APLICACIÓN DE MICROCONTROLADORES PARA CONTROL DE

PARÁMETROS DE PRODUCCIÓN EN PROTOTIPO DE BIODIGESTO R ANAERÓBICO

Pellisero, Mario 1,a; Ferré, Néstor2,a; Gallo, Federico2,3,a; Aguirre, Antonella 4; Alberti,

Micaela4; Dinova, Federico4 ; Perticaro, Lucia4 ; Castileon, Leidy4; Soley, Federico4 ; Furlanetto, Jonatan4.

a Unidad de Investigación y Desarrollo de las Ingenierías, U.T.N. – F.R.B.A., Av. Medrano 951, CABA.

Tel. 054 1123356625- e-mail: jonathanfurlanetto@outlook.com

Recibido 12/08/19, aceptado 21/10/19

RESUMEN: El siguiente trabajo desarrolla la aplicación de un sistema embebido en un prototipo de biodigestor anaeróbico perteneciente a los laboratorios de ingeniería mecánica, enmarcado dentro del proyecto de investigación y desarrollo “Sistemas mecánicos para Biodigestores rurales y aprovechamiento del biogás”. El objetivo es la implementación de un microcontrolador Arduino Due y un sistema de regulación de temperatura para estudiar los parámetros óptimos del proceso de fermentación del sustrato dentro del biodigestor. El sistema se diseñó para permitir el monitoreo de forma continua, comunicando los parámetros de funcionamiento mediante internet, de forma de controlar de forma remota la actividad del prototipo. Se logró una implementación exitosa que permitió la adquisición de datos para el desarrollo del proyecto de investigación. Palabras clave: Biodigestión, Microcontroladores, Energías Renovables. INTRODUCCIÓN El agotamiento de los combustibles fósiles, la mitigación del cambio climático y la creciente importancia del cuidado del medio ambiente han sentado las bases para el desarrollo de un mercado de energías renovables en todo el mundo, y el comienzo del mismo en Argentina. El avance científico-tecnológico ha permitido el desarrollo de nuevos sistemas para su uso en energías alternativas (Pellisero et al., 2018). Esta problemática impulsó el estudio sobre prácticas de fuentes de energía que reemplacen los habituales combustibles derivados del petróleo. Entre los recursos energéticos renovables, se cuenta con una fuente de energía explotada durante las penurias económicas y energéticas producidas durante y después de la última guerra mundial. Se trata del gas del estiércol, gas de los pantanos o gas de granja, producido por fermentación del estiércol de animales, y de residuos agrícolas en general. Por su origen biológico se lo conoce mundialmente como biogás, que es una mezcla de gases, conteniendo metano (50 a 70%), anhídrido carbónico (30 a 45%), hidrógeno (1 a 3%), oxígeno (0,5 a 1%), gases diversos (1 a 5%) y vestigios de anhídrido sulfuroso (Lockett, 1997). El proceso de fermentación anaeróbica que produce el biogás produce también una mezcla residual que es un rico fertilizante orgánico de mayor calidad y contenido de nitrógeno que el estiércol fresco y que puede ser utilizado para formar un compost con residuos vegetales o ser distribuido sobre los

1 Director PID 2 Docente Investigador 3 Doctorando CONICET 4Alumno Investigador

ASADES Acta de la XLII Reunión de Trabajo de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente

Vol. 7, pp. 06.01-06.09, 2019. Impreso en la Argentina. ISBN 978-987-29873-1-2

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campos como fertilizante de considerable valor. El biogás y el abono residual de la operación se han convertido en una fuente ideal de energía para las naciones con poblaciones rurales numerosas sin medios económicos y prácticos para disponer de energía convencional. Es así como ha tomado un gran impulso sobre todo en Asia, en países como China y la India, donde ya hay cerca de 500.000 plantas del tipo familiar instaladas y funcionando a pleno (Nitsch y Rettich, 1993). El biogás obtenido se combustiona con el objetivo de generar energía para ser aprovechada por las poblaciones rurales, el CO2 resultante de esta combustión es 20 veces menos contaminante que el CH4 generado en la descomposición de la materia orgánica El presente trabajo consiste en la aplicación de la implementación de un microcontrolador Arduino Due a fin de estudiar los parámetros óptimos del proceso de fermentación del sustrato dentro del biodigestor y realizar un seguimiento de forma remota mediante la conectividad por internet. MATERIALES Y MÉTODOS Evaluación inicial El prototipo de biodigestor utilizado en el presente trabajo (denominado N2) consiste en un recipiente cilíndrico de 120 litros de capacidad, en cuyo interior se almacena la mezcla de sustrato en condiciones de ausencia de oxígeno. El mismo se puede observar a continuación en la Figura 1. Mediante una válvula se permite la salida del biogás obtenido por fermentación bacteriana, que se almacena luego de ser filtrado.

Figura 1: Estado inicial del prototipo N2.

El recipiente posee en su interior una serpentina de aluminio de 8 metros de longitud, con forma de helicoide en su desarrollo. La entrada y salida del fluido se realiza por el mismo lateral del recipiente, el mismo donde se encuentra el orificio de carga de sustrato. El objetivo de este trabajo es utilizar esta serpentina como intercambiador de calor, por donde circulará el fluido de intercambio de calor, en este caso mediante la circulación de agua forzada por una bomba para calefaccionar el sustrato y optimizar la producción.

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Características técnicas Los rangos óptimos de temperatura de trabajo son entre 20 y 60 ºC, (Lockett, 1997)obteniendo un máximo de producción en el rango mesofílico de trabajo de las bacterias, que se encuentra entre los 30 y 50 ºC. Como precaución se opta trabajar entre los 40 y 45 ºC para obtener una elevada producción de biogás y a la vez evitar trabajar en temperaturas superiores donde se encuentra el límite tolerable de las bacterias. Otros parámetros necesarios para optimizar la producción de biogás son: 1. pH alrededor de 7. 2. Ausencia de oxígeno. 3. Gran nivel de humedad mezcla composición de sustrato en 50% materia seca y 50% agua. 4. Removedor interno. 5. Alimentación constante. 6. Ausencia de inhibidores de la acción bacteriana (por ejemplo, cobre). Los parámetros 2, 4 y 6 vienen determinados por la configuración del equipo construido. En futuras intervenciones se trabajará al respecto para mejorar su performance. En la actualidad, el equipo opera de forma anaeróbica, aislado del oxígeno del aire exterior. Se verificó la ausencia de inhibidores al seleccionar los materiales de construcción del equipo (por ejemplo, se tomó el recaudo de que la serpentina de intercambio de calor sea de aluminio y no de bronce que es bactericida). Por otro lado, el equipo no cuenta con agitación interna, y los tiempos de retención hidráulica en la operación tienden a ser largos, siendo la carga y descarga a criterio de los investigadores. Su carga se realiza de forma lateral, y el sustrato utilizado es estiércol bovino originado en campos de la provincia de Buenos Aires. Mejoras propuestas • Diseñar e implementar el sistema eléctrico de potencia, con las medidas de seguridad

correspondientes Se colocarán elementos de protección (termomagnética y disyuntor automático diferencial). Además, se realizará el esquema eléctrico correspondiente.

• Diseñar y construir el sistema de calentamiento interno por circulación de fluido de intercambio. En este caso se optará por agua y se almacenará y calentará en un recipiente a diseñar.

• Aplicar un sistema embebido basado en un microcontrolador SAM3X/A para realizar el control de la temperatura interna del biodigestor, y del recipiente donde se calienta el agua de circulación. También deberá controlar el sistema de potencia de la bomba de recirculación y la resistencia.

• Controlar el sistema para evitar imprevistos, mediante un sensor de nivel y almacenamiento mediante memorias SD

• Construir las curvas de calentamiento y enfriamiento del sistema. PLAN DE TRABAJO Instalación del circuito de calentamiento Para lograr el objetivo del presente trabajo, se comenzó con la adecuación mecánica del prototipo de biodigestor. Se utilizó una conservadora portátil (ver figura 2) como reservorio de agua en la cual se aloja una resistencia eléctrica. El recipiente se encuentra conectado mediante mangueras a la serpentina colocada en el interior del recinto y a la bomba de circulación (ver figura 3). Dentro del recipiente de almacenamiento de aguase colocó convenientemente la resistencia eléctrica solidaria a las paredes mediante una brida roscada. Se procedió a sellar todas las uniones para evitar pérdidas de fluido.También se ubicó el sensor de temperatura asegurándose que no quede sobre la resistencia para no obtener lecturas erróneas. Se instalaron llaves de paso en las conexiones de entrada y salida de la manguera para poder cerrarlas evitando perder el cebado de la bomba.

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Figura 2: Recipiente de almacenamiento de agua.

Figura 3: Bomba y mangueras de conexión.

Instalación eléctrica Para adecuarse con la normativa de seguridad de laboratorio, se planificó la instalación de los siguientes elementos: - Interruptor termomagnético bipolar 2x10A - Interruptor automático diferencial (30mA, 25A) Los mismos se colocaron dentro de un tablero plástico de 16 módulos y este se anexó a la estructura empleando tornillos.Para el cableado de la resistencia, se empleó cable de 1,5 mm2 ya que la misma tiene un consumo de 900W, así mismo se utilizó el mismo cable para conectar la bomba de agua. Al ser un tramo corto de cable, no se procedió a verificar el cálculo por caída de tensión en los conductores.Para alimentar la parte electrónica, se instaló una fuente de alimentación de 5Vcc 2A, también colocada en el tablero plástico.

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Instalación electrónica Los elementos utilizados en esta etapa fueron: - Arduino DUE rev. 3 - Shield Ethernet W5100 (con lector de SD) - Sensores de temperatura DS18B20 (OneWire) - Placa de relay (4 módulos) - Sensor de nivel - Pantalla 16x4 (I2C) Los mismos se pueden observar en la figura 4, donde se grafica un esquema del conexionado indicando la correcta conexión de los cables. Los sensores de temperatura utilizados contienen la tecnología OneWire, lo que permite colocar diversos sensores en el mismo pin y luego seleccionarlos y leerlos empleando su número de índice o dirección. Los mismos poseen un error de lectura de 5% según especifica el fabricante. Conexionado El conexionado se realizará de la siguiente manera: - Cables DQ de los sensores OneWire, conectados al pin 50. - Cables negativos de los sensores OneWire, conectado a GND. - Cables positivos de los sensores OneWire, conectado a Vcc (3,3V). - SCL Y SDA del display 16x2, conectado a pines 21 y 20. - Cable GND del display 16x2, conectado a GND. - Cable Vcc del display 16x2, conectado a Vcc (5V). - Cable relay resistencia, conectado al pin 11. - Cable relay bomba, conectado al pin 10. - Alimentación GND placa relay, conectado a GND. - Alimentación Vcc placa relay, conectado a Vcc (5V).

Figura 4 Esquema de la instalación electrónica.

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Programación En la programación procedemos a utilizar teoría de máquina de estados que consiste en una abstracción computacional que describe el comportamiento de un sistema reactivo mediante un número determinado de estados y de transiciones entre dichos estados. Las transiciones de un estado a otro se generan en respuesta a eventos de entrada externos e internos; a su vez estas transiciones y/o subsecuentes estados pueden generar otros eventos de salida. Definiendo los siguientes estados para trabajar en el proyecto: 1. Circulación y Calefacción: Se encuentran encendidas la bomba y la resistencia 2. Circulación: Se encuentra encendida la bomba y apagada la resistencia 3. Calefacción Externa: Se encuentra energizada la resistencia y apagada la bomba 4. Apagado: Ambos elementos se encuentran desconectados. El sistema está en régimen Los parámetros de temperatura interna y externa en los cuales se activan la resistencia y bomba son fácilmente intercambiables en la programación a fin de poder estudiar con facilidad el proceso de generación de biogás. IOT (INTERNET OF THINGS) Con fines de estudio, se procedió a instalar de forma provisoria un sistema que permita conectar el equipo a la red de internet a fin de monitorear los parámetros de producción. Para poder incluir el concepto IoT, empleamos la siguiente página web que nos facilita la interfaz gráfica: www.mydevices.com (último ingreso 21/10/2019). Empleando esta herramienta hemos adaptado nuestro software para que sea compatible con dicha interfaz. A continuación, se adjuntan las vistas previas de la información online en la figura 5. Cabe destacar que también se puede acceder desde cualquier teléfono móvil (Android o iOS) instalando la App o ingresando desde el navegador. Esto facilita en gran medida el control y seguimiento del prototipo N2.

Figura 5: Vista de la interfaz Cayenne en PC.

RESULTADOS Debido a las dificultades que presenta la dependencia de una red wifi para realizar el monitoreo de los datos, se optó por dotar al equipo de un módulo externo que permita almacenar de forma continua la información de temperaturas interna, externa y estado de la programación en una tarjeta SD. De esta

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forma, se pueden recopilar los datos para compilarlos y construir las curvas de funcionamiento del equipo. Se anexa a continuación la curva de calentamiento obtenida a partir del prototipo N2 lleno con carga de sustrato al 60%, de una temperatura de 22ºC. El registro de los datos se obtiene en una tarjeta SD. En dicha tarjeta yace una planilla de Excel donde se detallan los siguientes datos expresados en columnas: • Dia • Mes • Año • Hora • Minutos • Segundos • Temperatura Interna • Temperatura Externa • Estado numérico del sistema Para facilitar la visualización de los datos y el seguimiento de la operación in situ, se instaló en un display en la caja que contiene los componentes electrónicos (ver figura 6). En el mismo se puede observar los datos mencionados.

Figura 6: detalle del display y caja de electrónica.

Estos datos pueden ser procesados para estudiar el tiempo de puesta en régimen del equipo, el consumo eléctrico y demás variables de interés para el proyecto. Una vez instalado el sistema embebido y verificado su correcto funcionamiento, se procede a hacer entrar en régimen de funcionamiento el biodigestor. A continuación, se grafican las temperaturas interna y externa de N2 hasta alcanzar el estado 4.

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Figura 7:Curva de calentamiento del sistema.

Como se puede observar el tiempo de entrada en régimen hasta llegar a los 40ºC es de aproximadamente 40 minutos. Esto cumple con las expectativas deseadas al determinar la resistencia para la calefacción del fluido de intercambio. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO Hemos logrado instalar exitosamente un sistema embebido para efectuar el control de los parámetros de producción de un biodigestor, aplicando IOT. El sistema entra en régimen de forma rápida y precisa a la hora de mantener los rangos de temperaturas requeridos. Dentro de las medidas de seguridad establecidas, se determinó que esta programación implementada funcione siempre que el sensor de nivel de agua del recipiente posea el agua suficiente, evitando problemas de sobrecalentamiento y cavitación de la bomba.

Como trabajo futuro se plantean las siguientes mejoras:

• Instalación de agitación interna. • Mejoras en el almacenamiento del biogás. • Mejoras en los filtros. • Mejora en mecanismo de carga de sustrato. • Medición de nivel de CO2 en el biogás producido. • Medición de PH del sustrato. Podemos concluir que el prototipo funciona de forma exitosa, teniendo las herramientas necesarias para efectuar la medición de los datos y parámetros requeridos para llevar adelante el proyecto de investigación. Su uso, si bien fue pensado para investigación, permite ser escalado y reproducido para realizar una producción de biogás de nivel industrial. Se espera a futuro realizar nuevos prototipos e instalaciones para continuar la investigación.

Figura 8: Biodigestor terminado.

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REFERENCIAS

Barra, O. A. y Szockolay, S. V. (1988) Basic CourseofRenewable Energy Sources, ItalianMinistryofForeignAffairs, Rome, Italy. p.p. 20-31

Ing. Pellisero, Mario, Ing. Ferré, Néstor, Ing. Gallo, Federico (2018) Sistemas mecánicos para Biodigestores rurales y aprovechamiento del biogas. IV Congreso Argentino de Ingeniería. Córdoba, Argentina

Lockett, W. (1997). Digestores de gas metano para obtener combustibles. The New Alchemy Institute West, 45-59.

Nitsch, J. y Rettich, S. (1993) Biogas, Nutzungsmoglichkeiten fur Baden-Wurttemberg.Stuttgart, Deutschland, 20-31

APPLICATION OF MICROCONTROLLERS TO CONTROL PRODUCTI ON PARAMETERS IN PROTOTYPE OF ANAEROBIC BIODIGESTER

ABSTRACT : The following work develops the application of a system embedded in a prototype of anaerobic biodigester belonging to mechanical engineering laboratories, framed within the research and development project "Mechanical systems for rural bio digesters and biogas use". This research is based on the mechanical development of technologically advanced systems to solve problems related to the homogenization of substrates in bio digesters, the maintenance of temperature within certain ranges for mesophilic transformations, and application of various types of control to ensure the proper functioning of the system, in order to increase efficiency in the generation of biogas. Once the optimal parameters of the substrate fermentation process within the biodigester were determined, the necessary variables to be electronically controlled were established. Through the implementation of an Arduino Due microcontroller and a temperature regulation system that uses water as the heating fluid, a system capable of regulating the internal temperature of the bio digester was created. The heating system consists of a container full of water, where a resistance lies, and a circulation pump allows the movement of the working fluid through a serpentine that runs through the interior of the biodigester. Finally, the system is continuously monitored, communicating the operating parameters via the Internet, in order to remotely control the activity of the prototype. Keywords: Biodigestion, Microcontrollers, Renewable Energies.

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