Dissertations / Theses on the topic 'Gasificación'

Ingeniero Civil Químico
Producto de la crisis energética actual y el consumo proyectado al futuro, se están buscando maneras de diversificar la matriz de energía, abriéndose a diversas opciones de preferencia renovables. La gasificación de biomasa es una ellas y consiste en la oxidación parcial de las moléculas de carbono para obtener un gas con valor energético. La empresa ENERCOM, proveedora de equipos de combustión y secado, actualmente posee un gasificador del tipo downdraft con angostamiento. Sin embargo, algunas características del equipo lo hacen poco atractivo para la industria, principalmente, el régimen de operación batch, los despuntes de madera como materia prima y la seguridad. Por ello, se decide a considerar una operación en continuo y con pellets. El objetivo de este trabajo es diseñar un reactor continuo para gasificación de biomasa. Para ello, es necesario analizar desde el punto de vista técnico el reactor actual y determinar si es posible, bajo las condiciones requeridas, modificarlo para llevarlo a su aplicación industrial o se requiere de un diseño nuevo. Tras esa decisión, proponer los principales parámetros. Mediante un estudio del mercado de los gasificadores, se determina que el diseño downdraft es el que más se utiliza a nivel industrial y puede operar con pellets en continuo. Luego, con la ayuda de un modelo de balances de masa y energía, se logra predecir el funcionamiento del equipo en continuo, obteniendo de la composición del gas producto y el perfil de temperaturas. Se decide mantener el diseño downdraft con angostamiento. Esto implicará incluir un sistema de alimentación, para lo que se propone un tornillo sin fin alimentado desde una tolva. También, se requiere de un extractor de cenizas, para lo que se proponen dos ideas: i. tornillo sin fin, similar al de alimentación; o ii. tornillo de extracción húmeda (tornillo de Arquímedes), que retiraría ceniza suspendida en agua. Internamente, el diseño no necesita cambios importantes. No obstante, se requiere reducir la separación entre los rieles de la parrilla que sustenta la materia prima y agregar un vibrador que remueva las cenizas. Además, se propone agregar unos perfiles que ayuden a la caída del pellet y al paso de los gases a lo alto del equipo. Finalmente, se plantean lazos de control en la temperatura y presión para dar seguridad a la operación. Además, se propone un sistema de encendido automático. Todo esto permitirá operar remotamente el reactor, sin exponer a los operarios. Se cumple el objetivo principal de este trabajo. Se observa que cambiando el reactor actual a una operación continua con pellets, el uso efectivo de la energía de la madera aumenta de un 55% a un 73%. Esto se debe a un mejor aprovechamiento de la materia prima, que aumenta la producción de gas pobre de 1,9 [kg] por cada kilogramo de madera cargada a 2,2 [kg]. Se propone para futuros trabajos analizar la factibilidad económica del proyecto. También, sería bueno considerar de todas formas un nuevo diseño y sus respectivos estudios para la gasificación de pellets alimentados de forma continua.

Ingeniero Civil Mecánico
La gasificación por plasma es un proceso termoquímico a través del cual el contenido carbonoso de un compuesto es transformado en un gas combustible que puede ser utilizado para producir electricidad o ser transformado en combustibles líquidos. Los compuestos inorgánicos forman un vitrificado que se caracteriza por ser altamente inerte, lo que hace segura su disposición en relleno sanitario o bien permite su utilización como relleno en construcción o como aislante, si ha sido previamente procesado. La gasificación por plasma ocurre en un reactor atmosférico bajo condiciones controladas de temperatura y contenido de oxidante, donde la energía térmica necesaria para el proceso es proporcionada por antorchas que producen plasma, es decir, un gas ionizado, producido mediante descarga eléctrica en gas. Actualmente el consumo energético nacional va en aumento, al igual que la producción de residuos, por lo que este trabajo tiene como motivación evaluar la viabilidad de la valorización energética de residuos sólidos municipales mediante gasificación por plasma, al presentarse esta tecnología como una alternativa para contribuir a la solución de ambos problemas. El objetivo de este trabajo es realizar el estudio de perfil de una central termoeléctrica de ciclo combinado, que utiliza gas combustible obtenido a partir del tratamiento de 1000 toneladas diarias de residuos sólidos municipales de la Región Metropolitana, mediante el proceso de gasificación por plasma. El estudio contempla la central en tres configuraciones; utilizando residuos sin tratar, utilizando residuos previamente secados y utilizando residuos seleccionados. Para cada una de dichas configuraciones se evalúa también la fabricación de aislante lana mineral a partir del vitrificado. Para la realización de este trabajo se emplea la siguiente metodología; contextualización de los sectores de energía, residuos y de emisiones de carbono. Descripción y modelación mediante equilibrio estequiométrico de la tecnología de gasificación por plasma. Diseño conceptual de la central y análisis económico de ésta, incluyendo los cálculos de indicadores relevantes tales como el VAN y TIR, y análisis de sensibilidad económica para aquellas variables que sean relevantes en la evaluación. Los resultados muestran que dadas las condiciones actuales de mercado, la central en sus tres configuraciones sin y con fabricación de lana mineral no son rentables, sin embargo, para la configuración utilizando residuos secados con fabricación de lana mineral, se puede obtener rentabilidad para un precio de lana mineral de al menos 2.230 USD por tonelada o para una producción de lana mineral de al menos 21.634 toneladas anuales. Para la configuración con residuos seleccionados con fabricación de lana mineral, se puede obtener rentabilidad para un precio de lana mineral de al menos 1.305 USD por tonelada o para una producción de lana mineral de al menos 11.942 toneladas anuales. Las principales conclusiones son que el contenido de humedad de los residuos a tratar tiene un impacto negativo importante en la generación eléctrica y rendimiento neto de la central, por lo que utilizar residuos sin tratar es inconveniente dada su alta humedad característica. Para las configuraciones sin fabricación de lana mineral se concluye que se requiere un precio por tratamiento de residuos, -análogo al costo por disposición-, similar al que presentan países desarrollados para obtener rentabilidad. Para las configuraciones con fabricación de lana mineral es posible obtener rentabilidad pero con ingresos debidos principalmente a la venta de ésta. Finalmente es importante destacar que una central de este tipo tiene ventajas medioambientales importantes que no se ven reflejadas en una evaluación económica, como son una menor cantidad de emisiones contaminantes, valorización completa de los residuos y un menor uso de rellenos sanitarios.

La cascarilla de arroz es un residuo agrícola que se obtiene a partir del proceso de molienda de arroz. Este residuo se genera en grandes cantidades, sin embargo, cuenta con pocas aplicaciones de uso. El proceso de gasificación se presenta como una alternativa viable para el aprovechamiento de este residuo en aplicaciones térmicas. En la presente tesis se relacionan las propiedades de la cascarilla de arroz con los requerimientos del gasificador para lograr el diseño final. Se opta por el tipo downdraft invertido porque es adecuado para gasificar biomasa de baja densidad y tamaño pequeño como lo es la cascarilla de arroz. Mediante el proceso de gasificación se obtiene un gas combustible que posee un alto contenido de nitrógeno por lo que se le llama gas pobre. Para el diseño del gasificador se ha definido dos sistemas, el sistema de generación de gas pobre y el sistema de acondicionamiento de gas pobre. El sistema de generación de gas pobre está compuesto por un reactor, un sistema de suministro de aire y un sistema de retiro de cenizas. El sistema de acondicionamiento de gas pobre está compuesto por un ciclón. El gas combustible obtenido se utilizará en un quemador para generar calor. Las características del reactor son: potencia de 2600 kcal/h, eficiencia de 30 %, diámetro interior de 0,19 m, diámetro exterior de 0,24 m, altura total de 1,12 m, capacidad de 0,02 m3, temperatura máxima de reacción de 500 °C y temperatura exterior de 27,5 °C. El proceso se realiza por lotes y se necesitan 2,1 kg de cascarilla de arroz para que el sistema opere durante 3/4 de hora. El caudal de aire necesario para el proceso es 3,33 m3/h y es suministrado por un ventilador axial de 12 VDC. El retiro de cenizas se realiza mediante una rejilla pivotada cuyos agujeros tienen un diámetro de 0,008 m. Las características del ciclón son: diámetro interior de 0,16 m, altura total de 0,66 m y eficiencia de 50 % para partículas de ceniza de 10 μm. El quemador a usar puede ser del tipo atmosférico para GLP o gas natural. Se propone el diseño de un quemador simple con 80 agujeros de diámetro de 0,005 m para lograr una buena combustión. El gas pobre obtenido tiene bajo poder calorífico (< 6 MJ/m3), está libre de partículas con tamaño superior a 50 μm y posee alta temperatura. Estas características lo hacen apropiado para aplicaciones térmicas. El costo de fabricación del sistema (sistema de generación de gas y sistema de acondicionamiento) se estima en S/. 7.296,00 (siete mil doscientos noventa y seis nuevos soles). Esto incluye los materiales, mano de obra, equipos y costos de ingeniería.
Tesis

En la actualidad, los problemas relacionados a la energía y contaminación ambiental son unos de los más críticos que enfrenta el mundo. Por un lado, existe la problemática del agotamiento de los recursos energéticos no renovables, así como también la escasez o la imposibilidad de acceder a ellos en los sectores más pobres. Por otro lado, el uso de los combustibles fósiles, los cuales son los más usados actualmente, emiten gases contaminantes al medio ambiente y traen efectos nocivos en la salud de las personas y en la fauna y flora del planeta. Una solución a estos problemas es el uso del biogás, el cual es producido mediante la fermentación anaeróbica ( en ausencia de oxígeno) de materia orgánica. Por ello, se ha diseñado una planta piloto automatizada con una capacidad de hasta 50 kg diarios de materia orgánica, en este caso heces de gallina, con lo cual se podrá obtener hasta 8 m3 de biogás diarios. La planta propuesta constará de dos fases: pre-procesamiento y digestión anaeróbica. En la primera fase, se realizará un tratado previo a la materia prima ingresada y se realizará una mezcla con agua. En la segunda fase, se dejará reposar la mezcla para la producción de biogás. Se podrán visualizar las variables más importantes del proceso como la temperatura de la mezcla, nivel de fluido en el tanque, pH de la mezcla y la presión del gas; de la cuales son controlables las dos primeras.
Tesis

La gasificació és una tecnologia prometedora per l’aprofitament energètic de biomassa i residus, ja que permet convertir els combustibles sòlids en un gas de síntesi (syngas) amb diverses aplicacions. No obstant això, algunes limitacions encara impedeixen la completa implementació d’aquesta tecnologia a escala industrial, en particular per a la producció de combustibles líquids a partir del procés Fischer-Tropsch (FT). Els principals inconvenients estan relacionats amb la qualitat del syngas, per exemple una baixa relació H2/CO i la presència d’impureses (tar i contaminants menors), i depenen de la naturalesa del material i de les condicions d’operació del procés de gasificació. Aquesta tesi es centra en la millora de la qualitat del syngas de gasificació de biomassa i combustibles sòlids recuperats (CSRs) per a la producció de combustibles líquids. El treball es divideix en dos parts principals. La primera part consisteix en estudis experimentals de gasificació de biomassa i CSRs en un reactor de llit fluïditzat a escala de laboratori per tal d’analitzar la influència de les condicions d’operació (temperatura, agents de gasificació, etc.) en el rendiment del procés i la composició del gas. Ja que els CSRs contenen més quantitats de precursors de contaminants que la biomassa, es va desenvolupar un mètode per tal de determinar la concentració de HCl, H2S, HCN i NH3 en el syngas mitjançant la potenciometria d’ió-selectiu. També, es proposa l’aplicació d’un pretractament tèrmic (torrefacció) als materials de gasificació com un mètode per tal de millorar les propietats dels materials i disminuir l’emissió de contaminants en el syngas. Per últim, la segona part d’aquest treball consisteix en un estudi tecno-econòmic per estimar els costos d’inversió i d’operació de plantes de combustibles líquids FT a partir de la gasificació de biomassa i residus, partint dels resultats obtinguts experimentalment.
La gasificación es una tecnología prometedora para el aprovechamiento energético de biomasa y residuos ya que permite convertir los combustibles sólidos en un gas de síntesis (syngas) con múltiples aplicaciones. Sin embargo, ciertas limitaciones todavía impiden la completa implementación de esta tecnología a escala industrial, en particular para la producción de combustibles líquidos a partir del proceso Fischer Tropsch (FT). Los principales inconvenientes están relacionados con la calidad del syngas, por ejemplo una baja relación H2/CO y la presencia de impurezas (tar y contaminantes menores), y dependen de la naturaleza del material y de las condiciones de operación del proceso de gasificación. Esta tesis se centra en la mejora de la calidad del syngas de gasificación de biomasa y combustibles sólidos recuperados (CSRs) para la producción de combustibles líquidos. El trabajo se divide en dos partes principales. La primera parte consiste en estudios experimentales de gasificación de biomasa y CSRs en un reactor de lecho fluidizado a escala de laboratorio para evaluar la influencia de las condiciones de operación (temperatura, materiales de lecho, agentes de gasificación, etc.) en el rendimiento del proceso y la composición del gas. Debido a que los CSRs contienen mayores cantidades de precursores de contaminantes que la biomasa, se ha desarrollado un método para determinar la concentración de HCl, H2S, HCN y NH3 en el syngas mediante potenciometría de ion selectivo. Además, se propone la aplicación de un pretratamiento térmico (torrefacción) a los materiales de gasificación como un método para mejorar las propiedades de los materiales y disminuir la emisión de contaminantes en el syngas. Por último, la segunda parte consiste en un estudio tecno-económico para estimar los costes de inversión y de operación de plantas de combustibles líquidos FT a partir de la gasificación de biomasa y residuos, partiendo de los resultados obtenidos experimentalmente.
Gasification is a promising technology for energy exploitation of biomass and waste, converting carbonaceous fuels into a synthesis gas (syngas) with multiple applications. However, technical obstacles hinder the full implementation of this technology at industrial scale, particularly for the production of liquid fuels through Fischer-Tropsch (FT) synthesis. Those challenges are mainly related to the syngas quality, such as a low H2/CO ratio and the presence of impurities (tar and minor contaminants), strongly influenced by the nature of the feedstock and the operating conditions of the gasification process. This thesis focuses on the improvement of the syngas quality from gasification of biomass and solid recovered fuels (SRFs) aiming to produce liquid fuels. The present work is divided in two main blocks. The first block corresponds to biomass and SRFs gasification experiments in a lab-scale fluidized bed reactor in order to study the influence of key operating conditions (temperature, bed materials, gasification agents, etc.) on the gasification performance and gas composition. Since SRF materials contain higher amounts of contaminants precursors than biomass, a method to assess the concentration of HCl, H2S, HCN and NH3 in the syngas by means of ion-selective potentiometry was developed. The application of a thermal pretreatment (torrefaction) to the gasification feedstocks is proposed as a way to upgrade the feedstock properties and abate the release of contaminants in the syngas. The second part of this work consists in a techno-economic analysis that estimates capital and production costs of FT liquid fuel plants based on biomass and waste gasification, using as input the experimental results.

El trabajo desarrollado presenta una propuesta de aprovechamiento de la cascarilla de arroz para la cocción de alimentos, a través de un proceso de gasificación. Se escogió la cascarilla de arroz por el gran potencial que existe en el Perú que no es aprovechada, y se consideró su gasificación pues el gas pobre (compuesto mayormente por monóxido de carbono, metano, dióxido de carbono) se puede aplicar para procesos de calefacción, deshidratación o cocción, este último será el desarrollado en el presente trabajo. En la tesis desarrollada abarca el análisis del gasificador Downdraft, ya que por la potencia que se necesita y tipo de combustible es el más utilizado para los procesos de cocción, luego se realiza el diseño de equipo que comprende: la unidad generadora de gas (gasificador), el intercambiador de calor y ciclón, la selección del quemador y un análisis del costo del equipo. Las características del gasificador son las siguientes: 25 kW de potencia, eficiencia del 60%, un diámetro de 0,30 m, temperatura máxima dentro del reactor de 600°C y temperatura externa de 35 °C, altura de 1,40 m, diámetro de 0,35 m y 0,105 m3 de capacidad de almacenamiento, además utiliza 11,60 kg de cascarilla de arroz por batch; para la generación del gas es necesario una relación de aire-combustible de 1,80 kg. de aire por cada kg. de combustible, para realizar esto se coloca un ventilador de 10 W y un caudal de aire de 33 CFM (56,1 m3/h). Se propone la compra de un intercambiador de calor tipo coraza y tubos de un paso para disminuir la temperatura del gas desde 600 °C hasta los 200 °C, utiliza agua como refrigerante, el diámetro del casco es de 100 mm, un largo de 0,25 m y se compondrá de 18 tubos, además el intercambiador utiliza un flujo de agua de 0,033 l/s; también se utiliza un ciclón para la limpieza del contenido de partículas que contiene el gas , las dimensiones del ciclón son de 0,85 m de altura y 0,25 m de diámetro y tendrá una eficiencia del 100% para partículas de 25 μm. Se propone como quemador los empleados en las cocinas de gas licuado de petróleo o gas natural (quemadores atmosféricos), estos tienen un diámetro de 180 mm y una capacidad de 14 kW (12 000 kcal/h). Adicionalmente se presenta un esquema simple de un quemador basándose en el principio de los quemadores atmosféricos, este tiene la forma de un cilindro de diámetro de 220 mm, 80 agujeros en la parte superior y 6 agujeros en la parte lateral de 12 mm de diámetro, y una altura de 130 mm. .Este esquema se realizó con la finalidad, de que; si se realiza el diseño en futuros proyectos similares, haya la posibilidad de implementarse al equipo diseñado en este proyecto. El costo de fabricación del equipo (unidad generadora de gas, intercambiador de calor, ciclón y accesorios) es de aproximadamente S/. 12 570, este costo incluye los materiales, equipos, mano de obra y costo de ingeniería.
Tesis

La utilización de los combustibles fósiles ha sido un gran motor para el desarrollo de la sociedad, a medida que este recurso se agota la importancia de hacer una transición hacia un esquema energético sustentable se hace más evidente. La biomasa representa una opción importante para sustituir el uso de los combustibles fósiles, sobre todo en el sector del transporte al poder ser transformada en un combustible líquido, en electricidad o en hidrógeno. Los futuros biocombustibles deben ser sostenibles en términos técnicos, económicos, ambientales y sociales para poder jugar un papel importante. Las biorefinerías, un concepto análogo a las refinerías convencionales, están siendo objeto de investigación como sistemas que contribuyan a incrementar la participación de la biomasa dentro del mercado. Las biorefinerías termoquímicas son una de las plataformas de biorefinerías que mejor se adecua a los residuos presentes en la Comunidad Valenciana y permitirían aprovechar los residuos de cultivos agrícolas o de procedencia forestal para transformarlos en biocombustibles de segunda generación ayudando a reducir la dependencia energética que la Comunidad tiene de los combustibles fósiles. En ese contexto, este trabajo de tesis tiene como objetivo principal el evaluar y optimizar distintos conceptos propuestos de biorefinería termoquímica con el propósito de identificar cuál de los distintos conceptos propuestos es el que mejores condiciones técnicas y económicas ofrece, considerando la biomasa residual de la que puede disponerse en la Comunidad Valenciana. Este trabajo se divide en 5 capítulos, en el primer capítulo se hace una introducción del panorama energético así como de los distintos procesos en los que puede ser aprovechada la biomasa como fuente de energía. El segundo capítulo hace una introducción al uso de la biomasa para producir energía mediante las biorefinerías, haciendo un repaso a los distintos conceptos de biorefinerías que existen. El tercer capítulo está ded
Cárdenas Vargas, R. (2013). Biorefinerias para la producción de biocumbustibles de segunda generación [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/27803
Palancia

No autorizada por el autor para ser publicada a texto completo
La principal actividad de PROINNOVA S.A. se genera a partir de un contrato de exclusividad con la empresa proveedora Adaptive ARC. que le permite tener exclusividad como intermediario para traer plantas generadoras de electricidad con tecnología de plasma de 1, 3 y 5MW de energía continua para ponerlas en funcionamiento al servicio de empresas-cliente individuales, operándolas dentro del propio recinto industrial de estas últimas, con el fin de suministrarles electricidad. Sin embargo, para que estas plantas funcionen es requisito indispensable que las empresas-clientes cuenten con la cantidad y calidad de residuos industriales necesarios para la generación de energía que exige la tecnología de plasma. El objetivo del proyecto es realizar un plan de negocios que permita establecer lo atractivo del negocio de generación eléctrica con la tecnología de gasificación por plasma. La metodología a desarrollar en el plan de negocios comienza con un recuento de la tecnología de gasificación de residuos mediante plasma, sistema con el que operan estas plantas importadas. Luego, se hará un estudio mediante el análisis PEST para concluir sobre cómo la posible evolución futura del entorno afectaría a este negocio. Se procederá a una evaluación de la industria, mediante las 5 fuerzas de Porter, para determinar la existencia o no de espacio para PROINNOVA en la industria. El análisis continúa haciendo una revisión del mercado, a modo de identificar posibles empresas-clientes con capacidad de demandar suficiente electricidad y emanar adecuada cantidad de residuos para el uso eficiente de esta tecnología, pudiéndose así asignar un precio competitivo respecto de la competencia. Posteriormente, se realiza un análisis interno de PROINNOVA mediante la cadena de valor, proponiéndose –a partir de allí- un modelo de negocios, definiendo los distintos planes de Marketing, Operaciones, Recursos Humanos y Financieros. Finalmente, se hará una evaluación financiera en base a la cual se concluirá sobre la bondad del proyecto. El modelo de negocios aquí propuesto consiste en firmar contratos con empresas clientes que cumplan con los requisitos de demanda de energía, emisión de residuos descritos en el primer párrafo. Estas plantas requieren, como espacio, una superficie de 30x15 mts. Y, para su funcionamiento, serán operadas por personal contratado y capacitado por PROINNOVA. Se pretende instalar 14 plantas de este tipo en los primeros 5 años, las cuales deberán operar durante todo el año con el fin de llevar al máximo su capacidad de generación de acuerdo a la potencia señalada en el primer párrafo en un horizonte de evaluación de 15 años para cada planta, logrando una rentabilidad correspondiente a una TIR del 32% y un VAN de U$ 24 MM, con una tasa de descuento de 12,48% (estimada por WACC para el caso con deuda). Con esto, resulta atractivo para un inversionista externo financiar el 49% de la propiedad de PROINNOVA a cambio de U$ 15 millones. El proyecto es rentable y de riesgo nivel medio. Hay variables riesgosas externas como tipo de cambio, precio de electricidad y otras más controlables como la demanda y la cantidad de energía generada al año, siendo ninguna tan decisiva. El riesgo de las primeras dos es mitigable en el mercado financiero y el de las restantes dependerá de las competencias centrales de PROINNOVA.

No autorizado por el autor para ser publicado a texto completo
El presente trabajo tiene por objetivo la formalización de fundamentos sobre la gasificación de pellets de madera para ser utilizado en el diseño de equipos o procesos. La gasificación corresponde a un proceso de producción de un gas combustible a partir de una reacción heterogénea, en este caso: pellet de madera y un reactante gaseoso. El trabajo incorpora una revisión de antecedentes que cubren aspectos cinéticos, termodinámicos, de transferencia de masa y calor, además de fluidodinámicos. Posterior a la revisión de antecedentes se desarrolla un modelo que describe la dinámica de las concentraciones en el lecho de reacción mediante un sistema de ecuaciones de derivadas parciales respecto al tiempo y al eje axial del lecho. Mediante un balance de energía se describe los valores que alcanza la temperatura. Mediante la resolución numérica del modelo, se intenta caracterizar el lecho, con ello, se pueden realizar aproximaciones de conversión, poder calorífico, porcentaje de sólidos sin reaccionar, etc. La resolución numérica contempló un flujo másico de alimentación igual a de pellet de madera, con un tamaño de partícula promedio de ; un reactante gaseoso compuesto de vapor de agua enriquecido con oxígeno, cuyos flujos corresponden a y respectivamente. Además de una presión y temperatura inicial de y . Fue posible observar el régimen transiente y estacionario del sistema. El régimen estacionario permite describir el lecho a partir de sus principales características. Para largos de lecho entre o , el modelo muestra que se alcanzarían conversiones cercanas al , con un poder calorífico de la mezcla que fluctúa entre los y , alcanzando un de eficiencia térmica respecto al combustible sólido alimentado. El flujo de salida del reactor se estima en de gas de síntesis, con una composición de de hidrógeno, de monóxido de carbono, de dióxido de carbono y de metano. Asociado a ello un flujo de sólidos igual a , el que corresponden al sólido que no alcanzó a reaccionar, se estima un tamaño de partículas igual a .

Las proyecciones del precio internacional del petróleo, según la mayoría de los analistas del tema, muestran un progresivo aumento. El irreversible aumento de precio de este recurso ha motivado a países y empresas a buscar nuevas alternativas y tecnologías relacionadas con la explotación y uso de otras fuentes de energía. Una alternativa mundialmente observada es el recurso carbonífero, cuyas reservas mundiales son mayores que las de cualquier otro hidrocarburo. Chile posee 1300 millones de toneladas de recurso carbonífero, utilizables considerando factores técnicos y económicos, que pueden ser inyectadas en su matriz energética actual, alternativa de mayor estabilidad frente a importaciones de otras fuentes de energía. La forma moderna de uso del carbón contempla su Gasificación. El presente trabajo tuvo por objetivos la demostración del atractivo que, en Chile, tiene la Gasificación, el aporte de criterios de diseño de una unidad de gasificación, la definición de características y estimación de espesores de las capas que debiesen componer su pared, y, finalmente, la estimación del costo de construcción de un gasificador. La Gasificación es un proceso que genera Gas de Síntesis, compuesto, principalmente, por CO y H2, a partir de carbón, O2 y H2O. Este gas puede ser usado para la síntesis de H2, mediante la reacción Shift, o generación de electricidad, en plantas modernas de Ciclo Combinado. Esta tecnología presenta costos de inversión y operación levemente mayores respecto al uso directo del carbón en Centrales Térmicas de Carbón Pulverizado (PC). Pese a lo anterior, la tecnología de Gasificación Integrada a Ciclo Combinado (GICC) muestra una mayor eficiencia (43.1% para GICC vs 39.6%, para PC), duración de recursos carboníferos disponibles y enormes ventajas ambientales. Si se reemplazara la generación eléctrica en Chile a partir de gas natural por tecnología GICC de uso del carbón, los recursos carboníferos nacionales conocidos y explotables durarían alrededor de 72 años. Para la gasificación de carbón en Chile, se propone un Reactor de Lecho Arrastrado con alimentación húmeda y dos etapas. El escalamiento de este tipo de reactores debe considerar la mantención de condiciones al interior del reactor, como presión y temperatura, y la pérdida de una cantidad fija y elegida de calor a través de las paredes. Esto último, permite calcular espesores de pared. El diseño riguroso de un Gasificador de Lecho Arrastrado debiese estar fundado en el comportamiento químico, fluidodinámico y energético de la materia en su interior. No se dispone, en la actualidad, de modelos que den cuenta del comportamiento del sistema completo, no existiendo aún descripción para la conducta y formación de partículas de escoria al interior del reactor, lo que acotaría la velocidad del gas y, con esto, la forma interna del reactor. Futuros trabajos de modelación y diseño debiesen estar basados en la descripción de los fenómenos de formación de partículas de escoria y transferencia de masa alrededor de una partícula de carbón, previa validación de tal descripción matemática con datos reales. Dicha modelación y diseño deberá considerar la solución de un sistema representativo de ecuaciones de conversión química, transferencia de masa, fluidodinámica y transferencia de energía, lidiando con la rigidez de tal sistema. La pared debiese estar compuesta de capas de distintos materiales cuyas características varían en función de la posición en la pared, esto es, acentuando resistencia a la temperatura, resistencia al paso del calor y soporte estructural, de adentro hacia fuera del reactor. El escalamiento trae consigo variaciones en los espesores de pared. Los espesores de pared aumentan cuando el reactor decrece en tamaño, debido al aumento en la resistencia al paso del calor necesaria para acotar las pérdidas energéticas al ambiente. El análisis de costos de materiales de construcción del gasificador desarrollado, para distintas escalas de producción, y la incorporación de criterios de eficiencia energética, revela la existencia de un óptimo estimado para el tamaño de la unidad de gasificación, de 0.5 [m] de diámetro interno y 10 [m] de altura. El costo aproximado para la construcción de esta unidad es de 150 millones de pesos.

El proyecto pretende diseñar y desarrollar, hasta un nivel de planos de construcción, una unidad gasificadora de biomasa para producción de energía térmica y eléctrica de 10 - 15 kW de capacidad. En Chile existe unos 99.000 hogares que carecen de facilidades para acceder a los servicios de fuentes de energía, ya sea eléctrica y/o gas combustible. La mayoría de esos hogares se encuentran ubicados en la zona sur de nuestro país, con gran acceso a los desechos de biomasa forestal y agrícola. Teniendo en cuenta estos factores se deduce que la gasificación de biomasa constituye una novedosa tecnología para solucionar las necesidades eléctricas y térmicas básicas del consumo humano. Actualmente, existe una gran diversidad de proyectos de gasificación de biomasa en el mundo, pero en su mayoría corresponden a centrales con potencias sobre 200 kW, lo que genera un gran incentivo de investigación al desarrollo comercial de unidades de baja potencia. Un atractivo importante del proceso de gasificación de biomasa en esta memoria es la generación de biochar, un carboncillo que sirve para mejorar las tierras de cultivos. Se diseñó una unidad gasificadora con innovaciones que permiten reducir el nivel de alquitranes del syngas producido. Éstas corresponden a un lecho modelo Imbert para una gasificación de tiro inverso, un sistema de inyección de aire secundario y precalentamiento el aire de gasificación. La unidad de gasificación - biochar se compone del lecho de gasificación, un enfriador de gases, un ciclón y un filtro de mangas La unidad de gasificación - biochar produce syngas suficiente para alimentar un generador de unos 10 kW aproximadamente o para ser consumido como gas combustible, agua caliente sanitaria y biochar. El trabajo especifica todas las modificaciones necesarias para implementar el gasificador – biochar en una vivienda tipo, conformada por 4 personas en una casa de 3-4 habitaciones de 100 – 120 m2 y se detallan los equipos auxiliares requeridos y las condiciones de operación y uso del equipo. La evaluación técnico – económica revela que la gasificación – biochar es altamente competitiva en la resolución de la problemática de viviendas que no tienen fácil acceso a servicios básicos de energía eléctrica y térmica, en comparación con otras alternativas existentes. Como negocio, el servicio de armado de unidades gasificadoras presenta una buena opción de inversión ya que tiene retornos monetarios interesantes y bajas barreras de entrada al mercado.

El Molino y Cía. Semper S. A. C. ha aumentado su producción conforme han pasado los años, debido al incremento progresivo de la demanda. Sin embargo, la empresa está teniendo problema con los altos costos energéticos, entre ellos el costo de energía hora punta que se encuentra en el horario de 18:00 a 23:00 horas y la tarifa de energía fuera de punta, la cual se encuentra entre las 23:00 a 18:00 horas. Debido a que el costo hora punta es mayor, el molino evita utilizar esta energía, lo que origina que, durante los meses de enero, febrero y marzo, la empresa no pile el periodo de 5 horas diarias, 24 días al mes, y en 3 meses aproximadamente de alta demanda, representando 360 horas de producción perdidas por año; si se pilan 63 sacos por hora y el costo de servicio de pilado es de S/. 6, se está perdiendo alrededor de S/. 136 080 como ingresos. Esta investigación tiene como objetivo general proponer el aprovechamiento energético de la cascarilla de arroz para incrementar la rentabilidad del Molino y Cía. Semper S. A. C. utilizando el sistema de gasificación. Para ello se diagnosticó que el molino consume en su máximo rendimiento 169 kW por hora y que la cascarilla de arroz puede atender plenamente la demanda energética. Luego se evaluó e identificó el gasificador de tipo downdraft como es el más idóneo para el aprovechamiento energético de la cascarilla de arroz. Posteriormente se diseñó el sistema de gasificación y generación de electricidad, en la cual se obtuvo que 324 kg/h de cascarilla generan 245 kW por hora, y que se requiere un área de 633 m2. Finalmente se determinó que es conveniente realizar la inversión de la propuesta del aprovechamiento energético porque generó un VAN de S/ 2 172 489, mayor en S/ 404 000 comparado a la situación donde no se cuenta la propuesta. Además, se obtuvo un beneficio- costo de 1,53, un margen neto de utilidad de 0,38; un costo energético de S/ 1,45 por saco y un TIR de 32%, indicando que el proyecto es viable financieramente.

En este trabajo de tesis doctoral, se realiza un estudio comparativo teórico y experimental entre dos tipos de tecnologías de gasificación de biomasa, determinando su viabilidad técnica, económica y ambiental para la producción de energía eléctrica en aplicaciones de baja potencia (inferiores a 100 kW). Los tipos de tecnologías seleccionadas están entre los de mayor interés en el campo de la gasificación de biomasa: lecho fijo downdraft y lecho fluido burbujeante. La mayoría de los resultados presentados en este trabajo, comparando las dos tecnologías, fueron obtenidos de manera experimental. Aunque más costosos, los experimentos proporcionan datos de diseño más fiables que los que se pueden obtener a través de la modelización o simulación, esto sin tener en cuenta que las reacciones que se llevan a cabo en el reactor son complejas y difíciles de modelar, sobretodo en la fase de conversión de sólido a gas, además, la mayoría de los modelos se enfocan en la producción y composición del gas sin tener en cuenta tanto la generación de alquitranes y residuos sólidos como su separación del gas, tan esenciales como el propio proceso de generación del gas. Todos estos hechos han obligado a centrar el estudio comparativo en la verificación experimental del comportamiento de ambos tipos de gasificadores, para lo cual se diseñó, construyó y puso en operación un prototipo con una potencia eléctrica del orden de 10 kW para cada una de las dos configuraciones a estudiar. También se aborda en el presente trabajo el problema de limpieza del gas y la separación de los residuos, especialmente alquitranes, generados en el proceso de gasificación. Para cada uno de los dos tipos de tecnologías estudiadas se ha definido y probado un tipo de sistema de limpieza de gases diferente, utilizando en ambos casos lavadores húmedos de gases y filtrado por medio de astillas, aunque con modos de operación diferentes. El estudio experimental permitió determinar la configuración óptima con la cual se obtiene un gas adecuado para ser quemado en un motor de combustión interna, éste es uno de los problemas más importantes a considerar en una planta de gasificación, debido al coste y el consumo de energía adicional que conllevan estos sistemas. En el aspecto de viabilidad económica se determinó, a partir de los gastos de construcción de los prototipos, que las plantas de generación de energía mediante la gasificación de biomasa con potencias inferiores a 50 kW no son económicamente rentables en España, salvo en condiciones muy restrictivas de bajo coste de la biomasa (inferior a 0,03 ¿/kg) y/o elevada subvención que permitiese un precio de venta superior a 0,2 ¿/kWh. Descartando la conexión a red de una planta de gasificación de baja potencia, se consideró su utilización en zonas no interconectadas, comparando los costes de generación de energía en dicha planta con los de las plantas que operan con gas natural o gasoil, se ha determinado que es más rentable la planta de gasificación, por lo tanto sería una alternativa para la generación de energía eléctrica en zonas rurales donde es costoso llevarla utilizando los métodos convencionales.
Vargas Salgado, CA. (2012). Estudio comparativo de la utilización de las tecnologías de gasificación Downdraft y lecho fluidizado burbujeante para la generación de energía eléctrica en aplicaciones de baja potencia [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16379
Palancia

Este trabajo de Tesis Doctoral se ha centrado en comprender el comportamiento de electrocatalizadores basados en materiales carbonosos para la reacción de reducción de oxígeno. Con el fin de profundizar en el conocimiento de la naturaleza de los sitios activos de catalizadores basados en materiales carbonosos para esta reacción, se han seleccionado o preparado muestras con diferentes composiciones, texturas porosas y estructuras. De estos resultados se han conseguido importantes avances en el conocimiento del papel que los sitios activos de catalizadores basados en materiales carbonosos desempeñan en dicha reacción. Estos conocimientos y los materiales derivados pueden utilizarse en el desarrollo de cátodos para pilas de combustible en medio alcalino.
Heiwa Nakajima Foundation

The Cuban power sector with its heavy dependency on foreign oil is in much need of investment and development. In the past decade, the Cuban government launched an ‘energy revolution,’ the Revolución energética, which aims at generating electricity from renewable sources. As part of this effort, the country looks toward tapping into its biofuels which mainly consist of bagasse from the sugar industry and wood residues from the forest industry. Against this background, the thesis is a case study of how to use the wood residues from two Cuban sawmills in order to generate electricity. The focus is on electricity generation as the mills have no current need for heat. The mills belonging to the state owned company EFI La Palma located in western Cuba are small, with a yearly production of 8400 m3 and 12 500 m3 sawn timber. The wood residues; sawdust, slabs, wood chips and bark, are currently simply dumped in two large deposits near the mills and represent a wasted resource which pollutes the local environment. Three electricity generating alternatives are initially investigated in the literature review: a steam cycle, gasification connected to an internal combustion engine and a Stirling engine using heat from biomass combustion. The gasification alternative is deemed most suitable and the thesis evaluates how two downdraft wood gasifiers would perform if connected to the two currently unused diesel generators of 276 kW and 504 kW which are in place in each of the mills. The specific gasifier models examined are the Indian company Ankur’s WBG 250 and WBG 400 and the fuel preparation necessary to use these gasifiers is investigated. The electricity consumption of the mills is compared with the potential electricity generation. It is found that the smaller mill could produce a yearly amount of 1,5 MWh of electricity  for the grid and the larger mill could export 3,2 MWh.  As the engines must be run in dual mode, the net present value of the gasification system is dependent on the level of replacement diesel which according to Ankur will be between 50 and 75 %. In the smaller mill the investment in the gasifier system is profitable at replacement levels greater than 65,4 % and in the larger mill, the investment becomes profitable at replacement levels above  63,8 %. Moreover, the profitability of the investment is highly dependent on the Cuban electricity price which currently is strongly subsidized. The reduction in CO2 emissions are also dependent on the replacement level and  at 75 % replacement level they are found to be 665 tons in the smaller mill and 1272 tons in the larger mill.
Actualmente, el sector energético cubano depende fuertemente de petróleo importado y se encuentra en necesitad de inversiones para su desarrollo y modernización.  Durante la década pasada, el gobierno cubano inició la ‘Revolución energética’ que tiene como objetivo incluir en la generación de electricidad fuentes renovables. Una parte de este programa es la utilización de los biocombustibles del país, que consisten principalmente del bagazo de la industria azucarera y de los residuos de madera provenientes de la industria forestal.  En este contexto, la tesis presenta un estudio de caso de cómo utilizar los residuos de madera de dos aserraderos cubanos para generar electricidad. Hoy en día, los aserraderos no necesitan calefacción y por  lo tanto el enfoque es la generación de electricidad. Los aserraderos pertenecen a  EFI La Palma, una empresa estatal, y están ubicados en Pinar del Rio, la provincia más occidental de Cuba. Producen  8400 m3 y 12 500 m3 de madera aserrada por año. Actualmente los residuos de madera; aserrín, cortezas y astillas, son dejados en depósitos localizados cerca de cada aserradero.  Esos residuos no solo representan un desperdicio de recursos, además, son una fuente de contaminación local. Inicialmente, tres alternativas de generación de electricidad son investigadas en la revisión de la literatura: el ciclo de vapor, la gasificación conectada a un motor de combustión interna y finalmente la combustión de biomasa conectada con un motor de Stirling. La alternativa de gasificación fue considerada la más adecuada. La tesis evalúa cuanto el rendimiento de dos gasificadores de madera con fluje descendente conectados a dos generadores de diesel de 276 kW y de 504 kW que  actualmente existen en los dos aserraderos. Los modelos de motor examinados son: WBG 250 y WBG 400 de la empresa india Ankur. La preparación de la biomasa también es investigada con el fin de usarla con los motores mencionados. El consumo de electricidad se comparó con la generación de electricidad potencial de los aserraderos.  Los resultados muestran que el aserradero más pequeño podría generar 1,5 MWh de electricidad por año para vender a la red mientras en el aserradero más grande, 3,2 MWh de electricidad por año. Como los motores deben funcionar en modo dual, el valor neto presente del sistema de gasificación depende del nivel de sustitución de diesel que según Ankur sería entre 50 y 75%. En el aserradero más pequeño, la inversión en el sistema de gasificador es rentable a niveles de reemplazo de más de 65,4% y en el aserradero más grande, la inversión se vuelve rentable a niveles de reemplazo por encima de 63,8%. Además, la rentabilidad de la inversión depende fuertemente del precio de electricidad cubano, un precio que actualmente es considerablemente subsidiado. La reducción de las emisiones de CO2 depende igualmente del nivel de sustitución, a un nivel de 75% los dos aserraderos tienen una disminución de emisiones de 665 toneladas y de 1272 toneladas, respectivamente.

[ES] Resumen Casi la mitad de la población mundial no tiene acceso a energías como la electricidad o el gas y tienen que utilizar forzosamente biomasa para cocinar, principalmente leña y carbón. Lo que en países desarrollados parece un lujo, en otros muchos es una obligación, ya que no hay otra alternativa. Con un pequeño ahorro en el combustible que utilizan estas estufas de los países sin acceso a otro tipo de energía, el resultado global es extraordinario. En el caso de la República Democrática del Congo más del 80% de la población realiza sus actividades culinarias utilizando biomasa sólida (leña, carbón vegetal, etc.) Para cocinar en las zonas rurales y los extrarradios de las grandes ciudades se utiliza la tradicional estufa de tres piedras TCS-3P y en las zonas urbanas la tradicional estufa de carbón vegetal TCS-C. La principal desventaja de esta práctica es una combustión de baja eficiencia energética, con la consecuencia directa de un consumo excesivo de materias primas como carbón y leña y la correspondiente deforestación. Estos equipos de cocina tradicionales emiten muchos contaminantes perjudiciales para la salud (CO y PM), así como y emisiones que contribuyen al calentamiento global y al cambio climático (CO2 y BC). En este trabajo proponemos modelos para mejorar la eficiencia energética utilizando el modelo tradicional como punto de partida, tal como lo utiliza la comunidad local. Para las poblaciones que viven en condiciones muy críticas y precarias, se han propuesto "insertos de cerámica" que pueden fabricarse y añadirse a las estufas que utilizan en la actualidad. Estos insertos pueden actuar sobre el rendimiento con mejoras del 15%. Se ha propuesto y analizado una segunda mejora basada en la combustión natural de la estufa de carbón ICS-C. El modelo más prometedor es la estufa que utiliza el principio de micro gasificación de la biomasa. Se han diseñado dos modelos de esta estufa, el modelo ICS-G1 con un solo reactor de combustión y el modelo ICS-G2 con dos reactores de combustión, y se han realizado análisis de sostenibilidad con aplicación directa a las comunidades locales. El modelo de micro gasificación propuesto funciona con un suministro de aire forzado con una gran flexibilidad de variación de la potencia de fuego según el tipo de comida a cocinar. El sistema de suministro de aire es provisto por un pequeño motor alimentado por energía solar con autonomía proporcionada por una pequeña batería de litio recargable. Los modelos de gasificación muestran importantes ventajas en comparación con el sistema tradicional, mejor eficiencia energética, al necesitar menos de la mitad de leña que con la tradicional, reducciones drásticas de las emisiones contaminantes y atmosféricas, con un ahorro de emisiones de CO2 en la ciudad de Kinshasa estimadas en 3405 kton/año y una reducción de casi la mitad del tiempo dedicado a la preparación de alimentos. Estas estufas pueden utilizar todo tipo de combustibles sólidos, además del carbón, se realizaron ensayos con combustibles alternativos que provienen de residuos agrícolas (BSW3) de esta forma se limita la presión ejercida sobre los bosques debido al uso de leña para cocinar. Los métodos de prueba utilizados son la prueba de ebullición del agua y la prueba de cocción controlada, con esta última se realiza una preparación de alimentos en un ambiente controlado. Los resultados de estas mejoras se han aplicado a casos reales en Kinshasa y Bandundu.
[CA] Quasi la meitat de la població mundial no té accés a energies com l'electricitat o el gas i han d'utilitzar forçosament biomassa per a cuinar, principalment llenya i carbó. El que en països desenvolupats sembla un luxe, en molts altres és una obligació, ja que no hi ha una altra alternativa. Amb un xicotet estalvi en el combustible que utilitzen aquestes estufes dels països sense accés a una altra mena d'energia, el resultat global és extraordinari. En el cas de la República Democràtica del Congo més del 80% de la població realitza les seues activitats culinàries utilitzant biomassa sòlida (llenya, carbó vegetal, etc.) Per a cuinar en les zones rurals i els extraradis de les grans ciutats s'utilitza la tradicional estufa de tres pedres (TCS-3P) i en les zones urbanes la tradicional estufa de carbó vegetal (TCS-C). El principal desavantatge d'aquesta pràctica és una combustió de baixa eficiència energètica, amb la conseqüència directa d'un consum excessiu de matèries primeres com a carbó i llenya i la corresponent desforestació. Aquests equips de cuina tradicionals emeten molts contaminants perjudicials per a la salut (CO i PM), així com i emissions que contribueixen al calfament global i al canvi climàtic (CO₂ i BC). En aquest treball proposem models per a millorar l'eficiència energètica utilitzant el model tradicional com a punt de partida, tal com ho utilitza la comunitat local. Per a les poblacions que viuen en condicions molt crítiques i precàries, s'han proposat "inserits de ceràmica" que poden fabricar-se i afegir-se a les estufes que utilitzen en l'actualitat. Aquests inserits poden actuar sobre el rendiment amb millores del 15%. S'ha proposat i analitzat una segona millora basada en la combustió natural de l'estufa de carbó ICS-C. El model més prometedor és l'estufa que utilitza el principi de micro gasificació de la biomassa. S'han dissenyat dos models d'aquesta estufa, el model (ICS-G1) amb un sol reactor de combustió i el model (ICS-G2) amb dos reactors de combustió, i s'han realitzat anàlisi de sostenibilitat amb aplicació directa a les comunitats locals. El model de micro gasificació proposat funciona amb un subministrament d'aire forçat amb una gran flexibilitat de variació de la potència de foc segons la mena de menjar a cuinar. El sistema de subministrament d'aire és proveït per un xicotet motor alimentat per energia solar amb autonomia proporcionada per una xicoteta bateria de liti recarregable. Els models de gasificació mostren importants avantatges en comparació amb el sistema tradicional, millor eficiència energètica, en necessitar menys de la meitat de llenya que amb la tradicional, reduccions dràstiques de les emissions contaminants i atmosfèriques, amb un estalvi d'emissions de CO₂ a la ciutat de Kinshasa estimades en 3405 kton/any i una reducció de quasi la meitat del temps dedicat a la preparació d'aliments. Aquestes estufes poden utilitzar tot tipus de combustibles sòlids, a més del carbó, es van realitzar assajos amb combustibles alternatius que provenen de residus agrícoles (BSW3) d'aquesta forma es limita la pressió exercida sobre els boscos a causa de l'ús de llenya per a cuinar. Els mètodes de prova utilitzats són la prova d'ebullició de l'aigua i la prova de cocció controlada, amb aquesta última es realitza una preparació d'aliments en un ambient controlat. Els resultats d'aquestes millores s'han aplicat a casos reals a Kinshasa i Bandundu.
[EN] Abstract Almost half of the world's population does not have access to energy such as electricity or gas and they have to use biomass for cooking, mainly firewood and charcoal. What in developed countries seems a luxury, in many others is an obligation, since there is no other alternative. With a small saving in the fuel used by these stoves in countries without access to other types of energy, the overall result is extraordinary. In the case of the Democratic Republic of the Congo, more than 80% of the population carries out their culinary activities using solid biomass (firewood, charcoal, etc.). The traditional stove is used to cook in rural areas and on the outskirts of large cities. three-stone TCS-3P and in urban areas the traditional TCS-C charcoal stove. The main disadvantage of this practice is low energy efficiency combustion, with the direct consequence of excessive consumption of raw materials such as coal and firewood and the corresponding deforestation. These traditional kitchen equipment emits many harmful pollutants for health (CO and PM), as well as emissions that contribute to global warming and climate change (CO2 and BC). In this work we propose models to improve energy efficiency using the traditional model as a starting point, as used by the local community. For populations living in very critical and precarious conditions, "ceramic inserts" have been proposed that can be manufactured and added to the stoves they use today. These inserts can act on performance with improvements of 15%. A second improvement based on the natural combustion of the ICS-C coal stove has been proposed and analyzed. The most promising model is the stove that uses the principle of microgasification of biomass. Two models of this stove have been designed, the ICS-G1 model with a single combustion reactor and the ICS-G2 model with two combustion reactors, and sustainability analyzes have been carried out with direct application to local communities. The proposed micro gasification model works with a forced air supply with great flexibility of variation of the fire power according to the type of food to be cooked. The air supply system is provided by a small motor powered by solar energy with autonomy provided by a small rechargeable lithium battery. The gasification models show important advantages compared to the traditional system, better energy efficiency, since it requires less than half as much firewood than with the traditional system, drastic reductions in pollutant and atmospheric emissions, with savings in CO2 emissions in the city of Kinshasa estimated at 3405 kton / year and a reduction of almost half the time spent on food preparation. These stoves can use all types of solid fuels, in addition to coal, tests were carried out with alternative fuels that come from agricultural residues (BSW3) in this way the pressure exerted on the forests due to the use of firewood for cooking is limited. The test methods used are the water boiling test and the controlled cooking test, with the latter a food preparation is performed in a controlled environment. The results of these improvements have been applied to real cases in Kinshasa and Bandundu.
Mulumba Ilunga, Ó. (2021). Estudio de la optimización de estufas de cocción tradicionales empleadas en países en desarrollo utilizando biomasa leña gasificada (aplicado a la R.D.Congo) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/163655
TESIS

Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Química y Biotecnología
Molybdenum(Mo)-doped ceria (CMO) nanoparticles were synthesized by the combustion method with three different Mo concentrations: 5 wt.%, 7 wt.% and 10 wt.%. The catalytic activity of CMO for wet gasification of carbon was studied in a fluidized bed reactor, while the mechanical and electrical properties of this material were characterized using dense sintered CMO pellets. The Young s modulus increases with the Mo content; the highest measured value is 340.3 GPa for CMO with 10 wt.% Mo. Measurements of Vickers microhardness demonstrate that an increase in the Mo content produces a decrease in the microhardness of the material, suggesting that Mo confers semimetallic characteristics to CMO. The highest fracture toughness value, determined by the Niihara equation, is 4.65 MPa m^0.5 for CMO with 10 wt.% Mo. In addition, an increase in the molybdenum content produces an increase in the electrical conductivity under air and H2 atmospheres. The maximum electrical conductivities under air and H2 are found for CMO with 10 wt.% Mo at 800 °C: 1.87x10^-3 S cm^-1 and 9.37x10^-1 S cm^-1, correspondingly. Therefore, CMO with 10 wt.% Mo shows good catalytic activity during carbon gasification. Based on its mechanical, electrical and catalytic properties, CMO 10 wt.% Mo was selected to perform electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements in symmetric-cells with CMO-based electrodes, and polarization curve measurements in SOFCs with CMO anode, YSZ electrolyte and LSM cathode. The area specific polarization resistance (ASPR) values measured in air and hydrogen-water atmospheres are 6.76 Ohm cm^2 and 5.68 Ohm cm^2 at 800 °C, respectively. These ASPR values are lower than those reported in the literature for the same system under study, which was related to the improve synthesis method proposed in this work (combustion method). The diffusion of gaseous oxygen was related to a Knudsen-type mechanism, while the diffusion of hydrogen-water was related to a mixed mechanism between molecular and Knudsen-type diffusion. The maximum electrical power density obtained in the SOFC (using CMO-YSZ as cell anode) was 48.9 mW cm^-2. This low value was related to cathode problems and inadequate SOFC fabrication procedures. The addition of molybdenum to cerium oxide improves its mechanical, electrical and catalytic properties, while the CMO anode in this work shows a lower polarization resistance compared to the results reported in the literature. These results show that the CMO is a good candidate for use as a carbon-air solid oxide fuel cell (CA-SOFC) anode. However, it is necessary to improve the SOFC fabrication method to determine if it is the reason for the low electrical power density obtained.

El sector energético se está dirigiendo hacia un nuevo paradigma, favoreciendo la aparición de procesos de conversión más eficientes, el uso de las fuentes de energía renovables y la micro-generación. La bioenergía es una solución prometedora para la futura combinación de energías. Los conceptos de ingeniería deben de integrarse junto con los aspectos económicos, ambientales y sociales en el desarrollo de proyectos. Los sistemas de energía centralizados y distribuidos necesitan enfoques a medida para explotar las características de cada posible sistema. Esta tesis investiga el potencial del sector bioenergético, mediante el estudio de la gasificación de biomasa a través de técnicas avanzadas de modelización de procesos y de la incorporación de la gestión de la cadena de suministro, en el marco del diseño conceptual para la toma de decisiones. Los sistemas estudiados son: (i) gasificación integrada con ciclo combinado y con métodos de captura y almacenamiento de CO2 (IGCC-CCS, 285 MWe) para los sistemas de energía centralizados, y (ii) un gasificador de biomasa combinada con un motor de gas (BG-GE, 14 kWe) para los sistemas de energía distribuidos. La superestructura concebida puede ser utilizada en el diseño preliminar de alternativas para los diferentes procesos considerados, para adaptar los ya existentes y para adquirir conocimiento sobre las condiciones de operación de plantas de gasificación. El problema de optimización multi-objetivo considerado evalúa el equilibrio entre los criterios técnico-económicos y ambientales de 25 escenarios, con mezclas de diferentes materias primas y cambios topológicos: mezclas de carbón, coque y biomasa y la generación de electricidad a partir de gas de síntesis, la generación de electricidad a partir de H2 y la producción de H2 puro, considerando o no el uso del gas de purga del PSA en el ciclo combinado. El análisis de Pareto revela que como mejores escenarios el que utiliza coque de petróleo como materia prima para producir H2, con reciclo del gas de purga del PSA y el que utiliza biomasa residual sin reaprovechamiento del gas de purga del PSA. La implementación de la tecnología CCS conlleva una penalización en la eficiencia de un 8,7% en términos de potencia neta, si el H2 se utiliza en el ciclo combinado. La gestión de cadenas de suministro de sistemas centralizados, señalan que España tiene potencial de biomasa residual, invirtiendo en nuevas centrales IGCC-CCS, o para producir electricidad mediante co-combustión en las centrales térmicas de carbón ya existentes. Para el primer caso, el valor actual neto óptimo es 230 millones de € para un periodo considerado de 25 años. Para el segundo caso, se ha calculado que las políticas de subvención en este tipo de proyectos deben de tener en cuenta la sostenibilidad económica, cubriendo en un rango de 5,84% a 20,25% el aumento de los precios de la electricidad. El caso de estudio propuesto y optimizado como ejemplo de un sistema distribuido tiene en cuenta una comunidad de Ghana en el marco de la electrificación rural, a abastecer con peladuras de yuca y mediante sistemas BG-GE. Los resultados revelan una red inviable. De las cadenas de suministro resultantes como óptimas, se puede deducir que cierto nivel de centralización es necesario para que las propuestas sean sostenibles en el tiempo. El sector de la bioenergía cumple ofrece ventajas en términos de impacto ambiental y social. Su implementación es posible con el apoyo de las tecnologías actuales de conversión de energía. Los principales retos están en la mejora de los procesos de pretratamiento de la biomasa y en su almacenamiento. La conversión de la biomasa, junto con los métodos de captura y almacenamiento de CO2, necesitan de incentivos políticos para poder penetrar definitivamente en el mercado, como sería el caso de cualquier otra tecnología alternativa de conversión de energía
The energy sector faces a new energy paradigm, with more efficient conversion processes, renewable sources and micro-generation. Bioenergy is a promising solution. Engineering aspects must be integrated with economic, environmental and social aspects in bioenergy projects. Biomass properties enhancement is crucial. It concerns energy and matter densifications, for stabilisation and easier transport. Tailor-made approaches are needed to account for the characteristics of each potential system, being it centralised or distributed. This thesis has assessed the bioenergy potential using advanced modelling techniques, enlarged with supply chain management strategies, in the framework of conceptual design for decision-making. The studied energy systems are (i) an integrated gasification combined cycle power plant combined with carbon capture and storage (IGCC-CCS, 285 MWe) for centralised energy systems, and (ii) a biomass gasifier with a gas engine (BG-GE, 14 kWe) for distributed energy systems. Process system modelling and optimisation approaches are integrated with supply chain management to analyse co-gasification and co-production of electricity and hydrogen alternatives in IGCC-CCS, and co-combustion of biomass and coal in pulverised coal power plants in the light of economic and environmental considerations. Process modelling is integrated with supply chain management optimisation for rural electrification by BG-GE systems, considering economic, environmental and social issues. The superstructure can be used for the design of process alternatives, retrofit of existing ones and to gain knowledge on operation of IGCC-CCS. The multi-objective optimisation problem evaluates the trade-off between techno-economic and environmental criteria of 25 scenarios. Considerations comprise different coal, petcoke and biomass combinations and electricity generation from syngas, electricity generation from H2 and purified H2 production without and with PSA purge gas use in the combined cycle. The Pareto frontier analyses reveals that the scenario with petcoke as feedstock for H2 production with PSA flue gas profit is the best in terms of techno-economic optimisation. The scenario with residual biomass without PSA flue gas profit is the best in terms of environmental optimisation. CCS technology implementation leads to an efficiency penalty of 8.7% in net power terms if H2 is used in the IGCC. To maintain the same power level than that obtained with the combustion of syngas, the feedstock should be increased by 21% on a mass basis. Supply chain studies highlight, for Spain, a huge biomass waste potential for electricity and H2 production by investing on new IGCC-CCS power plants, or adaptation of existing plants. For the first case, the optimal NPV is around 230M€ for a period of 25 years. The sensitivity of the optimal solutions to changes in prices is demonstrated. For the second case, policy subsidies or alternatively price increases range from 5.84% to 20.25%. The investment is within 549M€ and 1640M€. A supply chain in a specific community from Ghana is proposed for rural electrification using cassava peels. Optimisations considers 9 communities and an overall electricity demand of 118 MWh/yr. The results reveal an unviable network. From the resulting networks, distributed approaches need a certain level of centralisation to be feasible on time. Bioenergy offers decisive advantages in terms of environmental and social impacts. Its deployment is straightforward to support with current energy conversion technologies. Challenges concern the biomass pre-treatment and storage. Despite all the striking advantages, political incentives are needed for definitive market entry, as would be the case for any energy conversion alternative.

[ES] En este trabajo de Tesis Doctoral, se ha estudiado por primera vez el uso de biomasa procedente del cultivo del tabaco (Nicotiana glauca), como materia prima para la producción de H2 a partir de su gasificación catalítica. Este trabajo se enmarca dentro del proyecto BioH2 cuyo principal objetivo es desarrollar un proceso innovador para producir H2 a partir de biomasa, y estudiar su viabilidad como tecnología alternativa para la generación de electricidad. En primer lugar, se ha estudiado el efecto que ejercen dos pretratamientos (HTC y torrefacción), en la gasificación de tres tipos de biomasas diferentes: Nicotiana glauca, cáscara de almendra y orujillo de aceituna. Los resultados obtenidos muestran que el proceso de torrefacción es mucho más efectivo para la modificación de las características de la biomasa, con vistas a una gasificación más eficiente para la producción de hidrógeno. Además, se ha comprobado que la distinta naturaleza y composición de la biomasa, ejercen una gran influencia en la gasificación de la biomasa pretratada. En este sentido, los resultados revelan que el proceso de torrefacción consigue mejorar la producción de H2 en la gasificación de las biomasas Nicotiana glauca y orujillo. En cambio, en el caso de la cáscara de almendra, el proceso HTC es el que proporciona los mejores resultados para obtener un producto gasificable con elevada producción de H2. En cuanto a los resultados obtenidos en la gasificación catalítica de Nicotiana glauca, demuestran que es posible conseguir elevadas producciones de H2 empleando catalizadores basados en Ni sobre soportes naturales (dolomita, olivino y sepiolita). Estos catalizadores han sido capaces de eliminar por completo la presencia de productos no deseados como los alquitranes (TARs), debido a su gran capacidad para el reformado. Además, se ha comprobado que tanto la naturaleza del soporte como el porcentaje de Ni incorporado, tienen un efecto significativo sobre la distribución de productos gaseosos. En este sentido, se ha observado que el catalizador basado en sepiolita con un 20% de Ni, ofrece unos excelentes resultados en cuanto a generación de H2 y disminución de hidrocarburos ligeros (C2-C3). Adicionalmente, se ha podido comprobar la importancia de la temperatura de calcinación (antes y después de la incorporación del Ni), en la distribución de productos gaseosos utilizando un catalizador sintético basado en alúmina nanofibrada. Los resultados obtenidos han mostrado que para una temperatura de síntesis de la alúmina de 750 °C y una temperatura de calcinación después de la incorporación del Ni de 600 °C, se consigue un catalizador estable de alta actividad que maximiza la producción de H2. Finalmente, se ha estudiado la gasificación de otros tipos de biomasa (cáscara de almendra y orujillo) utilizando dos de las formulaciones catalíticas desarrolladas en la gasificación de Nicotiana glauca. Los resultados obtenidos muestran que los catalizadores seleccionados (20NiAlu_75_6 y 5NiOli) mejoran significativamente la cantidad de H2 producido en las tres biomasas estudiadas. Dado los buenos resultados obtenidos con el catalizador 5NiOli, y su mayor resistencia a la abrasión y facilidad de conformado, se ha preparado 1 kg para su uso en la planta piloto que ha sido diseñada y construida en el marco del proyecto BioH2.
[CAT] En aquest treball de Tesi Doctoral, s'ha estudiat per primera vegada l'ús de biomassa procedent del cultiu del tabac (Nicotiana glauca), com a matèria primera per a la producció d'H2 a partir de la seua gasificació catalítica. Aquest treball s'emmarca dins del projecte BioH2 el principal objectiu del qual és desenvolupar un procés innovador per a produir H2 a partir de biomassa, i estudiar la seua viabilitat com a tecnologia alternativa per a la generació d'electricitat. En primer lloc, s'ha estudiat l'efecte que exerceixen dos pretractaments (HTC i torrefacció), en la gasificació de tres tipus de biomasses diferents: Nicotiana glauca, corfa d'ametla i polpa seca d'oliva. Els resultats obtinguts mostren que el procés de torrefacció és molt més efectiu per a la modificació de les característiques de la biomassa, amb vista a una gasificació més eficient per a la producció d'hidrogen. A més, s'ha comprovat que la diferent naturalesa i composició de la biomassa, exerceixen una gran influència en la gasificació de la biomassa pretratada. En aquest sentit, els resultats revelen que el procés de torrefacció aconsegueix millorar la producció d'H2 en la gasificació de les biomasses Nicotiana glauca i polpa seca d¿oliva. En canvi, en el cas de la corfa d'ametla, el procés HTC és el que proporciona els millors resultats per a obtindre un producte gasificable amb elevada producció d'H2. Quant als resultats obtinguts en la gasificació catalítica de Nicotiana glauca, demostren que és possible aconseguir elevades produccions d'H2 emprant catalitzadors basats en Ni sobre suports naturals (dolomita, olivino i sepiolita). Aquests catalitzadors han sigut capaços d'eliminar per complet la presència de productes no desitjats com els quitrans (TARs), degut a la seua gran capacitat per al reformat. A més, s'ha comprovat que tant la naturalesa del suport com el percentatge de Ni incorporat, tenen un efecte significatiu sobre la distribució de productes gasosos. En aquest sentit, s'ha observat que el catalitzador basat en sepiolita amb 20% de Ni, ofereix uns excel·lents resultats quant a generació d'H2 i disminució d'hidrocarburs lleugers (C2-C3). Addicionalment, s'ha pogut comprovar la importància de la temperatura de calcinació (abans i després de la incorporació del Ni), en la distribució de productes gasosos utilitzant un catalitzador sintètic basat en alúmina nanofibrada. Els resultats obtinguts han mostrat que per a una temperatura de síntesi de l'alúmina de 750 °C i una temperatura de calcinació després de la incorporació del Ni de 600 °C, s'aconsegueix un catalitzador estable d'alta activitat que maximitza la producció d'H2. Finalment, s'ha estudiat la gasificació d'altres tipus de biomassa (corfa d'ametla i polpa seca d¿oliva) utilitzant dos de les formulacions catalítiques desenvolupades en la gasificació de Nicotiana glauca. Els resultats obtinguts mostren que els catalitzadors seleccionats (20NiAlu_75_6 i 5NiOli) milloren significativament la quantitat d'H2 produït en les tres biomasses estudiades. Donat els bons resultats obtinguts amb el catalitzador 5NiOli, i la seua major resistència a l'abrasió i facilitat de conformat, s¿ha preparat 1 kg per al seu ús en la planta pilot dissenyada i construïda en el marc del projecte BioH2.
[EN] In this thesis, the use of biomass from tobacco cultivation (Nicotiana glauca) has been studied for the first time as the raw material for H2 production from its catalytic gasification. This work is part of the BioH2 project whose main objective is to develop an innovative process to produce H2 from biomass, and study its viability as an alternative technology for the generation of electricity. Firstly, the effect of two pretreatments (HTC and torrefaction) was studied on the gasification of three different types of biomass: Nicotiana glauca, almond shell and olive "orujillo". The results obtained show that the torrefaction process is much more effective for the modification of the characteristics of the biomass, achieving more efficient gasification for the production of hydrogen. In addition, it has been proven that the different nature and composition of the biomass exert a great influence on the gasification of the pre-treated biomass. In this sense, the results reveal that the torrefaction process manages to improve the H2 production in the gasification of the Nicotiana glauca and olive "orujillo" biomass. In contrast, in the case of almond shell, the HTC process provides the best results to obtain a gasificable product with high H2 production. Regarding the results obtained in the catalytic gasification of Nicotiana glauca, they show that it is possible to achieve high H2 production using Ni-based catalysts on natural supports (dolomite, olivine and sepiolite). These catalysts have been able to completely eliminate the presence of unwanted products such as TARs, due to their great capacity for reforming. In addition, it has been demostrated that both the nature of the support and the percentage of Ni incorporated, have a significant effect on the distribution of gaseous products. In this sense, it has been observed that the catalyst based on sepiolite with 20% Ni offers excellent results in terms of H2 generation and reduction of light hydrocarbons (C2-C3). Additionally, it has been possible to verify the importance of the calcination temperature (before and after the incorporation of Ni), in the distribution of gaseous products using a synthetic catalyst based on nanofiber alumina. The results obtained have shown that for a synthesis temperature of the alumina of 750 °C and a calcination temperature after the Ni incorporation of 600 °C, a stable high activity catalyst is obtained that maximizes the H2 production. Finally, the gasification of other types of biomass (almond shell and olive "orujillo") has been studied using two different catalytic formulations developed in the gasification of Nicotiana glauca. The results obtained show that the selected catalysts (20NiAlu_75_6 and 5NiOli) significantly improve the amount of H2 produced in the three biomasses studied. Given the good results obtained with the 5NiOli catalyst, its high resistance to abrasion and ease of pelletization, 1 kg of this catalyst has been prepared to be used in the pilot plant designed and built in BioH2 project.
Hernández Soto, MC. (2019). Gasificación catalítica de biomasa para la producción sostenible de hidrógeno [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130200
TESIS