Unidad III Sensores para Energía de Biomasa 3.1

Unidad III
Sensores para Energía de Biomasa
3.1-Sensores de Biogás
3.1.1-Metano.
3.1.2-Oxigeno.
3.1.3-Sulfuro de Hidrogeno.
3.2- Medición del BIOL.
INTRODUCCION:
LA BIOMASA
Definimos biomasa como cualquier tipo de combustible sólido, líquido o gaseoso,
no fósil, compuesto por materia vegetal o animal, o producido a partir de la misma
mediante procesos físicos y químicos, susceptibles de ser utilizado en
aplicaciones energéticas.
Establecemos la siguiente clasificación de los distintos tipos de biomasa:
Biomasa natural: Procedente de forma espontánea en la naturaleza (generalmente
de masas forestales).
Biomasa residual: Se incluyen todas aquellas materias primas que se generan en
las actividades de producción, transformación y consumo. Se incluyen residuos
agrícolas herbáceos, leñosos, residuos industriales agroalimentarios, residuos
forestales, residuos generados en las industrias de transformación de la madera,
residuos ganaderos, aguas residuales y residuos sólidos urbanos (RSU).
Biomasa producida: Que es la cultivada con el propósito de obtener biomasa
transformable en combustible.
La ventaja de la biomasa es su balance neutro en emisiones de CO2. Al quemar la
biomasa para obtener energía se libera CO2 a la atmósfera, pero hay que tener en
cuenta que durante el crecimiento de la materia orgánica vegetal se absorbe CO2.
De esta forma el ciclo se cierra y el nivel de emisión de CO2 en la atmósfera se
mantiene constante, de forma que la energía de biomasa no contribuye a generar
el cambio climático. También al emplear la biomasa como combustible se eliminan
residuos, deshechos, aguas residuales y purines que son fuente de contaminación
del subsuelo y de las aguas subterráneas y en otros casos, se prevendrían
incendios.
Otra ventaja de la energía renovable obtenida de la biomasa es que se produce y
consume en un ámbito local y puede mejorar las economías rurales. Con la
recogida, transporte y tratamiento de la biomasa para obtener energía se
desarrolla un sector industrial que aporta innumerables ventajas para zonas
rurales.
Las aplicaciones de la biomasa son térmicas y para la producción de electricidad.
Las aplicaciones térmicas con producción de calor y agua caliente sanitaria son
las más comunes dentro del sector doméstico. Ésta puede alimentar un sistema
de climatización del mismo modo que si se realizara con cualquier combustible
convencional fósil.
El biogás
La producción de biogás por descomposición anaeróbica es un modo considerado
útil para tratar residuos biodegradables, ya que produce un combustible de valor,
además de generar un efluente que puede aplicarse como acondicionador de
suelo o abono genérico. El resultado es una mezcla constituida por metano (CH4)
en una proporción que oscila entre un 50 % y un 70% en volumen, y dióxido de
carbono (CO2), conteniendo pequeñas proporciones de otros gases como
hidrógeno (H2), nitrógeno (N2), oxígeno (O2) y sulfuro de hidrógeno (H2S).
El biogás tiene como promedio un poder calorífico entre 18,8 y 23,4 megajulios por
metro cúbico (MJ/m³). Este gas se puede utilizar para producir energía eléctrica
mediante turbinas o plantas generadoras a gas, en hornos, estufas, secadores,
calderas u otros sistemas de combustión a gas, debidamente adaptados para ese
uso.
Cuando el gas se procesa para obtener biogás natural concentrado y comprimido
(BNCC), puede ser utilizado para inyectarse en la red de gas natural o usarse para
el funcionamiento de vehículos a motor.
Biodigestor
Un biodigestor es un sistema natural que aprovecha la digestión anaerobia (en
ausencia de oxígeno) de las bacterias que ya habitan en el estiércol, para
transformar éste en biogás y fertilizante. El biogás puede ser empleado como
combustible en las cocinas e iluminación, y en grandes instalaciones se puede
utilizar para alimentar un generador que produzca electricidad. El fertilizante,
llamado biol, inicialmente se ha considerado un producto secundario, pero
actualmente se está considerando de la misma importancia, o mayor, que el
biogás, ya que provee a las familias campesinas de un fertilizante natural que
mejora mucho el rendimiento de las cosechas.
3.1.- Sensores de Biogás.
Los gases a monitorear en un biodigestor son:
Metano (CH4), Dióxido de carbono (CO2), Ácido sulfhídrico (H2S) (Sulfuro de
Hidrogeno) y Oxigeno (O2). Todos ellos se encuentran mezclados en distintas
proporciones.
3.1.1-Metano.
Es una sustancia no polar que se presenta en forma de gas a temperaturas y
presiones ordinarias. Es incoloro, inodoro e insoluble en agua.
En la naturaleza se produce como producto final de la putrefacción anaeróbica de
las plantas. Este proceso natural se puede aprovechar para producir biogás. El
metano es un gas de efecto invernadero relativamente potente que contribuye al
calentamiento global del planeta Tierra ya que tiene un potencial de calentamiento
global de 23.3 Esto significa que en una medida de tiempo de 100 años cada kg
de CH4 calienta la Tierra 23 veces más que la misma masa de CO2, sin embargo
hay aproximadamente 220 veces más dióxido de carbono en la atmósfera de la
Tierra que metano por lo que el metano contribuye de manera menos importante
al efecto invernadero. Es altamente inflamable con una presencia del 5% en el aire
y puede formar mezclas explosivas con el aire. El metano y el dióxido de carbono
son ambos gases invernadero. El metano es un gas importante para los motores
de cogeneración, si no se utiliza como fuel, se quema en la llama piloto para
producir dióxido de carbono que es menos dañino.
Estos sensores deben de estar especialmente diseñados para resistir las
atmósferas frecuentemente húmedas y corrosivas de estas aplicaciones.
Módulo sensor de gas (MQ2)
El módulo sensor de gas analógico (MQ-2) se utiliza en la detección de fugas de
gas de equipos en los mercados de consumo y la industria, este sensor es
adecuado para la detección de GLP, i-butano, propano, metano, alcohol,
hidrógeno, tiene una alta sensibilidad, un tiempo de respuesta rápido Y dicha
sensibilidad puede ser ajustada por el potenciómetro.
Caracteristicas:
Necesidades de alimentación: 5V
Tipo de interfaz: Analógico.
Pin Definición: 1-salida, 2 GND, 3-VCC
Amplio alcance de detección.
Respuesta rápida y alta sensibilidad.
Circuito de accionamiento sencillo.
Tamaño: 40x20mm.
3.1.2-Oxigeno
El oxígeno es un indicador de proceso importante tanto en el gas de vertedero
como en el de digestor. En el gas de vertedero, una baja lectura puede indicar la
presencia de un fuego subterráneo en el vertedero, mientras que una lectura
elevada puede indicar una sobre extracción del vertedero. En el gas de digestor,
una lectura elevada puede indicar una disminución de la actividad microbiana
debida a envenenamiento.
Este medidor de oxígeno digital es dotado de una sonda de tipo polarográfica con
un sensor de temperatura incorporado el cual sirve para medición precisa de la
temperatura del oxígeno disuelto (DO).
Aplicaciones para acuario, investigación médica, agricultura, sembradios de
pescados, laboratorios, tratadoras de agua, industria minera, escuelas y colegios,
control de calidad.
3.1.3-Sulfuro de Hidrogeno (Ácido sulfhídrico).
El ácido sulfhídrico está presente en el gas de vertedero y en el del digestor en
diferentes cantidades según la composición del substrato. El ácido sulfhídrico
puede ser extremadamente corrosivo para los generadores y la medida continua
puede prevenir daños muy costosos.
La presencia de ácido sulfhídrico (H2S) en el biogás, aún cuando puede ser
inferior a 1 %, resulta una dificultad cuando se trata de utilizar el biogás en
motores, refrigeradores, calentadores u otros dispositivos metálicos que pueden
ser afectados por este gas corrosivo. Utilizando la trampa sugerida (que sustituye
filtros a base de óxido de hierro), es posible eliminar el azufre. Se requiere,
evidentemente, revisar y sustituir la viruta de hierro cuando se agote en el
depósito, por lo que se recomiendan soluciones de diseño que permitan un acceso
fácil al interior.
El sulfuro de hidrógeno es un gas incoloro que se caracteriza por su particular olor
a huevo podrido. Se genera naturalmente como producto de la descomposición.
Una de las desventajas de confiar en los sentidos (olfato) para detectar la
presencia de sulfuro de hidrógeno es que la exposición prolongada a este gas
anula el sentido del olfato.
El sulfuro de hidrógeno es un gas altamente tóxico. Reacciona con las enzimas
presentes en el flujo sanguíneo que evitan la transferencia de oxígeno a las
células. En otras palabras, una concentración elevada de sulfuro de hidrógeno
puede hacer colapsar los pulmones. La exposición a una concentración baja del
gas puede quemar el tracto respiratorio y causar hinchazón alrededor de los ojos.
Sensor sulfuro de hidrógeno (H2S) AQ-EHT
El pH en in biodigestor
El trabajo de este equipo es indicarnos el grado de alcalinidad del agua en el
reservorio que se desea medir. Las soluciones con valores de pH por debajo de 7
se denominan acidas, y aquellas que tengan un valor mayor a 7 se denominan
básicas o alcalinas, mientras que un valor de pH de 7 se considera neutro. Se dice
que el agua en los reservorios es más productiva cuando presenta niveles de pH
cercanos al neutro.
En estos equipos también es posible mostrar el valor medido de pH en unidades
de voltaje (0 – 5V).
Figura .- pHmetro, equipo electrónico que se utiliza para medir los valores
de pH de cualquier sustancia, en este modelo nos indica temperatura.
Electrodo de pH.
Este instrumento nos permita tener valores de las medidas de pH en rangos ya
sea de voltaje o corriente; un gran inconveniente es que estos electrodos no son
lineales, pero se puede aproximar a un rango lineal, reduciendo el rango de
valores de pH El electrodo de pH es sumergido en el recipiente de agua que se
desea realizar la medición. El rango de valores que nos brinda este instrumento
está en el orden de los milivoltios (mV), por lo que se requiere de una
amplificación para llegar a un rango de 0-5V, el cual ya puede ser trabajado por un
microcontrolador o sistema embebido.
La temperatura y el pH en el biodigestor
3.2- Medición del BIOL.
El BIOL por su estado viscoso y sedimentario, casi como una pasta (
formado de nata), es difícil de medir de manera directa con un dispositivo
electrónico, recordemos que las condiciones dentro de un biodigestor son
muy hostiles.
Una forma recomendable es de manera indirecta, o sea que una parte
mecánica este de manera directa con la variable a medir y esta se transmita
por otro medio para que nos de una lectura segura, posteriormente utilizar
un dispositivo electrónico para automatizar la lectura.
Figura.- Medidor de gas liquido
Figura.- adaptador electrónico para medición de gas
Figura.- corte de un tanque, donde se observa la instalación del sensor
mecánico de nivel.
Practica # detección de gas (dióxido de carbono, metano) con sensor MQ2
Objetivo: El alumno configurará un sistema embebido para leer un sensor
de gas y desplegar datos por la hyperterminal.
Código ejemplo
Comunicación vía puerto Serie:
La tarjeta Arduino puede establecer comunicación serie (recibir y enviar
valores codificados en ASCII) con un dispositivo externo, a través de una
conexión por un cable/puerto USB o cable/puerto serie RS-232.
Igual que para la descarga de los programas, sólo será necesario indicar el
número de puerto de comunicaciones que estamos utilizando y la velocidad
de transferencia en baudios.También hay que tener en cuenta las
limitaciones de la transmisión en la comunicación serie, que sólo se realiza
a través de valores con una longitud de 8-bits (1 Byte)(ver Serial.write() o
Serial.read(c) ), mientras que como ya se hemos indicado, el A/D
(Convertidor) de Arduino tiene una resolución de 10-bits.(enlace)
Dentro del interfaz Arduino, disponemos de la opción "Monitorización de
Puerto Serie", que posibilita la visualización de datos procedentes de la
tarjeta.
Para definir la velocidad de transferencia de datos, hay que ir al menú
"Herramientas" (Tools) y seleccionar la etiqueta "Velocidad de monitor
Serie"(Tools). La velocidad seleccionada, debe coincidir con el valor que
hemos determinado o definido en nuestro programa y a través del comando
Serial.begin().Dicha velocidad es independiente de la velocidad definida
para la descarga de los programas.
La opción de "Monitorización de puerto serie" dentro del entorno Arduino,
sólo admite datos procedentes de la tarjeta. Si queremos enviar datos a la
tarjeta, tendremos que utilizar otros programas de monitorización de datos
de puerto serie como HyperTerminal (para Windows).
Sople ligeramente sobre el sensor (emisión de dióxido de carbón), observe
el led de TX de arduino, así constará que hay transmisión de datos.