Optimización termoeconómica del desempeño de un sistema de generación de potencia basado en gasificación de biomasa y motor de combustión interna
Los análisis exergético y termoeconómico de un sistema de generación de potencia eléctrica consistente en gasificador de biomasa acoplado a un motor de combustión interna son llevados a cabo para la obtención de la tasa de irreversibilidades en cada componente del sistema, así como de los costos exe...
- Autores:
-
Lora Kléber, José Esteban
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2021
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/14059
- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/14059
- Palabra clave:
- Energy engineering
Technological innovations
Energy
Exergetic analysis
Thermoeconomic analysis
Biomass
Energetic resources
Internal combustion
Ingeniería en energía
Innovaciones tecnológicas
Energía
Biomasa
Recursos energéticos
Combustión interna
Análisis exergético
Análisis termoeconómico
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- openAccess
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- http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/
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Los análisis exergético y termoeconómico de un sistema de generación de potencia eléctrica consistente en gasificador de biomasa acoplado a un motor de combustión interna son llevados a cabo para la obtención de la tasa de irreversibilidades en cada componente del sistema, así como de los costos exergoeconómicos de la energía eléctrica generada y de la producción del gas de síntesis, empleando el software Thermoflex para la simulación del sistema y obtención de la composición y propiedades del gas de síntesis y de las demás corrientes involucradas. Se plantea además el problema de optimización con el propósito de minimizar el costo de inversión total del sistema y calcular las variables de decisión óptimas a las cuales debe operar. Se analiza además el efecto del E.R. del gasificador y del contenido de humedad de la biomasa en el desempeño general del sistema, la destrucción de exergía total y en los costos exergoeconómicos calculados. |
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Pregrado Ingeniería en Energía |
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Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB |
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Díaz González, Carlos AlirioLora Kléber, José EstebanDíaz González, Carlos Alirio [0000785806]Díaz González, Carlos Alirio [0000-0001-7869-4610]Díaz González, Carlos Alirio [Carlos-Diaz-6]Colombia2021-08-27T20:09:01Z2021-08-27T20:09:01Z2021http://hdl.handle.net/20.500.12749/14059instname:Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABreponame:Repositorio Institucional UNABrepourl:https://repository.unab.edu.coLos análisis exergético y termoeconómico de un sistema de generación de potencia eléctrica consistente en gasificador de biomasa acoplado a un motor de combustión interna son llevados a cabo para la obtención de la tasa de irreversibilidades en cada componente del sistema, así como de los costos exergoeconómicos de la energía eléctrica generada y de la producción del gas de síntesis, empleando el software Thermoflex para la simulación del sistema y obtención de la composición y propiedades del gas de síntesis y de las demás corrientes involucradas. Se plantea además el problema de optimización con el propósito de minimizar el costo de inversión total del sistema y calcular las variables de decisión óptimas a las cuales debe operar. Se analiza además el efecto del E.R. del gasificador y del contenido de humedad de la biomasa en el desempeño general del sistema, la destrucción de exergía total y en los costos exergoeconómicos calculados.Resumen…………………………………………………………………………………………………………..2 Listado de tablas…………………………………………………………………………………………………..3 Listado de figuras…………………………………………………………………………………………………7 Listado de símbolos……………………………………………………………………………………………....12 Introducción………………………………………………………………………………………………………19 Objetivo general……………………………………………………………………..……………………………20 1. Marco teórico…………………………………….…………………………………………………………….21 1.1. Biomasa…………………………………….………………………………………………………………...21 1.1.2. Clasificación de la biomasa…………………………………….…………………………………………..21 1.1.2.1. Biomasa leñosa…………………………………….……………………………………………………..21 1.1.2.2. Biomasa herbácea…………………………………….…………………………………………………..22 1.1.2.3. Biomasa acuática…………………………………….…………………………………………………...22 1.1.2.4. Biomasa de los desechos humanos y animales……………………………………………………………22 1.2. Potencial de biomasa residual en el sector agrícola de Colombia……………………………………………23 1.3. Biomasas para el proceso de gasificación planteado…………………………………………………………24 1.4. Conversión de la biomasa…………………………………….………………………………………………24 1.4.1. Conversión termoquímica…………………………………….…………………………………………….25 1.4.1.1. Combustión…………………………………….…………………………………………………………25 1.4.1.2. Pirólisis…………………………………….……………………………………………………………..25 1.4.1.3. Gasificación…………………………………….………………………………………………………...28 1.4.1.3.1. Medios de gasificación…………………………………….…………………………………………...28 1.4.1.3.2. Proceso de gasificación…………………………………….…………………………………………..29 1.4.1.3.3. Rapidez de las reacciones de gasificación del carbono…………………………………………………31 1.4.1.3.4. Reacciones de combustión del carbono…………………………………………………………………32 1.4.1.3.5. Gas de síntesis…………………………………….……………………………………………………32 1.5. Tipos de gasificadores…………………………………….………………………………………………….32 1.5.1. Gasificadores de lecho fijo………………………………………………………………………………….34 1.6. Propiedades de la biomasa relacionadas a la gasificación……………………………………………………36 1.6.1. Análisis último……………………………………………………………………………………………...36 1.6.2. Análisis próximo…………………………………………………………………………………..……….36 1.6.3. Material volátil…………………………………….……………………………………………………….36 1.6.4. Cenizas…………………………………….……………………………………………………………….37 1.6.5. Humedad…………………………………….……………………………………………………………..37 1.6.6. Humedad en base seca…………………………………….………………………………………………..37 1.6.7. Humedad en base húmeda…………………………………….…………………………………………….37 1.6.8. Carbono fijo…………………………………….…………………………………………………………..37 1.6.9. Char…………………………………….…………………………………………………………………..38 1.7. Bases en que se expresa la biomasa………………………………………………………………………….38 1.8. Poder calorífico……………………………………………………………………………………………....38 1.8.1. Poder calorífico superior…………………………………….……………………………………………..39 1.8.2. Poder calorífico inferior…………………………………….………………………………………………39 1.8.3. Correlaciones experimentales para el cálculo del poder calorífico……………………..………………….39 2. Caracterización de la biomasa utilizada………………………………………………………………………..41 2.1. Poder calorífico inferior (PCI) de la biomasa utilizada……………………………………………………...42 2.2. Secado de la biomasa con alto contenido de humedad………………………………………………………43 2.3. Modelos teóricos de combustión de las mezclas consideradas………………………………………………45 2.3.1. Modelo teórico de combustión……………………………………………………………………………..45 2.3.2. Modelo teórico de combustión del arroz……………………………………………………………………46 2.3.3. Modelo teórico de combustión del maíz……………………………………………………………………46 2.3.4. Modelo teórico de combustión del plátano fresco (sin moler) …………………………………………….46 2.3.5. Modelo teórico de combustión del plátano molido…………………………………………………………46 2.3.6. Modelo teórico de combustión de la caña panelera…………………………………………………………47 2.3.7. Modelo teórico de combustión de la palma de aceite……………………………………………………….47 3. Relación de equivalencia (E.R.) …………………………………….………………………………………….47 4. Selección de Zonas No Interconectadas (ZNI) para simulación y optimización termoeconómica…………….48 4.1. Parámetros preliminares de selección…………………………………….…………………………………..48 4.1.1. Tipo de localidad…………………………………….……………………………………………………...48 4.1.2. Horas de prestación del servicio…………………………………….………………………………………49 4.1.3. Rango de servicio…………………………………….……………………………………………………..49 4.1.4. Número de usuarios Estrato 1 (E1) …………………………………………………………………………49 4.1.5. Déficit de atención de usuarios E1………………………………………………………………………….49 4.1.6. Energía facturada de diseño E1…………………………………….……………………………………….49 4.2. Metodología de selección de ZNI…………………………………….………………………………………51 4.3. Parámetros de prestación del servicio de energía eléctrica en las localidades seleccionadas…………………………………….………………………………………………………………..56 5. Escenario de simulación…………………………………….………………………………………………….57 5.1. Escenario Base…………………………………….………………………………………………………….57 5.2. Escenario 1: aumento de carga por adquisición de nuevos electrodomésticos…………………………………….…………………………………………………………...62 5.3. Escenario 2: aumento del rango de prestación del servicio (biomasa seca) …………………………………68 5.4. Escenario 3: Implementación de procesos productivos-pulpa de fruta congelada y comercialización de pescado congelado-(biomasa seca) …………………………………….…………………………………………………..73 5.4.1. Puntos de comercialización y vías de acceso……………………………………………………………….73 5.4.2. Estimación de la pesca diaria en cada localidad……………………………………………………………75 5.4.3. Estimación de los requerimientos de hielo para la conservación y transporte de pescado……………………………………..……………………………………………………………………..77 5.4.3.1. Estimación de la potencia requerida para la fabricación de hielo para conservación y transporte de pescado……………………………………….…………………………………….……………………………..78 5.4.4. Proceso de fileteado de pescado…………………………………………………………………………….80 5.4.5. Estimación de los requerimientos de hielo para la conservación y transporte de pulpa de fruta congelada…………………………………….……………………………………………………………………82 5.4.5.1. Estimación de la potencia requerida para la fabricación de hielo para conservación y transporte de pulpa de fruta congelada…………………………………….…………………………………………………………...84 5.4.5.2. Aumento de carga por implementación de procesos productivos: fileteado de pescado; conservación y comercialización de pescado congelado; y conservación y comercialización de pulpa de fruta. …………………………………….………………………………………………………………………………85 6. Descripción del sistema: Gasificador con motor de combustión interna……………………………………….88 6.1. Gasificador………………………………………..………………………………………………………….89 6.2. Sistema de enfriamiento del gas de síntesis………………………………………………………………….90 6.3. Motor de combustión interna…………………………………….…………………………………………...92 6.4. Validación del modelo de gasificación…………………………………….…………………………………93 6.5. Mezclas de combustibles para las simulaciones………………………………………………………………95 6.5.1. Mezclas de combustibles para Unión Chogorodo………………………………………………………….97 6.5.2. Mezclas de combustibles para Puerto Conto……………………………………………………………….97 6.5.3. Mezclas de combustibles para San Onofre………………………………………………………………….98 6.5.4. Mezcla de combustibles para Paso Salado Indígena………………………………………………………..98 6.6. Condiciones meteorológicas de cada localidad……………………………………………………………….99 7. Balances energéticos, exergéticos y termoeconómicos…………………………………………………………99 7.1. Balance energético en el gasificador………………………………………………………………………...100 7.1.1. Balance energético en el intercambiador de calor 4 (HX-4) ………………………………………………100 7.1.2. Balance energético en el intercambiador de calor 18 (HX-18) ………………..………………………….100 7.1.3. Balance energético en bomba 16…………………………………………………………………………..100 7.1.4. Balance energético en el motor……………………………………………………………………………100 7.1.5. Balance energético en el ventilador………………………………………………………………………..101 7.2. Balance exergético en el gasificador………………………………………………………………………..101 7.2.1. Balance exergético en intercambiador de calor 4 (HX-4) ………………………………………………..101 7.2.2. Balance exergético en intercambiador de calor 18 (HX-18) ……………………………………………..101 7.2.3. Balance exergético en bomba 16…………………………………………………………………………..102 7.2.4. Balance exergético en motor………………………………………………………………………………102 7.2.5. Balance exergético en ventilador………………………………………………………………………….102 7.3.1. Costo de capital del gasificador……………………………………………………………………………104 7.3.1. Costo de capital de los intercambiadores de calor…………………………………………………………105 7.3.2. Costo de capital de la bomba 16…………………………………………………………………………..107 7.3.3. Costo de capital del conjunto electrógeno…………………………………………………………………107 7.3.4. Costo de capital del ventilador ……………………………………………………………………………108 7.4. Balance termoeconómico del gasificador…………………………………………………………………...109 7.4.1. Balance termoeconómico del intercambiador de calor 4 (HX-4) …………………………………………109 7.4.2. Balance termoeconómico del intercambiador de calor 18 (HX-18) ……………………………………….109 7.4.3. Balance termoeconómico de la bomba 16…………………………………………………………………109 7.4.4. Balance termoeconómico del conjunto electrógeno……………………………………………………….110 7.4.5. Balance termoeconómico del ventilador…………………………………………………………………..110 8. Resultados obtenidos………………………………………………………………………………………….111 8.1. Resultados de simulación (Unión Chogorodo) ……………………………………………………………..111 8.1.1. Resultados de simulación Unión Chogorodo: Escenario Base……………………………………………111 9. Resultados de los análisis exergético y termoeconómico……………………………………………………...127 9.1.1. Resultados de los análisis exergético y termoeconómico para Unión Chogorodo: Escenario Base……...127 9.1.2. Resultados de los análisis exergético y termoeconómico para Unión Chogorodo: Escenario 1………….133 9.1.3. Resultados de los análisis exergético y termoeconómico para Unión Chogorodo: Escenario 2………….138 9.1.4. Resultados de los análisis exergético y termoeconómico para Unión Chogorodo: Escenario 3…………..142 10. Optimización termoeconómica………………………………………………………………………………147 10.1. Optimización termoeconómica: Unión Chogorodo………………………………………………………..148 10.1.1. Planteamiento y solución del problema de optimización (Unión Chogorodo): Escenario Base…………148 10.1.2. Planteamiento y solución del problema de optimización (Unión Chogorodo): Escenario 1…………….150 10.1.3. Planteamiento y solución del problema de optimización (Unión Chogorodo): Escenario 2…………….151 10.1.4. Planteamiento y solución del problema de optimización (Unión Chogorodo): Escenario 3…………….152 10.2. Optimización termoeconómica: Puerto Conto……………………………………………………………..156 10.2.1. Planteamiento y solución del problema de optimización (Puerto Conto): Escenario Base…….………..156 10.2.2. Planteamiento y solución del problema de optimización (Puerto Conto): Escenario 1…………………..157 10.2.3. Planteamiento y solución del problema de optimización (Puerto Conto): Escenario 2………………….158 10.2.4. Planteamiento y solución del problema de optimización (Puerto Conto): Escenario 3………………….159 11. Conclusiones…………………………………………………………………………………………………165 Anexo A. Resultados de simulaciones…………………………………………………………………………...167 Anexo B. Resultados de los análisis exergético y termoeconómico……………………………………………..366 Referencias………………………………………………………………………………………………………421PregradoThe exergy and thermoeconomic analyzes of an electrical power generation system consisting of a biomass gasifier coupled to an internal combustion engine are carried out to obtain the irreversibility rate in each component of the system, as well as the exergoeconomic costs of the electrical energy generated and the production of the synthesis gas, using the Thermoflex software to simulate the system and obtain the composition and properties of the synthesis gas and the other currents involved. The optimization problem is also posed in order to minimize the total investment cost of the system and calculate the optimal decision variables to which it must operate. The effect of the E.R. of the gasifier and the moisture content of the biomass in the general performance of the system, the destruction of total exergy and in the calculated exergoeconomic costs.application/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaOptimización termoeconómica del desempeño de un sistema de generación de potencia basado en gasificación de biomasa y motor de combustión internaThermoeconomic optimization of the performance of a power generation system based on biomass gasification and internal combustion engineIngeniero en EnergíaUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABPregrado Ingeniería en Energíainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPEnergy engineeringTechnological innovationsEnergyExergetic analysisThermoeconomic analysisBiomassEnergetic resourcesInternal combustionIngeniería en energíaInnovaciones tecnológicasEnergíaBiomasaRecursos energéticosCombustión internaAnálisis exergéticoAnálisis termoeconómico[1] J. 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