COMPUTATIONAL MODEL OF AN ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM BASED ON BIOGAS OBTAINED FROM CATTLE MANURE (MODELO COMPUTACIONAL DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA BASADO EN BIOGÁS OBTENIDO A PARTIR DEL ESTIERCOL DE GANADO)
Resumen
This paper proposes a model to estimate the electricity produced by biogas obtained from cattle manure. The amount of biofuel was obtained using the anaerobic digestion model No-1 (ADM1), while the electricity generation system is composed for a gas-microturbine, a synchronous generator, a rectifier/inverter, a controller and a lowpass filter. The proposed generation model was simulated using Matlab/Simulink®. The test scenario uses data from the municipality of Puerto Berrio (department of Antioquia), which is one of the regions of Colombia with the highest average livestock density (258 animals per farm). According to the simulations, a typical farm in Puerto Berrio can produce 9.3 m3/day of manure. For this waste, a 590 m3 is need, which can generate 123 m3/day of biogas with a methane concentration of almost 50%. Finally, the biogas produced during 100 days is capable of supply 2952 kWh.
Keywords: ADM1, biogas, cow manure, gas-microturbine, MATLAB/Simulink®.
Resumen
Este artículo propone un modelo para estimar la electricidad producida por biogás obtenido del estiércol de ganado. La cantidad de biocombustible se obtiene usando el modelo de digestión anaeróbica No-1 (ADM1), mientras que el sistema de generación de electricidad está compuesto por una microturbina, un generador síncrono, un rectificador/inversor, un controlador y un filtro paso-bajo. El modelo de generación propuesto se simuló usando Matlab/Simulink®. El escenario de prueba emplea datos del municipio de Puerto Berrio (departamento de Antioquia), el cual es una de las regiones de Colombia con mayor densidad promedio de ganado (258 animales por granja). Según las simulaciones, una granja típica en Puerto Berrio puede producir 9.3 m3/día de estiércol. Para este residuo, se necesita un biodigestor de 590 m3 que puede generar 123 m3/día de biogás con una concentración de metano cercana al 50%. Finalmente, el biogás producido durante 100 días es capaz de suministrar 2952 kWh.
Palabras Clave: ADM1, biogás, estiércol de vaca, MATLAB/Simulink®, microturbina de gas.
Texto completo:
1091-1110 PDFReferencias
Bank M. R., Vahidi B., & Gawlik W., (2009). An educational guide to extract the parameters of heavy duty gas turbines model in dynamic studies based on operational data. IEEE Transactions on Power Systems, 24(3), 1366–1374.
Batstone D J, Keller J., Angelidaki I., Kalyuzhnyi S. V, Pavlostathis S. G., Rozzi Vavilin. A., (2002). The IWA Anaerobic Digestion Model No 1 (ADM1). Water Science and Technology: A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 45(10), 65–73.
Batstone D J, Keller J., & Steyer J. P., (2006). A review of ADM1 extensions, applications, and analysis: 2002 – 2005. Water Science & Technology, 54(4), 1–10.
Batstone Damien J., (2006). Mathematical modelling of anaerobic reactors treating domestic wastewater: Rational criteria for model use. Reviews in Environmental Science and Biotechnology, 5(1), 57–71.
Bernard O., Hadj-sadok Z., Dochain D., Genovesi A., Steyer J., Project C., & Cedex S., (2001). Dynamical Model Development and Parameter Identification for an Anaerobic Wastewater Treatment Process. Biotechnology and Bioengineering, 75(4), 424–438.
Boe K., (2006). Online monitoring and control of the biogas process. In Environment.
Cendales E., (2011). Producción de biogás mediante la codigestión anaeróbica de la mezcla de residuos cítricos y estiércol bovino para su utilización como fuente de energía renovable. Universidad Nacional de Colombia.
Cendales E., & Jiménez S., (2014). Modelamiento computacional de la producción de energía renovable a partir del biogás mediante la codigestión anaeróbica de la mezcla de residuos cítricos y estiércol bovino. Revista EAN, (77), 42–63.
Deublein D., & Steinhauser A., (2008). Biogas from Waste and Renewable Resources. Deggendorf: WILEY-VCH.
Díaz Delgado C., (2003). Modelación matemática de plantas de tratamiento de lodos activados. In RIPDA-CYTED (Ed.), Agua potable para comunidades rurales, reuso y tratamientos avanzados de aguas residuales domésticas. (1st ed., pp. 240–255).
Donoso Bravo A., Mailier J., Martin C., Rodríguez J., Aceves Lara C. A., & Vande Wouwer A., (2011). Model selection, identification and validation in anaerobic digestion: a review. Water Research, 45(17), 5347–5364.
Farret F. A., & Simoes M. G., (2010). Biomass powered microplants. In Integration of alternative sources of energy (pp. 198–214). New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., Hoboken.
Galí A., Benabdallah T., Astals S., & Mata Alvarez J., (2009). Modified version of ADM1 model for agro-waste application. Bioresource Technology, 100(11), 2783–2790.
Gupta K. K., Rehman A., & Sarviya R. M., (2010). Bio-fuels for the gas turbine: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(9), 2946–2955.
Husain A., (1998). Mathematical Models of the Kinetics of Anaerobic Digestion-a Selected Review. Biomass and Bioenergy, 14, 561–571.
Instituto Colombiano Agropecuario, (2020). Censo Pecuario Nacional 2020. Retrieved: https://www.ica.gov.co/areas/pecuaria/servicios/epidemiologia-veterinaria/censos-2016/censo-2020/bovinos-censo-2020.aspx.
Jeppsson U., (2007). Investigation of Anaerobic Digestion Alternatives for Henriksdal’s WWTP. In Dept. of Industrial Electrical Engineering and Automation. Lund, Sweden.
Khanal S. K., (2009). Anaerobic Biotechnology for Bioenergy Production: Principles and Applications. In C. S. Jones (Ed.), Anaerobic Biotechnology for Bioenergy Production: Principles and Applications (1st ed.). https://doi.org/10.1002/9780813804545.
Lyberatos G., & Skiadas I. V., (1999). Modelling of anaerobic digestion - a review. Global NEST Journal, 1(2), 63–76. https://doi.org/10.2478/v10026-008-0011-9.
Morales L. A., Rodríguez Á. D., & Rojas H. E., (2017). Assessment of the input substrate characteristics included in the anaerobic digestion model No.1. Ingeniería, 22(2), 269–282.
Razbani O., Mirzamohammad N., & Assadi M., (2011). Literature review and road map for using biogas in internal combustion engines. Third International Conference on Applied Energy, (May), 10. Perugia, Italy.
Rodriguez A. D., & Morales L. A., (2017). Estimación del potencial eléctrico del biogás obtenido de biomasa residual bovina y porcina en zonas no-interconectadas de Colombia. Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
Rosen C., & Jeppsson U. (2008). Aspects on ADM1 Implementation within the BSM2 Framework. Technical Report, 1–37.
Siegrist H., Vogt D., Garcia Heras J. L., & Gujer W., (2002). Mathematical model for meso- and thermophilic anaerobic sewage sludge digestion. Environmental Science & Technology, 36(5), 1113–1123.
Unidad de Planeación Minero Energetica (UPME), (2003). Guía para la implementación de sistemas de producción de biogás. https://doi.org/ANC-603-19-01.
Unidad de Planeación Minero Energetica (UPME), (2014). Presentación general del proyecto UPME – BID para la promoción de las FNCER en Colombia Resumen y principales resultados. Convenio BID ATN/ FM-12825-CO, pp. 23. Bogota: Ministerio de Minas y Energía.
Weiland P., (2010). Biogas production : current state and perspectives. Appl Microbiol Biotechnol, 85, 849–860. https://doi.org/10.1007/s00253-009-2246-7.
Yu L., Wensel P. C., Ma J., & Chen S., (2013). Mathematical Modeling in Anaerobic Digestion (AD). Journal of Bioremediation & Biodegradation, s4(003), 12.
Zaher U, Buffiere P., Steyer J. P., & Chen S., (2009). A procedure to estimate proximate analysis of mixed organic wastes. Water Environment Research : A Research Publication of the Water Environment Federation, 81(April), 407–415.
Zaher U, & Chen S., (2006). Interfacing the IWA Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) With Manure and Solid Waste Characteristics. Proceedings of the Water Environment Federation, 1(1), 3162–3175. Water Environment Federation.
Zaher Usama, (2005). Modelling And Monitoring The Anaerobic Digestion Process In View Of Optimisation And Smooth Operation Of WWTP’s.
Zaher Usama, Jeppsson U., Steyer J. P., & Chen S., (2009). GISCOD: general integrated solid waste co-digestion model. Water Research, 43(10), 2717–2727. https://doi.org/10.1016/j.watres.2009.03.018.
URL de la licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/deed.es
Pistas Educativas está bajo la Licencia Creative Commons Atribución 3.0 No portada. 
TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO / INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CELAYA
Antonio García Cubas Pte #600 esq. Av. Tecnológico, Celaya, Gto. México
Tel. 461 61 17575 Ext 5450 y 5146
pistaseducativas@itcelaya.edu.mx