Ing. Gonzalo Oscar Eulate Choque – R.N.I. 8718

Es Ingeniero Electricista de la Universidad Mayor de San Andrés con Maestría en Ingeniería del Software, Maestría en Ingeniería Eléctrica – Energía, Postgrado en Economía Informática y Diplomados en Ingeniería del Software, Sistemas Inteligentes, Robótica.

RESUMEN

El proyecto de investigación contempla, el uso y la producción de hidrógeno verde a partir del uso de sistemas fotovoltaicos. La producción del hidrógeno verde, considera el proceso químico de la electrolisis, que utiliza la corriente eléctrica continua para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. El resultado es el hidrógeno verde considerado como vector energético, debido a la posibilidad de su uso, en la producción de amoniaco para fertilizantes, en la producción de acero, en el reemplazo o combinación con el gas natural para el sector industrial y domiciliario donde la energía eléctrica es suministrada por los sistemas fotovoltaicos.

INTRODUCCIÓN

Actualmente en Bolivia se tiene en funcionamiento los proyectos eólicos de Qollpana y los proyectos solares de Yunchará, Uyuni y Oruro. Debido al nivel de irradiación en el Altiplano boliviano se cuenta con una generación de energía eléctrica en base a centrales fotovoltaicos, que a su vez este nos permitirá la producción del hidrogeno verde mediante el proceso de la electrolisis que no emite carbono al medio ambiente.

El hidrogeno presenta las alternativas de consumo/uso en el sector del transporte, en el sector industrial, residencial y otros, se puede almacenar y transportar en vehículos, así como, se puede transportar en tuberías, para su uso masivo en diferentes sectores económicos del país.

De acuerdo a la figura No 1 (composición de la oferta de generación), el 69% de la generación disponible corresponde a las centrales térmicas a gas y diésel. En Bolivia es subvencionado el gas para el uso en las centrales térmicas para la generación de energía eléctrica, esta ocasiona pérdidas para el estado, es conveniente el reemplazo del gas natural por el hidrogeno verde. 

Respecto al consumo final de energía, de acuerdo al reporte de OLADE de la gestión 2018, el sector de transporte tiene una participación de 58.45% y el sector industrial tiene una participación de 19.21%.

La producción de hidrógeno verde mediante el uso de generación fotovoltaica, presenta una alternativa bastante importante para Bolivia, tomando en cuenta que el nivel de irradiación se encuentra en el orden de 2 a 9,5 kWh/m2-dia. Se presenta a continuación el mapa solar de Bolivia. 

 

1. Proceso Electrolítico – Electrólisis del Agua

El proceso de electrólisis del agua corresponde a la circulación de corriente continua a través de dos electrodos (ánodo y cátodo), en contacto con el agua se produce la separación de las moléculas en hidrógeno y oxígeno. Este tipo de tecnología es el método limpio para la obtención del hidrógeno a partir del agua mediante el uso de sistemas fotovoltaicos.

El agua utilizada durante este proceso debe ser tratada previamente logrando un nivel de pureza tal, que evite la deposición de minerales y el consiguiente deterioro de los elementos de las celdas, con lo cual se consigue una extracción del hidrógeno con una pureza del orden 99.99 vol.% [2].

Existen tres tipos de electrolizadores que difieren principalmente el electrolítico utilizado: alcalinos, de membrana de intercambio de protones (PEM) y de estado sólido (SOE)

En la siguiente tabla se presenta una comparación de las tecnologías con el método más utilizado de extracción de hidrógeno y el reformado de gas metano.

2. El Hidrógeno como Vector Energético

El hidrógeno como vector energético se basa en el ciclo que se presenta en la figura No 4.

En Bolivia el sector de transporte utiliza el 58% de la matriz energética de consumo (figura No 2), utilizando gas, gasolina y Diesel, se contempla el uso de hidrógeno para el transporte en autos de pasajeros, buses, vehículos utilitarios y otros vehículos eléctricos. Dado que la red de gas y la infraestructura relacionada ya existe, la inyección de hidrógeno en la red de gas es la forma más rentable de almacenar grandes cantidades de hidrógeno, dependiendo del origen del gas natural, el contenido de hidrógeno puede alcanzar hasta 15% en volumen [6]. El hidrogeno presenta un poder calorífico mayor al del gas natural, así también, es posible la combinación del gas e hidrogeno para la producción de electricidad, reduciendo la contaminación de CO2 al medio ambiente y reduciendo las pérdidas económicas al país

3. Costo de Producción de Hidrogeno

El cálculo del costo de hidrógeno se realiza utilizando la siguiente ecuación, propuesta en el documento “Tecnologías del hidrógeno y perspectivas para Chile” referencia 

[2].

Donde:

Pinst= potencia instalada del electrolizador [MW]

?= inversión según la capacidad instalada [USD/MW]

FRC = factor de recuperación de capital en función a la tasa de descuento 

fp = factor de planta

M(fp) = función de costos de mantenimiento como un porcentaje de la inversión.

h = horas en un año

QH2 = capacidad de producción de hidrógeno [kg/h]

QH2O =cantidad de agua consumida [m3/kg de hidrógeno]

PH2O= precio del agua [USD/m3]

Qe= cantidad de electricidad consumida [kWh/kg de hidrógeno] 

Pe = precio de electricidad [USD/MWh]

QO2 = venta de oxígeno tomando en cuenta la cantidad producida [kg O₂/kg H2] 

PO2 = precio de venta del oxígeno [USD / kg O₂]

CONCLUSIÓN

Elevada eficiencia energética. 1 kg de H2 equivale aproximadamente a 3,5 litros de diésel y una pila de combustible es el doble de eficiente que un motor de combustión interna, con lo que 1 kg de hidrógeno equivale a 7 litros de diésel, y con 1 kg de hidrógeno se pueden recorrer aproximadamente 120 km en el caso de vehículos utilitarios (por lo tanto, con 33,33 kWh de energía se pueden recorrer 120 km), mucho más eficiente que los vehículos alimentados por combustibles convencionales.

Combustible autóctono. El hidrógeno se puede generar a partir del agua, mediante el proceso de químico de la electrólisis, que otorga seguridad en cuanto al suministro y evita la dependencia energética en el mediano y largo plazo.

Ausencia de contaminantes a la atmósfera. El hidrógeno se combina con el oxígeno del aire en la pila de combustible, produciendo electricidad como producto principal, agua y calor como subproductos. La electricidad se aprovecha y el calor se disipa, por lo que la única emisión asociada es el vapor de agua que el vehículo emite por el tubo de escape.

Estrategia Nacional de Hidrogeno Verde. Existe la necesidad de establecer una estrategia a corto, mediano y largo plazo, considerando la generación de electricidad superior a 5 GW para la producción de por lo menos de 200 kton/año. Considerando: el incentivo al mercado interno y a la exportación, el desarrollo social y territorial de las comunidades en el altiplano boliviano, la adecuación del marco regulatorio (normativa para la producción y uso) y la formación de capacidades en los recursos humanos del estado boliviano.

Polos de Desarrollo Nacional. La producción del hidrógeno verde, brinda una enorme oportunidad a Bolivia, como es el caso del aprovechamiento de las aguas del Silala para el proceso de electrólisis entre otros como posible polo de desarrollo Nacional.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• [1] Castillo, A.E. (2013) Respuesta inercial de sistemas de potencia con grandes inyecciones de generación fotovoltaica. Tesis de licenciatura. Chile, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Chile – Santiago de Chile.

• [2] Vásquez, R.; F. Salinas y Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH, (2018) Tecnologías del hidrógeno y perspectivas para Chile. Editorial Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH Friedrich-Ebert-Allee 40 53113 Bonn • Alemania.

• [3] Fernández, M., F. Fernández, C.; G. Rodríguez, Energética. (2020). “Situación Energética de Bolivia y Desafíos” en Situación Energética Bolivia Final – WWF [En línea]. Bolivia, disponible en:https://wwflac.awsassets.panda.org/downloads/1_situacion_energetica_bolivia_25_02_optimized.pdf [Accesado el día 3 de agosto de 2021]

• [4] Comité Nacional de Despacho de Carga. (2020). “Memoria anual 2020 resultados de la operación del SIN” en Comité Nacional de Despacho de Carga [En línea]. Bolivia, disponible en: https://www.cndc.bo/boletines/memorias.php?idcat=7 [Accesado el 5 de agosto de 2021] 

• [5] Aguado, R.; Casteleiro, J.; Jove, E.; Zayas, F.; Quintián, H. y J. Calvo, (2021) Hidrógeno y su almacenamiento El futuro de la energía eléctrica. Universidad de Coruña, Servizo de Publicacións. Coruña.

• [6] Ministerio de Energía, Gobierno de Chile, (2020). “Estrategia nacional de hidrógeno verde” em Ministerio de Energía, Gobierno de Chile [En línea] Chile, disponible en: https://energia.gob.cl/sites/default/files/estrategia_nacional_de_hidrogeno_verde_-_chile.pdf [Accesado el día 6 de agosto de 2021]

 

Ing. Leonardo Ariel Benavidez Mamani - R.N.I. 37636

Ingeniero Industrial de la Universidad Mayor de San Andrés con Maestría en Ingeniería Industrial - Desarrollo Sustentable de Procesos y Productos

RESUMEN

El presente artículo, posibilita comprender una nueva forma de generar bioenergía, resultante de una materia prima no muy conocida, y que en la actualidad aún se encuentra en etapa de investigación y desarrollo. Esta materia está compuesta por microalgas, las cuales pueden ser cultivadas en condiciones extremas o en territorios marginales y no requieren de grandes cantidades de terreno para su cultivo; asimismo, con el concepto de biorrefinería puede aprovecharse al máximo los componentes de las microalgas, con algunas limitaciones, pero que no dejan de ser una promisoria alternativa bioenergética en beneficio de la humanidad y el medio ambiente.

Palabras Clave: Microalgae, biorefinery, biofuel and bioenergy

    Microalgas, biorrefinería, biocombustible y bioenergía

INTRODUCCIÓN

En las últimas cuatro décadas la población del mundo creció en un 79% [1], lo cual conlleva a un incremento en la demanda de recursos energéticos como alimenticios, así como también la búsqueda continua de una mejor calidad de vida; en ese sentido, a fin de no afectar negativamente al medio ambiente, actualmente se tienen varios biocombustibles, que comúnmente son producidos a partir de cosechas de maíz, caña de azúcar y plantas oleaginosas, empleando considerables áreas de terreno cultivable que ponen en duda las ventajas de la utilización de estos biocombustibles frente a una posible crisis en la seguridad alimentaria y a un impacto ambiental por la degradación de los suelos.

Contemplando los problemas medioambientales y algunas de sus causas mencionadas líneas arriba, recientemente se fue considerando una alternativa para la mitigación de algunos de ellos, así como la generación de fuentes bioenergéticas, a partir del cultivo de microalgas, las cuales no son muy conocidas a nivel nacional, motivo por el cual, el presente artículo pretende desarrollar las principales características, beneficios y limitaciones en el ámbito de biocombustibles alternativos.

DESARROLLO

• ¿Qué son las microalgas?

Las microalgas en su mayoría son organismos fotosintéticos unicelulares, que pueden fijar carbono inorgánico disuelto, así como también aprovechar el CO2 de efluentes gaseosos industriales para formar energía química por medio de fotosíntesis, por lo que para su crecimiento precisan de luz (solar o artificial), donde su tasa de crecimiento y fijación de carbono llega a estar entre 10 a 50 veces superior comparado al de las plantas terrestres, siendo que el CO2 absorbido incentiva al crecimiento de las microalgas, y ayuda a la mitigación de gases de efecto invernadero [2].

Las microalgas, pueden crecer en una amplia gama de ambientes acuáticos, como ser agua dulce, aguas salinas y extremadamente salinas, además de soportar altas temperaturas, diferencias de luminosidad y variaciones de pH; la biomasa de microalgas brinda de forma separada o conjunta (siguiendo el concepto de biorrefinería), la generación de uno o varios productos, tales como biocombustibles (biodiesel, bioetanol, biohidrógeno, y biogás), pigmentos y otros que pueden ser utilizados como suplementos alimenticios, cosméticos, y compuestos con fines farmacéuticos [3].

• Características, métodos de cultivo y cosecha

La biomasa de microalgas está compuesta por lípidos, carbohidratos, ácidos grasos poliinsaturados, pigmentos y proteínas [2]. En la Tabla 1, se muestra la comparación entre los componentes principales de las microalgas y algunos alimentos convencionales.

Producto	Soja	Maíz	Trigo	Carne	Pescado	Chlorella vulgaris	Dunaliella salina	Nannochlo-ropsis s.p.	Porphyridium cruentum	Scenedesmus obliquus
% Proteína Cruda	37	10	14	43	55	51-58	57	64	28–39	50–56
% Carbohidratos	30	85	84	1	-	12-17	32	19	40–57	10–17
% Lípidos	20	4	2	34	38	14-22	6	29-68	9–14	12–14

Tabla 1. Componentes generales en porcentaje de material seco de microalgas y alimentos convencionales. Adaptado de [4-6]

Las microalgas pueden ser cultivadas en terrenos no necesariamente agrícolas, así como infértiles, pueden crecer en medios de agua dulce y hasta extremamente saladas, incluso en efluentes residuales (domésticos o industriales), donde el área para su cultivo es relativamente pequeño en comparación con los cultivos convencionales de cómo el maíz, la soja y palma [7].

Los sistemas de cultivo de microalgas (para fines bioenergéticos), comúnmente son de dos tipos, abiertos o cerrados, la primera depende del clima de la región y requieren de un mayor control por la posible contaminación por depredadores o microorganismos, por lo que las altas tasas de producción en sistemas abiertos se consiguen con cepas de algas resistentes al ambiente de cultivo en condiciones severas (alta salinidad, alcalinidad y otros); por otra parte, los sistemas cerrados son cultivos realizados en “fotobiorreactores”, de diferentes tipos, los cuales son caracterizados por poseer condiciones controladas de temperatura, iluminación y adición de nutrientes (entre otros), y pueden evitar la contaminación de microorganismos ajenos al cultivo [8]. A fin de tomar conocimiento de estos sistemas, en la Figura 1, se presentan los mismos.

a)	b)
c)	d)

Figura 1. Sistemas de cultivo, a) Estanques de alta carga de aguas residuales [9] b) Piscinas de recirculación [10] c) Fotobiorreactor de Placa Plana. Foto del Laboratório de Bioenergía y Catálise (LABEC/UFBA) y d) Fotobiorreactor Tubular. Adaptado de [11]

La cosecha de la biomasa producida puede ser realizada por dos procesos (independientes, paralelos o secuenciales), el primero extrae gran parte del líquido el cual contiene nutrientes y otros componentes que son devueltos al proceso de cultivo, en esta etapa que la denominaremos Recolección Primaria, se emplean métodos de sedimentación y tecnologías de flotación, que dan como resultado un lodo de microalgas con contenidos de sólidos totales entre 0.5% a 6.0%, el segundo proceso denominado como Recolección Secundaria, emplea equipos mecánicos de filtración o centrifugación , que se encargaran de retirar una mayor cantidad de humedad dejando la biomasa con un contenido de sólidos totales entre 10% a 20% [12].

• Producción de biocombustibles a partir del concepto de Biorrefinería

El termino biorrefinería deriva del concepto de una refinería de petróleo crudo convencional que recibe material bruto, lo refina y produce una serie de combustibles y materiales petroquímicos, que resultan ser productos de alto valor en el mercado. En ese sentido, de manera análoga, una biorrefinería de microalgas es un sistema integrado que relaciona los procesos de generación de biocombustibles y otros productos con el beneficio de retornar el material residual al ciclo productivo y/o al medio ambiente sin causar impactos negativos (véase Figura 1).

Figura 1. Esquema general de la biorrefinería. Propia autoría.

Entre los principales biocombustibles obtenidos a partir de biomasa de microalgas, destacan los siguientes:

• Biodiesel. Este combustible alternativo por sus características no es tóxico y es biodegradable, es producido a partir de la extracción de lípidos de las microalgas por un método denominado transesterificación [13].
• Bioetanol. Varias especies de microalgas acumulan altos niveles de polisacáridos en sus paredes celulares complejas, o tienen la capacidad de producir altos niveles de carbohidratos en lugar de lípidos, que pueden ser extraídos y fermentados, generando principalmente bioetanol [14].
• Biohidrógeno. El proceso básicamente consiste en dividir moléculas de agua separando los iones de hidrogeno y los electrones, este proceso lo llevan a cabo las microalgas de forma biológica, las cuales tienen la capacidad de emplear la luz y por medio de la fotosíntesis generar hidrogeno como parte de su metabolismo, en un proceso denominado fotofermentación [15].
• Biogás. Este producto se genera por la descomposición de la biomasa de microalgas (pudiendo ser residual de los procesos anteriores) en condiciones anaerobias, en un reactor denominado biodigestor, obteniendo este gas compuesto principalmente por metano y dióxido de carbono [14].
• Otros productos. En la aplicación de microalgas, se sabe que éstas tienen características y componentes que pueden servir para generar productos con aplicaciones no combustibles, los cuales se resumirían en productos útiles para la nutrición humana, para la alimentación animal o acuicultura, productos farmacéuticos, cosméticos, y productos químicos [2].

• Beneficios y limitaciones

La biorrefinería de microalgas cierra el ciclo de aprovechamiento de la biomasa para generación de diferentes productos (Figura 1), identificándose un proceso respetuoso con el medio ambiente, y que colabora a mitigar los gases de efecto invernadero a partir del secuestro de carbono, así como el posible uso de residuos industriales para el cultivo de microalgas que puede disminuir la polución hídrica aprovechando los microorganismos de los efluentes como fuente de nutrientes.

El sistema productivo integrado puede aplicarse en cualquier región (urbana o rural), por lo que se ve como una adecuada alternativa para la generación de bioenergía en regiones donde el alcance al combustible tradicional es escaso; asimismo, la limitación que hasta el momento evita la instalación de plantas a partir de microalgas a gran escala es el costo de instalación y operación de la misma, debido a que las etapas de cultivo y cosecha  demandan energía, sin embargo la idea de aplicar el concepto de una biorrefinería se torna promisoria para resolver esta limitante.

CONCLUSIONES

Se puede concluir que una biorrefinería de microalgas es un sistema que integra adecuadamente el ciclo de aprovechamiento de la biomasa de este material para la producción de biocombustibles y otros productos, destacando que este sistema es respetuoso con el medio ambiente, buscando su preservación, mitigando los gases de efecto invernadero, la disminución de la polución por residuos industriales y secuestrando el dióxido de carbono del medio ambiente, a la vez que genera productos de significativo valor, sin dejar de lado las limitaciones que evitan hasta el momento la operación de una planta a escala industrial, sin embargo, una biorrefinería puede ser una alternativa acertada considerando las futuras mejoras a los procesos y optimizaciones que se vienen estudiando satisfactoriamente hasta ahora, tal como la producción de biogás a partir de biomasa de microalgas que en un futuro resultaría en un nuevo trabajo de investigación a ser desarrollado.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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3. SKJÅNES, K.; REBOURS, C.; LINDBLAD, P. Potential for green microalgae to produce hydrogen, pharmaceuticals and other high value products in acombined process. Critical Reviews in Biotechnology, Estados Unidos, v. 33, n. 2, p. 172–215, 2013.
4. AIKAWA, S.; IZUMI, Y.; MATSUDA, F.; HASUNUMA, T.; CHANG, J-S.; KONDO, A. Synergistic enhancement of glycogen production in Arthrospira platensis by optimization of light intensity and nitrate supply. Bioresource Technology, v. 108, p. 211–215, 2012.
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8. WAHAL, S.; VIAMAJALA, S. Maximizing algal growth in batch reactors using sequential change in light intensity. Appl Biochem Biotechnol, v. 161, p. 511–522, 2010.
9. IAGUA. Desarrollan un método de producción de biofertilizantes a partir de microalgas cultivadas en aguas residuales. Disponible en: <http://www.iagua.es/noticias/agricultura/13/10/29/desarrollan-un-nuevo-metodos-de-produccion-de-biofertilizantes-partir-de-microalgas-cultivadas-en->. Fecha de acceso: 16 nov. 2022.
10. ENGINES AND ENERGY CONVERSION LABORATORY. Measurement of direct nitrous oxide emissions from microalgae cultivation. Disponible en: <http://www.engr.colostate.edu/~marchese/algae-n2o.html>. Fecha de acceso: 16 nov. 2022.
11. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Diseñan nuevo fotobiorreactor que mejoraría el cultivo de microalgas. Disponible en: <https://minas.medellin.unal.edu.co/noticias/1673-disenan-nuevo-fotobiorreactor-que-mejoraria-el-cultivo-de-microalgas>. Fecha de acceso: 16 nov. 2022.
12. WILEY, P.E.; CAMPBELL, J.E.; MCKUIN B. Production of biodiesel and biogas from algae: A review of process train options. Water Environment Research, v. 83, n. 4, p. 326-338, 2011.
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VOLGUSHEVA, A.; STYRING, S.; MAMEDOV, F. Increased photosystem II stability promotes H2 production in sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, v. 110, n. 18, p. 7223-7228, 2013.