Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería en electrónica industrial y automática Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Autor: Castro Minaya, Víctor Antonio Coautor: Rodero Raya, Rosario Tutor: Mazaeda Echevarría, Rogelio De Prada Moraga, César Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática Valladolid, septiembre 2020. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 1 Agradecimientos Quiero dar mi más sincero agradecimiento a todas las personas que me han brindado su apoyo a la realización de este Trabajo de Fin de Grado: En primer lugar, a mis tutores, César y Rogelio, por la guía que me han dado durante este trabajo, a Rosario, por ser una gran compañera en el laboratorio y a todo el personal de Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente por su entrega a la investigación. A mis amigos, que me han ayudado cuando los he necesitado y me habéis hecho pasar tantos buenos momentos. Y por último a mi familia, que sin su apoyo y comprensión no hubiese llegado hasta aquí. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 2 Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 3 Resumen En la última década se ha observado un considerable aumento en los gases de efecto invernadero debido a la emisión de CO2 por el consumo de combustibles fósiles. En la actualidad, se están estudiando la viabilidad de los combustibles de origen renovables como alternativa más amigable con el medio ambiente. Sin embargo, estos combustibles requieren un tratamiento de purificación antes de su consumo. Este proyecto implementa un banco de ensayos para el estudio de los parámetros ambientales que influyen en la purificación de biogás con el proceso de microalgas-bacterias en una columna de absorción. Palabras clave Control de procesos, planta de biogás, FPGA, Labview, control inteligente Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 4 Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 5 Abstract In the last decade, a considerable increase in greenhouse gases has been observed due to the emission of CO2 from the consumption of fossil fuels. Currently, the feasibility of renewable fuels as a more environmentally friendly alternative is being studied. However, these fuels require purification treatment before consumption. This project implements a tests bench to study the environmental parameters that influence biogas upgrading with the microalgae-bacteria process in an absorption column. Keywords Process control, biogas plant, FPGA, Labview, smart control Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 6 Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 13 Índice de tablas Tabla 1: Comparativa de composición entre Biogás, gas de vertedero y gas natural .............. 17 Tabla 2: Exigencias de composición para biogás de uso comercial .......................................... 19 Tabla 3: Síntesis de las señales medidas por el analizador. ...................................................... 28 Tabla 4: Descripción de las señales de los conectores A y B MXP. ........................................... 36 Tabla 5: Descripción de las señales del conector C MSP. .......................................................... 37 Tabla 6: Tabla con las variables controladas y manipuladas de la planta ................................ 44 Tabla 7: Tabla con las variables monitorizadas .......................................................................... 44 Tabla 8: Correspondencia entre pines y señales del analizador de gases ................................ 46 Tabla 9: Correspondencia de entre pines de la bomba peristáltica .......................................... 47 Tabla 10: Correspondencia de entre pines del controlador de flujo másico ............................. 48 Tabla 11. Correspondencia de pines del controlador de planta ................................................ 49 Tabla 12: Valores de caudal de la bomba peristáltica para la tubería 1. .................................. 63 Tabla 13: Valores de caudal del control basado en reglas para la respuesta escalón del sistema de control ....................................................................................................................................... 76 Tabla 14. Oferta de Analizador de Gases .................................................................................... 93 Tabla 15. Oferta de Controlador de Flujo Másico ....................................................................... 93 Tabla 16. Oferta de Bomba peristáltica ....................................................................................... 93 Tabla 17. Oferta de Controlador de planta .................................................................................. 94 Tabla 18. Oferta de Circuito de Acondicionamiento de señales ................................................ 94 Tabla 19. Coste de dispositivos del banco de ensayos .............................................................. 94 Tabla 20: Lista de comandos más usados en el protocolo H-Bus ........................................... 100 Tabla 21: Combinación de pines para elegir la configuración deseada en el circuito de acondicionamiento ...................................................................................................................... 102 Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 14 Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 15 Introducción 1.1. Introducción En la actualidad, la gran dependencia de los combustibles fósiles para la producción de energía genera una serie de problemas cuyos efectos están presentes a nivel global. En primer lugar, el aumento de consumo de este tipo de combustibles va creciendo cada año (Figura 1) y esto lleva a un agotamiento de las reservas naturales a medio plazo de esta fuente no renovable [1]. Figura 1. Evolución de la producción de energía en megatoneladas equivalentes de petróleo (Mtoe) a partir de combustibles fósiles desde 1800 hasta 2010 En segundo lugar, el consumo de este tipo de combustibles produce una serie de residuos que tiene grandes impactos a nivel social, económico y ambiental. El principal compuesto de estos residuos es el dióxido de carbono que contribuye al efecto invernadero antropogénico. Entre otros compuestos tenemos son los óxidos de nitrógeno (𝑁2𝑂 y 𝑁𝑂𝑥), compuestos orgánicos volátiles del metano ((p. ej. olefinas, cetonas y aldehídos) y dióxidos de azufre (Figura 2) [2]. Todos estos residuos contribuyen a la contaminación del ecosistema y pueden producir problemas respiratorios en la población. Investigadores en todo el mundo están estudiando nuevas fuentes de energías renovables, viables y sostenibles para cubrir el aumento del consumo energético. Como ejemplo de estas fuentes de energía tenemos la generación de biodiesel como alternativa directa de los combustibles para vehículos. Sin embargo, este tipo de fuente presenta el inconveniente de que depende de áreas extensas de cultivo ya que necesita una gran cantidad de aceites vegetales. Otro ejemplo de fuente de energía alternativa es la energía solar Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 16 para la generación de electricidad y agua caliente pero actualmente el volumen de producción de electricidad tiene grandes limitaciones como el almacenamiento. Pese a su gran potencial de producción de energía, tanto el biodiesel como la energía solar, se ven muy limitadas por la tecnología actual o las bajas eficiencias. Por ello, estos ejemplos son incapaces de hacer frente a la demanda energética. Figura 2: Evolución temporal de las emisiones de gases de efecto invernadero Una de las líneas de estudio prometedoras es la producción de energía a partir biogás generado a partir la digestión anaerobia de distintas fuentes como las aguas residuales urbanas o los sólidos residuales urbanos [3]. Estas fuentes de energía están compuestas principalmente por metano y son potencialmente un gran sustituto del gas natural ya que la fuente de donde se extrae el biogás es prácticamente inagotable. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 17 La producción de biogás a partir de aguas residuales urbanas o sólidos residuales urbanos contienen muchos elementos indeseados, como el dióxido de carbono, sulfuros, nitratos en forma de amonios, siloxanos y otros compuestos (Tabla 1) [4]. El consumo del biogás sin un refinamiento previo puede producir emisiones contaminantes a la atmósfera y daños graves en las instalaciones donde se use. Biogas Landfill gas Natural gas (Danish) Natural gas (Dutch) Compounds Methane (vol. %) 60 - 70 35 - 65 89 81 Other hydro carbons (vol. %) 0 0 9.4 3.5 Hydrogen (vol. %) 0 0 - 3 0 - Carbon dioxine (vol. %) 30 - 40 15 - 50 0.67 1 Nitrogen (vol. %) ~0.2 5 - 40 0.28 14 Oxygen (vol. %) 0 0 - 5 0 0 Hydrogen sulphide (ppm) 0 - 4000 0 - 100 2.9 - Ammonia (ppm) ~100 ~5 0 - Lower heating value (kWh/Nm2) 6.5 4.4 11.0 8.8 Tabla 1: Comparativa de composición entre Biogás, gas de vertedero y gas natural En este proyecto, se analizará la purificación de biogás por el proceso biológico de la asociación simbiótica de microalgas-bacterias en una planta piloto. El metabolismo de dicha asociación eliminará los compuestos no deseados que tienen mayor cantidad en volumen como dióxidos de carbono y ácido sulfúrico. 1.2. Justificación del proyecto La motivación de la realización de este proyecto se basa en desarrollar un banco de ensayos que pueda servir de soporte en la investigación de la purificación de biogás mediante el proceso biológico de microalgas-bacterias. La implementación del banco de ensayos se llevará a cabo en una planta piloto de tipo Fotobiorreactor HRAP (High Rate Algal Pond) que está disponible en uno de los laboratorios de la Escuela de Ingenierías Industriales. Este banco de ensayos consta de un soporte hardware/software y se desarrollará en el entorno de LabVIEW de National Instruments. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 18 Los datos obtenidos mediante el banco de ensayos ayudarán al investigador a entender el comportamiento de del proceso de purificación de biogás frente a las variaciones de distintos parámetros relevantes para el investigador. Tras el análisis de estos parámetros se procederá al estudio e implementación de un algoritmo de control que permitan conseguir un cierto nivel de automatización para la purificación de biogás con la instrumentación que disponemos. 1.3. 0bjetivos El principal objetivo del presente Trabajo de Fin de Grado es desarrollar un banco de ensayos que permita obtener datos en tiempo real de la planta piloto. De este modo, se podrá estudiar los principales parámetros que influyen en la purificación de la planta piloto. Posteriormente, una vez que se han analizado dichos parámetros, se procederá a estudiar varios algoritmos de control mediante variaciones o perturbaciones de distintos factores en el banco de ensayos. De esta manera, obtendremos un primer algoritmo a través de datos empíricos. De esta manera, se procederá a observar la eliminación de algunas impurezas no deseadas del biogás como dióxido de carbono, ácido sulfhídrico, oxígeno disuelto, etc. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 19 Teoría en la purificación de biogás 2.1. Motivaciones en la purificación de biogás La biometanización, o digestión anaerobia, consiste en la degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno para obtener biogás. El biogás producido a partir de biometanización de residuos sólidos urbanos o aguas residuales constituye uno de las fuentes más valiosas dentro del ámbito de las energías renovables. Sin embargo, el contenido de 𝐶𝑂2 en el biogás, entre el 25 y el 50% del volumen total, puede constituir un aumento del coste de transporte y una reducción del contenido energético. Además, existe un contenido de 𝐻2𝑆, entre 0-2% vol., que, aunque sea una cantidad pequeña, puede presentar problemas de corrosión, toxicidad y mal olor. En Europa existe una regulación de la composición de biogás [5] para que pueda usarse comercialmente. Para ello se ha definido la siguiente tabla de composición: Elemento Exigencias de composición 𝐶𝐻4 > 95% 𝐶𝑂2 < 2,5 − 4% 𝑂2 < 0.001 – 1% 𝐻2𝑆 + 𝐶𝑂𝑆 < 5 𝑚𝑔 𝑁𝑚−3 𝑁𝐻3 <41 𝑚𝑔 𝑁𝑚−3 𝐵𝑇𝑋 <500 𝑚𝑔 𝑁𝑚−3 𝑆𝑖𝑙𝑜𝑥𝑎𝑛𝑜𝑠 <10 𝑚𝑔 𝑁𝑚−3 Tabla 2: Exigencias de composición para biogás de uso comercial Para cumplir con esta normativa, existe un gran rango de tecnologías basadas en mecanismos físico-químicos y mecanismos biológicos desarrollados para reducir el 𝐶𝑂2 o 𝐻2𝑆. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 20 2.2. Métodos de purificación de biogás Existe dos grandes familias que están enfocadas a eliminar tanto el 𝐶𝑂2 como el 𝐻2𝑆 [6]. Procesos físicos químicos [5] Dentro de esta familia tenemos los procesos de desulfurización y los procesos para eliminar el CO2. Por un lado, los procesos de desulfurización incluyen precipitación química, adsorción, absorción y separación mediante membranas. Por otro lado, los procesos de eliminación de 𝐶𝑂2 se encuentran los disolventes orgánicos, depuración basados en agua, depuración química, separación mediante membranas, adsorción por oscilación de presión y criogenización de 𝐶𝑂2. En general, estos procesos tienen la problemática de no poder eliminar 𝐶𝑂2 y 𝐻2𝑆 de forma simultánea. Es posible usar el método de separación mediante membranas para eliminar simultáneamente ambos contaminantes, pero son métodos menos amigables a nivel medioambiental además de presentar costos elevados de producción y mantenimiento. Procesos biológicos [7] Por un lado, existen métodos que eliminan únicamente el 𝐻2𝑆 como la filtración aeróbica y métodos que eliminan únicamente el 𝐶𝑂2 como los fotobiorreactores de microalgas convencionales. Por otro lado, la simbiosis microalgas-bacterias en fotobiorreactores presenta la oportunidad de eliminar ambos contaminantes de forma simultánea a un bajo coste y con muy poco impacto ambiental. Tradicionalmente las algas se cultivan en biorreactores abiertos. Estos biorreactores suelen ser de superficies artificiales en contacto con la atmósfera y donde no hay un control estricto de pH y temperatura. Existen dos tipos básicos de biorreactores abiertos: “open ponds” donde se utilizan simples receptáculos de tamaño y forma definidos; “raceways” que tienen forma de canales circulares donde se puede suministrar cierto control sobre el pH y nutrientes. Figura 3: biorreactor "open pound" (Izquierda) y biorreactor "raceway" (derecha) También se pueden cultivar en biorreactores cerrados llamados así porque mantienen al cultivo completamente aislado del exterior. Son construidos Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 21 específicamente para un espécimen concreto. Suelen ser de columnas, reactores planos y reactores tubulares. Figura 4: Biorreactor de columnas (Izquierda), biorreactor plano (centro) y biorreactor tubular (derecha) 2.3. Purificación de biogás mediante algas-bacterias En nuestro caso, tendremos un fotobiorreactor abierto tipo raceway a escala de laboratorio donde tendremos un cultivo de algas y bacterias. Las algas necesitan energía solar para consumir 𝐶𝑂2 del biogás mediante la fotosíntesis produciendo a su vez 𝑂2. Este oxígeno generado, será usado posteriormente por las bacterias oxidantes de azufre para oxidar 𝐻2𝑆 a sulfatos. Mediante el cultivo de bacterias oxidantes de azufre alcalino y microalgas con alta tolerancia al pH, mejora el transporte de los gases ácidos 𝐻2𝑆 y 𝐶𝑂2 desde el biogás hasta el caldo de cultivo. De este modo se permite una purificación más efectiva del biogás. En la Figura 5 se muestra un esquema de este proceso [8]. Figura 5: Esquema de purificación mediante algas-bacterias Además, es necesario indicar que es posible usar aguas residuales para aprovechar sus nutrientes que ayuden al crecimiento de las algas-bacterias. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 22 Esto fomenta a la acumulación de biomasa que se puede aprovechar para otras aplicaciones [9]. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 29 • 33: Entada de gas de muestra (máx. 20 mbar). Compression fitting 6 mm. En nuestro sistema de purificación solo tendremos un flujo de gas por lo que usaremos solo una entrada. El equipo mide el contenido de 𝐶𝑂2, 𝐶𝐻4, 𝑂2 y 𝐻2𝑆 del flujo de biogás y para cada uno genera una señal de 4-20mA que puede ser transmitido mediante señales analógicas vía serie o mediante un cable RS-232 bajo el protocolo Hbus (ver en anexo). Para el presente proyecto, se ha elegido hacer uso de las señales analógicas 4-20mA para la adquisición de medidas. Además, es necesario que el equipo sea calibrado periódicamente con gases de calibración. La consigna para su calibración es la siguiente: • Botella de gas de calibración recomendado: 𝐶𝐻4 con un máximo de 25 ppm de 𝐻2𝑆. • Tiempo de calibración: 10 min. • Intervalo de calibración 3-6 meses. • Consumo de gas: Aprox. 5 litros por calibración. El equipo cuenta con un software que permite configurar los parámetros de medida (Figura 13) y los parámetros de calibración (Figura 14). Figura 13: Ventana de configuración de ciclos de medidas Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 30 Figura 14: Ventana de configuración de calibración Por defecto, el analizador de gases tiene una frecuencia de muestreo de dos horas debido a configuraciones propias de fábrica. Este parámetro tendrá mucha influencia para el diseño e implementación del sistema de control. Por último, en la parte frontal del equipo hay un display que indicará el estado del analizador y permitirá acceder a algunos controles como se muestra en la Figura 15. Figura 15: Display de estado y control del analizador Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 31 3.2.6. Bomba Peristáltica Disponemos de una bomba peristáltica modelo D-25V plus de la casa DINKO como se muestra en la Figura 16. Figura 16: Bomba peristáltica modelo D-25V plus El panel frontal de esta bomba se muestra en la Figura 17. Figura 17: Esquema del panel frontal de la bomba peristáltica El panel frontal cuenta con un lector digital (A) en % de las revoluciones, dos botones para cambiar el sentido del giro (1 y 2), un botón para girar al máximo (3), un botón de inicio/parada (4), dos botones para disminuir o aumentar las revoluciones (5 y 6) un interruptor para la programación (13), el cabezal Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 32 peristáltico (B) con los conectores para los tubos de carga y descarga del fluido (C y D). Este cabezal desmontable permite sustituir los tubos por desgaste o mantenimiento. El panel posterior de esta bomba se muestra en la Figura 18. Figura 18: Esquema del panel posterior de la bomba peristáltica El panel posterior cuenta con un interruptor general (7), un porta-fusibles (8), toma para la alimentación, Entrada de señal analógica 0-10V (10), un ventilador (11) y una entrada para pedal (12). Nuestro interés sobre esta bomba se centra en la entrada de señal analógica ya que nos permite controlar la bomba mediante una señal externa que será comandada por el controlador. También es necesario, elegir adecuadamente el diámetro de tubo que va ir instalado en el cabezal ya que la bomba no indica el flujo en mL/min, si no en % de la potencia de la bomba. Actualmente disponemos de dos tipos de tuberías de las cuales extraemos la relación % - mL/min. Se ha probado algunos valores de potencia de la bomba para obtener la relación de caudal en mL/min. Para nuestro sistema disponemos dos tubos de diferentes diámetros que nos proporcionarán 0,7 mL/min y 2,8 mL/min por cada % potencia de la bomba. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 33 3.2.7. Controlador de flujo másico El controlador de flujo másico modelo GFC 57 de la casa Aalborg se muestra en la Figura 19. Figura 19: Controlador de flujo másico. Este dispositivo nos va a permitir medir el flujo de biogás que va a entrar a la columna de absorción hasta un máximo de 200 mL/min con una precisión de un 1.5% del span. Dispone de un display frontal que nos mostrará el flujo en un instante de tiempo. Las medidas de flujo de gas que se pueden enviar mediante una señal de salida 4-20 mA ó 0-5 V. A su vez, este dispositivo se puede comandar de forma remota. El esquema de conexiones se muestra en la Figura 20. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 34 Figura 20: Esquema de conexiones eléctricas del Controlador de flujo másico En nuestro caso, para registrar el flujo medido usaremos pines relacionados con la salida de datos y para enviar señales de control de flujo usaremos los pines relacionados con señales de entrada. 3.2.8. Controlador de planta El controlador de la planta es un FPGA modelo myRIO-1900 de la casa National Instruments como se muestra en la Figura 21. Figura 21: FPGA myRIO - 1900 Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 35 Este dispositivo portátil de entradas/salidas reconfigurables (RIO) se usa habitualmente para diseñar sistemas de control, robótica y mecatrónica a nivel educativo. El myRIO 1900 está conformado por dos bloques de hardware incluidos en una tarjeta integrada Xilinx Zynq-7010. Por un lado, tenemos un bloque procesador que soportará funciones de memoria, lógica de programa, conexión Wireless, comunicación con el PC y leds de estado. Por otro lado, tenemos el bloque FPGA, que soportará las entradas analógicas/digitales, las salidas analógicas/digitales además de entrada/salida de audio y un acelerómetro. El diagrama de bloques de hardware se muestra en la Figura 22. Figura 22: Diagrama de bloques de hardware de myRIO-1900 Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 36 Este dispositivo cuenta con tres bloques de pines de conexiones. Los dos primeros bloques se agrupan en conectores A y B del puerto de expansión (MXP) y ambos puertos transportarán conjuntos idénticos de señales como se muestra en la Figura 23. La diferenciación entre el conector A y el conector B se hará mediante software como se verá más adelante. Figura 23: Señales primarias/secundarias en los conectores A y B MPX Estos conectores nos serán muy útiles para conectar las señales de entrada de control del sistema. En la Tabla 4, se muestra la descripción de las señales de los conectores A y B de expansión. Signal Name Reference Direction Description +5 V DGND Output +5 V power output AIO <0…3> AGND Input 0-5 V, referenced, single-ended analog input channels AO <0..1> AGND Output 0-5 V, referenced, single-ended analog output. AGND N/A N/A Reference for the analog input and output. +3.3 V DGND Output +3.3 V power output DIO <0..15> DGND Input or Output General-purpose digital lines with 3.3 V output, 3.3 V / 5 V V-compatible input. UART.RX DGND Input UART receive input. UART lines are electrically identical to DIO lines UART.TX DGND Output UART transmit output. UART lines are electrically identical to DIO lines DGND N/A N/A Reference for digital lines and +5 V and +3.3 V Tabla 4: Descripción de las señales de los conectores A y B MXP. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 37 El tercer bloque de pines de conexiones agrupa las señales del conector C del puerto del sistema Mini (MSP) como se muestra en la Figura 24. Figura 24: Señales del conector C MPS. Este puerto está conectadas las señales analógicas controladas de nuestro sistema. En la Tabla 5, se muestra la descripción de las señales en el conector C MSP. Signal Name Reference Direction Description +15 V / -15 V AGND Output +15 V / -15 V power output AIO+ / AIO-; AI1+ / AI1AGND Input ±10 V, diferential analog input channels AO <0..1> AGND Output ±10 V, referenced, single-ended analog output channels AGND N/A N/A Reference for the analog input and output and +15 V / -15 V power output +5V DGND Output +5 V power output DIO <0..7> DGND Input or Output General-purpose digital lines with 3.3 V output, 3.3 V / 5 V V-compatible input. DGND N/A N/A Reference for digital lines and +5 V power output Tabla 5: Descripción de las señales del conector C MSP. Canales analógicos: Las entradas y salidas analógicas se encuentran repartidas en los conectores A, B y C. • Entradas analógicas Los conectores A y B tienen cuatro canales analógicas (AI0, AI1, AI2 y AI3) que se usan para medir señales de 0-5V. El conector C tiene dos canales de alta impedancia (AI0 y AI1) para medir señales de 0–10V. Todos estos canales se multiplexan a un único convertidor analógico-digital que muestrea todas a la vez. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 38 Figura 25: Esquema de canales de entrada analógicas de myRIO • Salida analógica: Los conectores A y B tienen dos canales de salida analógica por conector (AO0 Y AO1) y se utilizan para generar señales de 0-5V. El conector C tiene dos canales (AO0 y AO1) y se utilizan para generar señales de 0-10V. Cada canal tiene asignado un convertidor digital-analógico y todos pueden actualizarse simultáneamente. Figura 26: Esquema de canales de salida analógicas de myRIO Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 45 4.3. Esquema de conexiones Como comentábamos en la sección anterior, en el PC de sobremesa estará instalado el software del controlador que gobernará todo el sistema. Todos los dispositivos estarán conectados al controlador y a su vez este estará conectado al PC. El esquema de conexiones se muestra en la Figura 31. Figura 31: Esquema de conexiones de los dispositivos eléctricos 4.3.1. Conexión del analizador de gases El manual del analizador de gases INCA nos indica que el módulo con los pines que nos servirá para leer las señales de la composición del biogás se encuentra en el interior del dispositivo. Los cuatro pines con señales analógicas de 4~20 mA se muestran en la Figura 32. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 46 Figura 32: Pines de conexión analógica del analizador de gases En la tabla, se muestra la relación de los pines con las señales. Pin Function Color Signal 1 Analog output 1 – signal/signal 4-20 mA Red CO2 + - 1 GND Yellow CO2 - 2 Analog output 2 – signal/signal 4-20 mA Brown CH4 + - 2 GND Green CH4 - 3 Analog output 3 – signal/signal 4-20 mA White H2S + - 3 GND Black H2S - 4 Analog output 4 – signal/signal 4-20 mA Blue O2 + - 4 GND Orange O2 - Tabla 8: Correspondencia entre pines y señales del analizador de gases Ya que el analizador de gases transmite señales de 4-20 mA y el controlador solo tiene entradas que miden tensión, es necesario implementar un circuito de acondicionamiento que es capaz transformar las señales de 4~20 mA a 0~5 V. Cada una de las cuatro señales tendrá un circuito independiente. Las características de este circuito se pueden encontrar en los anexos. Las conexiones desde el analizador de gases al controlador, se describirán más adelante. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 47 4.3.2. Bomba peristáltica La bomba peristáltica solo dispone una conexión de 0-10 V para poder controlarlo de forma remota. Figura 33: Pines de conexión analógica de la bomba peristáltica Pin Function Color Signal + Entrada analógica 0 – 10 V Red Bomba+ - GND Black BombaTabla 9: Correspondencia de entre pines de la bomba peristáltica Esta señal estará conectada directamente a uno de las señales de salida analógica del controlador para poder realizar el control remoto. 4.3.3. Controlador de flujo másico Este dispositivo dispone de una conexión tipo RS232 como se muestra en la figura 32. Figura 34: Controlador de flujo másico con la conexión RS232 Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 48 En la figura 20 en el apartado 3.2.7 podemos apreciar el esquema de pines del controlador de flujo másico. La relación de conexión de pines se muestra en la siguiente tabla. Pin Description Pin Description 1 & 2 0 – 5 Vdc output 5 & 7 +12 Vdc power supply 3 & 4 Purge 8 & 10 0 – 5 Vdc or 4 – 20 mA remote setpoit 3 & 12 Valve off control 9 & 14 4-20 mA output 5 & 13 Auxiliary + 12 Vdc 10 & 11 +5 Vdc control source Tabla 10: Correspondencia de entre pines del controlador de flujo másico En nuestro caso, la señal de salida se corresponde con los pines 1-2, para registrar el flujo, y la señal de entrada se corresponde con los pines 8-10 para enviar señales de control de flujo. 4.3.4. Controlador myRio 1900 Como se vio en el apartado 3.2.8, el controlador de planta dispone de tres bloques de conexiones (o conectores) A, B y C. Figura 35: Pines de conexión: Superior A y B; Inferior C Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 49 Las señales del analizador de gases, de la bomba peristáltica y del controlador de flujo másico conectados al controlador se puede muestra en la siguiente tabla: Dispositivo Conector de controlador Pin o canal Nombre de señal Tipo de señal Descripción Analizador de gases A 9 CO2 Entrada Señal de lectura de CO2 A 7 CH4 Entrada Señal de lectura de CH4 A 5 H2S Entrada Señal de lectura de H2S A 3 O2 Entrada Señal de lectura de O2 A 6 GND - GND para las señales de gas Controlador de flujo másico B 7 CFM_in Entrada Señal de lectura del CFM B 4 CFM_out Salida Señal de setpoint B 6 GND - GND para las señales del CFM Bomba peristáltica C 4 Pump Salida Señal de setpoint C 3 GND - GND para la bomba Tabla 11. Correspondencia de pines del controlador de planta Es necesario configurar los pines de entrada y de salida del controlador de planta con el software LabVIEW para que pueda definir y declarar correctamente su funcionamiento. Esta configuración se muestra a continuación: Figura 36: Configuración de pines entradas analógicas en LabVIEW para el conector A Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 50 Figura 37: Configuración de pines entradas (arriba) y de salidas (abajo) analógicas en LabVIEW para el conector B Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 51 Figura 38: Configuración de pines de salidas analógicas en LabVIEW para el conector C Con esta configuración se prende usar un conector exclusivamente para cada dispositivo que tengamos conectado. Todos los datos que el controlador de planta reciba se puede enviar por WIFI o por USB DEVICE que se muestra a continuación: Figura 39: Puerto USB Device del controlador de planta Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 52 4.4. Software del banco de ensayos El software de control del banco de ensayos está desarrollado bajo LabVIEW myRIO 2014 de National Instruments. LabVIEW es una plataforma y entorno de desarrollo para diseñar sistemas, con un lenguaje de programación visual gráfico pensado para sistemas hardware y software de pruebas, control y diseño, simulado o real y embebido. Debido a que estamos haciendo uso del controlador de planta myRIO 1900, es necesario trabajar con este entorno de desarrollo. La unidad programación de LabVIEW está definido en un fichero con extensión “vi” y presenta dos áreas de trabajo. Por un lado, tenemos el entorno de Interfaz de usuario o “Front Pane” donde se integrará todos los elementos necesarios para que el investigador pueda interactuar con el sistema como, por ejemplo, botones, gráficos, ruletas, etc. Por otro lado, tenemos el entorno de diagramas de bloque o “Block Diagram”, donde se integrará el código fuente del sistema. 4.4.1. Arranque de programa Al iniciar el programa, el programa nos mostrará la ventana de selección de proyectos como se muestra en la Figura 40. En nuestro caso, el proyecto que de desarrollo se llama “HRAP” con extensión “lvproj”. Figura 40: Ventana de selección de proyectos de LabVIEW. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 53 Tras seleccionar y abrir nuestro proyecto, LabVIEW presenta la ventana de exploración de proyecto donde se muestra todos lo relacionado al entorno del proyecto como dispositivos (PC o controlador), ficheros de código y opciones de configuración del proyecto. Figura 41: ventana de exploración de proyecto. Como se puede observar, dentro de la estructura del proyecto HRAP existe dos partes, “My Computer” y “myRIO-1900”. Nuestro controlador de planta se corresponde a “myRIO-1900” y está asociado al IP 192.168.43.233. Esto significa que las comunicaciones entre el PC y el propio controlador se realizan mediante WIFI en la que ambos están conectados. El fichero donde está definido el interfaz de usuario (IHM) y el código principal del programa se encuentra en “_Main,vi”. Los ficheros relacionados con funciones del programa están ubicados dentro de la carpeta “Library”. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 54 4.4.2. Interfaz de Usuario Si hacemos doble clic en el fichero “_Main.vi”, se abrirá la siguiente ventana: Figura 42: Interfaz de Usuario del programa principal del controlador de planta En ella podemos ver distintos elementos que el investigador podrá usar para interactuar con el banco de ensayos y de esta manera poder configurar y realizar las pruebas que necesite. El interfaz de usuario se puede dividir en 6 partes. Área de gráficos: En esta zona se pretende mostrar la evolución temporal de los distintos parámetros que se puede monitorizar en el banco de ensayos y que son de interés para el investigador. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 61 biogás que cumple con los requisitos de la mayoría de las regulaciones internacionales (≤2.5% y ≤1.0%, respectivamente). En este sentido, un aumento del flujo de gas reduce la transferencia de masa entre la fase líquida y la fase gaseosa debido al menor tiempo de residencia del gas como a la coalescencia de la burbuja. Por el contrario, un aumento en la velocidad de flujo del líquido implica una mayor absorción de gas en la fase líquida debido a la mayor área de contacto. La cantidad de oxígeno en el biogás purificado tendrá mucho impacto ya que su presencia en altas cantidades puede resultar explosivo por lo que es importante mantenerlo a unos niveles bajos. El sistema intentará alcanzar la mejor depuración de biogás a partir de un control basado en reglas mediante la variación del parámetro L/G. Dicho control consiste en un conjunto de valores de L/G en función los principales contaminantes del biogás, es decir CO2 y O2, en % de vol. Para poder describir las reglas, se han definido las siguientes expresiones: • v_CO2 = Valor de CO2 en % vol. proporcionado por el analizador de gases. • v_O2 = Valor de O2 en % vol. proporcionado por el analizador de gases. • sp_CO2 = Valor de CO2 en % vol. deseado por el investigador. Fijado a 2,5% • sp_O2 = valor de O2 en % vol deseado por el investigador. Fijado a 1% • e_CO2 = v_CO2 – sp_CO2 = Error de CO2 • e_O2 = v_O2 – sp_CO2 = Error de O2 Las reglas del sistema de control se han declarado de la siguiente forma: • Regla 1: Si e_CO2 < 0 y e_O2 < 0, entonces disminuimos el caudal de la bomba peristáltica. Las concentraciones de los contaminantes están por debajo del setpoint por lo que se reduce el caudal para ahorrar energía. • Regla 2: Si e_CO2 < 0 y e_O2 > 0, entonces disminuimos el de la bomba peristáltica. La concentración de O2 es alta por lo que se reduce el caudal para disminuir su concentración. • Regla 3: Si e_CO2 > 0 y e_O2 < 0, entonces aumentamos el caudal de la bomba peristáltica. La cantidad de O2 es menor que el setpoint Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 62 por lo que aumentaremos el caudal para disminuir la concentración de CO2. • Regla 4: Si e_CO2 > 0 y e_O2 > 0, entonces disminuimos el caudal de la bomba peristáltica. La concentración de O2 es alta por lo que se reduce el caudal por razones de seguridad, aunque la cantidad de CO2 sea alta. Las reglas 2 y 4 se pueden agrupar en una sola regla en el momento de escribir el código de que rige el control. Para las pruebas en la que se requiera sistema controlado se hará uso del modo “automático” donde se ha implementado las reglas anteriores. El uso del modo “manual” se efectuará para los ensayos que se realicen sin las reglas de control y poder comparar los resultados frente al sistema controlado. En la Figura 50 se muestra el diagrama de flujo de la lógica del programa. Figura 50: Diagrama de flujo de la lógica de programa del banco de ensayos. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 63 4.5. Respuesta escalón del sistema de control del banco de ensayos [13] Con el fin de comprobar la efectividad y la robustez del sistema de control, se ha propuesto tres ensayos donde tendremos perturbaciones en el caudal de biogás: 1. Ensayo 1: Variación de 4 horas del caudal de gas de 60 a 150 mL/min y nuevamente a 60 mL/min para probar la respuesta del sistema en el caso variaciones grandes de caudal de biogás. 2. Ensayo 2: Variación similar de caudal de gas, pero con una duración de 12 horas para garantizar que el sistema de control pueda mantener el estado estable. 3. Ensayo 3: Variación de caudal de gas con incrementos graduales de 10 mL/min cada dos horas de 60 a 120 mL/min en las primeras 12 horas y luego disminuciones graduales a 60 mL/min en las siguientes 12 horas. Este perfil se corresponde a una simulación de producción real de biogás. La acción de control se verá influenciada por la capacidad de la bolsa Tedlar donde se acumulará el gas que va a medir el analizador de gases ya que esta requiere de un volumen mínimo para poder realizar las medidas. Teniendo en cuenta esto, la actuación del control se realiza cada hora para los ensayos 1 y 2 mientras que para el ensayo 3 se realiza cada 2 horas. Para el control basado en reglas, se ha propuesto el uso de la tubería 1 para la bomba peristáltica de tal manera que nos proporciona 0,7 mL/min por cada porcentaje de potencia de la bomba. Dichos valores se resumen en la siguiente tabla: Regla e_O2 e_CO2 Potencia de bomba (%) Caudal de bomba (mL/min) Regla 1 <= 1 [ -2,5 ; -1 ] -7,5 -1,8 ( -1 ; -0,5 ] -5 -3,6 ( -0,5 ; 0 ] -2,5 -5,4 Regla 3 ( 0 ; 0,5 ] 15 10,7 ( 0,5 ; 1 ] 20 14,3 ( 1 ; 5 ] 35 17,9 ( 5 ; 10 ] 30 21,5 > 10 40 28,6 Reglas 2 y 4 >1 [ 0 ; 0,5 ] -15 -10,7 ( 0,5 ; 1 ] -20 -14,3 ( 1 ; 5 ] -25 -17,9 >5 -30 -21,5 Tabla 12: Valores de caudal de la bomba peristáltica para la tubería 1. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 64 Todos los ensayos se realizarán sin control para poder comparar los resultados del sistema con el control basado en reglas. Los ensayos sin control se implementarán con un caudal constante de 29 mL/min mientras que los ensayos con control, el caudal inicial será de 29 mL/min. Los ensayos se han realizado a temperatura ambiente (20ºC), con pH igual a 10 y el índice de concentración de carbono inorgánico entre 2500 y 3000 mg/L. 4.5.1. Resultados Ensayo 1 Los resultados del ensayo 1 se muestran a continuación: Evolución temporal de CO2 Figura 51: Evolución temporal de CO2 sin control vs con control basado en reglas para el ensayo 1 En la evolución temporal de CO2, para el sistema sin control, observamos lo siguiente: El escalón de 60 a 150 mL/min de gas (curva “G” en Figura 51) tiene un gran impacto ya que la concentración de CO2 (curva “CO2 sin control” en Figura 51) aumenta hasta un máximo de 10,0% en el primer escalón y 10,7% en el segundo escalón En los caudales de gas de 60 mL/min obtenemos un L/G de 0,5 y en caudales de 150 mL/min se reduce de 0,2. Esta reducción impacta negativamente en la transferencia de CO2 y H2S del gas al líquido debido a la 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 2 4 6 8 10 12 L y G (ml/min) CO2 (%) Time (h) CO2 sin control CO2 con control CO2 setpoint L sin control L con control G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 65 acidificación (reducción de pH) del líquido de microalgas y por la propia saturación de concentración de CO2 y H2S ya que el líquido recircula (ver Figura 6). En la evolución temporal de CO2, para el sistema con control, observamos lo siguiente: El primer escalón de 60 a 150 mL/min de gas (curva “G” en Figura 51) tiene un impacto menor que en el sistema sin control ya que la concentración de CO2 (curva “CO2 con control” en Figura 51) va aumentando hasta un máximo de 5,4%. Mientras esto ocurre, el caudal de líquido (curva “L con control” en Figura 51) va aumentando hasta conseguir una concentración de CO2 menor al setpoint (regla 3) después de dos acciones de control. En el segundo escalón, la concentración de CO2 aumenta y el sistema consigue que la concentración se mantenga en valores menores al setpoint (curva CO2 setpoint en Figura 51). Mientras tanto, el caudal de L va disminuyendo ya que nos encontramos ante valores inferiores al setpoint de CO2 y de O2 (curva “O2 setpoint” Figura 51) (regla 1). Durante todo el experimento, se ha registrado un L/G máximo de 1,28, correspondiente a un caudal de 77 mL/min de líquido (curva “L control” en Figura 51) y 60 mL/min de gas lo que se traduce en un aumento considerado en los esfuerzos de control para disminuir la concentración de CO2. La evolución completa de L/G se puede observar en la Figura 52. Figura 52: Evolución temporal de L/G en el sistema con control para el ensayo 1 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 l Y G (ml/min) L/G Time (H) L/G L con control G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 66 Evolución temporal de H2S Para el sistema sin control, se observa que la concentración de H2S (curva “H2S sin control” en Figura 53) tiene un comportamiento similar que en el caso de CO2 sin control con un máximo de 393 ppm en el primer salto y 414 ppm en el segundo salto. Para el sistema con control, se registran valores máximos de 8 ppm de H2S (curva “H2S con control” en Figura 53) en el primer escalón y luego se reduce esta cantidad a 0 ppm. De este modo, se puede comprobar que la reducción de concentraciones de H2S es mucho más efectiva que en el CO2 Figura 53: Evolución temporal de H2S sin control vs con control basado en reglas para el ensayo 1 Evolución temporal de O2 En el caso de la evolución de la concentración de O2, siempre se mantiene por debajo del setpoint deseado (1%) tanto para el sistema sin control como en con control. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 L y G (ml/min) H2S (ppm) Time (h) H2S Sin control H2S con control L sin control L con control Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 67 Figura 54: Evolución temporal de O2 sin control vs con control basado en reglas para el ensayo 1 Evolución temporal de CH4 Figura 55: Evolución temporal de CH4 sin control vs con control basado en reglas para el ensayo 1 Para el sistema sin control, en el primer salto, tenemos una concentración mínima de CH4 (curva “CH4 sin control” en Figura 55) de 89,1 % mientras que en el segundo salto tenemos un mínimo de 88,4%. La calidad de biometano tiene una tendencia hacia abajo con cada salto debido al impacto que tiene la reducción de pH en el líquido. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 L y G (ml/min) O2 (%) Time (h) O2 sin control O2 con control O2 setpoint L sin control L con control G 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 86 88 90 92 94 96 98 l Y G (ml/min) CH4 (%) Time (H) CH4 Sin control CH4 con control L sin control L con control Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 68 Para el sistema con control, en el primer salto obtenemos una concentración mínima de CH4 (curva “CH4 con control” en Figura 55) mínimo de 92,6% mientras que en el segundo salto obtenemos una concentración mayores de 95%. La tendencia a la mejora en purificación del biogás se ve enormemente impactado con la introducción del control basado en reglas. Con este ensayo se demuestra una buena respuesta del sistema del control frente a variaciones bruscas del caudal de gas. 4.5.2. Resultados Ensayo 2 Los resultados del ensayo 2 se muestran a continuación: Evolución temporal de CO2 Figura 56: Evolución temporal de CO2 sin control vs con control basado en reglas para el ensayo 2 En la evolución temporal de CO2, para el sistema sin control, observamos lo siguiente: El escalón de 60 a 150 mL/min de gas tiene un gran impacto ya que la concentración de gas (curva “CO2 sin control” en Figura 56) aumenta hasta 12,5% en el primer escalón y 13,2% en el segundo escalón. En el primer escalón, la concentración de CO2 (curva “CO2 con control” en Figura 56) se mantiene casi constante después de 4~5 horas de haberse realizado el salto. En el segundo escalón la concentración de CO2 tiene una baja tendencia a aumentar. 010 20 30 40 50 -15 5 25 45 65 85 105 125 145 165 0 2 4 6 8 10 12 14 L y G (ml/min) CO2 (%) Time (h) CO2 sin control CO2 con control CO2 setpoint L sin control L con control G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 69 Para el sistema con control, observamos lo siguiente: En el primer escalón de 60 a 150 mL/min, la concentración de CO2 (curva “CO2 con control” en Figura 56) aumenta hasta un máximo de 4,7%. Mientras esto ocurre, el caudal de líquido (curva “L con control“ en Figura 56) va aumentando hasta que, después de dos acciones de control, la concentración de CO2 empieza a reducirse (regla 3). Es necesario otras dos acciones de control adicionales para poder reducir la concentración por debajo del setpoint y mantenerlo (regla 1). En el segundo escalón, ocurre algo similar con el primer escalón a diferencia que se tarda 3 acciones de control en empezar a reducir la concentración de CO2 y una acción de control más en reducir dicha concentración por debajo del valor del setpoint (regla 3) y mantenerlo (regla 1). Los rangos de L/G para esté test se parecen bastante a los que se han observado en el test 1. En ambos escalones de 150mL/min, se ha registrado un L/G máximo de 0,51, con L igual a 76,04 mL/min. En el primer periodo donde G se reduce a 60 mL/min, se ha registrado un L/G de 1,06 mientras que, en el segundo periodo, un L/G de 1,24. La evolución completa de L/G se puede observar en la Figura 57. Figura 57: Evolución temporal de L/G en el sistema con control para el ensayo 2 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 L y G (ml/min) CH4 (%) Time (h) L/G L con control G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 70 Evolución temporal de H2S Figura 58: Evolución temporal de H2S sin control vs con control basado en reglas para el ensayo 2 En el caso del sistema sin control, tenemos una cantidad máxima de H2S (curva “H2S sin control” en Figura 58) de 150 ppm para el primer escalón y 204 ppm para el segundo escalón. Estos valores son más bajos que en el primer ensayo. La reducción de H2S se podría deber a otros factores como el aumento del oxígeno disuelto en el líquido de cultivo lo que promovería su consumo por parte de las bacterias cuando el líquido vuelve a recircular a la columna de absorción. En el caso del sistema con control, la concentración de H2S (curva “H2S con control” en Figura 58) se alcanza un máximo de 111 ppm en el primer escalón y 120 ppm. Después de los dos picos, se obtiene una buena limpieza de H2S tras la actuación de control. Evolución temporal de O2 Al igual que en el test 1, la cantidad de O2 se mantiene por debajo del setpoint tanto para el sistema sin control como con control. 010 20 30 40 50 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 50 100 150 200 250 L y G (ml/min) H2S (ppm) Time (h) H2S sin control H2S con control L sin con control L con control Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 77 Para todos los ensayos de validación, la variación de caudal de gas se realizará como el ensayo 3, es decir, variaciones de caudal gas con incrementos graduales de 10 mL/min cada dos horas de 60 a 120 mL/min en las primeras 12 horas y luego disminuciones graduales a 60 mL/min en las siguientes 12 horas. 4.6.1. Ensayos de validación con distintas concentraciones de carbono inorgánico (IC) La concentración de carbono inorgánico, o alcalinidad, en el líquido de cultivo es un parámetro clave en la eliminación de CO2 y H2S en los sistemas de microalgas bacterias. Una alta alcalinidad da como resultado una alta capacidad tampón, es decir, la capacidad que tiene un medio amortiguar los cambios de pH. Debido a la transferencia de CO2 y H2S a medio acuoso, el pH tiende a bajar (más ácido) y con un IC adecuado, podemos amortiguar este efecto. Aguas residuales provenientes del sector agroindustrial [14] pueden ser usado para alimentar el HRAP y conseguir aumentar el IC, ya que contiene altas concentraciones de carbono industrial próximo s a 1500 mg/L. Sin embargo, la propia lluvia o la falta de adición de carbono inorgánico a nuestro sistema puede ocasionar una reducción de la concentración de IC a 500 mg/L o incluso hacer uso de aguas residuales urbanas con IC a 100 mg/L que sería la alternativa bastante común. En estos casos, podría ocurrir una disminución en la eficiencia de reducción de CO2 y H2S del biometano. Por ello, se realizará la validación bajo distintas condiciones de alcalinidad. Evolución temporal de CO2 La evolución temporal de CO2, para IC 1500, IC 500 y IC 100 con pH 10, se muestra a continuación: Para el sistema sin control, se observa claramente que la absorción de CO2 disminuye en cuanto disminuye el carbono inorgánico del líquido de cultivo. Se ha registrado máximas de concentración de CO2 de 13,4, 18,8 y 19,6% para IC 1500 (curva “CO2 sin control para IC 1500” en Figura 66), IC 500 (curva “CO2 sin control para IC 500” en Figura 66) y IC 500 (curva “CO2 sin control para IC 100” en Figura 66) respectivamente. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 78 Figura 66: Evolución temporal de CO2 para ensayos de validación con distintas concentraciones de carbono inorgánico para el sistema sin control Figura 67: Evolución temporal de CO2 para ensayos de validación con distintas concentraciones de carbono inorgánico para el sistema con control En el sistema controlado, el ensayo para IC 1500 muestra que existen tres picos de concentración de CO2 (curva “CO2 con control para IC 1500” en Figura 67), una de 3,8, 3,7 y 2,8. Las concentraciones se reducen por debajo del setpoint después de una o dos acciones de control. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 25 010 20 30 40 50 60 G (ml/min) CO2 (%) Time (h) CO2 sin control para IC 1500 CO2 sin control para IC 500 CO2 sin control para IC 100 CO2 setpoint G 0 20 40 60 80 100 120 140 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 010 20 30 40 50 60 G (ml/min) CO2 (%) Time (h) CO2 con control para IC 1500 CO2 con control para IC 500 CO2 con control para IC 100 CO2 setpoint G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 79 Sin embargo, los picos de concentración son mayores para el ensayo de IC 500 (curva “CO2 con control para IC 500” en Figura 67) con valores 5,2; 4,2; 3,3 y 4,0%. Las concentraciones se reducen por debajo del setpoint después de una o dos acciones de control. Para el ensayo de IC 100, se registran los picos máximos de concentraciones de CO2 (curva “CO2 con control para IC 100” en Figura 67), con valores 8,2; 3,1; 5,1 y 3,3%. Las concentraciones se reducen después de dos o tres acciones de control. Evolución temporal de H2S Figura 68: Evolución temporal de H2S para ensayos de validación con distintas concentraciones de carbono inorgánico para el sistema sin control Para el sistema sin control, se observa el mismo perfil que para el CO2. Para el ensayo de IC 1500, la concentración de H2S (curva “H2S sin control para IC 1500” en Figura 68) lleva a valores máximos de 536 y 530 ppm. Para el ensayo de IC 500, la concentración de H2S (curva “H2S sin control para IC 500” en Figura 68) lleva a valores máximos de 1440 y 1318 ppm. Finalmente, para el ensayo de IC 100, la concentración de H2S (curva “H2S sin control para IC 100” en Figura 68) lleva a valores máximos de 2096 y 1984 ppm. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 500 1000 1500 2000 2500 010 20 30 40 50 60 G (ml/min) H2S (%) Time (h) H2S sin control para IC 1500 H2S sin control para IC 500 H2S sin control para IC 100 G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 80 Figura 69: Evolución temporal de H2S para ensayos de validación con distintas concentraciones de carbono inorgánico para el sistema con control Para el sistema con control, se observa una mejora sustancial en la absorción de H2S. Para el ensayo de IC 1500, la concentración de H2S (curva “H2S con control para IC 1500” en Figura 69) prácticamente se ve reducida en su totalidad. Para el ensayo de IC 500, la concentración de H2S (curva “H2S con control para IC 500” en Figura 69) lleva a valores máximos de 181, 150 y 174 ppm. Finalmente, para el ensayo de IC 100, la concentración de H2S (curva “H2S con control para IC 100” en Figura 69) lleva a valores máximos de 2096 y 1984 ppm. Evolución temporal de O2 Tanto para el sistema sin control como para el sistema con control se registran concentraciones de CO2 por debajo del setpoint. La tendencia en la concentración de O2 para el caso de IC 1500 es más baja que en los ensayos de IC 500 e IC 100 en el caso de los sistemas controlados. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 100 200 300 400 500 600 010 20 30 40 50 60 G (ml/min) H2S (%) Time (h) H2S con control para IC 1500 H2S con control para IC 500 H2S con control para IC 100 G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 81 Figura 70: Evolución temporal de O2 para ensayos de validación con distintas concentraciones de carbono inorgánico para el sistema sin control Figura 71: Evolución temporal de O2 para ensayos de validación con distintas concentraciones de carbono inorgánico para el sistema con control 0 20 40 60 80 100 120 140 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 010 20 30 40 50 60 G (ml/min) O2 (%) Time (h) O2 sin control para IC 1500 O2 sin control para IC 500 O2 sin control para IC 100 O2 setpoint G 0 20 40 60 80 100 120 140 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 010 20 30 40 50 60 G (ml/min) O2 (%) Time (h) O2 con control para IC 1500 O2 con control para IC 500 O2 con control para IC 100 O2 setpoint G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 82 4.6.2. Ensayos de validación con distintos valores de pH El pH tiene una gran influencia en la eliminación de CO2 y H2S debido al impacto en la solubilidad de los gases con valores de pH altos. Las condiciones más optimas de absorción de CO2 y H2S se realiza para para una alcalinidad de 1500 mg/L en la que se espera un pH alto (aproximadamente 10 pH). Se ha visto en ensayos anteriores que largos periodos de absorción de CO2 y H2S lleva a una acidificación del medio líquido, aunque se tenga una alcalinidad inicial óptima. Para investigar los efectos del pH se ha propuesto la validación del sistema con pH 10 y pH 8,6. Evolución temporal de CO2 Figura 72: Evolución temporal de CO2 para ensayos de con distintas concentraciones de carbono inorgánico para el sistema con control Para el ensayo sin control se observa que la absorción de CO2 es mucho más baja para pH 10 que para pH 8,6. Para pH 10 se registra máximas concentraciones de 21,9 y 20,6% de CO2 mientras que para pH 8,6, máximas de 12,4 y 13,4 % de CO2. Sin embargo, en ninguno de los dos casos se consigue bajar del setpoint, después de iniciarse la variación de caudal de gas. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 25 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 G (ml/min) CO2 (%) Time (h) CO2 sin control para pH 10 CO2 sin control para pH 8,6 CO2 setpoint G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 83 Figura 73: Evolución temporal de CO2 para ensayos de con distintos valores de pH para el sistema sin control Para los ensayos con control, para pH 10 se consigue reducir la concentración de CO2 por debajo del setpoint. Se observan 3 picos característicos de ensayos anteriores. Sin embargo, para los ensayos a pH 8,6, pese a los esfuerzos de control, no se consigue reducir la cantidad de CO2 por debajo del setpoint. Figura 74: Esfuerzos de control para pH 10 y pH 8,6 0 20 40 60 80 100 120 140 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 G (ml/min) CO2 (%) Time (h) CO2 con control para pH 10 CO2 con control para pH 8,6 CO2 setpoint G 0 20 40 60 80 100 120 140 0 50 100 150 200 250 04812 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 G (ml/min) L (mL/min) Time (h) L con control para pH 8,6 L con control para pH 10 G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 84 Para pH 10, se observa que el esfuerzo de control hace que aumente el caudal con el fin de disminuir el pH por debajo del setpoint (regla 3) cuando esto se ha conseguido, se mantiene el valor del caudal según la regla 1 de la Tabla 13 (Si e_CO2 > -0,5 y e_CO2 < 0 entonces caudal es igual a cero). En el caso de pH 8,6, el esfuerzo de control hace que el aumente el nivel de caudal de líquido para intentar disminuir la concentración de CO2 por debajo del setpoint. Sin embargo, aunque la concentración de CO2 no disminuye, el esfuerzo de control hace que el caudal de la bomba empiece a disminuir. Esto se debe a que la concentración de O2 empieza a subir por encima del setpoint, según la regla.2 y 4. Esto es bastante crítico porque es necesario disminuir dicha concentración para evitar explosiones por el exceso de O2. Evolución temporal de H2S Figura 75: Evolución temporal de H2S para ensayos de con distintos valores de pH para el sistema sin control La evolución del H2S para el sistema sin control como el sistema controlado, tienen el mismo comportamiento que la evolución del CO2. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 L y G (ml/min) H2S (ppm) Time (h) pH 8,6 - IC 1500 H2S sin control para pH 10 H2S sin control para pH 8,6 G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 85 Figura 76 Evolución temporal de H2S para ensayos de con distintos valores de pH para el sistema con control En el caso de pH 10 se observa que el esfuerzo de control logra reducir bastante la concentración de H2S en comparación del ensayo a pH 8,6. En ambos casos, la concentración se reduce a prácticamente cero transcurrido un cierto tiempo después de haber empezado los esfuerzos de control. Evolución temporal de O2 Para el sistema sin control, se observa que la cantidad O2 tanto para el sistema sin control como el sistema controlado están por debajo del setpoint. Cabe destacar que la concentración de O2 en pH 10 es más baja que en pH 8,6. Para el sistema controlado, en el caso de pH 10, se observa que la cantidad de O2 se mantiene por debajo del setpoint. Sin embargo, para el caso pH 8,6, la concentración de O2 aumenta por encima del setpoint cuando se llega al 120 mL/min de caudal de gas. Como se vio, los esfuerzos de control obligan a disminuir la cantidad caudal de O2 para intentar que su concentración disminuya hasta quedar por debajo del setpoint. Este proceso se repite por segunda vez. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 50 100 150 200 250 04812 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 L y G (ml/min) H2S (ppm) Time (h) H2S con control para pH 10 H2S con control para pH 8,6 G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 86 Figura 77: Evolución temporal de O2 para ensayos de con distintos valores de pH para el sistema sin control Figura 78: Evolución temporal de O2 para ensayos de con distintos valores de pH para el sistema con control Bajo las condiciones de pH 10 con concentración de carbono inorgánico optimas, es decir 1500 mg/L, no se ha cumplido el objetivo de reducir la concentración por debajo del setpoint del CO2 y del O2. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 04812 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 G (ml/min) O2 (%) Time (h) C2 sin control para pH 10 C2 sin control para pH 8,6 O2 setpoint G 0 20 40 60 80 100 120 140 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 04812 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 L y G (ml/min) O2 (%) Time (h) O2 con control para pH 10 O2 con control para pH 8,6 O2 setpoint G Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 93 Estudio económico En este capítulo se estudiarán los costes que supone la implementación del banco de ensayos para una columna de purificación de biogás. Para el banco de ensayos se ha adquirido equipamiento necesario para implementar su implementación. Este equipamiento se ha descrito en el apartado 3.2 y hay que tener en cuenta que algunos de estos elementos ya estaban presentes en el momento de iniciar el proyecto. Oferta* de Analizador de Gases INCA Descripción Precio unidad Cantidad Precio final Analizador de biogás INCA 4001 T100-02 13323,21 € 1 13323,21 € Transporte 340 € Tabla 14. Oferta de Analizador de Gases (*) Oferta de PSA Ingenieros Oferta* de Controlador de Flujo Másico Descripción Precio unidad Cantidad Precio final GFM57A-BDL6-A0 1.054,25 € 1 1.054,25 € Transporte 15 € Tabla 15. Oferta de Controlador de Flujo Másico (*) Oferta de ANAME Instrumentación Científica Oferta* de Bomba Peristáltica Descripción Precio unidad Cantidad Precio final Bomba Peristáltica CF3r,270rpm. D-25Vplus 1205,16 € 1 1205,16 € Transporte 0 € Tabla 16. Oferta de Bomba peristáltica (*) Oferta de DINTER S.A. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 94 Oferta* de Controlador de planta Descripción Precio unidad Cantidad Precio final myRIO-1900 628,56 € 1 628,56 € Transporte 0 € Tabla 17. Oferta de Controlador de planta (*) Oferta de National Instruments Oferta de Circuito de Acondicionamiento de señales Descripción Precio unidad Cantidad Precio final Current to Voltage Converter Module Amp to Volt Transmitter 4-20mA to 0-3.3V/5V/10V Signal Conversion Board Module 2,66 € 4 10,64 € Transporte 4,45 € Tabla 18. Oferta de Circuito de Acondicionamiento de señales (*) Oferta de IC Station Teniendo en cuenta las ofertas anteriores, la siguiente tabla resume el costo de banco del ensayo. Item Precio (€) Analizador de Gases INCA 13663,21 Controlador de Flujo Másico 1069,25 Bomba Peristáltica 1205,16 Controlador de planta 628,56 Circuito de acondicionamiento 15,09 Total 16581,27 Tabla 19. Coste de dispositivos del banco de ensayos Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 95 Bibliografía y referencias [1] Las reservas de combustibles fósiles a nivel mundial [2] Evolución de la emisión de gases de efecto invernadero [3] Microalgae-Based Biofuels and Bioproducts – Toledo-Cervantes et al. 2017 [4] Biogas upgrading technologies - developments and innovations [5] Fotobiorreactores para el cultivo masivo de microalgas [6] A comparative analysis of biogas upgrading technologies Photosynthetic vs physicalchemical processes - Toledo-Cervantes et al. 2017b [7] Biogas upgrading using algal-bacterial processes [8] Producción de biogás a partir de aguas residuales y residuos agrícolas [9] Trabajo fin de grado: valorización de fangos de EDAR vía digestión y cogeneración del biogás [10] Influence of Biogas Flow Rate on Biomass Composition During the Optimization of Biogas Upgrading in Microalgal-Bacterial Processes - Serejo et al. 2015 [11] Obtención de biogás a partir de Residuos Sólidos Urbanos para su inyección a Red [12] Optimization of biogas production from algal biomass Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 96 [13] Development of a control strategy to cope with biogas flowrate variations during photosynthetic biogas upgrading [14] Algal-bacterial processes for the treatment of agroindustrial wastewaters Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 97 Anexos 8.1. Protocolo H-Bus El protocolo H-Bus está especificado por UNION Instruments GmbH y permite una comunicación entre una estación remota y el analizador de gases de proceso INCA. Importante: Los comandos que se describen a continuación siempre se representan en formato de número hexadecimal como palabras (2 bytes). El "0x" precedente marca una representación en formato de número hexadecimal. Ejemplo: El número decimal 17 es equivalente a 0x11 (representación de bytes) respectivamente a 0x0011 (representación de palabras, 2 bytes) 8.1.1. Especificación de protocolo Recuento de bytes El protocolo está orientado a palabras. 1 palabra consta de una serie de 2 bytes. De esto se deduce que siempre se envía un número par de bytes en un comando. Orden de bytes La codificación de una palabra es little-endian (coll. Formato Intel), es decir, se envía el byte menos significativo primero. Importante: Según sea necesario, las palabras de datos deben intercambiarse en la estación remota; consulte ejemplo. Ejemplo de valor decimal 17 (comando H-Bus 0x0011): Representación de palabras del número 17 (hexadecimal): 0x0011 (byte más significativo: 0x00 menos byte significativo 0x11). Al transmitir esta palabra, el byte menos significativo (0x11) se envía primero y después de esto, se envía el byte más significativo (0x00). Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 98 Estructura de datos Figura 86: Estructura de datos del protocolo H-Bus La estructura de datos de un comando consiste en: - la longitud del bloque N, que indica cuántas palabras de datos seguirán (sin contar el comprobar suma). - número de N palabras de datos (1. palabra es siempre el número de comando y, si corresponde, seguido de bytes de datos). - CRC16-checksum, se calcula sobre las N palabras de datos en "bloque de datos". Max. número de N: 256 Configuración RS-232: 9600 o 115200 bit/s, 8 bits de datos, 1 bit de parada, sin paridad. El bloque de datos comprende el número de comando y, si corresponde, información adicional. El CRC16 se calcula sobre el bloque de datos. La longitud del bloque anterior no está integrada en el cálculo CRC16. Repetición de comandos En caso de que el sistema solicite un comando no respondido (tiempo de espera de 2500 milisegundos), el comando debe repetirse. Después de 3 comandos fallidos solicita la estación remota debe realizar un manejo de errores o generar un error. El manejo de errores debe ser especificado por la estación remota. Al comunicarse a través de una puerta de enlace de bus de campo, se debe enviar un comando "Flush" entre dos solicitudes de comando consecutivas para preparar la memoria de comunicación del bus de campo para la nueva solicitud. Intervalo de solicitud de comando Se debe mantener un tiempo de espera de un mínimo de 500 milisegundos entre dos comandos. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 99 Secuencia de comunicación Figura 87: Diagrama de flujo de la secuencia de comunicación 8.1.2. Resumen de los comandos más importantes del protocolo H-Bus A continuación, se muestra una tabla con los comandos más usados. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 100 Tabla 20: Lista de comandos más usados en el protocolo H-Bus 8.2. Circuito de acondicionamiento de señales 8.2.1. Descripción Este circuito está diseñado para convertir señales de corriente a señales de tensión. Este dispositivo cuenta con una protección frente a la inversión de polaridad, es decir, que tiene una protección cuando introducimos mal la polaridad de entrada. Cuando se ha introducido correctamente todo el cableado, se encenderá un LED que indica que el dispositivo funciona correctamente. En caso de no encender dicho LED, será necesario una comprobación de las polaridades tanto de entrada como de salida. Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 101 Figura 88: Dimensiones del módulo Como se muestra en la Figura 88, tiene unas dimensiones adecuadas para poder encapsularlo dentro de una caja para protegerlo del exterior sin ocupar mucho espacio. Además, El dispositivo contiene un potenciómetro que ayuda a ajustar el zero y otro, que ayuda a ajustar el spam. A su vez, presenta dos jump (J1 y J2) de selección de rango que permite elegir los rangos de salida en función de la entrada como se verá más adelante. Figura 89: Partes del circuito de acondicionamiento 8.2.2. Características Tensión de alimentación: 7~36V Corriente de entrada: 4~20mA ó 0~20 mA Tensión de salida: 0~3,3V; 0~5V ó 0~10V Presenta buena estabilidad y linealidad en la señal de salida Banco de ensayos para una columna de purificación de biogás Víctor Antonio Castro Minaya Página - 102 8.2.3. Rangos de ajuste En la siguiente tabla se presenta la combinación de ajustes, en función de los pines de selección de rango, para elegir la configuración deseada. Entrada J1 (pines 1 y 2) J2 (pines 3 y 4) Salida 4~20 mA Cortocircuito Cortocircuito 0~2,5 V Circuito abierto Circuito abierto 0~3,3 V Cortocircuito Cortocircuito 0~5 V Cortocircuito Circuito abierto 0~10 V 0~20 mA Cortocircuito Cortocircuito 0~3,3V Cortocircuito Cortocircuito 0~5 V Cortocircuito Circuito abierto 0~10V Tabla 21: Combinación de pines para elegir la configuración deseada en el circuito de acondicionamiento 8.3. Código de programa El código del programa se encuentra disponible en el anejo adjunto en formato comprimido (.zip).