Revista Facultad de Ingeniería

The State of Energy Research in Colombia: A View from the Research Groups

Resumen En este artículo se presenta el estado de la investigación en Colombia en temas de energía, a partir de la revisión, la sistematización y el análisis de los resultados de los grupos de investigación. La información se obtuvo desde la plataforma Scienti de Colciencias, de una muestra de grupos de investigación que declaran tener líneas de interés en energía. Se tuvieron en cuenta tres categorías para el análisis de la información: ubicación geográfica de los grupos y su clasificación, intereses investigativos determinados desde las líneas de investigación propuestas, y producción científica de los grupos. Se encontró que el 75 % de los grupos se ubica en cuatro de los 32 departamentos del país y que el 90 % pertenece a instituciones de educación superior. Hay diversidad en cuanto a los intereses investigativos y se destacan cuatro líneas principales: energía y potencia, gestión energética, hidrocarburos y energías renovables. La producción científica está centrada básicamente en artículos científicos, libros y desarrollo de proyectos; en cuanto a patentes, los resultados son escasos. En relación con energías renovables, la producción científica empezó a surgir a partir de 1999 y ha experimentado un crecimiento con tendencia lineal. Se logró identificar que, si bien hay una investigación establecida en temas de energía desde las instituciones de educación superior y algunas empresas del sector energético, los avances relacionados con energías renovables son aún incipientes; hay un camino por recorrer, el cual se ha ido abonando con las nuevas reglamentaciones que se han dado en el país.

Abstract This article presents the state of research in Colombia on energy issues from the review, systematization and analysis of the results of the research groups. The information was obtained from the Scienti platform of Colciencias of a sample of research groups that claim to have lines of interest in energy. Three categories were considered for the analysis of the information: geographical location of the groups and their classification; research interests determined from the proposed lines of research; and scientific production of the groups. It was found that 75 % of the groups are in 4 of the 32 departments of the country and 90 % belong to higher education institutions. There is diversity in terms of research interests, with four main lines of action: energy and power, energy management, hydrocarbons and renewable energies. The scientific production is centered basically in scientific articles, books and development of projects, as for patents the results are scarce. In relation to ER, the scientific production began to emerge from 1999 and has experienced a linear growth. It is possible to identify that although there is established research on energy issues from higher education institutions and some companies in the energy sector, advances related to renewable energies are still incipient; there is a road ahead which is fertilized with the new regulations that have been given in the country.

Resumo Neste artigo apresenta-se o estado da pesquisa na Colômbia em temas de energia, a partir da revisão, da sistematização e da análise dos resultados dos grupos de pesquisa. A informação obteve-se desde a plataforma Scienti de Colciencias, de uma amostra de grupos de pesquisa que declaram ter linhas de interesse em energia. Foram consideradas três categorias para a análise da informação: localização geográfica dos grupos e sua classificação, interesses de pesquisa determinados desde as linhas de pesquisa propostas, e produção científica dos grupos. Encontrou-se que 75% dos grupos localiza-se em quatro dos 32 Estados do país e que 90% pertence a instituições de educação superior. Há diversidade enquanto aos interesses de pesquisa e destacam-se quatro linhas principais: energia e potência, gestão energética, hidrocarburos e energias renováveis. A produção científica está centrada basicamente em artigos científicos, livros e desenvolvimento de projetos; enquanto a patentes, os resultados são escassos. Em relação com energias renováveis, a produção científica começou a surgir a partir de 1999 e há experimentado um crescimento com tendência lineal. Logrou-se identificar que embora exista uma pesquisa estabelecida em temas de energia desde as instituições de educação superior e algumas empresas do sector energético, os avanços relacionados com energias renováveis são ainda incipientes; há um caminho por percorrer, o qual tem sido abonado com as novas regulamentações que se tem dado no país.

Model of Education in Renewable Energies from the Public Engagement and the Energetic Attitude

Resumen La crisis energética actual del planeta, es una realidad a lo que no podemos hacer la vista gorda. Ahora más que en otras épocas se agudizan los problemas energéticos, derivados producción, transformación, distribución y consumo de la energía que conllevó al evidente el agotamiento de los combustibles de origen fósil, a los problemas ambientales generados por la explotación, transporte y uso de los recursos naturales, el cambio climático, la contaminación, entre otros. El trabajo que aquí presentamos, tiene la intención principal de proponer un modelo conceptual basado en una construcción teórica a partir de una metodología mixta de análisis documental, desde la formulación de tres categorías: la educación en energías renovables (EER), el compromiso público (CP) y la conceptualización elaborada por nuestro equipo sobre actitud energética (AE); todo esto sumado a las necesarias interacciones que se generan desde la democracia participativa y la construcción social comunitaria que pretende involucrar a la sociedad como estructura principal y no como un fin. En segundo lugar, la importancia de contribuir al desarrollo del campo de investigación de la Educación en Energías Renovables, a razón de las discusiones que actualmente se plantean frente a la falta de responsabilidad social energética y el desinterés por el uso de energías alternativas como estrategia de reducción de los problemas ambientales del contexto; por último, la necesidad de formular nuevos caminos para la implementación del uso de las energías renovables por parte de la ciudadanía con la intencionalidad de mitigar los problemas derivados de un desarrollo desmedido de la ciencia y la tecnología problemática que se ha ido en las últimas décadas.

Abstract The current energy crisis of the planet is a reality to which we cannot turn a blind eye. Now more than at other times, the energy problems are sharpened, resulting in the production, transformation, distribution and consumption of energy that led to the evident depletion of fossil fuels, environmental problems generated by the exploitation, transportation and use of natural resources. natural resources, climate change, pollution, among others. The work presented here, has the main intention of proposing a conceptual model based on a theoretical construction from a mixed methodology of documentary analysis, from the formulation of three categories: education in renewable energies (EER), public commitment (CP) and the conceptualization developed by our team on energy attitude (AE); all this added to the necessary interactions that are generated from participatory democracy and community social construction that aims to involve society as the main structure and not as an end. Secondly, the importance of contributing to the development of the research field of Education in Renewable Energy, due to the discussions that currently arise in the face of the lack of social responsibility in energy and the disinterest in the use of alternative energies as a strategy of reduction of the environmental problems of the context; finally, the need to formulate new ways for the implementation of the use of renewable energies by citizens with the intention of mitigating the problems derived from an excessive development of science and technology that has been problematic in recent decades.

Resumo A crise energética atual do planeta, é uma realidade à qual não podemos simplesmente fechar os olhos. Agora mais que em outras épocas se agudizam os problemas energéticos, derivados da produção, transformação, distribuição e consumo da energia, que levou ao evidente esgotamento dos combustíveis de origem fóssil, aos problemas ambientais gerados pela exploração, transporte e uso dos recursos naturais, à mudança climática, à contaminação, entre outros. O trabalho que aqui apresentamos, tem a intenção principal de propor um modelo conceitual baseado em uma construção teórica a partir de uma metodologia mista de análise documental, desde a formulação de três categorias: a educação em energias renováveis (EER), o compromisso público (CP) e a conceptualização elaborada pela nossa equipe sobre atitude energética (AE); tudo isto somado às necessárias interações que se geram desde a democracia participativa e a construção social comunitária que pretende envolver à sociedade como estrutura principal e não como um fim. Em segundo lugar, a importância de contribuir ao desenvolvimento da área de pesquisa da Educação em Energias Renováveis, em razão das discussões que atualmente se planteiam frente à falta de responsabilidade social energética e o desinteresse pelo uso de energias alternativas como estratégia de redução dos problemas ambientais do contexto; por último, a necessidade de formular novos caminhos para a implementação do uso das energias renováveis por parte da cidadania com a intencionalidade de mitigar os problemas derivados de um desenvolvimento desmedido da ciência e da tecnologia, problemática que vem se incrementando nas últimas décadas.

Synthesis of an Anticorrosive Pigment by Thermal Treatment of Iron Oxides from Steel Industry Wastes

Abstract This work reports the obtaining of an anticorrosive pigment mostly constituted by hematite (ɑ-Fe2O3) from a powder steel industry waste from rust scale of steel reinforcing bars. This residue is mainly composed by Fe2O3 (87.97 %), SiO2 (6.13 %), CaO (1.88 %), Al2O3 (1.30%) and MnO (0.77 %). The total iron oxide of the residue is constituted by the following crystalline phases: magnetite, maghemite, lepidocrocite, wüstite, goethite and hematite. The production of a pigment with a high content of hematite was possible thanks to the high content of precursor iron oxides, which were calcined at different temperatures (750-850 °C) and holding times (0.5-1.50 h). For characterizing the iron content chemically and to identify their iron oxides phases, it was used X-ray fluorescence (XRF) and X-ray diffraction (XRD). The results showed that the pigment with the highest amount of hematite (ɑ-Fe2O3) was obtained at a calcination temperature of 850 °C and a holding time of 1.00 h.

Resumen Este trabajo reporta la obtención de un pigmento anticorrosivo compuesto principalmente por hematita (ɑ-Fe2O3) a partir de un residuo siderúrgico en polvo proveniente de la cascarilla de óxido superficial de varillas de acero para refuerzo de concreto. Este residuo está compuesto principalmente por Fe2O3 (87.97 %), SiO2 (6.13 %), CaO (1.88 %), Al2O3 (1.30%) y MnO (0.77 %). El óxido de hierro total del residuo está constituido por las siguientes fases cristalinas: magnetita, maghemita, wustita, lepidocrocita, goetita y hematita. La producción de un pigmento con alto contenido de hematita fue posible gracias al alto contenido de óxidos de hierro precursores, los cuales fueron calcinados a diferentes temperaturas (750-850 °C) y tiempos de sostenimiento (0.5-1.50 h). Para caracterizar químicamente el contenido de hierro e identificar sus fases en óxidos de hierro, se utilizaron las técnicas de fluorescencia de rayos X (XRF) y difracción de rayos X (XRD). Los resultados mostraron que el pigmento con mayor cantidad de hematita (ɑ-Fe2O3) se obtuvo a una temperatura de calcinación de 850 °C y un tiempo de sostenimiento de1.00 h.

Resumo Este trabalho reporta a obtenção de um pigmento anticorrosivo composto principalmente por hematita (ɑ-Fe2O3) a partir de um resíduo siderúrgico em pó proveniente do farelo de óxido superficial de varetas de aço para reforço de concreto. Este resíduo está composto principalmente por Fe2O3 (87.97%), SiO2 (6.13%), CaO (1.88%), Al2O3 (1.30%) e MnO (0.77%). O óxido de ferro total do resíduo está constituído pelas seguintes fases cristalinas: magnetita, wustita, lepidocrocita e hematita. A produção de um pigmento com alto conteúdo de hematita foi possível graças ao alto conteúdo de óxidos de ferro precursores, os quais foram calcinados a diferentes temperaturas (750-850 °C) e tempos de sustentação (0.5-1.50 h). Para caracterizar quimicamente o conteúdo de ferro e identificar suas fases em óxidos de ferro, utilizaram-se as técnicas de fluorescência de raios X (XRF) e difração de raios X (XRD). Os resultados mostraram que o pigmento com maior quantidade de hematita (ɑ-Fe2O3) se obteve a uma temperatura de calcinação de 850 °C e um tempo de sustentação de1.00 h.

Evaluation of the Enzymatic Hydrolysis of Wet White Assisted with Ultrasound to Obtain Hydrolyzed Collagen

Resumen La presente investigación se centra en la evaluación del método de hidrólisis enzimática asistida por ultrasonido en la obtención de colágeno hidrolizado a partir del aprovechamiento del residuo (wet white) proveniente del cuero curtido con glutaraldehído, con la finalidad de minimizar la generación de impactos ambientales por dicho material. Se evaluó el efecto del pH de la solución, dosis de enzima, intensidad de ultrasonido aplicado y temperatura de la mezcla, manteniendo constantes la masa inicial de wet white, el volumen de agua y el tiempo de reacción. Los resultados experimentales señalan que para pH 9 dosis de enzima Tan G Plus 0.00012 kg, temperatura de 313.15 K e intensidad de ultrasonido del 40 % se logra degradar el material y desnaturalizar la proteína, obteniendo una concentración en peso de colágeno hidrolizado de 3.013 kg/m3, por cada kilogramo de material empleado, el cual representa una recuperación del 3.0 % en masa de wet white. Se observa que las variables más representativas para el proceso analizado son el pH y la temperatura, que dan un mayor rendimiento al proceso y permiten obtener mayor cantidad de proteína hidrolizada.

Abstract The present investigation focuses on the evaluation of the enzymatic hydrolysis method assisted by ultrasound in obtaining hydrolyzed collagen from the use of the residue (wet white) from leather tanned with glutaraldehyde, in order to minimize the generation of environmental impacts that have occurred for such material. The effect of pH of the solution, enzyme dose, intensity of applied ultrasound, and temperature of the mixture were evaluated, keeping constant the initial mass of wet white, volume of water and reaction time. The experimental results indicate that for pH 9 doses of enzyme Tan G Plus 0.00012 kg, temperature of 313.15 K and intensity of ultrasound of 40 % it is possible to degrade the material and denature the protein, obtaining a hydrolyzed collagen weight concentration of 3.013 kg / m3, for each kilogram of material used, which represents a 3.0% mass recovery of wet white. It is observed that the most representative variables for the analyzed process are the pH and the temperature, giving a higher performance to the process allowing get a higher amount of hydrolyzed protein.

Resumo A presente pesquisa centra-se na avaliação do método de hidrólise enzimática assistida por ultrassom na obtenção de colágeno hidrolisado a partir do aproveitamento do resíduo (wet white) proveniente do couro curtido com glutaraldeído, com a finalidade de minimizar a geração de impactos ambientais por tal material. Avaliou-se o efeito do pH da solução, dose de enzima, intensidade de ultrassom aplicado e temperatura da mistura, mantendo constantes a massa inicial de wet white, o volume de água e o tempo de reação. Os resultados experimentais apontam que para pH 9 dose de enzima Tan G Plus 0.00012 kg, temperatura de 313.15 K e intensidade de ultrassom de 40%, logra-se degradar o material e desnaturalizar a proteína, obtendo uma concentração em peso de colágeno hidrolisado de 3.013 kg/m3, por cada quilograma de material empregado, o qual representa uma recuperação de 3.0% em massa de wet white. Observa-se que as variáveis mais representativas para o processo analisado são o pH e a temperatura, que dão um maior rendimento ao processo e permitem obter maior quantidade de proteína hidrolisada.

Relative Average Deviation as Measure of Robustness in the Stochastic Project Scheduling Problem

Abstract In the Project Scheduling Problem (PSP), the solution robustness can be understood as the capacity that a baseline has to support the disruptions generated by unplanned events (risks). A robust baseline of the project can be obtained from redundancy based methods, which are considered proactive methods to solve the stochastic project scheduling problem. In this research, three redundancy based methods are evaluated and their performance is compared in terms of robustness. These methods add extra time to the original activities duration in order to face the eventualities that may appear during the project execution. In this article a new indicator to analyze the solution robustness to the Project Scheduling Problem with random duration of activities is proposed. This indicator called Relative Average Deviation (RAD) is defined as the margin of deviation of the activities’ start times in relation to their durations. The RAD is based in a traditional concept that seeks to minimize the value of the differences between the planned start times and the real executed start times. The planned start times were obtained from the project baseline generated by each redundancy based method and the real executed start times were obtained from a simulation process based on Monte Carlo technique. The new indicator was used to evaluate the robustness of three baselines generated by different methods but applied to the same case study. Finally, the results suggest that the Relative Average Deviation (RAD) facilitates the interpretation of the robustness concept because it focuses on analyzing the deviation margin associated with an activity.

Resumen En el problema de programación de proyectos, la robustez de una solución puede entenderse como la capacidad que posee una línea-base para soportar las disrupciones generadas por eventos no planeados (riesgos). Una linea-base robusta de un proyecto puede ser obtenida a partir de métodos basados en redundancia, los cuales son considerados métodos proactivos, que permiten resolver el problema de programación estocástica de proyectos. En esta investigación son evaluados tres métodos basados en redundancia y su desempeño es comparado en términos de robustez. Estos métodos adicionan tiempo extra a la duración original de las actividades, con el fin de enfrentar las eventualidades que pueden aparecer durante la ejecución del proyecto. En este artículo se propone un indicador, denominado desviación media relativa (RAD, por su sigla en inglés), el cual permite analizar la robustez de las soluciones obtenidas para el Project Scheduling Problem (PSP), con duración aleatoria de actividades. La desviación media relativa (RAD) se define como el margen de desviación de los tiempos de inicio de las actividades de un proyecto, con relación a sus duraciones. La RAD está basada en el concepto tradicinal que busca minimizar la diferencia entre los tiempos de inicio planeados y los tiempos de inicio realmente ejecutados. Los tiempos de inicio planeados fueron obtenidos a partir de la línea-base generada para el proyecto, y los tiempos de inicio realmente ejecutados fueron obtenidos a partir de un proceso de simulación basado en la técnica de Monte Carlo. El nuevo indicador fue utilizado para evaluar la robustez de tres líneas-base generadas por diferentes métodos, pero aplicados a un mismo caso de estudio. Al final pudo concluirse que la desviación media relativa (RAD) facilita la interpretación del concepto de robustez, debido a que se focaliza en analizar el margen de desviación por actividad en cada línea-base.

Resumo No problema de programação de projetos, a robustez de uma solução pode entender-se como a capacidade que possui uma linha-base para suportar as perturbações geradas por eventos não planejados (riscos). Uma linha-base robusta de um projeto pode ser obtida a partir de métodos baseados em redundância, os quais são considerados métodos proativos, que permitem resolver o problema de programação estocástica de projetos. Nesta pesquisa são avaliados três métodos baseados em redundância e seu desempenho é comparado em termos de robustez. Estes métodos adicionam tempo extra à duração original das atividades, com o fim de enfrentar as eventualidades que possam aparecer durante a execução do projeto. Neste artigo propõe-se um indicador, denominado desvio médio relativo (RAD, por sua sigla em inglês), o qual permite analisar a robustez das soluções obtidas para o Project Scheduling Problem (PSP), com duração aleatória de atividades. O desvio médio relativo (RAD) define-se como a margem de desvio dos tempos de início das atividades de um projeto, com relação a suas durações. O RAD está baseado no conceito tradicional que busca minimizar a diferença entre os tempos de início planejados e os tempos de início realmente executados. Os tempos de início planejados foram obtidos a partir da linha-base gerada para o projeto, e os tempos de início realmente executados foram obtidos a partir de um processo de simulação baseado na técnica de Monte Carlo. O novo indicador foi utilizado para avaliar a robustez de três linhas-base geradas por diferentes métodos, mas aplicados a um mesmo caso de estudo. Ao final pode-se concluir que o desvio médio relativo (RAD) facilita a interpretação do conceito de robustez, devido a que se focaliza em analisar a margem de desvio por atividade em cada linha-base.

Improvements of the Design Process in the Microwave Transistors Industry

Resumen Este artículo presenta una técnica para mejorar el proceso de diseño industrial de transistores de microondas, basado en un diseño de experimentos mejorado (DOE) y un modelado electrotérmico (MET) expandido. El diseño de experimentos DOE permitió centrar el diseño a través de variaciones en parámetros específicos, para evitar complejas simulaciones electromagnéticas de acoplamiento mutuo entre los cables dentro del mismo transistor, que generalmente en herramientas CAD convencionales presentan un elevado costo computacional. El modelo electrotérmico mejorado utilizando la técnica de voltajes efectivos posibilitó predecir no solo el autocalentamiento, sino también las impedancias apropiadas para la máxima potencia de salida y la máxima eficiencia del transistor. De esta manera fue posible elegir las condiciones de operación que garantizaran un reducido autocalentamiento, así como las mejores condiciones de potencia, eficiencia y linealidad. Las técnicas presentadas son útiles para la implementación de amplificadores de potencia en los futuros sistemas de comunicación inalámbricos, ya que deben trabajar con potencias elevadas que producen autocalentamiento y con señales de gran ancho de banda. La combinación de ambas técnicas permite la reducción de diseño y tiempo de producción en el ámbito industrial. El diseño de experimento mejorado posibilitó centrar el diseño del transistor para asegurar la obtención de los mejores desempeños del transistor. La caracterización térmica facilitó que el transistor de microondas, implementado en un circuito impreso de potencia, funcionara por debajo de la temperatura máxima permitida, lo que garantiza su vida útil y, en consecuencia, la confiabilidad del sistema de transmisión completo.

Abstract This paper presents a technique to improve the design process of microwave transistors based on two aspects: an improved design of experiment test (DOE), and an electro-thermal enhanced model (MET). The DOE test allowed us to center the design through variations in specific parameters, avoiding complex electromagnetic simulations of mutual coupling between the wires inside the transistor, which generally, in conventional CAD tools present a high computational cost. The electro-thermal model, enhanced by using the effective voltage approach, allowed us to predict not only the self-heating phenomena, but also the appropriate impedances for transistor´s maximum output power and maximum efficiency. In this way it was possible to select the operating conditions which can warrant low self-heating and the best trade-off between power, efficiency and linearity. The presented techniques are specifically important for the implementation of power amplifiers for the future wireless communication systems which must be designed to operate with broad band signals. The combination of our proposed techniques can allow the reduction of the design time and associated costs at industrial level. The improved design of experiment permitted to center the design of the transistor, making sure that the designer can get the best performances of the transistor. The thermal characterization allows to make sure that the microwave transistor operates below the maximum allowed temperature in a built power amplifier, which warrants the reliability of the system.

Resumo Este artigo apresenta uma técnica para melhorar o processo de desenho industrial de transistores de micro-ondas baseado em dois pilares: um desenho de experimentos melhorado (DOE); e um modelado eletro-térmico (MET) expandido. O desenho de experimentos DOE permitiu centrar o desenho através de variações em parâmetros específicos, evitando complexas simulações eletromagnéticas de acoplamento mútuo entre os cabos dentro do mesmo transistor, que geralmente em ferramentas CAD convencionais apresentam um elevado custo computacional. O modelo eletro-térmico melhorado utilizando a técnica de voltagens efetivas permitiu predizer não só o auto-aquecimento, mas também as impedâncias apropriadas para a máxima potência de saída e a máxima eficiência a nível de transistor. Desta maneira foi possível escolher as condições de operação que garantem um reduzido auto-aquecimento e as melhores condições de potência eficiência e linearidade. As técnicas apresentadas são úteis para a implementação de amplificadores de potência nos futuros sistemas de comunicação sem fio já que devem trabalhar com potências elevadas que produzem auto-aquecimento e com sinais de grande largura de banda. A combinação de ambas as técnicas permite a redução de desenho e tempo de produção a nível industrial. O desenho de experimento melhorado permitiu centrar o desenho do transistor assegurando que se obtenham as melhores performances que o transistor é capaz de entregar. A caracterização térmica permitiu assegurar que o transistor de micro-ondas, implementado em um circuito impresso de potência, funcione por baixo da temperatura máxima permitida, o que garante sua vida útil e em consequência a confiabilidade do sistema de transmissão completo.