Título
Optimización de sistema integral de calefacción y enriquecimiento carbónico en invernaderos
Resumen
El objetivo del proyecto Carbon4Green es el desarrollo y optimización, así como la evaluación y demostración en condiciones reales, de un proceso previamente patentado de calefacción y enriquecimiento carbónico en invernaderos, utilizando los residuos vegetales producidos en la producción de hortalizas en dichos invernaderos. En España existen más de 60.000 ha de agricultura intensiva, muchas de las cuales utilizan combustibles fósiles para calefacción, siendo además sistemas con déficit de CO2 para los cultivos, por lo que en muchos casos se aporta este gas licuado para enriquecimiento carbónico. Esta gran superficie de cultivos intensivos genera enormes cantidades de biomasa que no siempre son adecuadamente gestionadas. En un anterior proyecto el grupo de investigación solicitante demostró que, con el tratamiento adecuado, era posible usar los residuos vegetales como combustible sostenible para cubrir las necesidades de calor de los cultivos. Más aún, se desarrolló un sistema de captura de CO2 de los gases de combustión generados para su posterior utilización en enriquecimiento carbónico, el cual fue patentado. Sin embargo, dicho sistema no ha sido optimizado, y su aplicación comercial requiere aún su ajuste a las condiciones reales de operación, así como su demostración a escala real. En el proyecto Carbon4Green se pretende completar las tareas de I+D+i imprescindibles para alcanzar un producto comercial. Éstas incluyen abordar aspectos fundamentales relacionados con: (1) la optimización de las condiciones de operación y materiales adsorbentes para una mayor eficiencia del proceso y (2) el desarrollo de marcos de referencia para el modelado, control y supervisión de los procesos de almacenamiento y enriquecimiento con CO2, abordando el problema de la interoperabilidad e integración con sistemas comerciales ya instalados. Para ello se realizará un análisis del proceso, a partir del cual se realizará su optimización, rediseño, modelado, desarrollo del sistema de control necesario, y finalmente su implementación y demostración en condiciones reales. En el proyecto se incluye la evaluación de los beneficios, tanto económicos como ambientales, derivados del uso de la tecnología propuesta. Para alcanzar estos objetivos se ha conformado un equipo de investigación multidisciplinar que, en colaboración con empresas del sector, esperan concluir con un proceso comercial validado, listo para transferir. Un elemento diferenciador del proyecto Carbon4Green es que parte de un proceso ya existente, singular y patentado, del que ya existen tres pilotos en operación en (i) la Estación Experimental de la Fundación Cajamar, (ii) el Instituto de Investigación y Formación Agraria y Pesquera de la Junta de Andalucía, y (iii) el centro de Ensayos y Demostraciones de Rijk Zwaan Ibérica, los cuales serán utilizados durante la investigación propuesta. Además, en el desarrollo del proyecto co-participan investigadores de estas entidades, y en los logros del mismo se han interesado numerosas empresas que han apoyado esta propuesta como la Plataforma Tecnológica del CO2, Sistemas de Calor, Hortimax, Rijk Zwaan, Fundación Cajamar y Coexphal. La propuesta es continuación de las actividades que desarrollan la Universidad de Almería y la Fundación Cajamar, las cuales poseen una considerable experiencia en proyectos de investigación, con numerosos ejemplos de éxito y transferencia al sector productivo.
Esquema del concepto
Hipótesis de partida y Objetivos
El punto de partida del proyecto es la patente (ES2514090B1) desarrollada sobre “Sistema combinado de calefacción y enriquecimiento carbónico a partir de biomasa” (Figura 5). Dicho proceso permite capturar el CO2, generado mediante la combustión de biomasa o combustibles fósiles para la calefacción de invernaderos durante la noche, y aportar dicho CO2 para enriquecimiento carbónico durante el periodo iluminado. Dicho proceso ha sido evaluado a escala piloto, y aunque resulta viable, se requiere aún su optimización, así como su adaptación a las condiciones reales de trabajo en campo, y su evaluación en condiciones reales, para poder alcanzar un producto aplicable y transferible al mercado.
Los aspectos de mejora del proceso, que se corresponden con los objetivos del proyecto propuesto, son los siguientes:
● Optimización de los materiales adsorbentes utilizados: inicialmente se utiliza un carbón activo comercial de bajo coste (1 €/kg), pero dicho material presenta una capacidad máxima de adsorción de 20 kgCO2/tnCA que debe ser optimizada. Se propone estudiar diversos materiales adsorbentes como carbones activos mejorados y zeolitas, disponibles en el mercado y susceptibles de ser utilizados en esta aplicación.
● Optimización de las condiciones de operación: la presión de trabajo es de 2 bar y una temperatura de 20ºC durante la adsorción, pero ello implica un elevado consumo de energía de hasta 1.7 MJ/kgCO2. Se pretende reducir este consumo por optimización de la presión de trabajo, así como reducción de la temperatura de operación mediante integración de sistemas de refrigeración pasivos eficientes.
● Optimización del proceso: Se parte de un diseño de partida que funciona correctamente pero que debe ser optimizado para minimizar su coste, tanto de inversión como de operación. A nivel comercial el CO2 licuado tiene un coste entre 0.2-0.3 €/kg. El sistema propuesto se estima puede tener un coste de 0.1 €/kg, aunque no se dispone de un valor fiable ya que el piloto desarrollado no ha podido ser completamente evaluado hasta ahora. El nuevo diseño debe tener en cuenta los materiales a utilizar, así como la minimización de los consumos de energía.
● Modelado, control, supervisión e integración del sistema: El proceso finalmente optimizado debe ser modelado para establecer las estrategias de control más adecuadas, no solo considerando el proceso de adsorción y desorción del carbón activo, sino la demanda de los cultivos, y en general la gestión integral de clima dentro del invernadero. Este objetivo se relaciona también con la integración de la tecnología desarrollada con sistemas comerciales de control de clima basado en tecnologías de internet de las cosas (IoT), y el desarrollo del software necesario para una gestión desasistida y optimizada del sistema, que facilite la gestión del sistema y además le sirva de soporte a la hora de la toma de decisiones basados en los estimadores desarrollados.
● Evaluación del sistema: Una vez desarrollada la tecnología se propone validarla mediante ensayos de campo y evaluar el beneficio resultante de su utilización. Se evaluará la mejora conseguida frente a la tecnología inicial, así como el beneficio ambiental y económico que supone la tecnología desarrollada para el agricultor.
Datos del Proyecto
CONVOCATORIA 2018 DE PROYECTOS I+D+i EN EL MARCO DEL PROGRAMA OPERATIVO FEDER-ANDALUCÍA 2014-2020
Duración: 2 años (Octubre 2019 – septiembre 2021)
IPs: Francisco Gabriel Acién Fernández, Jorge Antonio Sánchez Molina