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viernes, 22 de enero de 2016

Biocombustibles. Especies con potencial

Tema 2. Ciencia y tecnología.

La jojoba, Simmondsia chinensis (Link) Schneider, familia Simmondsiaceae, es una especie perenne, originaria del norte de México y oeste de Estados Unidos. Crece en los desiertos. Su aceite es una cera líquida con propiedades lubricantes muy apreciadas en la industria aeroespacial, también se utiliza en la industria de los cosméticos.

La producción de biodisel va en aumento. La demanda de materia prima se irá incrementando gradualmente. En este rubro, México tiene un gran potencial. Hay que informarse y estar preparado para dar el salto, si se presentan las condiciones propicias.

La industria de extracción de aceite y su conversión en biodisel se establecerá en las regiones mejor comunicadas y con acceso a las zonas de mayor potencial productivo.

Una buena preparación para este momento sería establecer pruebas piloto con parcelas de estos cultivos. Esto permitirá afinar los cálculos de costos, aplicar las técnicas de siembra, control de plagas y enfermedades, cosecha y poscosecha del producto.

Enlaces recomendados:

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SNICS-SAGARPA Ricinus communis

Estado de los recursos genéticos forestales 2014

Biocarbón en el suelo

Tema 1. Programación y electrónica.
Tema 2. Ciencia y tecnología.
Tema 3. Humanidades y comportamiento humano.
Tema 4. Cine y literatura.


nfjh

viernes, 28 de noviembre de 2014

Biocombustibles. Especies de ciclo corto y especies perennes. Continuación.

Biocombustibles. Especies de ciclo corto y especies perennes. Continuación.


Categoría: 2. Ciencia y tecnología.

Esta entrada presenta un ejercicio de programación en lenguaje Visual C++ (Microsoft, VC++) que ejecuta la simulación con el modelo logístico de crecimiento para una población de árboles de la especie Eucalypthus globulus, estudiada en la entrada titulada "Biocombustibles. Especies de ciclo corto y especies perennes", publicada en septiembre de 2014 en este mismo blog.

Los parámetros para este modelo se habían calculado como sigue:
M=374.1
a=73.82
k=0.4315

   (modelo logístico de crecimiento)

En aquella ocasión se compararon el modelo logístico y el modelo exponencial de crecimiento para esta población de E. globulus. El gráfico ilustra el comportamiento de ambos modelos:

a
b
Figura 1. Modelo de crecimiento logístico (a) y modelo de crecimiento exponencial (b) de una especie perenne (E. globulus). En ambas se incluye el rendimiento (ton/ha) para una especie de ciclo anual, en este caso, el maíz (Z. mays).

En este ejercicio se ilustra el uso de la librería fstream de VC++ para el manejo de archivos en la modalidad de escritura. La consola despliega una serie de mensajes para interactuar con el usuario y obtener el tiempo de simulación deseado y preguntando si se quiere realizar una nueva simulación. La rutina se ejecuta tantas veces como el usuario quiere y todos los resultados de una misma sesión de guardan en una archivo de salida de tipo datos.txt. Sin embargo, cada vez que se ejecuta nuevamente el programa, los datos anteriores se borran. Por lo tanto, si se desea recuperar de forma permanente esos datos, es necesario copiar en otro archivo o guardar con un nombre diferente (datos1.txt, por ejemplo).

En esta ocasión se graficaron nuevamente los datos, con el siguiente resultado:

Figura 2. Modelo de crecimiento logístico de crecimiento para una especie perenne (E. globulus) construido a partir de los datos generados con el modelo programado en VC++.

Las instrucciones básicas del programa serían las siguientes:

// Código para almacenar datos en archivo de texto:
/*
 #include <fstream>
ofstream archivo("E:\\ModLogistico.txt");

if (archivo.fail())
{
cerr << "\n\tNo pudo abrir archivo ...\n";
exit(1);
}

archivo << "\nPara t= " << y << " anhos\tg= " << g << "\n";
archivo.close();
//
*/

Se genera un objeto de tipo ofstream al que se dio el nombre de archivo. Como parámetro se proporciona el nombre y la dirección del archivo de salida. A continuación se verifica que el archivo haya sido abierto (con la instrucción archivo.fail()), de lo contrario se envía un mensaje de error a la consola. En seguida se ponen las instrucciones de escritura de datos en el archivo y finalmente se cierra el archivo, con la instrucción archivo.close().

Figura 3. Consola de VC++ desplegando las preguntas para interaccionar con el usuario solicitando que ingrese el tiempo que quiere considerar en la simulación.

La consola muestra los diálogos para introducir el tiempo de la simulación y también le pregunta al usuario si desea realizar un nuevo cálculo. Si responde afirmativamente, a continuación se le pregunta el tiempo que quiere en la siguiente simulación. La variable tiempo es del tipo float, de manera que se puede introducir un valor con decimales. Con sentido práctico, el mensaje para el usuario pide un valor con dos decimales. Pero puede prescindirse de ellos o poner tres o más cifras a la derecha del punto decimal.

El programa está compuesto por dos funciones 1) modeloLogistico(float tiempo, char modo) y 2)
simulacion( ) y el programa principal int main( ). La función simulacion( ) es llamada dentro de la función modeloLogistico(float tiempo, char modo) y esta a su vez es llamada dentro del programa principal int main( ).


Tabla 1. Valores obtenidos en la simulación con Microsoft VC++ para el modelo de crecimiento logístico.
t (años)
g (ton/ha)
0
5
1
7.64271
2
11.6382
3
17.6219
4
26.4576
5
39.236
6
57.1711
7
81.3136
8
112.047
9
148.504
10
188.3
11
227.984
12
264.141
13
294.475
14
318.212
15
335.793
16
348.292
17
356.922
18
362.76
19
366.655
20
369.23
30
374.034
40
374.099
50
374.1
60
374.1
70
374.1

Los valores de la simulación de crecimiento toman un comportamiento asintótico a partir de los 50 años, alcanzando un valor máximo de 374 ton/ha. Estos valores se compararon con los obtenidos en una simulación hecha con el paquete Microsoft Excel, obteniéndose los mismos resultados.

Figura 4. Salida de la simulación en un archivo de texto.

En una nueva simulación el programa pregunta al usuario si necesita cambiar los valores cinéticos. El usuario puede cambiar el valor de M, que es el crecimiento máximo asintótico; el valor de k, que es la constante cinética de crecimiento en la fase exponencial; y g(0), que es la biomasa inicial (por default es de 5.0 ton/ha). El programa calcula automáticamente el nuevo valor de a, utilizando el valor de biomasa inicial y el valor de M.

A manera de ejercicio se realizó una serie de simulaciones con tres valores para la constante cinética de crecimiento, k, de 0.01, 0.1 y 0.4315. Los datos se graficaron como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Gráficos de las modelaciones para k=0.01, k=0.10 y k=0.4315.

Para obtener un efecto más notorio en el cambio de los valores de k, se utilizó un valor de biomasa inicial g(0)=1.3 ton/ha. De este modo, el crecimiento inicial se retrasa con respecto a la simulación hecha antes, donde se utilizó el valor predefinido g(0)=5.0 ton/ha.



Conclusiones.

- Almacenar los datos de salida de una simulación numérica en VC++ en un archivo de tipo archivo.txt facilita hacer una ulterior manipulación para su análisis y su presentación gráfica, utilizando paquetes como hojas de cálculo electrónicas (como Microsoft Excel y Lotus 123) o en paquetes matemáticos (como Matlab, Mathworks, Mathematica o Polymath).

- Los valores obtenidos en la simulación en el modelo logístico de crecimiento con Microsoft VC++ son los mismos que se obtuvieron con el paquete Microsoft Excel.


Bibliografía:

S. Pérez; C. J. Renedo; A. Ortiz; M. Mañana; D. Silió; and J Peredo. 2012. Comparison of energy potential of the Eucalyptus globulus and the Eucalyptus nitens. http://www.icrepq.com/icrepq06/285%20Perez.pdf



Malik, M.S; C. Surendran and K. Kailasham. 2003.

A MATHEMATICAL MODEL FOR PREDICTING THE GROWTH OF Eucalyptus globulus UNDER AGROFORESTRY PLANTATION

XII World Forestry COngress, 2003. Québeq City, Canada.

Disponible: http://www.fao.org/docrep/ARTICLE/WFC/XII/1021-B1.HTM



Sitios visitados:



Enlaces recomendados:

Biochar

Anexo. Programa para calcular el crecimiento de una población de E. globulus (en ton/ha), mediante un modelo logístico de crecimiento.


#include <iostream>
#include <fstream>
#include <iomanip>
#include <Windows.h>
using namespace std;

float m=374.1;
float a=73.82;
float k=0.4315;
float g_0=5.0;
float t=0;
int tiempo=200;

char modeloDecision() {
char b;
std::cout << "\nDesea realizar nueva simulacion? ... Si (y)  No (n) ... \t";
std::cin >> b;
char c='0';
if (b == 'y') {
std::cout << "\nDesea modificar valores cineticos? ... Si (y)  No (n) ... \t";
std::cin >> c;
}
else {
std::cout << "\nNo se hara una nueva simulacion ...";
return 0;
}
if (c == 'y') {
std::cout << "\nNuevo valor para M=374.1: ";
std::cin >> m;
std::cout << "\nNuevo valor para k=0.4315: ";
std::cin >> k;
std::cout << "\nNuevo valor para g(0)=5.0 ton/ha: ";
std::cin >> g_0;

a = (m-g_0)/g_0;
std::cout << "\nSe calculo nuevo valor para a= " << a << "\n";
std::cout << "\nAhora introduce la extension para la simulacion t=100 anhos: ";
std::cin >> tiempo;
tiempo *= 2;

t = 0;  // Refresca el valor de t.
}
else {
std::cout << "\nNueva simulacion con M=374.1; a=73.82; k=0.4315 ...\n";
}
return b;
}

float modeloLogistico(float b) {
float f=m/(1+(a*exp(-k*b)));

return f;
}
float modeloPunto(float r) {
float w=m/(1+(a*exp(-k*r)));
return w;
}
int main() {
std::cout << "\t\t***  USO DE LA INSTRUCCION Return #;  ***" << "\n\n";

char f='0';

ofstream archivo("E:\\Return.txt", ios::app);

do {
if (archivo.fail()) {
cerr << "\n\tNo pudo abrir archivo ...\n";
exit(1);
}

std::cout << "\nIntroduzca el tiempo para la simulacion (anhos, con dos decimales):\t";
float y;
std::cin >> y;
std::cout << "\n**********  Nueva simulacion para y= " << y << " anhos  *************\n\n";

SYSTEMTIME lt;
GetLocalTime(&lt);
printf(" The local time is: %02d:%02d:%02d\n", lt.wHour, lt.wMinute, lt.wSecond);
printf(" The local date is: %04d-%02d-%02d\n", lt.wYear, lt.wMonth, lt.wDay);

archivo << "\n**********  Nueva simulacion para y= " << y << " anhos  *************\n\n";

archivo << setprecision(2);
archivo << "\n" << lt.wHour << ":" << lt.wMinute << ":" << lt.wSecond;
archivo << setprecision(4);
archivo << "\n" << lt.wYear;
archivo << setprecision(2);
archivo << "-" << lt.wMonth << "-" << lt.wDay;

archivo << setiosflags(ios::fixed);
archivo << setiosflags(ios::showpoint);
archivo << setprecision(2);
archivo << "\nValores para la modelacion: \n" << "M= " << m << "\nk= " << k << "\na= " << a << "" << tiempo;
archivo << "\nt_anho" << "\tg_ton/ha\n";

for (int x=0; x<tiempo; x++) {
float g = modeloLogistico(t);
std::cout << "t= " << t << "\tg= " << g << "\n";
archivo << t << "\t" << g << "\n";
t+=0.5;
}

float g = modeloPunto(y);

std::cout << "\nPara t= " << y << " anhos\tg=" << g << "\n";
archivo << "\nPara t= " << y << " anhos\tg= " << g << " ton/ha\n";

f = modeloDecision();
}
while (f == 'y');

archivo.close();
std::cout << "\n\t";
cin.get();  // Espera a que se presione una tecla.
return 0;
}










sábado, 28 de septiembre de 2013

Ecología urbana. La importancia de ser eficientes.

Ecología urbana. La importancia de ser eficientes.

Categoría: 2. Ciencia y tecnología.

Introducción
Cuando enfocamos alguno de los aspectos que observamos como problemas actuales de la humanidad, en realidad estamos ante la expresión de básicamente tres grandes problemas de nuestro tiempo. Uno, el abasto de energía para poder mantener el nivel actual de desarrollo; dos, la situación demográfica sin precedentes en la historia de la humanidad; y tres, el deterioro del medio ambiente, también sin precedentes en nuestra historia.
Aunque las fuentes de energía alternas a los hidrocarburos obtenidos del petróleo, el gas y el carbón mineral son múltiples, sólo algunas de ellas prometen un abasto continuo y confiable de energía para alimentar el desarrollo, ahora sí, sostenido de nuestra sociedad. La energía nuclear puede ser una base robusta, pero no debería aportar una fracción grande de la energía, por las dificultades en el manejo de sus residuos, en primer lugar, y por los riesgos que genera su manejo. La energía de la biomasa es una fuente confiable y de largo plazo, pero no puede soportar más que una fracción relativamente pequeña del abasto total de energía. La energía eólica y la hidráulica, incluyendo la generación hidroeléctrica y la obtención de energía de las mareas, son fuentes confiables pero que no aportarían gran porcentaje de la energía. La utilización de celdas electroquímicas utilizando el hidrógeno como fuente de electrones también es una fuente confiable de energía, pero para obtener hidrógeno de manera sustentable parece necesario recurrir a procesos biotecnológicos que están en desarrollo, debido a que por la vía de la electrólisis del agua se necesita una gran inversión de energía. La energía solar resulta ser una alternativa no tan confiable por su variabilidad en un mismo sitio, por lo que su aporte llegará a un máximo que no será un porcentaje alto del consumo total de energía.
La población humana actual, por su parte, nunca había alcanzado el tamaño que tiene ahora. En este momento la población humana total en el planeta es de unos 6,868 millones de personas (http://www.poodwaddle.com/clocks/worldclock/). Ante la magnitud nunca antes vista de este parámetro poblacional, aunado a la mayor esperanza de vida, también nunca antes vista, se genera una serie de retos como hacer llegar alimentos a los habitantes de todos los rincones del planeta, producir la cantidad suficiente de alimentos y bienes básicos, hacer llegar servicios de salud y educativos a todos los habitantes, proporcionar servicios de transporte, agua potable y alcantarillado. Esto por no hablar de servicios de telefonía, internet, radio o televisión. Una de las preocupaciones cuando se trata de la producción de energía a partir de la biomasa, es la competencia que se establecerá en la superficie cultivada para este objetivo y para la producción de alimentos. Esta es una disyuntiva que por lo pronto no se puede prever, pero se entiende que si la población humana alcanza su máximo alrededor del año 2050 como está previsto, en lo sucesivo se tendrá que producir alimentos para una población constante, y si el proceso se desarrolla de manera no catastrófica, la población comenzará a decrecer de manera armoniosa a partir de entonces.
El deterioro del medio ambiente no es algo novedoso. Las actividades industriales que demandan una gran cantidad de recursos y materias primas para producir los bienes que están destinadas a satisfacer, generan presiones sobre los recursos naturales y sociales de la zona en donde desarrollan sus actividades y cada vez más, en regiones más lejanas a la de su ubicación actual. Así por ejemplo, en la Nueva España, la actividad minera consumía grandes cantidades de madera que era quemada para calentar la roca y luego, con la adición de agua fría, fracturarla por el choque térmico. Esto consumía grandes cantidades de leña que era obtenida de los bosques más cercanos, acabando por deforestar y erosionar grandes superficies de bosques en regiones como Guanajuato o Pachuca. Tras la llegada de los colonizadores españoles, la actividad minera para extraer plata principalmente, no pudo sostenerse con la amalgamación con mercurio, ya que se conocían pocos yacimientos de este elemento. Así que los mineros españoles adoptaron la técnica prehispánica que utiliza la sal marina para el amalgamamiento de la plata, echando mano de un recurso lejano obtenido en las salinas de Colima y en menor medida, de los yacimientos localizados tierra adentro, como los lagos someros de Sayula en Colima o el lago de Texcoco en el Valle de México. Sin embargo, los procesos de deterioro ambiental no habían alcanzado las impresionantes magnitudes que tienen hoy en día. Esto no significa necesariamente que nos encontremos al borde de una catástrofe medio-ambiental, pero tampoco nos encontramos ante el futuro más halagüeño de los últimos tiempos. Los procesos naturales tienen capacidades sumamente grandes, no sólo de amortiguamiento de los efectos ambientales, sino también de procesamiento de desechos y su transformación a formas menos dañinas para los ecosistemas naturales. Además estamos ante una de las etapas de mayor generación de tecnologías anticontaminantes y también de diseño de procesos más eficientes y más limpios de producción.
De esta manera, todo va caminando por el rumbo de un alivio de las condiciones de vida en el planeta, tanto para la especie humana, como para los ecosistemas que lo acompañan. Sólo esperamos que todos ellos lleguen a la meta antes de que se presenten procesos de deterioro catastróficos.
Información general
En el sitio web PoodWaddle.com (http://www.poodwaddle.com/clocks/worldclock/) se presenta una aplicación web que despliega algunos datos que pueden ser de utilidad para enfocar el punto de vista mostrado en esta entrada. Un dato interesante es que la población humana acumulada, si no hubiera muerto ninguna persona nacida, es de 106,798,975,642 personas. Este dato junto con el de la población mundial actual, 6,868,130,092, puede ser de utilidad para elaborar un modelo de crecimiento poblacional de tipo exponencial. Además hace falta el dato de que la especie humana (Homo sapiens) apareció sobre la Tierra hace aproximadamente 150,000 a 200,000 años.
El número de nacimientos, por otro lado es de 18,479,495, en lo que ha transcurrido del año 2013, 149 días; por su parte, el número de nacimientos en el mismo periodo es de 8,017,945. De este modo, el número de nacimientos supera en más del doble al número de decesos, de manera que la población mundial aumenta en 10,461,550 personas en 149 días, esto es algo así como 2,092,310 personas por mes. En este momento esto es el 0.03% de incremento mensual o el 0.37% de incremento anual. Según datos del Banco Mundial, en los próximos 35 años la población humana se va a incrementar en 2500 millones de habitantes, aunque indica que las tasas de nacimiento y de mortalidad han decrecido en las últimas décadas.
Las naciones en vías de desarrollo muestran una pirámide poblacional adelgazada en la parte superior y ensanchada en la parte inferior. Esta característica indica que una creciente población juvenil se incorporará en pocos años a un mercado de trabajo ya de por sí debilitado, además de que un creciente número de personas alcanzarán la edad en que dejan de trabajar y deben continuar recibiendo ingresos para su sustento, lo cual incrementa la presión sobre los ingresos generados por la población trabajadora. En las naciones desarrolladas, por otro lado, la pirámide poblacional es más homogénea en los diferentes estratos de edad e incluso unas pocas naciones muestran un pirámide poblacional invertida, típica de los países con tasa de crecimiento poblacional negativa. Estos dos últimos tipos de comportamiento demográfico indican que la cantidad de nacimientos es reducida, la cantidad de jóvenes que se integra a la población económicamente activa es baja y la cantidad de adultos que dejan de trabajar y se incorporan a la población jubilada es también reducida. Esto reduce la presión para proporcionar sustento y seguridad a las poblaciones vulnerables, niños y ancianos.




Datos demográficos, de la industria y medio-ambientales acumulados anuales al día 30 de mayo de 2013, 149 días transcurridos. (Del sitio web: http://www.poodwaddle.com/clocks/worldclock/)



Bibliografía

Curtis, Helena y Sue Barnes. 2000. Biología. Sexta Edición. Editorial médica Panamericana.

PoodWaddle. Consulta el 30 de mayo de 2013. Sitio web: http://www.poodwaddle.com/clocks/worldclock/