Tecnología de pesaje de precisión para mejorar la eficiencia de las plantas de biogás

El biogás es una fuente de energía respetuosa con el medio ambiente que ya hace una importante contribución a la transición energética. En el Instituto de proyectos ecológicos agrícolas y urbanos de la Universidad Humboldt, en Berlín, un equipo científico investiga cómo hacer más eficientes las plantas de biogás de cara al futuro; por ejemplo, aumentando el uso de materiales de desecho. Los ensayos a largo plazo asociados a estos estudios son complejos y requieren una tecnología de medición precisa. Para las mediciones de nivel en los reactores experimentales, el equipo científico utiliza una cadena de medida de HBM con tecnología de medición integrada, que incorpora desde células monoplato PW12C hasta electrónica digital de medida PAD y el software PanelX.

El biogás es un pilar importante de la transición energética. A diferencia de la energía solar o eólica, esta tecnología es independiente de la meteorología y de la hora del día. En el futuro, podría compensar las fluctuaciones de la red, por ejemplo, cuando no sea posible generar suficiente energía a partir del viento y el sol. En 2018, las plantas de biogás de Alemania ya generaban en torno al 13% de la producción eléctrica de origen renovable del país. Ahora bien, esta no es una actividad ajena a las críticas porque, hasta ahora, el biogás se produce sobre todo a partir de maíz cultivado específicamente para ello, lo cual resulta caro e ineficiente.

Problema

En el proyecto BioKat, un grupo de científicos del Instituto de proyectos ecológicos agrícolas y urbanos (IASP) de la Universidad Humboldt de Berlín, investigan cómo hacer que las plantas de biogás sean más eficientes. Por ejemplo, en el futuro podrían emplear más materiales de desecho para la producir biogás. En las pruebas con reactores experimentales de 25 litros, el nivel de llenado del reactor tiene una gran importancia. De cara a una nueva serie de experimentos, el equipo científico busca una tecnología de medición gravimétrica de nivel:

  • que mida con precisión el nivel durante todo el ciclo de pruebas,
  •  que aporte datos fiables a un entorno de simulación de procesos muy exigente, y
  • que se pueda manejar de manera rápida, segura y sencilla.

"Se podrían aprovechar mejor los materiales residuales y de desecho"

"El proyecto de investigación BioKat estudia cómo utilizar enzimas fúngicas en plantas de biogás para descomponer de forma rápida y sencilla distintas sustancias, incluso algunas difíciles de descomponer", explica Marius Conrady, responsable del proyecto e investigador asociado del IASP. "De este modo, en el futuro se podrían aprovechar mejor los materiales residuales y de desecho", añade el Dr. Ing. Patrice Ramm, director del proyecto. Las series de experimentos duran varios meses y requieren una tecnología de medición altamente fiable, capaz de proporcionar datos precisos durante todo el periodo de pruebas. HBM presta su apoyo a este equipo de investigadores con una completa solución de tecnología de pesaje de alta precisión, cuyo elemento clave es la célula de carga monoplato PW12C.

Medidas de nivel precisas en los reactores de biogás

El núcleo del proyecto BioKat son cuatro tanques negros que no parecen tener nada de particular. Según explica Marius Conrady, "en nuestros cuatro reactores experimentales, investigamos cómo se puede acelerar la fermentación de un sustrato consistente en un ensilado integral, utilizando diferentes preparaciones de enzimas. Para ello, introducimos en cada reactor 176 gramos de ensilado integral y agua cada día, después de una fase de puesta en marcha". Un agitador se encarga de remover el contenido en continuo, mientras que un baño termostático mantiene una temperatura constante de 38 ºC en los reactores, para garantizar unas condiciones idénticas a lo largo de todo el proyecto.

El nivel de llenado de los reactores, cada uno de los cuales tiene 25 litros de capacidad, tiene una especial importancia dentro de las pruebas. En concreto, influye enormemente en la formación de gas y en otros factores importantes como el par de los agitadores que mueven el contenido de los reactores o la carga volumétrica. "En las series de pruebas anteriores, solo podíamos evaluar el nivel a través de los visores de inspección de los reactores —confiesa Marius Conrady— y eso era un problema, porque la masa formada por ensilado integral y agua es muy poco homogénea y tiene un alto contenido en materia seca. Además, con frecuencia se forma espuma en el reactor". Por eso, y de cara a una nueva serie de pruebas, los científicos están buscando una solución que también sea capaz de determinar el nivel de llenado mediante el empleo de tecnología gravimétrica. El IASP solicitó asesoramiento a HBM y, de manera conjunta con el equipo científico, se está desarrollando un concepto de pesaje gravimétrico integral, que abarca desde la tecnología de sensores hasta la evaluación electrónica a través de software.

Solución

Los expertos de HBM, en colaboración con los científicos del IASP, están desarrollando un concepto de medición integral que se adapte de manera ideal a la configuración de las pruebas. Se utilizan los siguientes componentes:

  • Células de carga PW12C, con clase de precisión C3 multirrango: ofrecen una precisión única para un componente con este tipo de diseño. Gracias a su ajuste de excentricidad integrado, son idóneas para aplicaciones monoplato con grandes plataformas de pesaje.
  • Electrónica de transductores PAD: convierte la señal de las células de carga de galgas extensométricas de HBM en datos de medida digitales de alta resolución. La electrónica PAD dispone de varios filtros y proporciona datos con excelente exactitud incluso en entornos de medida exigentes.
  • Software PanelX: un software fácil de utilizar que permite adaptar la electrónica de pesaje a tareas de medición muy variadas. También se emplea para grabar, evaluar, adaptar y visualizar datos de medida.

Una célula de carga monoplato para medir el nivel de cada reactor

"Nuestra célula de carga monoplato PW12C, para fuerzas nominales de 50 kg, es el elemento básico del concepto de pesaje creado para el IASP", explica Marcel Richter, Director de Gestión de Producto, Tecnología de pesaje y sensores OEM de HBM. "Gracias a su ajuste de excentricidad integrado, esta célula de carga es perfecta para aplicaciones monoplato con tamaños de plataforma de hasta 800 mm x 800 mm. En la configuración de pruebas del IASP, cada una de estas células monoplato soporta el peso de un reactor experimental completo

y ofrece unas prestaciones generales únicas en el mercado, para una célula con este diseño".  La célula de carga monoplato PW12C pesa con precisión cargas comprendidas entre 50 y 750 kg, con clase de precisión C3 multirrango. Adicionalmente, un apantallamiento de cable conectado al cuerpo de medición proporciona una protección óptima frente a las perturbaciones electromagnéticas, con lo que resulta ideal para uso en entornos de laboratorio. "La célula PW12C es muy adecuada para aplicaciones tanto estáticas como altamente dinámicas, como básculas de control, debido a su alta rigidez y al uso de tecnología de galgas extensométricas bien contrastada", continúa Marcel Richter. "Al mismo tiempo, se trata de una célula de carga sumamente robusta".  La PW12C también puede emplearse en entornos industriales difíciles, porque dispone de un grado de protección IP67 y una protección contra sobrecargas individualmente ajustable.

Digitalización de datos medidos con alta resolución

"En nuestro proyecto de investigación BioKat, la electrónica digital de medida PAD convierte la señal analógica de la célula de carga en datos digitales de alta resolución", comenta Marius Conrady. "Así, resulta muy sencillo registrar los resultados de medida de nuestra instalación de pruebas utilizando un PC, evaluar los resultados y obtener una vista rápida”. Con su célula de carga, su electrónica y su completa gama de accesorios, HBM puede ofrecer a los científicos del IASP todo lo que necesitan, sin necesidad de recurrir a ningún otro proveedor. "Ofrecemos un amplio catálogo de accesorios, que permite a nuestros clientes crear la cadena de medida ideal", confirma Marcel Richter. "Y nuestra electrónica digital PAD pone en sus manos una herramienta sencilla y fácil de usar para digitalizar células o sensores analógicos con tecnología de galgas extensométricas, con una resolución extremadamente alta".

El PAD es un componente "plug & play" que se conecta fácilmente a las células de carga y está listo para funcionar en cuestión de minutos. Esta electrónica de transductores ofrece procesamiento integrado de la señal de medida y dispone de filtros automáticos o seleccionables. Garantiza la máxima precisión, incluso en presencia de la vibración continua que producen los agitadores del reactor experimental de la instalación de pruebas del IASP. Igualmente, tiene un alojamiento compacto de acero inoxidable y un grado de protección IP68/IP69K. Estas características la hacen apta para las condiciones ambientales más exigentes.

Resultados

La célula de carga PW12C se encarga de medir los niveles de llenado de los reactores experimentales mediante un principio gravimétrico con alta precisión, durante toda la duración de las pruebas. Cada reactor solo requiere una única célula de carga monoplato. Con la ayuda de la electrónica de transductores PAD y los accesorios oportunos, el equipo de investigación del IASP puede conectar la célula de carga directamente a un PC y configurar con facilidad toda la cadena de medida para los experimentos. Las completas funciones del software PanelX permiten a los usuarios evaluar, analizar y representar gráficamente los datos medidos relativos a los niveles de llenado de los reactores experimentales.

Puesta en servicio y visualización

Los científicos del IASP utilizan también software de HBM. "Empleamos el software PanelX de HBM para calibrar la célula de carga y para registrar, transferir y visualizar los datos medidos", señala Marius Conrady. "El funcionamiento de PanelX es intuitivo y nos facilita tanto el ajuste de la tecnología de medición a nuestra instalación de pruebas como la puesta en servicio. Por otro lado, este software pone en nuestras manos herramientas para visualizar con rapidez y evaluar nuestros resultados de medida". El software PanelX incorpora numerosas funciones que hacen que la tecnología de HBM resulte ideal para las aplicaciones de pesaje estático y dinámico más variadas. Los usuarios se benefician, por ejemplo, de un amplio soporte de software durante la puesta en servicio y la calibración de los equipos de tecnología de pesaje. También les resulta muy útil para evaluar y visualizar con rapidez los datos medidos. El análisis de frecuencia integrado, por ejemplo, es sumamente práctico para evaluar y optimizar aplicaciones dinámicas completas.

Datos de medida precisos en la investigación sobre biogás

"La alta precisión de la tecnología de medida de HBM nos permite monitorizar en nuestra serie actual de experimentos la cantidad exacta de ensilado integral y agua que se añade cada día, y compararla con la cantidad objetivo", explica Marius Conrady. "De este modo, podemos optimizar nuestros procesos y evitar imprecisiones en la adición diaria de biomasa, entre otras cosas".  Adicionalmente, los científicos pueden determinar con precisión la pérdida de peso que se produce en los reactores como resultado del proceso de descomposición, y correlacionarla con la formación de gas. "En nuestras pruebas, medimos la formación de gas con un caudalímetro volumétrico. Las curvas de pérdida de peso y de producción de cantidad de gas que se forma presentan una muy buena correlación", concluye Marius Conrady.

"Si comparamos los resultados de ambas medidas, podemos identificar con rapidez errores de medida y ajustar oportunamente los resultados de nuestro estudio. Gracias a la alta precisión de la cadena de medida de HBM, hemos creado una base de datos absolutamente fiable con la que, en el futuro, podremos mejorar la tecnología de generación de biogás".

El Instituto de proyectos ecológicos agrícolas y urbanos

El IASP pertenece a la Universidad Humboldt de Berlín. Su misión consiste en prestar apoyo a la pequeña y mediana empresa en la I+D de tecnologías innovadoras en campos como la tecnología alimentaria, las materias primas biogénicas, la actividad ganadera y los sistemas de planta. Dispone de un equipo interdisciplinar formado por 35 científicos y técnicos, que trabaja en el desarrollo de soluciones a problemas prácticos, con una fuerte orientación a las aplicaciones. El biogás es un área de especial interés para el IASP. A través de proyectos de investigación como BioKat, el IASP hace una valiosa aportación al desarrollo de tecnologías de producción de biogás más sostenibles y eficientes.