Cuban Journal of Agricultural Science Vol. 58, january-december 2024, ISSN: 2079-3480
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Biomathematics
Short Communication

Computer system for the energy potential determination in pig’s enterprise

 

iDO.G. Pérez-Acosta*✉:osney631@gmail.com

iDA. Mejías


Instituto de Ciencia Animal, Apartado Postal 24, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba

 

*Email: osney631@gmail.com

ABSTRACT

A computer system was developed to determine the energy potential in pig’s enterprise with the purpose of using the renewable energy sources. For their design, the IDE NetBeans, version 8.1 was selected as environment. A program named RESCE (renewable energy sources, clean environment) was generated to create hybrid systems, in which a priority order is establish respect to the residuals treatment. In a second phase, an estimate was made to determine the potential of electric energy generation with other sources. The use of this system allow the maximum exploitation of all natural resources, without damage the environment and it is consistent with the concept of circular economy. It is concluded that the program, in addition of allowing the computerization of the use of renewable energy sources in pig enterprise, speeds up decisions-making.

Key words: 
biodigestors, eolian, pigs, photovoltaic, thermal solar

Received: 20/12/2023; Accepted: 19/2/2024

Conflict of interest: The authors declare that there are no conflicts of interests among them.

CRediT authorship contribution statement: O.G. Pérez-Acosta: Conceptualization, Investigation, Methodology, Software, Validation, Writing-original draft. A. Mejías: Data curation, Formal analysis, Software.

CONTENT

The energy generation in the last decades is one of the main worries in the world. For their generation great amount of fossil fuels were used. The renewable energies are characterized because, in their transformation and exploitation processes in useful energy, they are not consuming or exhausted in a human scale of time (Venegas et al. 2017Venegas Venegas, J. A., Espejel García, A., Pérez Fernández, A., Castellanos Suárez, J. A. & Sedano Castro, G. 2017. Potencial de energía eléctrica y factibilidad financiera para biodigestor-motogenerador en granjas porcinas de Puebla. Revista Mexicana de Ciencias Agrícolas, 8(3): 735-740, ISSN: 2007-0934. https://doi.org/10.29312/remexca.v8i3.47.).

From the energy point of view, the agricultural sector has the capacity of generate electric and thermal energy through wastes use, some very pollutant and other alternative sources, which can constitute renewable energy sources (RES). This is: from the biomass it can produce, biofuels and biogas, which suppose important economic, social and territorial advantages (Guardado-Chacón and Arencibia 2021Guardado-Chacón, J. A. & Arencibia, A. 2021. Una mirada desde el Movimiento de Usuarios del Biogás (MUB) a la transición energética en Cuba. Gestión y Ambiente, 24 (Supl2): 238-251, ISSN: 2357-5905. https://doi.org/10.15446/ga.v24nSupl2.92940.). For this reasons, the agriculture could be energetically self supported, since it creates sufficient surplus to achieve positive balances, as well as to stop of emit pollutant gas to the atmosphere and to avoid the pollution of hydrographic basins (Casimiro-Rodríguez et al. 2019Casimiro, L., Casimiro-González, J. A., Suárez-Hernández, J., Martín-Martín, G. J. & Rodríguez-Delgado, I. 2019. Índice de aprovechamiento de fuentes renovables de energía, asociadas a tecnologías apropiadas en fincas familiares en Cuba. Pastos y Forrajes, 42 (4): 253-261, ISSN: 2078-8452.).

To determine the energy potential, a computer tool that speeds up the calculation of the technologies to be used is needed and that, in turns, allowed the integration of each of them, as well as the selection of the optimum variant for each scene. Therefore, the objective of this study was to develop a computer system for the energy potential determination in pig’s enterprise, in a way that the RES can be used.

The computer system was developed at Instituto de Ciencia Animal (ICA) in engineering and applied mathematics departments. The computer application was performed in the development environment open-source free IDE NetBeans, version 8.2, which provides support almost all the novelties of Java programming language (Varona 2012Varona, K.R. 2012. Aplicación de algoritmos genéticos en la generación automática de horarios docentes en la Facultad Regional de Granma. Revista Cubana de Ciencias Informáticas, 6(4): 37-43, ISSN: 2227-1899.). It was programmed with an architecture divide into layers. The first, of interface managed with the UI Swing, in which the components and buttons are adjusted to the size of the monitor on which the computer system is running. The second has a services module, in charges of input and output of data.

In addition, the Racional Unified Process (RUP) methodology was used, it adapts to any informatic project. This methodology uses the unified modeling language (UML), that allows to perform reverse engineering. From the code of a program, it can obtain information about its design (Schmuller 2009Schmuller, J. 2009. Aprendiendo UML en 24 horas. Prentice Hall ISBN: 968-444-463-X. Available: https://www.pdfdrive.com/aprendiendo-uml-en-24-horas-e158831793.html.). It was also used the Visual Paradigm tool to apply RUP, which support the complete cycle of the program development. This tool allows generating source code for several languages (Mejías et al. 2021Mejías Caba, A., Ponce de León, R. & García Hernández, Y. 2021. CunICA, software for managing rearing processes in rabbit breeding farms. Technical note. Cuban Journal of Agricultural Science, 55(1): 15-19, ISSN: 2079-3480.), among them Java.

Figure 1 show the logical-structural diagram of the computer system where it’s running is detailed. It was named RESCE, whose acronyms means: renewable energy source-clean environment. The number of the facultative register of protected works and of acts and contract regarding to the authors right was 0072-01-2023.

Figure 1.  Logical-structural diagram of the computer system RESCE

In the input data was considered the information corresponded to the climatic, geographic, socioeconomic, productive, technological and environmental conditions. A priority order regarding the wastes treatment was established. First of all, the biodigestors design for each scene was performed, where the policies established by the Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente in Cuba (CITMA) were considered. For this, the amount of biogas and mud which are obtained for the production of energy and fertilizer were considered. In the second phase, an estimate was made to determine the potential of electric energy generation with other renewable sources: solar photovoltaic, thermal solar and eolian.

RESCE provides a nice visual sight and has good functional quality. When the system starts, a welcome screen is showed, with four analysis options (biodigestor, photovoltaic panels, solar heaters and eolian energy). Figure 2 show two of these windows of the RESCE program.

Figure 2.  Calculation windows: a) photovoltaic panels and b) solar heaters

In the photovoltaic panels (figure 2a) when click on the start screen on the bottom which makes reference to this technology, a window that has in its left the input fields of the information is showed, corresponding to the climatic conditions, energy demand to be supplied and common characteristics of the panels that are going to put up. To the right it showed the output fields relative to photovoltaic efficiency, number of panels and substitute demand of electric energy.

Similar to this window is those of the biodigestors, where it is introducing the information corresponding to the climatic, geographic, socioeconomic, productive, technological and environmental conditions of the pig unit. When filling this data, the program determine the potential of electric or thermal energy generation that can be used and show, in the right part of the window, reports of the amount of liquid and solid biofertilizers and cubic meters of methane that are not emit in the atmosphere.

The solar heaters window (figure 2b) has as input data the solar irradiation, the number of workers and temperature, according to the type of heater. This window was design with equal characteristics to the eolian energy, which has the input fields in the upper part and the outputs in the lower one. For this reason, they differ from the above mentioned.

As general results, the tons equivalent to the saving petroleum and those of the CO2 that is not emit to the atmosphere are calculated. An economic valuation is performed, when considering the incomes which are generate by this way and the expenses in which are not incurred.

With the use of the computer system RESCE, it is achieved the implementation of hybrid systems of RES in each pig enterprise and the maximum exploitation of all natural resources, without damage the environment. The computer application is created in a friendly environment, in which not only the professionals or specialists in the topic can interact, also the farmers that know the potentialities of their farms. The previous allows an approximation to the named circular economic, since can close cycles in this production systems, from the collection, recycling and the reuse of the generated wastes. In this way, there is not output flows as reject, as Oliva and Pereda (2022)Oliva-Merencio, D. & Pereda-Reyes, I. 2022. Biogás y Sostenibilidad en Cuba. Revista Universidad y Sociedad, 14(2): 597-609, ISSN: 2218-3620. described it.

It concluded that the RESCE program allows the determination of the energy potential in pig units, in a way that the RES can be used more efficient for the introduction of hybrid systems and contribute, also, to the decision- making.

REFERENCES

 

Casimiro, L., Casimiro-González, J. A., Suárez-Hernández, J., Martín-Martín, G. J. & Rodríguez-Delgado, I. 2019. Índice de aprovechamiento de fuentes renovables de energía, asociadas a tecnologías apropiadas en fincas familiares en Cuba. Pastos y Forrajes, 42 (4): 253-261, ISSN: 2078-8452.

Guardado-Chacón, J. A. & Arencibia, A. 2021. Una mirada desde el Movimiento de Usuarios del Biogás (MUB) a la transición energética en Cuba. Gestión y Ambiente, 24 (Supl2): 238-251, ISSN: 2357-5905. https://doi.org/10.15446/ga.v24nSupl2.92940.

Mejías Caba, A., Ponce de León, R. & García Hernández, Y. 2021. CunICA, software for managing rearing processes in rabbit breeding farms. Technical note. Cuban Journal of Agricultural Science, 55(1): 15-19, ISSN: 2079-3480.

Oliva-Merencio, D. & Pereda-Reyes, I. 2022. Biogás y Sostenibilidad en Cuba. Revista Universidad y Sociedad, 14(2): 597-609, ISSN: 2218-3620.

Schmuller, J. 2009. Aprendiendo UML en 24 horas. Prentice Hall ISBN: 968-444-463-X. Available: https://www.pdfdrive.com/aprendiendo-uml-en-24-horas-e158831793.html.

Varona, K.R. 2012. Aplicación de algoritmos genéticos en la generación automática de horarios docentes en la Facultad Regional de Granma. Revista Cubana de Ciencias Informáticas, 6(4): 37-43, ISSN: 2227-1899.

Venegas Venegas, J. A., Espejel García, A., Pérez Fernández, A., Castellanos Suárez, J. A. & Sedano Castro, G. 2017. Potencial de energía eléctrica y factibilidad financiera para biodigestor-motogenerador en granjas porcinas de Puebla. Revista Mexicana de Ciencias Agrícolas, 8(3): 735-740, ISSN: 2007-0934. https://doi.org/10.29312/remexca.v8i3.47.


 
Biomatemáticas
Comunicación Corta

Sistema informático para la determinación del potencial energético en centros porcinos

 

iDO.G. Pérez-Acosta*✉:osney631@gmail.com

iDA. Mejías


Instituto de Ciencia Animal, Apartado Postal 24, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba

 

*Email: osney631@gmail.com

RESUMEN

Se desarrolló un sistema informático para la determinación del potencial energético en centros porcinos con el propósito de poder utilizar las fuentes renovables de energía. Para su diseño, se seleccionó como entorno el IDE NetBeans en su versión 8.1. Se generó un programa denominado FREAL (fuentes renovables de energía, ambiente limpio) para crear sistemas híbridos, en el cual se establece un orden de prioridad respecto al tratamiento de los residuales. En una segunda fase, se hizo una estimación para determinar el potencial de generación de energía eléctrica con otras fuentes. El uso de este sistema permite la explotación al máximo todos los recursos naturales, sin dañar al medio ambiente y es consecuente con el concepto de economía circular. Se concluye que el programa, además de que permite la informatización del uso de fuentes renovables de energía en los centros porcinos, agiliza la toma de decisiones.

Palabras clave: 
biodigestores, cerdos, eólica, fotovoltaica, solar térmica

La generación de energía en las últimas décadas es una de las grandes preocupaciones en el mundo. Para su generación se emplean grandes cantidades de combustibles de origen fósil. Las energías renovables se caracterizan porque, en sus procesos de transformación y aprovechamiento en energía útil, no se consumen ni se agotan en una escala humana de tiempo (Venegas et al. 2017Venegas Venegas, J. A., Espejel García, A., Pérez Fernández, A., Castellanos Suárez, J. A. & Sedano Castro, G. 2017. Potencial de energía eléctrica y factibilidad financiera para biodigestor-motogenerador en granjas porcinas de Puebla. Revista Mexicana de Ciencias Agrícolas, 8(3): 735-740, ISSN: 2007-0934. https://doi.org/10.29312/remexca.v8i3.47.).

Desde el punto de vista energético, el sector agropecuario tiene la capacidad de generar energía eléctrica y térmica mediante la utilización de residuos, algunos muy contaminantes y otras fuentes alternativas, que pueden constituir fuentes renovables de energía (FRE). Esto es: a partir de la biomasa se puede producir biocombustible y biogás, lo que supone importantes ventajas económicas, sociales y territoriales (Guardado-Chacón y Arencibia 2021Guardado-Chacón, J. A. & Arencibia, A. 2021. Una mirada desde el Movimiento de Usuarios del Biogás (MUB) a la transición energética en Cuba. Gestión y Ambiente, 24 (Supl2): 238-251, ISSN: 2357-5905. https://doi.org/10.15446/ga.v24nSupl2.92940.). Por estas razones, la agricultura pudiera ser autosustentable energéticamente, ya que crea excedentes suficientes para lograr balances positivos, así como para dejar de emitir gases contaminantes a la atmósfera y evitar la contaminación de cuencas hidrográficas (Casimiro-Rodríguez et al. 2019Casimiro, L., Casimiro-González, J. A., Suárez-Hernández, J., Martín-Martín, G. J. & Rodríguez-Delgado, I. 2019. Índice de aprovechamiento de fuentes renovables de energía, asociadas a tecnologías apropiadas en fincas familiares en Cuba. Pastos y Forrajes, 42 (4): 253-261, ISSN: 2078-8452.).

Para determinar el potencial energético se necesita de una herramienta informática que agilice el cálculo de las tecnologías a utilizar y que, a la vez, permita la integración de cada una de ellas, así como la selección de la variante óptima para cada escenario. Por ello, el objetivo de este trabajo fue desarrollar un sistema informático para la determinación del potencial energético en centros porcinos, de modo que se puedan utilizar las FRE.

El sistema informático se desarrolló en el Instituto de Ciencia Animal (ICA) en los departamentos de ingeniería y estadística aplicada. Se realizó la aplicación informática en el entorno de desarrollo integrado libre IDE NetBeans, en su versión 8.2, que brinda soporte a casi todas las novedades del lenguaje de programación Java (Varona 2012Varona, K.R. 2012. Aplicación de algoritmos genéticos en la generación automática de horarios docentes en la Facultad Regional de Granma. Revista Cubana de Ciencias Informáticas, 6(4): 37-43, ISSN: 2227-1899.). Se programó con una arquitectura dividida en capas. La primera, de interfaz manejada con el UI Swing, donde los componentes y botones se ajustan al tamaño del monitor en que se ejecute el sistema informático. La segunda, que cuenta con un módulo de servicios, se encarga de las funcionalidades de entrada y salida de los datos.

Además, se empleó la metodología Racional Unified Process (RUP), pues se adapta a cualquier proyecto informático. Esta metodología utiliza el lenguaje unificado de modelado (UML, por sus siglas en inglés), que permite realizar ingeniería inversa. A partir del código de un programa, se puede obtener información sobre su diseño (Schmuller 2009Schmuller, J. 2009. Aprendiendo UML en 24 horas. Prentice Hall ISBN: 968-444-463-X. Available: https://www.pdfdrive.com/aprendiendo-uml-en-24-horas-e158831793.html.). También se aplicó la herramienta Visual Paradigm para aplicar RUP, la que soporta el ciclo completo del desarrollo del sistema. Esta herramienta permite generar código fuente para diversos lenguajes (Mejías et al. 2021Mejías Caba, A., Ponce de León, R. & García Hernández, Y. 2021. CunICA, software for managing rearing processes in rabbit breeding farms. Technical note. Cuban Journal of Agricultural Science, 55(1): 15-19, ISSN: 2079-3480.), entre ellos Java.

En la figura 1 se muestra el esquema lógico-estructural del sistema informático donde se detalla su funcionamiento. Se denominó FREAL, cuyas siglas significan: fuente renovable de energía- ambiente limpio. El número del registro facultativo de obras protegidas y de actos y contratos referidos al derecho de autor fue 0072-01-2023.

Figura 1.  Esquema lógico-estructural del sistema informático FREAL

Se consideró en los datos de entrada la información correspondiente a las condiciones climáticas, geográficas, socioeconómicas, productivas, tecnológicas y ambientales. Se estableció un orden de prioridad respecto al tratamiento de los residuales. Primeramente, se realizó el diseño de los biodigestores para cada escenario, donde se consideraron las políticas establecidas por el Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente en Cuba (CITMA). Para ello, se valoraron las cantidades de biogás y lodo que se obtienen para la producción de energía y fertilizante. En una segunda fase, se hizo una estimación para determinar el potencial de generación de energía eléctrica con otras fuentes renovables: solar fotovoltaica, solar térmica y eólica.

FREAL brinda una apariencia visual agradable y tiene buena calidad funcional. Al iniciar el sistema, se muestra una pantalla de bienvenida, que cuenta con cuatro opciones de análisis (biodigestor, paneles fotovoltaicos, calentadores solares y energía eólica). En la figura 2 se muestran dos de estas ventanas del programa FREAL.

Figura 2.  Ventanas de cálculo: a) paneles fotovoltaicos y b) calentadores solares

En los paneles fotovoltaicos (figura 2a), al hacer clic en la pantalla de inicio sobre el botón que hace referencia a esta tecnología, se muestra una ventana que tiene a su izquierda los campos de entrada de la información, correspondientes a las condiciones climáticas, demanda energética que se va a suplir y características propias de los paneles que se pretenden montar. A la derecha muestra los campos de salida relativos a eficiencia fotovoltaica, cantidad de paneles y demanda sustituida de energía eléctrica.

Similar a esta ventana es la de los biodigestores, donde se introduce la información correspondiente a las condiciones climáticas, geográficas, socioeconómicas, productivas, tecnológicas y ambientales de la unidad porcina. Al llenar estos datos, el programa determina el potencial de generación de energía eléctrica o térmica que se puede emplear y muestra, en la parte derecha de la ventana, informes de la cantidad de biofertilizantes líquido y sólido y los metros cúbicos de metano que se dejan de emitir a la atmósfera.

La ventana calentadores solares (figura 2b) tiene como datos de entrada la irradiación solar, la cantidad de trabajadores y la temperatura, según el tipo de calentador. Esta ventana se diseñó con iguales características a la de energía eólica, que tienen los campos de entrada en la parte superior y las salidas en la inferior. Por esta razón, difieren de las antes mencionadas.

Como resultados generales, se calculan las toneladas equivalentes de petróleo que se ahorran y las de CO2 que se dejan de emitir a la atmósfera. Se realiza una valoración económica, al considerar los ingresos que se generan por esta vía y los gastos en los que se dejan de incurrir.

Con el empleo del sistema informático FREAL, se logra la implementación en cada centro porcino de sistemas híbridos de FRE y la explotación al máximo de todos los recursos naturales, sin que se dañe el medio ambiente. La aplicación informática está creada en un ambiente amigable, donde no sólo los profesionales o especialistas en el tema pueden interactuar, también los productores que conocen las potencialidades de sus fincas. Lo anterior permite un acercamiento a la llamada economía circular, ya que se pueden cerrar ciclos en estos sistemas de producción, a partir de la recuperación, el reciclaje y la reutilización de los residuos que se generan. De esta manera, no existen flujos de salida en forma de rechazo, como lo describen Oliva y Pereda (2022)Oliva-Merencio, D. & Pereda-Reyes, I. 2022. Biogás y Sostenibilidad en Cuba. Revista Universidad y Sociedad, 14(2): 597-609, ISSN: 2218-3620..

Se concluye que el programa FREAL permite la determinación del potencial energético en centros porcinos, de modo que se puedan utilizar de manera más eficiente las FRE para la introducción de los sistemas híbridos y contribuir, además, a la toma de decisiones.