Experimental plant for energy modeling of new off-grid agrobiotechnological applications for remote locations

Project description

 

Background

Over the years, the world is facing an energy transition that is accelerating more and more. Energy prices are taking their toll on an increasing number of activities and alternatives are being sought. Renewable and residual energies can be used for different applications that until now have been used very little. The integration of energy as a way to optimize costs is sought in more and more processes. TECNOCE, S.L. has been working for more than 20 years just in this line of research

 Goal

The goal was to develop practical applications in which the use of renewable energies would be competitive. To this end, a off-grid experimental plant was built in Extremadura (Spain), located at an altitude of 700 m. Over the years we realized that working at an altitude of 700 meters allowed us to do so in a microclimate that facilitated the development of appropriate applications to promote the use of endogenous resources in mountain areas.

 

La planta primero se centró en la investigación de la energía fotovoltaica, a partir de 2.009 la energía térmica y en 2.016 las aplicaciones en invernadero de estas energías. En los últimos años, en el proyecto participan otras empresas y grupos de investigación, buscando soluciones híbridas para aplicaciones en lugares remotos. Estas aplicaciones son deshidratación, la hibridación con biogás y la fermentación. Los proyectos que se vienen ejecutando en esta planta han contado con el apoyo financiero parcial de organismos e instituciones de Extremadura, pues es una de las primeras iniciativas que en el mundo abordan de forma sistemática el desarrollo de productos destinados a lugares remotos.

Las inversiones en equipamiento obtuvieron una financiación parcial por parte de la Consejería de Economía e Infraestructuras de la Junta de Extremadura. Se colaboró también con diversos organismos autonómicos con el objetivo de establecer sinergias: Universidad de Extremadura, Fundación Universidad y Sociedad y Parque Científico y Tecnológico de Extremadura. Especial atención de prestó al desarrollo de proyectos fin de carrera y colaboraciones con post-titulados de forma que se pudiese llevar a cabo una amplia investigación inicial en los diferentes productos que deseábamos desarrollar.

Durante el desarrollo de la planta se subcontrataron con empresas especializadas acciones de diseño, de programación web y de análisis económico y financiero. El resto de las necesidades de diseño se cubrieron con medios propios.

Pronto nos dimos cuenta de la importancia que tenía diseñar métodos de montaje e instalación con máximo rigor, más aún considerando que nuestros productos están especialmente pensados para lugares remotos. La formación de nuevos profesionales pensada para tener una cantera de posibles trabajadores fue también una prioridad. Para ello se firmó acuerdo de colaboración con el área de Mecatrónica Industrial de la Escuela Virgen de Guadalupe de Badajoz. Con el objetivo de ensayar nuevos desarrollos de aplicaciones térmicas con energías renovables se construyó en la localidad de Valencia de Alcántara (Cáceres) una planta piloto totalmente funcional dotada de la última tecnología en instrumentación, automatización y control. Esta planta piloto está construida a 700 metros de altitud  no está conectada a las redes eléctricas públicas, por lo que se trata de un lugar idóneo para realizar ensayos térmicos durante los meses fríos. Una de las principales características de nuestra planta piloto es que no está conectada a las redes eléctricas públicas, sino que trabaja exclusivamente usando energía solar. El calor se obtiene mediante captadores térmicos y la alimentación eléctrica de bombas, motores y su instrumentación se consigue usando energía solar fotovoltaica. El objetivo de construir esta planta piloto fue la de disponer de un lugar donde poder ensayar el comportamiento de una instalación de generación de energía solar térmica y poder desarrollar aplicaciones prácticas en el medio rural, prescindiendo del uso de energías convencionales. La energía solar térmica es variable, y sólo está estudiada en detalle en las aplicaciones residenciales, comerciales y en menor medida industriales. Pero existe poca información sobre su utilidad en aplicaciones rurales como la calefacción de invernaderos, el secadero de productos agrícolas, el calentamiento de animales y muchas otras aplicaciones más. Trabajando en el entorno adecuado la planta pretende investigar este tipo de soluciones y demostrar su viabilidad en lugares donde no hay energía eléctrica disponible. El proyecto nos permite montar las aplicaciones desarrolladas y ponerlas a punto probando su funcionamiento real en diferentes condiciones. Exploramos en tiempo real cómo se produce el calentamiento, la forma de optimizar los circuitos, la energía térmica producida, consumida y perdida. De esta forma es luego sencillo desarrollar kits modulares que faciliten su comercialización e integración en procesos existentes.

Financiación

 La planta piloto fue construida mayoritariamente con fondos propios, con una inversión hasta el momento de unos 156.000 euros. Una parte de estos recursos (aproximadamente el 20 % se obtienen a partir de proyectos de ayuda a la I+D.

A partir de 2.019 se desarrolló otro nuevo proyecto investigando las variables del invernadero.

  

Descripción de la planta piloto

 

Proceso híbrido de gestión de la energía distribuida

El proceso híbrido que se ha desarrollado en la planta piloto permite generar simulaciones complejas en los que integramos diferentes energías para poder ejecutar aplicaciones de forma que sea factible usar en cada momento la fuente de energía adecuada y optimizar de esta forma el uso de las energías renovables. La automatización y la hibridación nos permiten gestionar procesos usando una cantidad limitada de energía y optimizar tanto los procesos como las aplicaciones, alcanzando la viabilidad económica. La planta ha sido construida pieza a pieza, sin subcontratación, se registraron todos los elementos, sus mediciones, y los tiempos empleados en el diseño, construcción, puesta en marcha, e investigaciones llevadas a cabo con cada prototipo.

Plataforma para la monitorización de variables de procesos

En 2.021, tras varios años de investigación, TECNOCE, S.O. acabó el desarrollo del código fuente, programado en software libre, que permite sensorizar en tiempo real múltiples variables de proceso de forma más competitiva que las soluciones de propietario. Esta plataforma está expresamente pensada para el análisis de las variables energéticas del proceso y especialmente para calcular indicadores de impacto.

Zonas de prototipaje

El equipamiento y aplicaciones con las que trabajamos en la planta son las siguientes: 

Zona A (2.003): Prototipaje de sistemas Off-Grid PV

Es la primera zona de investigación, que comenzó a desarrollarse en 2.003, cuando los sistemas off-grid eran de muy pequeña dimensión. Aquí se han desarrollado de forma pionera en España las técnicas de riego por goteo solar, y también la hibridación de tecnologías. Los elementos principales son:

1. Photovoltaic electric power generation system with batteries. Se dispone de una instalación fotovoltaica funcional con el objetivo de disponer siempre de energía eléctrica para procesos comunes. Se alimenta un inversor trifásico de 10 kW y 9,72 kW en paneles fotovoltaicos. Así se proporciona energía proporciona energía eléctrica a todos los sistemas.  
2. Sistema fotovoltaico sin baterías. Esta instalación está destinada al ensayo de motores y bombas trabajando directamente con energía solar sin el uso de baterías. 
   

 

 Zona B: Prototipaje de aplicaciones térmicas para aplicaciones remotas

1. Solar thermal energy system for hot water production. Se dispone de una instalación funcional forzada con la cual simulamos el proceso completo de producción, almacenamiento y consumo de calor. Esta instalación está compuesta de tres captadores solares con rendimiento industrial. La red de agua caliente tiene tres circuitos secundarios para prototipaje: invernadero, cámara de germinación y ACS.
   
2. Solar hot air jet production: Varios prototipos se construyeron para lanzar al mercado productos de generación de aire caliente totalmente renovable, varios resultaron ser un fracaso pero en algunos se ha alcanzado ya TRL8  y se han comercializado y utilizado con total satisfacción de los usuarios.
   
3. Plataforma de sensores desarrollada con software libre. TECNOCE, S.L. ha desarrollado íntegramente el código fuente de una plataforma programada 100 % en LINUX y otros programas de software libre. Esta plataforma está integrada en toda la planta piloto de forma que se obtienen mediciones en tiempo real de puntos seleccionados para obtener valores de temperatura, caudales, presiones, medición de par motor, voltaje, así como analizadores de energía. La plataforma tiene varias ventajas respecto a las soluciones habituales de propietario: a) nos permite hacer monitorización, registro, y almacenamiento en base de datos de mediciones en tiempo real, b) no usamos sistemas de propietario lo cual permite utilizar cualquier hardware o sensor y de esta forma abaratamos la monitorización masiva de datos, d) hacemos automáticamente los cálculos de las ecuaciones de la hidráulica, HVAC systems, piping systems, control pumps, rendimiento de motores, consumos eléctricos, procesos de enfriamiento y calentamiento, etc.
   
4. Analizador avanzado de redes. Se trata de un sistema que permite analizar en tiempo real todos los parámetros eléctricos de cualquiera de los circuitos presentes en la planta.
5. Sistema de gestión de cargas. Este sistema está pensado para poder ordenar la conexión y desconexión de cargas en función de los valores de variables analógicas y digitales.
6. Plataforma para el prototipaje de aplicaciones con PLCs. En la planta se dispone también de PLCs con el objetivo de desarrollar diferentes formas de actuar sobre bombas y motores en función de variables analógicas y digitales.
7. Telecontrol. Se dispone también de una unidad de telecontrol vía router industrial con el objetivo de poder actuar de manera remota sobre todos los sistemas de la planta piloto. Esto nos permite operar y supervisar desde cualquier lugar del mundo.
8. Control del movimiento: El control del movimiento de bombas y motores se realiza mediante variadores de frecuencia. Actuando sobre la frecuencia de la red que alimenta un motor podemos variar su forma de funcionamiento, incluyendo consumos y caudales para el caso de las bombas. Los variadores tienen múltiples aplicaciones.
9. Estación meteorológica con registro en tiempo real. Se dispone de una estación meteorológica avanzada con la que podemos registrar todas las variables meteorológicas del lugar en tiempo real.
10. Recinto aislado. El recinto aislado se construyó de forma que se conoce la resistencia térmica y nos permite estudiar el comportamiento del calor con diferentes temperaturas exteriores. Dispone también de tres circuitos de tubos radiantes con el objetivo de analizar el comportamiento del recinto en función de diferentes variables.
11. Analizadores de energía térmica en tiempo real. Son analizadores destinados a conocer la energía térmica que circula por el circuito primario y secundario.

Aplicaciones

En la planta piloto se investigan aplicaciones dentro de nuestro proyecto de investigación o en colaboración con organismos científicos de investigación. Para estos últimos se TECNOCE, S.L. construye los prototipos. Las aplicaciones investigadas son las siguientes:

• Aplicaciones fotovoltaicas off-grid, con y sin baterías.
• Biodigestor de 2.000 litros para producción de aire caliente y triturador de residuos.
• Producción de energía con biomasa.
• Red de agua caliente y depósitos de acumulación (1.200 litro). 
• Construcción de un fermentador con sistemas de agitación, movimiento de fluidos y
  

Las aplicaciones agrobiotecnológicas que se obtienen son las siguientes:

• Cámara frigorífica solar.
• Red de distribución de energía eléctrica trifásica.
• Deshidratador.
• Prototipo de riego solar.
• Cámara de enraizamiento.
• Fermentador.
• Sala isotérmica para investigación de aplicaciones que requieran calor.
• Circuito de agua caliente.