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APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Y RADIACIÓN SOLAR EN EL COLEGIO TÉCNICO VICENTE AZUERO

ING. MECÁNICA ELIZABETH RIATIGA FANDIÑO

UNIVERSIDAD DE SANTANDER MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS BUCARAMANGA 2016

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APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Y RADIACIÓN SOLAR EN EL COLEGIO TÉCNICO VICENTE AZUERO

ING. MECÁNICA ELIZABETH RIATIGA FANDIÑO

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para obtener Título de Magíster en Sistemas Energéticos Avanzados

Director y asesores de tesis: ERIK VERA MERCADO PHD. EN INGENIERÍA LILIANA CASTRO MOLANO PHD. EN INGENIERÍA QUÍMICA

UNIVERSIDAD DE SANTANDER MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS BUCARAMANGA 2016

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AGRADECIMIENTOS Todo es posible gracias a la sabiduría que Dios nos da; gracias entonces primero al Padre Celestial, gracias a mis instructores, a quienes me han guiado, me han acompañado y han hecho posible la consecución de un nuevo logro que pongo al servicio de mis estudiantes. Mi gratitud especial para mi familia que siempre me ha cedido espacios para que yo pueda dedicar tiempo a mis estudios, gracias a quienes de una u otra forma me han apoyado en este proyecto y gracias también a la Universidad de Santander, UDES, porque hoy puedo decir que soy una egresada más de tan prestigiosa institución.

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Contenido Pág. Resumen ..................................................................................................................... 11 Abstract ....................................................................................................................... 12 Introducción ................................................................................................................. 13 1. Generalidades del proyecto ..................................................................................... 15 1.1 Planteamiento del Problema .................................................................................. 15 1.2 Objetivo General .................................................................................................... 16 1.3 Objetivos Específicos ............................................................................................. 16 2. Marco Teórico: ......................................................................................................... 17 2.1 Energía Solar: ........................................................................................................ 17 2.1.1 El sol y otras fuentes energéticas........................................................................ 22 2.2 Usos de la Energía Solar en Colombia .................................................................. 23 2.3 Recurso Solar en Colombia ................................................................................... 24 2.3.1 Ubicación Municipio de Floridablanca ................................................................. 26 2.3.2 Radiación Solar Municipio de Floridablanca ........................................................ 28 2.4 Biomasa ................................................................................................................. 31 2.4.1 Tipos de Biomasa ............................................................................................... 31 2.4.2 Tecnologías para el Aprovechamiento de la Biomasa: ........................................ 32 2.4.2.1 Métodos Termoquímicos .................................................................................. 32 2.4.2.2 Procesos Biológicos ......................................................................................... 33 2.4.3 Biogás ................................................................................................................. 36 2.4.3.1 Composición del Biogás ................................................................................... 36 2.4.3.2 Temperatura .................................................................................................... 39 2.4.3.3 Limpieza del Biogas ......................................................................................... 40 2.4.3.4 Lodos o Abonos Orgánicos .............................................................................. 40 2.4.4 Tipos de Biodigestor ........................................................................................... 41 2.4.4.1 Biodigestor flujo discontinuo o Batch: ............................................................... 41 2.4.4.2 Biodigestor flujo semicontinuo: ......................................................................... 42 2.2.4.3 Biodigestor flujo Continuo ................................................................................ 47 3. Diseño sistema fotovoltaico ..................................................................................... 52

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3.1 Calculo sistema fotovoltaico ................................................................................... 55 3.1.1 Consumo Diario .................................................................................................. 55 3.1.2 Dimensionamiento De Un Sistema Autónomo Fotovoltaico ................................ 56 3.1.2.2. Dimensionado del acumulador ........................................................................ 60 3.1.2.3. Selección de las Baterías ................................................................................ 61 3.1.2.4. Dimensionado del Regulador: ......................................................................... 61 3.1.2.5 Dimensionado del Inversor: .............................................................................. 63 3.1.2.6 Dimensionamiento del cableado: ..................................................................... 64 3.1.2.7. Estructuras soporte para paneles Fotovoltaicos. ............................................ 64 3.2 Costo de inversión Sistema Fotovoltaico ................................................................ 66 3. Escenarios Alternativos ............................................................................................ 70 3.3.1 Primer Escenario ................................................................................................ 70 3.3.2 Segundo Escenario ............................................................................................. 75 3.4 Mantenimiento del sistema Fotovoltaico ................................................................ 78 4. Diseño del Biodigestor ............................................................................................. 80 4.1 Potencial Energético .............................................................................................. 84 4.2 Diseño de Biodigestor tipo tubular ......................................................................... 85 4.2.1 Tiempo de retención ........................................................................................... 85 4.2.2 Volumen del Biodigestor ..................................................................................... 85 4.2.3 Diseño del Reservorio: ........................................................................................ 87 4.2.4 Producción de Bioabono ..................................................................................... 87 4.2.5 Accesorios .......................................................................................................... 88 4.2.6 Quemadores de la Estufa:................................................................................... 89 4.2.7 Comportamiento Reológicos de los residuos orgánicos ...................................... 90 4.2.8 Ubicación y Superficie Biodigestor ...................................................................... 93 4.2.9 Mantenimiento .................................................................................................... 94 4.2.10 Análisis Financiero ............................................................................................ 95 5. Conclusiones ......................................................................................................... 100 Referencias Bibliográficas .......................................................................................... 103 Anexos....................................................................................................................... 108

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Lista de Figuras

Pág. Figura 1 Colegio Técnico Vicente Azuero .................................................................... 15 Figura 2: Radiación Solar Copyright (Encarta, 2015) ................................................. 20 Figura 3. Flujo de Energía. ........................................................................................... 22 Figura 4. Mapa Radiación Solar Colombia. .................................................................. 26 Figura 5: Mapa Municipio de Floridablanca .................................................................. 27 Figura 6: Programa METEONORM.............................................................................. 28 Figura 7. Grafica Media Diaria Radiación Global ......................................................... 29 Figura 8: Mapa Radiación Solar ................................................................................... 30 Figura 9: Tipos de Procesos de la Biomasa ................................................................. 33 Figura 10: Esquema Digestión Anaerobia. ................................................................... 35 Figura 11: Analogía energética del Biogás. .................................................................. 36 Figura 12. Biodigestor Discontinuo o Batch. ................................................................ 41 Figura 13: Biodigestor Tipo Chino o Domo fijo. ............................................................ 43 Figura 14: Biodigestor Hindú o Domo Flotante. ............................................................ 44 Figura 15: Biodigestor Taiwanés o tubular. (Machorro & Méndez, 2011) ..................... 45 Figura 16 Trampa de Agua. ......................................................................................... 46 Figura 17 Válvula de alivio ........................................................................................... 47 Figura 18: Biodigestor continúo.................................................................................... 49 Figura 19: Biodigestores Tanques Múltiples. ............................................................... 50 Figura 20: Biodigestor Vertical .................................................................................... 51 Figura 21: Recibo Servicio Energía Eléctrica ............................................................... 52 Figura 22: Taller metalmecánica .................................................................................. 53 Figura 23: Potencia Diaria Demandada ....................................................................... 55 Figura 24: Panel Monocristal Bojia300W Modelo BJ-M300W ...................................... 59 Figura 25: Batería CSB MSJ650 2V 650 A-h ............................................................... 61 Figura 26: Controlador Flexmax 7500 W-MPPT48V PWM........................................... 62 Figura 27: Inversor SolarMax SUNZET 100T - 100 KW .............................................. 63 Figura 28: Distancia Mínima ........................................................................................ 65

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Figura 29: Vista Superior Colegio ................................................................................ 66 Figura 30: Restaurante escolar .................................................................................... 80 Figura 31: Depósito de Basura Colegio Técnico Vicente Azuero ................................. 81 Figura 32. Diagrama de Flujo Biodigestor .................................................................... 83 Figura 33: Tamaño Biodigestor .................................................................................... 86 Figura 34: Huertas escolares ....................................................................................... 88 Figura 35: Partes Salida del biogás ............................................................................. 89 Figura 36. Quemador Teenwin Biogas modelo TY-SU................................................. 90 Figura 37. Comportamiento Reólogicos de los Fluidos ............................................... 92 Figura 38. Lote ubicación biodigestor ......................................................................... 93 Figura 39. Dimensión zanja Biodigestor ....................................................................... 94

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Lista de Tablas Pág. Tabla 1. Balance de Energía ........................................................................................ 20 Tabla 2. Radiación Regional en Colombia ................................................................... 24 Tabla 3: Radiación Solar Floridablanca........................................................................ 28 Tabla 4: Porcentaje de Metano según sustrato ............................................................ 38 Tabla 5. Composición según el sustrato ...................................................................... 38 Tabla 6: Tipo de Bacterias según la temperatura ......................................................... 39 Tabla 7: Beneficios Biodigestor Discontinuo ................................................................ 42 Tabla 8: Biodigestor Discontinuo chino. ....................................................................... 43 Tabla 9: Biodigestor Discontinuo tipo Hindú................................................................. 44 Tabla 10: Biodigestor Discontinuo tipo Taiwanés o tubular. ......................................... 47 Tabla 11: Biodigestor continuo. .................................................................................... 48 Tabla 12: Consumo Eléctrico ....................................................................................... 53 Tabla 13 : Relación Ldm/Gdm(0,β) .............................................................................. 57 Tabla 14: Costos de Inversión Sistema Fotovoltaico .................................................... 66 Tabla 15: Análisis Financiero Proyecto Fotovoltaico .................................................... 69 Tabla 16: Consumo Eléctrico ....................................................................................... 70 Tabla 17: Costo Inversión Sistema Fotovoltaico .......................................................... 72 Tabla 18: Análisis Viabilidad Económica ...................................................................... 73 Tabla 19: Consumo equipo eléctricos .......................................................................... 75 Tabla 20: Análisis Económico Sistema Fotovoltaico .................................................... 77 Tabla 21: Desechos agrícolas del restaurante escolar ................................................. 81 Tabla 22: Producción Biogás a partir de desechos orgánicos. ..................................... 82 Tabla 23: Producción biogás diario producido por restaurante escolar ........................ 82 Tabla 24: Potencial energético anual restaurante escolar ............................................ 85 Tabla 25. Consumo-Producción Gas ........................................................................... 96 Tabla 26: Costo Inversión Biodigestor ......................................................................... 96 Tabla 27. Calculo Tiempo de Retorno Biodigestor ...................................................... 98

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Lista de Anexos

Pág. Anexo A. Glosario ...................................................................................................... 108 Anexo B. Abreviaturas: .............................................................................................. 110 Anexo C. Resultados Encuesta 1. ¿Qué les preocupa a los Colombianos? ............... 114 Anexo D. Resultados Encuesta 2. Identificación de la Importancia del Medio Ambiente en el Colegio .............................................................................................................. 118 Anexo E. Resultados Radiación Solar programa Meteonorm ..................................... 121 Anexo F. Cotización Baterías ..................................................................................... 124 Anexo G. Cotización Paneles Solares ....................................................................... 125 Anexo H. Cotización Regulador fotovoltaico .............................................................. 127 Anexo I. Catálogo de Cables ..................................................................................... 128 Anexo J. Catálogo de Fusibles:.................................................................................. 132 Anexo K. Catalogo Inversores Fotovoltaicos .............................................................. 134 Anexo L. Catalogo Contador Eléctrico ....................................................................... 137 Anexo M. Recibos servicios públicos de la Institución. ............................................... 138 Anexo N. Análisis Huella de Carbón: ......................................................................... 140 Anexo O. Análisis Viabilidad Económica .................................................................... 145

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Resumen TITULO: APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Y RADIACIÓN SOLAR EN EL COLEGIO TÉCNICO VICENTE AZUERO1 AUTOR (ES): ELIZABETH RIATIGA FANDIÑO2 PALABRAS CLAVES: Sistema Fotovoltaico, Biodigestor, orgánico, tiempo de retorno. Contenido: El objetivo del presente trabajo es la realización de un estudio técnico y financiero, en el Centro Educativo Colegio Técnico Vicente Azuero, que busca alternativas para reducir los altos consumos de energía eléctrica, y mejorar el manejo y disposición de los residuos orgánicos, proveniente del restaurante escolar, que ocasionan graves problemas sociales y medio ambiental es para la comunidad estudiantil. Se realizó el análisis para la instalación de un sistema fotovoltaico que busca bajar los costos de energía, determinando la radiación promedio recibida en la región mediante datos obtenidos por laboratorios de climatología, se especificaron los elementos y equipos requeridos para su instalación, los costos de inversión y tiempo de retorno, para así determinar la viabilidad económica del proyecto. Se clasifico y se determinó que residuos sólidos provenientes del restaurante pueden ser utilizados para la producción de biogás por medio de un Biodigestor, se estimó su dimensionamiento y el volumen de biogás que se puede obtener , para ser utilizado como combustible en el restaurante escolar, se especificó los elementos requeridos para su instalación, desarrollando un análisis financiero para verificar su viabilidad económica. Además se determinó el número de toneladas de dióxido de carbono CO2, reducidas anualmente con el uso de energías renovables, mediante el análisis de la huella de carbón y la huella ecológica.

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Proyecto de Grado Facultad de Ingenierías. Director PhD. Ing. ...