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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

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.

La presente investigación plantea un proyecto de inversión privada para la instalación de una planta de gasificación de biomasa residual del cultivo del limón para el abastecimiento energético de la agroindustria del distrito de Olmos, departamento de Lambayeque. Este proyecto se enfoca en sacar provecho del cultivo de limón, que reviste de gran importancia a la región norteña y beneficiar a toda una industria. En la industrialización de productos agroindustriales, este proceso requiere más gas natural de las centrales eléctricas, lo que aumenta los costos de producción para las diferentes empresas según la línea de producción. De manera similar, el cultivo de limón produce grandes cantidades de biomasa residual no utilizada la cual serian almacenadas en centros de logística de biomasa. La gasificación es el proceso termoquímico que convierte un sólido o líquido en gas combustible mediante una combustión incompleta para producir electricidad y calor. El objetivo de este trabajo es realizar un análisis evaluando técnica, económica y financieramente una planta de gasificación de residuos del cultivo de limón para dotar de energía a empresas agroindustriales del distrito de Olmos que procesan grandes cantidades de limones. Se analizará la disponibilidad de residuos de biomasa, los requerimientos energéticos y el procesamiento de materia prima (biomasa). En conclusión, desde el punto de vista técnico, económico y financiero, el proyecto puede ser rentable. La biomasa restante producida en la industria de procesamiento de productos agrícolas excedería claramente las necesidades de la planta de gasificación, que podría producir suficiente gas pobre para abastecer al sector agrícola y supondría un enorme ahorro de gas natural.

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.

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