PJ – CI – 14 – JA Sistema de energía alternativa para el funcionamiento eléctrico de una escuela
PJ – CI – 14 – JA Sistema de energía alternativa para el funcionamiento eléctrico de una escuela
Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
Área de participación: Ciencias de la ingeniería
Resumen
La energía eléctrica es una parte fundamental de la vida diaria ya que es necesaria para realizar actividades o para el uso de electrodomésticos sin embargo el uso de energía eléctrica tiene muchas desventajas como el costo tan elevado que conlleva producirla, generalmente, el uso de combustibles que, además, son una amenaza para el medio ambiente, por lo tanto, no solo no es alternativa económica, sino que también tiene un impacto ambiental negativo. Sin embargo existen distintas alternativas de energía como es la energía biomasa, su funcionamiento se basa a partir de la combustión de materia orgánica. La biomasa es una energía renovable que tiene distintos beneficios y ventajas ya que es sostenible, rentable y asequible, la disponibilidad de materias primas es elevada y su uso contribuye al buen aprovechamiento y la conservación de los espacios naturales, favorece a la economía circular, impulsa la creación de puestos de trabajo, reduce la dependencia de los combustibles fósiles. Con el objetivo de generar una alternativa de energía renovable construimos un generador que funciona a base de residuos orgánicos el cual genera energía biomasa para el funcionamiento de una escuela. Al construir este generador contribuimos a espacios como nuestra institución, ya que es una fuente viable debido a su bajo costo, renovabilidad y el poco mantenimiento que requiere. Por lo que concluimos que con esta forma de producir energía obtenemos más beneficios que la energía eléctrica convencional, con ello buscamos el fomento del uso de energías renovables en la sociedad.
Pregunta de Investigación
¿Cómo construir un sistema de biomasa para el funcionamiento eléctrico de una escuela?Planteamiento del Problema
En la actualidad muchas personas han tenido como principal fuente de energía la quema de combustibles fósiles, y al pasar los años se ha tenido como único pensamiento que esta fuente de energía es la única capaz de tener un funcionamiento eléctrico estable.
Sin embargo existen otro tipo de alternativas más eficaces y económicas que nos brindan oportunidades para reutilizar los desechos orgánicos y a partir de esto generar energías alternativas como lo es la biomasa residual.
La biomasa es la energía generada a partir de la transformación de los desechos orgánicos; mediante su quema se aprovecha el vapor que se obtiene, ya que esté hará girar a las hélices del prototipo del generador para producir energía.
La implementación en el incremento del uso de energías alternativas en establecimientos como lo són escuelas, obtendremos beneficios no tan solo económicos, también obtendremos una fuente eléctrica renovable que reduce la contaminación de manera significativa.
Antecedentes
¿Qué es biomasa?
La biomasa es la unidad de materia orgánica que se utiliza como fuente de energía. Esta materia puede ser proveniente de animales o de plantas, incluyendo residuos orgánicos.
La biomasa es más económica que los tipos convencionales de energía, que se producen a partir de combustibles fósiles. Además, es una fuente de energía renovable, más segura y más limpia que los combustibles tradicionales ya que por su forma de combustión emite menos gases dañinos al medio ambiente.
La biomasa suele utilizarse para la calefacción de espacios cerrados, para calentar agua o para generar electricidad o calor. Se usa tanto en el ámbito doméstico como en el industrial. Además, actualmente a partir de la biomasa se pueden producir biocombustibles, como el bioetanol o biobutanol.
¿Cuáles son sus ventajas y desventajas?
Ventajas
Las ventajas de utilizar la biomasa como fuente de energía:
- Se trata de una fuente de energía renovable.
- Ayuda a reducir volúmenes de residuos, con el beneficio extra de darles un uso.
- Se encuentra en grandes cantidades.
- No significa un impacto mayor al efecto invernadero, puesto que cuando se utiliza como combustible provoca menor emisión de gases dañinos para el medio ambiente.
- Es bastante económica.
- Puede beneficiar económicamente a los sectores rurales.
Desventajas
Las desventajas de utilizar la biomasa como fuente de energía:
- Su alcance aún es acotado.
- Su rendimiento es menor al de otros tipos de fuentes de energía como los combustibles fósiles.
- Se requiere de grandes terrenos disponibles para su producción y para su posterior almacenamiento.
- Puede poner en riesgo zonas forestales.
- Sus canales de distribución no tienen el desarrollo suficiente.
- Puede encarecer el precio de algunos alimentos que consumen las personas y los animales porque se destinan ciertos cultivos para la producción de esta fuente de energía.
- Su densidad energética es menor a la de los combustibles fósiles.
Materiales que son utilizados para producir biomasa:
- Restos de aceite en el ámbito doméstico
- Excrementos de rumiantes
- Mosto vinícola
- Aserrín
- Caña de azúcar
- Cereales como sorgo, maíz, trigo o cebada
- Residuos de poda
- Ramas
- Remolacha
- Leña
- Restos de comida
- Cáscaras
- Carozos de aceituna
La formación de la biomasa se da a partir de la energía solar,la cual se lleva a cabo por el proceso dominado por la fotosíntesis.Mediante la fotosíntesis las plantas que contienen clorofila,transforman el dióxido de carbono (CO2) y el agua de productos minerales sin valor energético, en materiales orgánicos con alto contenido de energético que a su vez sirven de alimento para otros seres vivos . Mediante este proceso se almacena la energía solar en forma de biomasa .
La energía almacenada en el proceso fotosintético puede ser posteriormente transformada en energía térmica, eléctrica o carburantes de origen vegetal.
Desde otro punto de vista del aprovechamiento la energía biomasa se ve baja en el contenido de carbono , un elevado contenido de oxígeno y compuestos volátiles.
Desde el punto de vista ambiental , el aprovechamiento energético de la biomasa no contribuye el aumento de los gases de efecto invernadero,dado que el balance global, de las emisiones de CO2 a hacia la atmosfera es normal.Al contrario de los combustibles fosiles , el carbono que libera la atmosfera es el que esta fijo a la tierra desde hace millones de años.
Tipos de Biomasa
Existen muchos tipos pero los más comunes son de origen natural,residual o producida, los principales combustibles para la biomasa son leña,astillas,y cáscaras de frutos
¿Cómo convertir la biomasa en energía?
Hay dos métodos principales para poder lograr convertir la biomasa en energía aprovechable termoquímico y químicos.
El primero es el calor, para generar energía a través de la combustión, pirólisis ,gasificación y combustión.
En el segundo se utilizan diferentes microorganismos que degradan las moléculas en proceso como la fermentación alcohólica de esta forma, a partir de materia orgánica se generan biocombustibles secundarios con distintas aplicaciones.
La biomasa gana terreno y lo hace , entre otras cosas,porque se puede emplear como fuente alternativa de energía limpia.A quello hay que sumar otros aspectos como la subida del petróleo. el crecimiento de la producción agrícola, el cambio climático,el aumento de preparación técnica y el conocimiento científico en la investigación de renovables y aterrizar en un escenario económico propicio para la explotación de plantas biomasa.
La biomasa es la energía que se puede obtener de los compuestos orgánicos formados en procesos naturales. Es lo que comúnmente se denomina biomasa.La energía de la biomasa se puede conseguir fundamentalmente.
Estableciendo determinados cultivos vegetales que puedan transformarse posteriormente en energía (biomasa cosechable).
- Aprovechando residuos forestales, agrícolas y domésticos, transformándolos en combustible (biomasa residual).
- Transformando química o biológicamente ciertas especies vegetales para convertirlas también en combustible (metanol y etanol).
La biomasa es la energía que se puede obtener de los compuestos orgánicos formados en procesos naturales.
La principal aplicación de la biomasa cosechable es la producción de calor en un proceso de combustión. Para este fin se suelen utilizar plantas de tipo herbáceo y leñoso, obtenidas en ecosistemas naturales, o en cultivos destinados a este fin (agroenergética). En la actualidad se trabaja en este tipo de cultivos, pudiendo ser en el futuro la biomasa cosechable la fuente más importante de biomasa para fines energéticos.
La principal aplicación de la biomasa cosechable es la producción de calor en un proceso de combustión. Para este fin se suelen utilizar plantas de tipo herbáceo y leñoso, obtenidas en ecosistemas naturales, o en cultivos destinados a este fin (agroenergética). En la actualidad se trabaja en este tipo de cultivos, pudiendo ser en el futuro la biomasa cosechable la fuente más importante de biomasa para fines energéticos.
La biomasa residual también ofrece en principio grandes perspectivas en cuanto a su aprovechamiento energético. En este grupo se incluyen los residuos forestales, agrícolas y ganaderos, así como los producidos en los núcleos urbanos (residuos sólidos y aguas residuales principalmente). Estas perspectivas quedan limitadas debido a la contaminación que se produce al eliminar estos residuos y que en ocasiones no compensa los beneficios de la energía que se puede generar, por lo que este tipo de biomasa se utiliza sobre todo en instalaciones que aprovechan sus propios residuos, como en granjas, depuradoras urbanas, o industrias forestales, lugares en los que, además de obtener energía, se ahorran los costes de eliminación de residuos
.Otro gran apartado de recursos energéticos obtenidos de la biomasa lo constituyen los biocombustibles líquidos obtenidos a partir de los aceites vegetales, destinados a sustituir al gasóleo en los motores diésel, o el bioetanol, obtenido por fermentación de la biomasa dirigido a los motores que utilizan la gasolina como combustible. Estos biocarburantes pueden ser utilizados solos o mezclados en los motores de combustión interna pudiendo llegar a ser un puente de transición entre una época dominada por los combustibles de origen fósil y otra potencialmente abierta a la utilización de la biomasa.
La energía de biomasa (bioenergía) puede ser generada tanto en el ámbito doméstico, mediante una caldera, como a gran escala en una nave industrial. De forma masiva, existen principalmente dos métodos para transformar la biomasa en energía:
Métodos termoquímicos
Consiste en la transformación de la biomasa a través del calor. Para llevar a cabo este método, los materiales que funcionan mejor son los menos húmedos: paja, madera, cáscaras de frutos secos, etc. Asimismo, dentro de esta clasificación, encontramos las siguientes técnicas para extraer energía biomasa:
- Combustión: la biomasa se quema a una temperatura entre 600 y 1.300ºC con mucho aire. De este método, salen gases calientes para producir calor y electricidad.
- Gasificación: se produce una combustión entre 700 y 1.500ºC con aire (gasógeno) u oxígeno (gas de síntesis) que da lugar a diferentes elementos químicos en cantidades diferentes. El gas de síntesis se transforma en combustibles químicos, como el metanol o la gasolina.
Métodos bioquímicos
Se realizan usando diferentes microorganismos que se encargan de degradar las moléculas. Los materiales utilizados son los de mayor contenido en humedad: residuos orgánicos municipales o ganaderos. Las principales técnicas que se emplean son:
- Fermentación metánica: consiste en la digestión sin oxígeno de la biomasa, en la que la materia orgánica se fermenta, dando como resultado el biogás.
- Fermentación alcohólica: se fermentan los hidratos de carbono que están de forma natural en las plantas. Su resultado es el etanol, que se puede usar para la industria.
Ventajas e inconvenientes de la biomasa
La energía de biomasa presenta amplias ventajas, sobre todo, para el cuidado del medio ambiente. En primer lugar, es una fuente de energía renovable y abundante, ya que siempre hay madera, residuos o basura orgánica. A su vez, es poco contaminante y reduce la dependencia de los combustibles fósiles, con lo cual ayuda a reducir los efectos del cambio climático y mejorar la calidad del aire.
Además, su precio resulta más económico respecto al petróleo o el carbón, crea empleo en zonas rurales, contribuye a la limpieza de montes y, al contrario de lo que se suele pensar, los últimos avances lo han convertido en una fuente de energía de rendimiento muy elevado.
Por otro lado, la biomasa presenta una serie de inconvenientes. Para empezar, la quema de residuos genera cenizas, un hecho que incrementa los costes operacionales. En segundo lugar, la biomasa ocupa mucho espacio, con lo cual se precisa una zona de almacenamiento. No obstante, la principal desventaja de esta fuente de energía es el hecho de que tiene un volumen limitado, con lo cual, como indica Adair Turner, el presidente de la Comisión de Transiciones Energéticas, “su uso debería restringirse a sectores prioritarios donde no existen opciones alternativas de descarbonización”.
Sin embargo, es un hecho que la biomasa contribuye a la necesaria transición verde que el planeta necesita. De hecho, un informe de la Agencia Internacional de Energía declara que las energías renovables tendrán un crecimiento muy rápido, sobre todo, en el sector eléctrico, proporcionando casi el 40% de la demanda de energía en 2023.
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La biomasa fue la fuente de energía más utilizada por la humanidad hasta la Revolución Industrial, cuando fue sustituyéndolo por el uso de combustibles fósiles. Actualmente, es considerada una de las posibles alternativas energéticas frente a la inminente crisis petrolera.
En México cada año se genera una gran cantidad de desechos orgánicos urbanos, industriales, agrícolas, ganaderos y forestales que podrían ser aprovechados para ayudar a solventar las necesidades energéticas, tanto de combustibles como de electricidad, del país.
Se considera como fuentes productoras de biomasa:
- Subproductos agrícolas, que son los residuos de la cosecha como: rastrojos de maíz, trigo, sorgo, cebada, así como pencas de agave, hojas y punta de corte en verde y cáscara y fibra de coco.
- Subproductos agroindustriales, hace referencia a residuos como: cascarilla de café cereza, bagazo de maguey, orujo de uva y cáscaras de maíz y trigo.
- Subproductos forestales: a) residuos del bosque como son madera en forma de ramas, puntas de árboles, trozas y árboles desperdiciados que quedan al hacer el marcaje, el derribo y la extracción forestal; b) residuos de la industria forestal como aserrín, recortes y costeras que se desechan en los aserraderos.
El uso de bioetanol beneficiaría en la reducción de al menos 35 por ciento de emisiones de CO2 con respecto a los valores de referencia del combustible fósil a sustituir.
Por otra parte, los productores agrícolas pueden participar en el sector energético incentivando los cultivos bioenergéticos sin sustituir la superficie ocupada por cultivos prioritarios para la alimentación.
Objetivo
Construir un sistema de energía de biomasa residual para el funcionamiento eléctrico de una escuela.
Justificación
Hoy en día el uso de energía como la que es producida a partir de combustibles fósiles ha dejado de lado el incremento de energías alternativas, para el uso doméstico,como funcionamiento eléctrico u hogares, planteles,edificios,etc.
A partir de esto investigamos en varias fuentes de consulta, y descubrimos que la biomasa es otra fuente de energía que no está tan utilizada en la actualidad.
Algunas de las ventajas del uso de esta energía alternativa son, que es una energía renovable, su contaminación en comparación con la quema de combustibles fósiles es menor, existe una gran variedad de tipos de biomasa y su uso, disminuye la dependencia a los combustibles fósiles.
Basándonos en estos hechos, la importancia del incremento de energías renovables en actividades tiene un alto impacto sin embargo la biomasa tiene desventajas porque no es una energía limpia,pero la combustión que este produce tiene un impacto en el ecosistema.
Hipótesis
Si logramos construir un sistema de energía de biomasa residual para el funcionamiento eléctrico de una escuela. Por lo tanto obtendremos una fuente de energía alternativa.
Método (materiales y procedimiento)
Materiales
- 2 latas de pintura (galón)
- 1 malla de metal de 4 2/3 pulgadas x 9 1/3 pulgadas (12 cm x 24 cm)
- 2 tubos de cobre de serie 8 (15-20) cm de largo
- Carbón
- 1 tubo de plástico con corchos
- 1 Manguera
- 1 abrazadera sin fin
- 1 tubo de cobre de 6 pulgadas
- 1 caja de conexiones
- 1 abrazadera de cable eléctrico
- 1 rehilete de 16 cm de largo
- 1 varilla de clavija de (1.5cm)
- 1 litro de agua
- Desechos orgánicos (cáscaras de alimentos)
- Maqueta de escuela
- Generador
Procedimiento
- Cortar un agujero rectangular de 6 pulgadas x 2 pulgadas ( 15.2 cm x 5.1 cm) cerca de la base de la lata de pintura.
- Cortar una pieza de malla de metal dobla 2 1/3 pulgadas (5.9cm) en cada extremo del lado 4 2/4 pulgadas ( 12 cm) hacia abajo formando un ángulo de 90° grados debería de quedar una “plataforma ” cuadrada de 4 2/3, colocar la malla dentro de la lata de pintura.
- Hacer un medio círculo de agujeros en el perímetro de la tapa.
- Hacer una bobina a partir de tubos de cobre blando, envolver el tubo de PVC en cinco bobinas de 5 pulgadas (13 cm) de diámetro.
- Pasar ambos extremos de la bobina a través de los orificios de ventilación de la tapa.
- Colocar la bobina y el carbón en la lata de pintura.
- Taladrar agujeros en la segunda lata de pintura la más pequeña, en el centro de la tapa de pintura un orificio de 2/5 pulgadas (1,0 cm), en el lado de la lata taladrar dos agujeros de 2/5 pulgadas (1.0 cm), uno cerca de la base y otro por encima de ella, cerca de la tapa.
- Insertar los tubos de plástico con corcho en los agujeros del lado de la lata, colocar las abrazaderas alrededor de los tubos de plástico con corcho para que se ajusten a la manguera
- Poner arriba de la lata más grande la pequeña, colocar el tubo con corcho mirando hacia fuera de los orificios de ventilación de la lata de abajo, utilizar cinta de aislar para asegurar el tubo.
- Insertar unos tubos de cobre de 1.27 cm de diámetro y 15 cm de largo, a una caja de conexiones, poner una abrazadera del cable eléctrico
- Insertar un pincho en la varilla de la clavija esto se utilizará como el pistón.
- Retirar el conjunto de caja de conexiones de la lata pequeña llenar la lata de agua permitiendo esto que llene la bobina.
- Colocar los desechos orgánicos en el espacio cerrado por una malla en la parte inferior del motor, para que al ser quemados produzcan humo.
- Conectar la máquina de humo al generador que está conectado al sistema de cableado de la maqueta de la escuela.
Galería Método
Resultados
Con los materiales indicados obtuvimos una máquina de energía de 35 cm de largo y 15 cm de ancho que proporciona energía a una maqueta de 35 cm de largo y 18 cm de ancho. De manera general algunos comentarios fueron que si es posible utilizar otras fuentes de energía alternativa como principal fuente de electricidad en establecimientos como una escuela.
Con un costo aproximado de $32,000 MXN siendo un alternativa viable debido a su bajo costo y a que esta fuente no requiere mantenimiento, disponibilidad y asequibilidad de los materiales orgánicos.
Galería Resultados
Discusión
La biomasa es una energía renovable que tiene distintos beneficios y ventajas ya que es sostenible, la disponibilidad de materias primas es elevada y su uso contribuye al buen aprovechamiento y la conservación de los espacios naturales, favorece a la economía circular, impulsa la creación de puestos de trabajo, reduce la dependencia de los combustibles fósiles. Para asi lograr nuestro objetivo de generar una alternativa de energía renovable nosotros decidimos realizar un generador que funciona a base de residuos orgánicos.
Conclusiones
El uso de energías alternativas con el principal objetivo de obtener nuevas fuentes de electricidad para el uso cotidiano, es necesario, ya que las energías renovables tienen menor impacto en el ambiente, que además sustituyen la obtención de petróleos contaminantes que tienen un impacto ecológico negativo.
Bibliografía
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PJ – CI – 14 – JA Sistema de energía alternativa para el funcionamiento eléctrico de una escuela
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Summary
The electric energy is a fundamental part of daily life since is necessary to do activities or the electrodomestic uses however the use of the electric energy has a lot of disadvantages as the high cost involved in producing it, generally,the use of the fuels that in addition they are a threat to the environment, therefore, the high cost is not only economic, but also environmental, but there are different alternatives of energy as well as the biomass energy, the form it works it is based on the organic combustion of matter. The biomass is a renewable energy that has different benefits and advantages since is sustainable, affordable and effective, the disponibility of primary materials is high, and their use contributes to the good use and conservation of the natural areas, favors the circular economic, impulse the creation of jobs, reduce the dependence of fossil fuels.To reach our objective of generate an alternative of the renewable energy, we decided to do a generator that works based on organic waste, which generate biomass energy to use it on a school, we wanted to create this generator especially to the people that use it daily or in excess the electric energy contribute to the economy and find another form to produce energy with an economical way and has more benefits than the electric energy that today it is used normally, with this we are looking for the fomenting of the use of the renewable energy on the society to get economic and environmental benefit.
Research Question
Problem approach
Background
Objective
Justification
Hypothesis
Method (materials and procedure)
Method Gallery
Results
Results Gallery
Discussion
Conclusions
Bibliography
