Luis Manuel Navas - España_Conferencia_LuisManuelNavas_Ecuador2012_02
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LUIS MANUEL NAVAS GRACIA - UNIVERSIDAD DE VALLADOLID Avda. de Madrid 44, 34004 Palencia (ESPAÑA)
(: +34 979 108360. 7: +34 979 108302. Email: [email protected]
DESARROLLO DE FOTOBIORREACTORES PARA LA PRODUCCIÓN DE MICROALGAS
CON FINES ENERGÉTICOS
PRIMER FORO IBEROAMERICANO DE CIENCIA PARA LA ENERGÍA
Luis Manuel Navas Gracia Dpto. Ingeniería Agrícola y Forestal ETS Ingenierías Agrarias Universidad de Valladolid Avda. de Madrid, 44 34004-PALENCIA (ESPANHA) Tel.: +34 979 108 360 Fax: +34 979 108 302 E-mail: [email protected]
Luis Manuel Navas Gracia Dpto. Ingeniería Agrícola y Forestal ETS Ingenierías Agrarias Universidad de Valladolid Avda. de Madrid, 44 34004-PALENCIA (ESPANHA) Tel.: +34 979 108 360 Fax: +34 979 108 302 E-mail: [email protected]
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RECTORADO PALACIO DE SANTA CRUZ
EDIFICIO HISTÓRICO FACULTAD DE DERECHO
CONSIDERACIONES PREVIAS
SOSTENIBILIDAD
EFICIENCIA ENERGÉTICA GEI
BIOMASA
ALGAS
BIOCOMBUSTIBLES
CULTIVOS OLEAGINOSOS
ENERGÍAS RENOVABLES
CAMBIO CLIMÁTICO
AGROENERGÍA
EÓLICA
MAREOMOTRIZ
I+D+i
VII PM
CO2 / CH4
EERR
DESAFÍO ENERGÉTICO Y CLIMÁTICO MUNDIAL
CONSIDERACIONES GENERALES
Núcleos urbanos
Industrias
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA Y CAMBIO CLIMÁTICO
UN VISTAZO AL MUNDO …
PROBLEMAS DE SALUD
UN VISTAZO AL MUNDO …
CRISIS DE MATERIAS PRIMAS Y ALIMENTOS
UN VISTAZO AL MUNDO …
11
Demanda de alimentos (2000 – 2025)
+ 62,0%
Variación % 2000-2025
Part.% 2025
China 13,2% 17,4%
Índia 36,6% 16,8%
África 68,9% 15,4%
Mundo 33,9% 100%
billones
5,20
1,97
6,20
2,45
8,30
3,97
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
1990 2000 2025
Población Mundial Demanda de Alimento (Tm)
UN VISTAZO AL MUNDO …
DEMANDA DE ALIMENTOS
CRISIS ENERGÉTICA
UN VISTAZO AL MUNDO …
12
0
2
4
6
8
2000 2050 2100 0
Población (billon
es)
1400
200
400
600
800
1000
1200
Consum
o de
ene
rgia (Q
btu/año) Población
mundial
Energía consumida en el mundo
1950 1900
Población de los paises industrializados
10
año
UN VISTAZO AL MUNDO …
CONSUMO CRECIENTE DE ENERGÍA
CO2 NOx
SOx
¿UNA SOLUCIÓN?
O2
PROBLEMAS SALUD CONTAMINACION ATMOSFÉRICA
CRISIS MATERIAS PRIMAS CRISIS ENERGÉTICA
CULTIVO SEGUNDA GENERACION
PIENSOS ANIMALES
SUPLEMENTOS PROTEICOS
BIOCOMBUSTIBLES
BIOMASA ALGAL
UN VISTAZO AL MUNDO …
Sin movimiento Móviles sólo los gametos
Unicelulares móviles. Pluricelulares, los gametos
Inmóviles, con caparazón duro de dos valvas
Móviles, gracias a dos flagelos
Dos flagelos de distinto tamaño Movimiento
Celulosa Celulosa Celulosa Celulosa+sílice Celulosa No presenta Pared celular
Clorofila, carotenos, ficoeritrina, ficobilina
Clorofila, carotenos, fucoxantina
Clorofila y carotenos
Clorofila, carotenos y xantofilas
Clorofila, carotenos y xantofilas
Clorofila, carotenos y xantofilas
Pigmentos
Rojo o violeta Pardo Verde Pardo Pardo amarillento Verde Coloración
Unicelular / Pluricelular Pluricelular Unicelular /
Pluricelular Unicelular Unicelular Unicelular Estructura
Imagen
Rodofitas Feofitas Clorofitas Crisofitas (Diatomeas) Dinoflageladas Euglenofitas División
CLASIFICACIÓN MICROALGAS
CONSIDERACIONES GENERALES
1. Spirulina 2. Hidrodiction 3. Dunaliella 4. Haematococcus 5. Nostoc
6. Cylindrotheca 7. Anabaena 8. Synechocistis 9. Chlamydomonas 10. Scenedesmus
11. Porphiridium 12. Haematococcus 13. Botryococcus 14. Phaeodactylum 15. Thalassiosira
ESPECIES DE ALGAS MICROSCÓPICAS
CONSIDERACIONES GENERALES
• Microorganismos (µm) • Incluye Procariotas y Eucariotas • Más de 30,000 especies • Clorofila + carotenoides • Diversidad de formas, tamaños y colores • Fotoautótrofos: CO2 ($) / O2 (h) • Ocupan hábitats muy diversos • Productividad primaria global (50 %) • Junto con las Metafitas soportan la vida • Producción potencial de bienes y servicios
PROPIEDADES DE LAS MICROALGAS
CONSIDERACIONES GENERALES
1. Fijan CO2 à Kyoto y Rio+20 2. No transpiran à Sin riego 3. Radiación solar à Abundante 4. Sistema cerrado à No contamina 5. Producción à Continua 6. Sin “plagas” à Sin fitosanitarios 7. Torta à Proteína 8. Biotecnología à Posible
MICROALGAS PARA BIOCOMBUSTIBLES
CONSIDERACIONES GENERALES
6 CO2 + 6 H2O
264 g 108 g 180 g 192 g
1.47 kg 0.60 kg 1 kg 1.07 kg
TRANSPIRACIÓN: 1 kg de biomasa è 1,000 L H2O
C6O6H12 + 6 O2 Luz
Cloroplastos
FOTOSÍNTESIS
CONSIDERACIONES GENERALES
SISTEMA BIOMASA (Mg·ha-1·año-1)
FOTOSÍNTESIS (%)
Ecosistema natural 4 0.10 Ecosistema terrestre 6 0.15 Ecosistema acuático 3 0.07 Sabana 10 0.25 Pradera 20 0.50 Bosque 10 – 40 0.25 – 1.00 Cultivo agrícola 20 0.50 Maíz grano 15 0.40 Maíz planta 50 1.20 Caña común 30 0.70 Caña azúcar 60 1.50 Jacinto de agua 80 2.00 Microalgas > 100 > 2.50
EFICIENCIA FOTOSINTÉTICA
CONSIDERACIONES GENERALES
COMPOSICIÓN EN ACEITE DE LAS ALGAS
CONSIDERACIONES GENERALES
ESPECIE ACEITE (1,2)
Botryococcus braunii 25 – 75
Chlorella sp. 28 – 32
Crypthecodinium cohnii 20
Cylindrotheca sp. 16 – 37
Dunaliella primolecta 23
Isochrysis sp. 25 – 33
Monallanthus salina 20
Nannochloris sp. 20 – 35
Nannochloropsis sp. 31 – 68
Neochloris oleoabundans 35 – 54
Nitzschia sp. 45 – 47
Phaeodactylum tricornutum 20 – 30
Schizochytrium sp. 50 – 77
Tetraselmis suecica 15 – 23 (1) Porcentaje de aceite / grasa sobre materia seca (2) Alto contenido en aceite cuando no crecen
MATERIAS PRIMAS VEGETALES
CONSIDERACIONES GENERALES
CULTIVO L·ha-1·año-1
Soja 400 Sésamo 800 Girasol 900 Colza 1,200 Ricino 1,500 Coco 3.000 Palma 6,000
BIODIÉSEL
Algas > 10,000
PRODUCCIÓN DE ACEITE PARA BIOCOMBUSTIBLE
CONSIDERACIONES GENERALES
CONSIDERACIONES GENERALES
PROCESOS DE CONVERSIÓN EN BIOCOMBUSTIBLES
TRABAJOS DE LABORATORIO Y PRODUCCIÓN COMERCIAL
CONSIDERACIONES GENERALES
Central eléctrica de Redhawk Phoenix (Arizona, USA)
COSTES DE COMBUSTIBLES (2010)
CONSIDERACIONES GENERALES
Algas: 2.00 – 20.00 €·L-1
Cultivos: 0.95 – 1.15 €·L-1
Gasolina: 0.55 – 0.60 €·L-1
Diesel: 0.65 – 0.70 €·L-1
MACROALGAS: • Costa: 0.05 €·kg-1 (biomasa seca)
• Mar abierto: 0.40 €·kg-1 (biomasa seca)
MICROALGAS: • Raceway: 10 €·kg-1 (biomasa seca)
• Fotorreactor cerrado: 35 €·kg-1 (biomasa seca)
CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES
BIORREACTOR RACEWAY
BIORREACTORES EN CANALES
CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES
■ El estanque de recirculación suele estar sustituido por el propio canal de cultivo (cubierto o no). Recirculación constante
■ Ocupan grandes superficies de terreno con poca profundidad
■ Tipología tradicional de depuración de efluentes con altas concentraciones de formas nítricas y fosfóricas
■ Tipología tradicionalmente utilizada para producir microalgas para las industrias cosmética, farmacéutica y la piscifactoría
■ Normalmente sin inyección de CO2
BIORREACTORES EN CANALES
CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES
BIORREACTOR RACEWAY
■ El estanque de recirculación suele estar sustituido por el propio canal de cultivo (cubierto o no). Recirculación constante
■ Ocupan grandes superficies de terreno con poca profundidad
■ Tipología tradicional de depuración de efluentes con altas concentraciones de formas nítricas y fosfóricas
■ Tipología tradicionalmente utilizada para producir microalgas para las industrias cosmética, farmacéutica y la piscifactoría
■ Normalmente sin inyección de CO2
FOTOBIORREACTOR DE PLACA PLANA ■ Existe un deposito de recirculación donde se suelen centralizar las operaciones de adicción de nutrientes y dosificación de CO2, así como de trasferencia de calor
■ Poco espesor para mejorar la captación radiativa
■ La inyección de CO2 puede estar localizada dentro de los biorreactores o en el depósito de recirculación
■ Tienen mayor rendimiento por unidad de superficie que los biorreactores en canal
FOTOBIORREACTORES DE CONDUCCIONES y/o RECIPIENTES
CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES
FOTOBIORREACTOR EN TUBO Y “V”
FOTOBIORREACTORES DE CONDUCCIONES y/o RECIPIENTES
CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES
■ Existe un deposito de recirculación donde se suelen centralizar las operaciones de adicción de nutrientes y dosificación de CO2, así como de trasferencia de calor
■ Poco espesor para mejorar la captación radiativa
■ La inyección de CO2 puede estar localizada dentro de los biorreactores o en el depósito de recirculación
■ Tienen mayor rendimiento por unidad de superficie que los biorreactores en canal
FOTOBIORREACTOR LAMINAR ■ Tipología que ofrece mayor rendimiento por superficie ocupada
■ Depósito de recirculación en el que se centralizan el control de temperatura del medio de cultivo y la dosificación de nutrientes
■ La inyección de CO2 se realiza en el interior del panel de cultivo
■ El recolectado de biomasa algal presenta un alto contenido en materia seca respecto a las demás tipologías
FOTOBIORREACTORES EN MEDIO POROSO
CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES
FOTOBIORREACTOR LAMINAR (PBRL)
Título: Fotobiorreactor laminar para la producción de microalgas Número de publicación: ES 2 347 515 A1
Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)
Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)
Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)
Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)
Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)
VENTAJAS DEL NUEVO FOTOBIORREACTOR PBRL 1. Aplicable a gran escala (decenas o centenares de ha) a bajo coste
2. Alta eficiencia en la iluminación de las microalgas inmovilizadas en el panel
3. Fácil intercambio de gases (CO2 y O2 principalmente) entre el aire y el medio de cultivo
4. Refrigeración pasiva del medio por evaporación natural del agua tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura
5. Cosecha de las algas concentradas ya sea del medio líquido, por decantación o centrifugación, o del propio panel por raspado
Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)
Cosecha de la biomasa inmovilizada
Efecto del CO2
Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)
Modulo
Electroválvula
Bomba recirculación
Panel fotobiorreactor Resistencia Compresor
Deposito recirculación
DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN
CONTROL FOTOBIORREACTOR PBRL
Gasómetro
LabVIEW (NI)
Controlador
Servidor Cliente
CompactRIO (NI) Hardware Sistema de adquisición de datos Ejecutor de algoritmos de control Conexión de entradas/salidas digitales o analógicas (sondas, contactores, relés)
Base de Datos: parámetros de configuración, variables de medida, valores de cálculos.
Acceso a configuración del sistema Consulta de históricos Control / Acción a sistema de control.
ESTRUCTURA DEL SISTEMA DE CONTROL
CONTROL FOTOBIORREACTOR PBRL
APLICACIÓN SCADA
CONTROL FOTOBIORREACTOR PBRL
PROCESO DE SECADO DE BIOMASA DE ALGAS ■ Solicitud de patente P201230037 ■ Desarrollado dentro del Proyecto de Desarrollo de Actividades de
Transferencia de Conocimiento desde la Universidad de Valladolid (TCUE3). Marco de la Estrategia Universidad-Empresa de Castilla y León 2008-2011
INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS
FOTOBIORREACTORES DE MICROALGAS PARA PARAMENTOS VERTICALES
PROYECTO URBAN-ALGAE
INTEGRACIÓN EN LAS EDIFICACIONES
PROYECTO URBAN-ALGAE
■ Superficie horizontal comprometida para ampliaciones o ausencia ■ Grandes superficies en paramentos verticales ■ Efluentes gaseosos: concentración de GEIs y de energía térmica
EL PROBLEMA
PROYECTO URBAN-ALGAE
■ Superficie horizontal comprometida para ampliaciones o ausencia ■ Grandes superficies en paramentos verticales ■ Efluentes gaseosos: concentración de GEIs y de energía térmica
LA SOLUCIÓN
PANELES DE MICROALGAS EN PARAMENTOS VERTICALES
PROYECTO URBAN-ALGAE
MADAME CURIE (1867-1934)
Física y Química Primera mujer Doctora en Europa Primera mujer en ganar el Premio Nobel Dos Premios Nobel: 1903 en Física y 1911 en Química
MADAME CURIE (1867-1934)
Nada en la vida debe ser temido, solamente
comprendido. Ahora es la hora de
comprender más para temer menos
MUCHAS GRACIAS
UNIVERSIDAD DE VALLADOLID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍAS AGRARIAS
Luis Manuel Navas Gracia Dpto. Ingeniería Agrícola y Forestal ETS Ingenierías Agrarias Universidad de Valladolid Avda. de Madrid, 44 34004-PALENCIA (ESPAÑA) Tel.: +34 979 108 360 Fax: +34 979 108 302 E-mail: [email protected]