropecuarias, artesanales, comerciales e industriales.

En cuanto a la electrificación rural, según el Censo de Población y Vivienda realizado el año 2010 por el Instituto Nacional de Estadísticas y Censos (INEC - Ecuador), el porcentaje total de viviendas con energía eléctrica alcanzó el 94,77%, en el área Urbana, mientras que en el área Rural se ubicó en el 89,03%, lo que indica que aún hay sectores que no dispone de fuentes de energía eléctrica para satisfacer sus necesidades básicas cocinar, calentarse, transporte y comunicaciones. [3]




El Ministerio de Electricidad y Energía Renovable como ente de formulación de la política nacional del sector eléctrico, promueve la adecuada y exitosa gestión de proyectos de electrificación con energía renovable no convencional, para lo cual se encuentra trabajando con varios actores del sector eléctrico, Organizaciones No Gubernamentales, entre otros, a fin de definir una estrategia que permita la consolidación de proyectos de energía renovable en zonas cuenten con el servicio eléctrico, a través de la sostenibilidad de dichos proyectos.

En Ecuador la generación fotovoltaica es sumamente escasa y los diferentes sistemas instalados se encuentran ubicados en poblaciones rurales completamente alejadas donde no es posible llevar energía eléctrica por medio de las redes de las diferentes empresas eléctricas de distribución.

Según datos del CONELEC las solicitudes de proyectos de energías renovables mayores y menores a 1 MW de generación de sujetos a las disposiciones y prerrogativas de la regulación No. CONELEC 004/11 en el Ecuador [4]. Estos se detallan en la Tabla 1:

Tabla 1. Resumen de proyectos de generación de Energías Renovables (ERNC) sujetos a las disposiciones y prerrogativas

de la regulación No. CONELEC 004/11

Tecnología

Mayores a 1MW Menores a 1 MW Total Número de proyectos

Potencia (MW)

Número de proyectos

Potencia (MW)

Número de proyectos

Potencia (MW)

Fotovoltaicos 15 283 76 73,49 91 355,49 Hidroeléctricos 13 318,1 4 2,01 17 320,11

Biomasa 2 15,7 0 0 2 15,7 Eólica 0 0 2 1,98 2 1,98 Total 30 615,8 82 77,48 112 693,28

Los proyectos fotovoltaicos menores a 1MW se detallan en la Fig. 1.

Fig. 1. Proyectos fotovoltaicos menores a 1 MW

La Figura 1 muestra que en la provincia de Cotopaxi ubicada en la sierra central del Ecuador, dispone de 2 proyectos en ejecución de energías renovables pertenecientes a proyectos fotovoltaicos menores a 1MW, generando electricidad de 1,996 MW.

Para el desarrollo del presente trabajo de investigación, se ha escogido la ciudad de Latacunga, provincia de Cotopaxi. La actividad económica de esta ciudad se caracteriza en la producción agropecuaria, aunque también se desarrolla actividades importantes como la i ndustria y comercio, además se ha observado a través del atlas solar del Ecuador [5]. Que esta zona presenta un p otencial solar importante que puede ser aprovechado para suministrar energía eléctrica de forma aislada o conectada a la red para satisfacer necesidades energéticas básicas, por ejemplo en iluminación.

A través de una investigación documental de las reformas existentes en el Ecuador para de esta manera tener un panorama general sobre la generación de energía eléctrica para su uso y su interconexión a la red, esta investigación empieza con la revisión del Plan Nacional del Buen Vivir 2013 – 2017, para el cambio de la matriz energética en el país.

En la Constitución de la República del Ecuador se afirma que “El Estado se reserva el derecho de administrar, regular, controlar y gestionar los sectores estratégicos, de conformidad con los principios de sostenibilidad ambiental, precaución, prevención y eficiencia” (art. 313).

El objetivo 11 del Plan Nacional del Buen Vivir (2013 – 2017) indica las siguientes políticas y lineamentos e stratégicos para cambiar la matriz energética en el país [6].

“11.1. Reestructurar la matriz energética bajo criterios de transformación de la matriz productiva, inclusión, calidad, soberanía energética y sustentabilidad, con incremento de la participación de energía renovable.”

Materiales y métodos

Dada la naturaleza del estudio, es preciso tomar en cuenta las siguientes consideraciones técnicas e i nstrumentos de recolección.

El método de cálculo del sistema fotovoltaico está basado en la norma de construcción de energías renovables Ecuador NEC-11, apartado 14.2.6.2. Consideraciones técnicas. [7]

I. Tipo de sistema fotovoltaico: de acuerdo a la

clasificación.

II. Carga instalada y demanda energética individual y total

para el caso de micro redes.

• El tipo de carga y el servicio que prestará dicha

carga para la selección de los componentes del

sistema fotovoltaico (SFV).

• Los consumos en espera (stand-by) de los equipos

y el rendimiento de cada uno de ellos cuando la

potencia que se especifica no lo ha hecho.

III. Radiación solar del emplazamiento. De acuerdo a l as

referencias recomendadas o medidas en el sitio.

I. Tipo de sistema fotovoltaico: de acuerdo a la clasificación

Las características a tomar en cuenta a la hora de implementar una instalación fotovoltaica son [8]:

• Las condiciones económicas

• Condiciones donde se va implantar la instalación

• Condiciones de la capacidad en el punto de conexión de

la red

• Condicionamientos (Urbanísticos, ambientales, etc.)

La instalación fotovoltaica conectada a la red, opera en paralelo con la red eléctrica convencional, tiene amplio margen de aplicación desde pequeños sistema de pocos kilowatios pico (kWp) de potencia instalada hasta centrales de varios megavatios picos 8MWp, ocupa un menor espacio físico su instalación y mantenimiento resulta económico. [9]

II. Carga instalada y demanda energética individual y total para micro redes

Levantamiento y determinación del consumo diario de potencia eléctrica en la vivienda

Para determinar el consumo eléctrico en la vivienda primero es necesario realizar el levantamiento de la carga instalada en esta, incluye todos los aparatos eléctricos, número de estos, potencia que será tomada de la placa de referencias de cada uno de estos como se indican en la Tabla 2.

Para identificar el comportamiento de la carga los consumos en espera (stand-by) diarios de los equipos y el rendimiento de cada uno de ellos se utilizará el analizador de redes el cual realizará el registro de potencia (KW) consumida por horas lo cual permitirá determinar la fluctuaciones de está e i dentificar el tiempo de demanda máxima diaria y así seleccionar de manera correcta los componentes del sistema fotovoltaico (SFV)

Tabla 2. Carga instalada en la vivienda Área Carga

Aparatos Cantidad P. Unitario Promedio (Watts)

P. Total Promedio (Watts)

Dormitorio máster

Foco ahorrador 1 20 20

Televisor 42 pulg. 1 360 360

Celular 2 13 26

Radio grabadora 1 40 40

Dormitorio 1



Lapton 1 50 50

Secador de pelo 1 400 400

Plancha de pelo 1 600 600

Celular 1 13 13

Dormitorio 2



Lapton 1 50 50

Parlantes 1 5 5

DVD 1 80 80

Celular 1 13 13

Sala Foco ahorrador 4 20 80

Plancha 1 1000 1000

Cocina

Licuadora 1 1000 1000

Microondas 1 800 800

Tostadora 1 20 20


Refrigeradora 1 250 250

Baño máster Foco ahorrador 1 20 20

Baño simple Foco ahorrador 1 15 15

Patio Foco ahorrador 3 20 60

Cerca eléctrica 1 15 15

Carga total instalada 5607

El método para seleccionar y utilizar el analizador de redes se muestra en la Fig. 2.

Fig. 2. Método de selección del analizador de redes

Etapa 1.- Condiciones para analizar la carga

En una semana el analizador de carga realizará el registro de potencia (kW) consumida lo cual permitirá, identificar el consumo de potencia por horas y la variación que esta tiene de acuerdo al día de la semana en estudio. “Cada diseñador de sistemas fotovoltaicos puede incluir tantos datos considere oportuno para la instalación propuesta, por lo cual puede encontrarse con tablas ya sea diaria, semanal o mensual”

Etapa 2.- Características mínimas del equipo

El equipo según la norma ecuatoriana de construcción NEC-11 apartado 14.2.5. Elementos de medición y registro de parámetros del SISTEMA FOTOVOLTAICO (SFV)

Debe medir y registrar los siguientes parámetros:

• Intensidad

• Voltaje

• Potencia de la carga

Además el equipo debe permitir medir y registrar estos parámetros en una red bifásica que es el tipo de conexión con que cuenta la vivienda de estudio.

Etapa 3.- Selección del analizador de redes

Para realizar la evaluación de la potencia que consume el hogar se utilizó el equipo analizador de carga FLUKE POWER LOGGER 1735 como se muestra en la Fig. 3, que tiene la opción de conexión de red bifásica la cual está instalada en la vivienda, calibrado bajo la norma IEC 61010-1, 600 V C ATIII; que fue instalado en el tablero principal de la vivienda, se instaló desde el día miércoles 01 de Julio hasta el día miércoles 08 de Julio del 2015, el mismo permite obtener parámetros como de potencia activa (P), reactiva (Q), aparente (S), voltaje (V), corriente (I), frecuencia ( ) y factor de potencia (FP) de la red perteneciente a el hogar en donde se realizó el análisis. [10]

Fig. 3. a) Conexión del analizador de carga FLUKE 1735 al tablero principal b) Conexión de las pinzas a las fases de

alimentación Características:

Registro de la potencia eléctrica y de los parámetros correspondientes de hasta 45 días.

Supervisión de la demanda máxima de potencia a lo largo de periodos medios definidos por el usuario.

Comprobaciones de consumo de potencia para evidenciar las ventajas aportadas por las mejoras realizadas.

Etapa 4.- Forma de conexión del equipo para una red bifásica

“Para una fase dividida, el neutro está insertado en el centro y hay dos bifurcaciones activas que corresponden a los conductores de prueba A y B, AB es el voltaje de fase a fase, que es dos veces el de cada bifurcación activa” [11] Ver la Fig. 4.

Fig. 4. Conexiones de fase dividida

Etapa 5.- Lugar de instalación del analizador de redes

Para obtener los valores mínimos, máximos y promedios de los principales parámetros eléctricos en los días de medición, se procedió a instalar el analizador de redes en conexión de red bifásica en la sala de la vivienda donde se encuentra el tablero principal.

Para determinar la energía solar incidente disponible en la ubicación de la vivienda se utilizara el piranómetro. El método se muestra en la Fig. 6.

Fig. 6. Método para utilizar el piranómetro

Etapa 1.- Parámetro de diseño radiación solar

Según la norma ecuatoriana de construcción NEC-11 apartado 14.2.5. Elementos de medición y registro de parámetros del sistema fotovoltaico (SFV), para sistemas conectados a la red es obligatorio, la determinación de la cantidad de energía solar incidente disponible en la ubicación de la instalación.

• Irradiación solar (kW/m² *día), se lo puede hacer con un piranómetro

Etapa 2.- Selección del piranómetro Piranómetro APOGEE MP-200

Es un instrumento de medida usado para medir la radiación solar que tiene como sensor un fotodiodo de células de silicio que mide la radiación de onda corta total, tiene un sensor separado al

medidor de mano, tiene un registrador el cual almacena datos cada 30 min cada dato almacenado se basa en un promedio de muestras que el equipos toma cada 30 s egundos, este equipo tiene la capacidad de almacenar un total de 99 datos, este equipo brinda la facilidad de transferir los datos a la PC, la calibración del i nstrumento está dada por la National Renewable Energy (NREL) y basado en la radiométrica Mundial de Referencia (WRR) en Davos, Suiza [12]. En la Fig. 7 se muestra al piranómetro APOGEE MP-200.

Fig. 7. Piranómetro APOGGE MP-200

Etapa 3.- Lugar de instalación del piranómetro APOGEE MP-200

Para instalar el piranómetro APOGEE MP-200, se tomó en la norma de construcción NEC-11 apartado 14.2.6.2.2. Ubicación del sistema fotovoltaico.

Para la instalación de un sistema fotovoltaico el sitio debe estar libre de obstáculos (edificios cercanos, arboles, vegetación).

Un área suficiente para el montaje del arreglo fotovoltaico (techo de una vivienda, sobre una base en el suelo o sobre un poste) por lo cual se debe prever un sitio apropiado para obtener la mayor cantidad de radiación solar.

En la medida de lo posible el arreglo fotovoltaico debe estar libre de sombras durante las 8 horas centrales del día.

La estructura va estar anclada al suelo, está forma de instalación atenúa el viento, debido a que menos altura menor velocidad y fuerza de este, este tipo de estructuras serán robustas y con fuertes anclajes. [13]

El lugar elegido es el patio trasero de la vivienda que cuenta con un espacio libre de 72 m² , este espacio no tiene obstáculos ni sombras proyectadas durante el día (Ver Fig. 8.)

Fig. 8. Instalación del piranómetro MP-200 en el patio trasero de la vivienda a) Vista frontal a la casa b) vista trasera de la casa

Etapa 4.- Pruebas de funcionamiento del piranómetro APOGEE MP-200

El piranómetro viene calibrado por dos años tal como se muestra en la Fig. 9, este tiene un rango de tolerancia de ±5% de error en la medición y repetitividad entre cada medición es < 1%.

Fig. 9. Certificado de calibración APOGEE MP-200

Resultados y discusión Se ha considerado tres tipos de análisis para estudiar las medidas de radiación solar medidas:

Promedio por horas de radiación solar:

Este promedio se calculó tomando los valores de radiación solar medidos cada 30 minutos, sumando dos datos y dividiendo para dos para obtener el promedio por hora. Las horas consideradas fueron desde las 07:00 hasta las 17:00.

Promedio diario de radiación solar:

Este promedio se calculó tomando los valores de radiación diarios que comprenden las horas de 07:00 hasta las 17:00.

Con los datos de radiación solar registrados por medio del piranómetro APOGEE MP-200 y descargados en la PC, se procedió a comparar los valores medios del mes de Mayo a Julio; estos se muestran en la Tabla 3.

Análisis para cuatro diferentes días

Se analizó cuatro días se seleccionaron las mediciones de radiación solar de dos días nublados y dos días despejados con el objetivo de observar la dispersión de las medidas y obtener la desviación estándar de las mismas.

Tabla 3. Radiación solar media en los meses de Mayo, Junio y Julio

N ° Hora MAYO

W/m² MEDIDOS

JUNIO

W/m² MEDIDOS

JULIO

W/m² MEDIDOS

1 07:00-8:00 172,0 133,3 117,7

2 08:00-9:00 333,0 278,6 257,4

3 09:00-10:00 433,4 412,4 383,1

4 10:00-11:00 523,2 501,1 490,8

5 11:00-12:00 474,4 547,6 565,5

6 12:00-13:00 528,3 587,9 585,1

7 13:00-14:00 536,3 543,4 576,0

8 14:00-15:00 460,9 482,6 498,2

9 15:00-16:00 362,3 328,5 386,9

10 16:00-17:00 155,5 126,1 179,5

Promedio diario 397,92 W/m² 394,15 W/m² 404,00 W/m²

Promedio mensual 3979 W/m² 3942 W/m² 4040 W/m²

Atlas solar Ecuador 4040 W/m² 4092 W/m² 4026 W/m²

De la Tabla 3 se observa que durante los meses de medición, se observa que la mínima radiación registrada es en los periodos de 07:00 a 08:00 y de 16:00 a 17:00 teniendo valores debajo de los 200 , magnitud que se tomó como límite inferior para determinar el tiempo de experimentación puesto que los valores menores suponen cielos completamente nublados como se muestra en la Fig. 10.

Fig. 10. Radiación solar media en los meses de Mayo, Junio y Julio

De la Figura 10 se observan que los valores superiores a 200 son de 08:00 a 16:00, por lo que se escoge este intervalo

como periodo de experimentación. Se aprecia además que los valores máximos de radiación registrada en los tres meses fueron de 536,3; 587,9 y 585,1 , obtenidos a medio día.

Cálculo de la radiación sobre superficie inclinada y horas solares.

Se utiliza la ecuación (1).

Las horas sol día según la superficie inclina k se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4. Horas de sol al día según la superficie inclinada k (10°) MES H Medidos HT Atlas Solar

k

10°

HS (h) día

Medidos

HS (h) día

Atlas Solar % de Desviación

Mayo 3979 4040 1,04 4,138 4,201 -1,510

Junio 3942 4092 1,04 4,099 4,255 -3,666

Julio 4040 4026 1,03 4,161 4,146 0,348

Se determina que la desviación entre los datos medidos y los datos del atlas solar del Ecuador están entre ± 5% de precisión del instrumento lo que indica que los datos para el tiempo de estudio no han variado significativamente y tomar estos para el diseño de un sistema fotovoltaico en esta zona.

El paso siguiente consiste en comparar dónde se producen las máximas radiaciones en los tres meses antes indicados, se establece el ángulo más idóneo que es del mes más desfavorable Julio 10° y una radiación media.

Tabla 5. Número de horas de sol al día según la superficie inclinada k (10°)

HORA/MES MAYO JUNIO JULIO MEDIA k 10° RADIACIÓN INCIDENTE W/m²

08:00-9:00 333 278,6 257,4 289,667 1,03 298,357

09:00-10:00 433,4 412,4 383,1 409,633 1,03 421,922

10:00-11:00 523,2 501,1 490,8 505,033 1,03 520,184

11:00-12:00 474,4 547,6 565,5 529,167 1,03 545,042

12:00-13:00 528,3 587,9 585,1 567,100 1,03 584,113

13:00-14:00 536,3 543,4 576 551,900 1,03 568,457

14:00-15:00 460,9 482,6 498,2 480,567 1,03 494,984

15:00-16:00 362,3 328,5 386,9 359,233 1,03 370,010

De la Tabla 5, se observa que los valores del mes de Junio superan la media y los meses de Mayo y J ulio presenta una desviación del 5.2%.

Análisis del promedio de datos por horas de la carga de la línea uno (L1) y línea dos (L2) El promedio para las líneas uno y dos (L1-L2) se calculó tomando los valores de potencia consumida tomadas con el analizador de carga FLUKE 1735 las horas consideras fueron de 08:00 a 16:00 tiempo en que los paneles pueden captar energía solar para transformarla en energía eléctrica.

Tabla 6. Potencia consumida vatios- hora (Wh) en función del tiempo 08:00 a 16:00 de la línea uno (L1) y la línea dos (L2)

HORA / FECHA PROMEDIO (Wh)

08:00 - 09:00 102,263

09:00 - 10:00 114,837

10:00 - 11:00 127,553

11:00 - 12:00 104,792

12:00 - 13:00 125,991

13:00 - 14:00 118,808

14:00 - 15:00 118,311

15:00 - 16:00 126,378

Promedio 117,367

En la Tabla 6, se puede observar que el consumo máximo de energía de la carga es de 10:00 a 11:00 superando en un 8,67% el valor promedio, para lo cual se tomará este valor como critico a la hora de diseñar y seleccionar los elementos del sistema fotovoltaico.

Se utilizará el módulo de marca ZYTECH tipo 230P, se puede observar claramente la relación entre la potencia el voltaje y corriente (Ver Fig. 11).

Fig. 11. Curvas Voltaje-intensidad (V-I) y voltaje-potencia (V-P)

(1)

Para determinar el punto de máxima potencia, se procede a tabular los datos observados de radiación solar a fin de obtener la línea de tendencia y evaluar la máxima potencia que podría obtenerse del módulo fotovoltaico, como se muestra en la Fig. 12.

Fig. 12. Tendencia de la máxima potencia con relación a la radiación

La ecuación (2) generada usando el programa Microsoft Excel, representa la tendencia que siguen los valores representados en la Fig. 12; de este modo se puede determinar la cantidad de energía eléctrica a producir mediante el panel solar fotovoltaico (Ver Tabla 7).

Tabla 7. Potencias producida por un módulo solar ZYTECH

Hora Radiación [W/ m²]

Potencia máxima Módulo fotovoltaico (Watt)

08:00-9:00 298,357 72,49

09:00-10:00 421,922 99,73

10:00-11:00 520,184 121,40

11:00-12:00 545,042 126,88

12:00-13:00 584,113 135,50

13:00-14:00 568,457 132,04

14:00-15:00 494,984 115,84

15:00-16:00 370,010 88,29

Total 3803,069 892,17

Cálculo del número de módulos fotovoltaicos para la vivienda

Para determinar el número de módulos (Ver Tabla 8 se toma en cuenta el comportamiento del consumo máximo de potencia en la vivienda (Ver Tabla 6) y la generación del módulo fotovoltaico (Ver Tabla 7), no existe problema en el hecho de que el arreglo fotovoltaico no pueda abastecer toda la potencia de la carga dado que como es un sistema interconectado la empresa eléctrica automáticamente abastece la carga faltante.

Tabla 8. Número de módulos fotovoltaicos ZYTECH tipo 230P

Hora Potencia módulo

[Wh]

Potencia promedio consumida

[Wh]

N° de módulos

N° de módulos

aproximado

08:00-9:00 68,863 102,263 1,485 1

09:00-10:00 94,747 114,837 1,212 1

10:00-11:00 115,331 127,553 1,106 1

11:00-12:00 120,538 104,791 0,869 1

12:00-13:00 128,722 125,990 0,979 1

13:00-14:00 125,443 118,808 0,947 1

14:00-15:00 110,052 118,311 1,075 1

15:00-16:00 83,873 126,377 1,507 2

Promedio 105,946 117,366

De la Tabla 8 se determina que se puede implementar en la vivienda un módulo fotovoltaico

Comportamiento de la potencia consumida y producida por un módulo fotovoltaico en el sitio de estudio

Una vez establecido el número de módulos se procede a determinar el aporte de energía que se tiene por parte del sistema solar fotovoltaico con un módulo hacia la red y el porcentaje con el que aporta en la reducción del consumo de potencia eléctrica convencional. (Ver Tabla 9)

Tabla 9. Comparación entre potencia consumida en la vivienda y generada acumulada (un módulo) por el sistema fotovoltaico

Hora

Potencia Producida

(un módulo)

Wh

Potencia promedio consumida

Wh

Porcentaje disminuido

de consumo

Potencia acumulada producida

(un módulo)

Wh

Potencia acumulada consumida

Wh

08:00-9:00 68,863 102,263 67% 68,863 102,263

09:00-10:00 94,747 114,837 83% 163,610 217,100

10:00-11:00 115,331 127,553 90% 278,941 344,653

11:00-12:00 120,538 104,791 115% 399,479 449,445

12:00-13:00 128,722 125,990 102% 528,201 575,436

13:00-14:00 125,443 118,808 106% 653,643 694,244

14:00-15:00 110,052 118,311 93% 763,695 812,555

15:00-16:00 83,873 126,377 66% 847,568 938,933

Total 847,568 938,933 90%

(2)

En la Fig. 13, se observa que la potencia producida por el sistema solar fotovoltaico está por debajo de la potencia consumida por la carga, en estas condiciones se puede concluir que toda la potencia que se produzca en el sistema solar fotovoltaico se consumirá en el hogar unifamiliar durante el periodo establecido.

Fig.13. Comparación entre potencia consumida en la vivienda y generada acumulada (un módulo) por el sistema fotovoltaico

Diseño de la estructura de soporte del sistema fotovoltaico para un módulo fotovoltaico

La estructura de soporte, ancla el generador solar, proporciona la orientación y el ángulo de inclinación idóneo para el mejor aprovechamiento de la radiación. [14]

Material

La estructura soporte de paneles de hierro tendrá un galvanizado mínimo de 100 micras las propiedades de este material se muestra en la Tabla 10.

Tabla 10. Acero galvanizado, estructura un módulo fotovoltaico Referencia de modelo Propiedades

Nombre: Acero galvanizado

Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal

Criterio de error predeterminado:

Tensión de von Mises máx.

Límite elástico: 2.03943e+008 N/

Límite de tracción:

3.56901e+008 N/

Módulo elástico: 2e+011 N/

Coeficiente de Poisson:

0.29

Densidad: 7870 kg/

Análisis de esfuerzos, un módulo fotovoltaico

El análisis de esfuerzos de la estructura para el soporte de un módulo fotovoltaico se realiza con ayuda del método de elementos finitos con el programa CAE [15]. Para lo cual se tomará las siguientes condiciones que se muestran en la Tabla 11:

Tabla 11. Peso estructura, un módulo fotovoltaico Peso de la estructura un módulo fotovoltaico

Masa 43,5253 kg

Peso 426,548 N

Volumen 0,00553054 m3

Densidad 7870 kg/m3

Resultados del estudio de la estructura para un módulo fotovoltaico

El resultado obtenido por Solid Works de la tensión de von Mises (Ver Figura 14), generó una tensión máxima de 26,92 MPas, que se encuentra dentro del límite elástico del material que es de 203,9 MPas

Fig. 14. Tensión de von Mises, estructura de un módulo fotovoltaico

Conclusiones

A partir de la revisión del estado del arte y el análisis de la bibliografía disponible se pudo constatar los avances en cuanto a las mejoras alcanzadas para los varios elementos de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red, la importancia que esto conlleva en la disminución de la demanda energética, reducción de la contaminación ambiental lo que ayuda a conservar la capa de ozono al evitar emanar CO2.

Al evaluar el potencial de radiación solar y carga para el diseño del sistema fotovoltaico se determinó un pot encial solar de 3803,069 vatios por metro cuadrado diario y la demanda de potencia predominante de 117,366 vatios hora (Wh), en el área delimitada en la ciudad de Latacunga, permitiendo con ello diseñar un sistema fotovoltaico que proporcionara 284 kilovatios (kW) anuales de potencia eléctrica limpia para consumo de la misma.

Al monitorear la radiación solar se determinó que entre las 08:00 am a 16:00 pm se supera el mínimo de radiación solar de 200 vatios por metro cuadrado necesarios para generación de energía eléctrica superando a m edio día en un 192,05% este valor , generando 135,50 vatios por hora (Wh) por un panel fotovoltaico de tipo monocristalino tipo ZYTECH 230P

Para el diseño del sistema fotovoltaico conectado a l a red se determinó que con la implementación de dos paneles fotovoltaicos de tipo monocristalino tipo ZYTECH 230P se podrá s uministrar en promedio el 90% de la demanda de potencia de la carga del “hogar unifamiliar de tipo medio del sector urbano” de 08:00 am a 16:00 pm (las 8 ho ras aprovechables de energía solar)

El costo total para la implementación del sistema fotovoltaico es de $ 2950; el sistema incluye un panel solar monocristalino tipo ZYTECH 230P, un c ontrolador, un i nversor, una estructura de soporte. Considerando que de acuerdo a datos del INEC [15], el ingreso promedio para un “hogar unifamiliar de tipo urbano con ingreso medio” es de $1046,3 y el gasto promedio es de $943,20 esto hace que el sistema sea económicamente accesible para este sector de la población.

Cuando se implemente una normativa, por parte del CONELEC, relacionado con la generación distribuida a nivel de usuarios residenciales en el sector urbano esto incentivará la utilización de energía renovable. El estudio se podría ampliar para determinar la máxima potencia de energía que podría suministrarse a la red de distribución evaluando el rédito económico con las condiciones de pago que plantee dicha normativa.

Referencias

[1] Blázquez J. y Moreno M. (2009). Tendencias globales del consumo de energía y sus implicaciones sobre las emisiones de efecto invernadero. Revista Ambienta. Nº 86, marzo 2009, Recuperado el 31 de Enero de 2015, de http://www.revistaambienta.es

[2] Martínez J., Almansa C. y Perno A., (2009). Energía eléctrica procedente de fuentes renovables: Percepción social y disposición al pago. Recuperado el 05 de Febrero de 2015, de http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=3739211

[3] MEER (2014). Ministerio de electricidad y energía renovable. Recuperado el 16 de Julio de 2015, de http://www.energia.gob.ec/electrificacion-rural-con-energias-renovables/

[4] CONELEC - 004/11 (2011). Consejo Nacional de Electricidad, ente regulador y de control del sector eléctrico ecuatoriano, Tratamiento para la energia producida con recursosenergeticos renovables no c onvencionales. Recuperado el 21 de Julio de 2015, de http://www.conelec.gob.ec/normativa/CONELEC_004_11_ERNC.pdf

[5] CONELEC (2008). Atlas solar del Ecuador con fines de generación electrica. Recuperado el 19 de Junio de 2015, de http://www.conelec.gob.ec/archivos_articulo/Atlas.pdf

[6] Plan Nacional de Desarrollo para el Buen Vivir (2013-2017). Recuperado el 14 de Enero de 2015, de http://www.buenvivir.gob.ec/objetivo-11.-asegurar-la-soberania-y-eficiencia-de-los-sectores-estrategicos-para-la-transformacion-industrial-y-tecnologica#tabs1

[7] NEC-11 (06 de Abril de 2011). Energías Renovables. Recuperado el 14 de Enero de 2015, de http://www.cimeg.org.ec/normasnec/NEC2011-CAP.14-ENERGIAS%20RENOVABLES-021412.pdf

[8] Cuervo R., Veritas B., Méndez J., 2013. Energía solar fotovoltaica, 7ma Edición, Madrid. Fundación Confemetal FC

[9] Carta J., Calero R., Colmenar A., Castro M., Collado E. 2013. Centrales de Energías Renovables. 2^da Edición. Madrid. Pearson

[10] FLUKE 1 73.5 (2015). Registrador Trifásico. Recuperado el 21 de Julio de 2015, de http://www.fluke.com/fluke/eces/medidores-de-calidad-de-la-energia-electrica/logging-power-meters/fluke-1735.htm?pid=56028

[11] FLUKE 1735 (2006). Manual de usuario Rev.1, 4/06 (Spanish) © Fluke Corporation.

[12] APOGEE INSTRUMENTS (2015). Recuperado el 15 de Enero de 2015, de http://www.apogeeinstruments.co.uk/applications-and-uses-of-pyranometers/

[13] Tobajas M. 2011. Instalaciones solares fotovoltaicas. 1ra Edición, España. Cano Pina

[14] Guía técnica de aplicación para instalaciones de energías renovables (2014). Instalaciones fotovoltaicas, recuperado el 28 de Julio de 2015, de http://www.agenergia.org/files/resourcesmodule/@random49914e4ed9045/1234263307_GuiaFotovoltaicaGobCan.pdf

[15] SolidWorks (2015). Programa de diseño asistido por computadora para modelado mecánico. Recuperado el 06 de Septiembre, de http://www.solidworks.es/sw/products/simulation/motion-analysis.htm

[16] NEC (2010) Instituto Nacional de Estadísticas y Censos, recuperado el 26 de Mayo de 2015, de http://www.inec.gob.ec/Enighur_/Analisis_ENIGHUR%202011-2012_rev.pdf

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