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Biomasa energética - Monografía



 
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Residuos. Aprovechamiento energético. Combustión. Gasificación. Cultivos energéticos. Biocombustibles



¿Qué es la biomasa?


Se conoce como biomasa energética al conjunto de materia orgánica, de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformación natural o artificial. Su aprovechamiento energético puede constituir a largo plazo una importante fuente de energía renovable en nuestro país en términos de energía primaria.

La Biomasa ser puede clasificar como:

- Residuos forestales procedentes de diversos tratamientos silvícolas, podas o limpieza de matorrales.

- Residuos agrícolas de diferentes podas de cultivos leñosos como olivos, vides y frutales. También residuos de cultivos de cereales como el centeno, maíz, trigo, sorgo o arroz e incluso se utilizan los residuos de otros cultivos herbáceos como el tabaco, remolacha, algodón y girasol.

- Residuos de industrias forestales, procedentes en su mayoría de industrias de tratamiento de madera, chapa de madera, corcho o papel.

- Residuos biodegradables de industrias agroganaderas y agroalimentarias y también los procedentes de actividad urbana, entre los que destaca el biogas procedente de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas y de los Residuos Sólidos Urbanos.


Cultivos energéticos y biocarburantes


Tradicionalmente se ha aprovechado los recursos de biomasa vegetal pero cada vez adquiere mayor relevancia por su potencial económico, ya que existen importantes volúmenes anuales de producción agraria, cuyos subproductos se pueden usar como fuente de energía. Además se están potenciando los cultivos energéticos, que son específicos para la producción energética.

En Andalucía, principalmente se aprovecha la biomasa de los derivados de la molienda de la aceituna y en menor proporción de los purines de las granjas de ganado porcino, que en ambos casos suponen un problema medioambiental importante.

La tecnología de este tipo de generación eléctrica tiene dos variantes principales: la combustión y la gasificación.

Combustión



En el ámbito de combustión, más generalizada actualmente, se emplea la combustión mediante parrilla y por lechos fluidos.
Dependiendo de la materia prima es más adecuada la utilización de parrilla o de lechos fluidos. Esta tecnología disponible, consistente en una combustión integrada en un ciclo de vapor, puede alcanzar rendimientos entre el 18 y 30 % y hasta 50 MW de potencia. Cabe esperar en el futuro un perfeccionamiento de los sistemas de combustión y de los ciclos para centrales térmicas de generación en estos rangos de potencia.

También dentro de las tecnologías propias de esta tipología de generación deben incluirse las labores de transporte y preparación de la materia para combustión. Internalizar estos procesos permite conocer realmente los rendimientos de la instalación y asegurar su estudio integral.

El aprovechamiento de los residuos forestales es actualmente complicado: puede plantearse su transformación mediante astillado con el fin de hacer posible su transporte en condiciones económicas aceptables, obteniéndose un producto manejable y de granulometría homogénea.

Los residuos agrícolas leñosos, de características semejantes a los residuos forestales en cuanto a su naturaleza y disposición, precisan un tratamiento que permita un transporte barato, para lo que es necesario el astillado o compactación del material obtenido en campo.

En el caso de la paja de cereales de invierno (cebada, trigo, etc.), desde el punto de vista tecnológico, existen equipos convencionales de recogida y preparación para el almacenamiento y transporte, que han sido adaptados para una aplicación energética.

Los residuos de industrias agrícolas tienen un origen muy variado, aunque los procedentes de la industria del aceite de oliva tienen una  importancia cuantitativa en España.

Un ejemplo de estas aplicaciones es el del grupo Endesa que está desarrollando procesos de producción de energía eléctrica mediante la combustión de biomasa generada en los procesos del olivar. La planta se ubicará en la comarca de la Loma en Jaén y utilizará como combustible el orujillo de la aceituna, del que consumirá anualmente cerca de 90.000 toneladas. Con esta producción se podría suministrar electricidad a 30.000 habitantes.

Gasificación



El biogas que se produce la fermentación natural (por ejemplo de las basuras en un vertedero) es canalizado  hasta una central térmica próxima. Esta central transforma el biogas en energía que, a su vez, es canalizada hacia algún punto concreto o se suma a la red general de energía eléctrica.

Un ejemplo de este proceso se encuentra en el proyecto de Viznar (Granada). El Biogas producido por los residuosacumulados durante casi 30 años será utilizado para la generación de electricidad que servirá para cubrir las necesidades energéticas de la iluminación pública de Granada, calles, plazas y edificios municipales (con aproximadamente medio megavatio de potencia).

A la vez que se realiza el sellado del vertedero se están introduciendo tuberías de canalización para el gas que producen las basuras hasta unos depósitos en la central térmica. Con esto se evita concentraciones de gas y posteriores explosiones.

Cultivos energéticos


Otro gran grupo en desarrollo es el de los cultivos energéticos, que constituyen una alternativa actual a los cultivos de cereal tradicional. Su principal característica es la alta productividad que, unida a que no contribuyen de manera sensible a la degradación del suelo, hace de ellos un combustible interesante para el futuro de la generación mediante biomasa. La experimentación se está llevando a cabo fundamentalmente con el cardo.

Los cultivos energéticos se usan también para crear combustibles de automoción. Con un aprovechamiento adecuado de residuos agrícolas, forestales y ganaderos se podría incrementar el uso de estos recursos.


Diferentes plantas de biomasa



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CONTROL DE UNA PLANTA DE GASIFICACION CON AIRE DE RESIDUOS EN LECHO MOVIL EN CORRIENTES DESCENDENTES



Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente



La gasificación con aire en lecho móvil en corrientes descendentes es una opción interesante para el aprovechamiento de residuos lignocelulósicos para la producción de energía a pequeña y mediana escala. El control automático de la planta se realiza mediante un ordenador donde el programa de control se halla escrito en LabView.

Un armario situado a pie de planta contiene toda la instalación eléctrica y electrónica: preamplificadores de señal, sistemas de control de velocidad de motores, sistemas de seguridad, relés, contactores, etc., así como al mismo ordenador.


Sistema de alimentación de biomasa.



Para efectuar el proceso de carga del gasificador disponemos de una cinta transportadora, alimentada por una tolva situada en su base y que a su vez alimenta otra pequeña tolva situada en la parte superior del gasificador. Esta última alimenta un cilindro de recarga cerrado por arriba y por abajo por sendas válvulas de cierre de tipo tajadera, activadas mediante electroválvulas neumáticas. En dicho cilindro se dispone de un medidor de nivel de paletas, similar a otro que se encuentra situado dentro del propio gasificador.

A intervalos regulares de tiempo se comprueba el nivel de caudal del gasificador. Si está por debajo del nivel mínimo, se vacía el cilindro de recarga, abriendo la tajadera inferior. A continuación se vuelve a cargar el cilindro, activando la cinta transportadora, abriendo la tajadera superior y comprobando el nivel mediante el detector de ese compartimento. Cuando el nivel de sólido alcanza el nivel adecuado, se para la cinta y se cierra la tajadera superior, dejando al sistema listo para un nuevo ciclo de recarga.

Sistema de alimentación de aire.



Mediante un regulador de frecuencia se regula el caudal de aire que proporciona la soplante. Para ello disponemos de un sensor que proporciona una salida proporcional a dicho caudal. Un regulador PID se encarga de mantener un caudal constante, estableciéndose la señal de consigna desde el ordenador.

Actuaciones temporizadas.



Existen tres elementos dentro de la planta cuyo funcionamiento es temporizado que son activados desde el programa de control, que permite variar el tiempo de funcionamiento y paro de forma independiente para cada uno de ellos. Se trata de la parrilla giratoria, situada en la parte inferior del gasificador, el agitador del lecho, que remueve la biomasa dentro del gasificador y el tornillo sinfín, que retira las cenizas producidas en la combustión.

Adquisición de datos.



El ordenador de control registra la temperatura de cuatro termopares situados en el interior del gasificador a diferentes alturas. Además, se mide la temperatura de la conducción de gas y en la de aire, antes y después del intercambiador de calor, que precalienta el aire suministrado por la soplante. Por último, se mide la temperatura a la salida del sistema de limpieza de gases.

La presión se mide en cuatro puntos: a la entrada de aire del gasificador, en la zona de secado, en la salida de gas y después del sistema de limpieza de gases.

Exterior e interior de planta de biomasa



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Utilización de la Biomasa



Bosques:


La única biomasa explotada actualmente para fines energéticos es la de los bosques. No obstante, el recurso sistemático de la biomasa de los bosques para cubrir la demanda energética sólo puede constituir una opción razonable en países donde la densidad territorial de dicha demanda es muy baja, así como también la de la población (Tercer mundo). En España (por lo demás país deficitario de madera) sólo es razonable contemplar el aprovechamiento energético de la corta y saca y de la limpia de las explotaciones forestales (leña, ramaje, follaje, etc.), así como de los residuos de la industria de la madera. En este sentido, la oferta energética subyacente a las leñas ha sido evaluada en 2.500.000 tep, partiendo de la base de que la producción de leña (siempre en España) en t/ha es aproximadamente igual a la cuarta parte de la cifra correspondiente al crecimiento anual de madera, en m3/ha.

Cultivos energéticos:



Es muy discutida la conveniencia de los cultivos o plantaciones con fines energéticos, no sólo por su rentabilidad en sí mismos, sino también por la competencia que ejercerían con la producción de alimentos y otros productos necesarios (madera, etc.). Las dudas aumentan en el caso de las regiones templadas, donde la asimilación fotosintética es inferior a la que se produce en zonas tropicales. Así y todo, en España se ha estudiado de modo especial la posibilidad de ciertos cultivos energéticos, especialmente sorgo dulce y caña de azúcar, en ciertas regiones de Andalucía, donde ya hay tradición en el cultivo de estas plantas de elevada asimilación fotosintética. No obstante, el problema de la competencia entre los cultivos clásicos y los cultivos energéticos no se plantearía en el caso de otro tipo de cultivo energético: los cultivos acuáticos. Una planta acuática particularmente interesante desde el punto de vista energético sería el jacinto de agua, que posee una de las productividades de biomasa más elevadas del reino vegetal (un centenar de toneladas de materia seca por hectárea y por año). Podría recurriese también a ciertas algas microscópicas (microfitos), que tendrían la ventaja de permitir un cultivo continuo. Así, el alga unicelular Botryococcus braunii, en relación a su peso, produce directamente importantes cantidades de hidrocarburos.

METODOS DE CONVERSIÓN DE LA BIOMASA EN ENERGÍA



Aparte del caso excepcional de Brotryococcus braunii, que produciría directamente petróleo, la utilización práctica de las diferentes formas de biomasa requiere unas técnicas de conversión.

Métodos termoquímicos:


Estos métodos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación de la biomasa. Están bien adaptados al caso de la biomasa seca, y, en particular, a los de la paja y de la madera. La combustión: Es la oxidación completa de la biomasa por el oxígeno del aire, libera simplemente agua y gas carbónico, y puede servir para la calefacción doméstica y para la producción de calor industrial. La pirólisis: Es la combustión incompleta de la biomasa en ausencia de oxígeno, a unos 500 ºC, se utiliza desde hace mucho tiempo para producir carbón vegetal. Aparte de esté. la pirólisis lleva a la liberación de un gas pobre, mezcla de monoxido y dioxido de carbono, de hidrógeno y de hidrocarburos ligeros. Este gas de debil poder calorifico, puede servir para accionar motores diesel, o para producir electricidad, o para mover vehículos. Una variante de la pirólisis, llamada pirólisis flash, lleva a 1000ºC en menos de un segundo, tiene la ventaja de asegurar una gasificación casi total de la biomasa. De todas formas, la gasificación total puede obtenerse mediante una oxidación parcial de los productos no gaseosos de la pirólisis. las instalaciones en las que se realizan la pirólisis y la gasificación de la biomasa reciben el nombre de gasógenos. El gas pobre producido puede utilizarse directamente como se indica antes, o bien servir de base para la síntesis de un alcohol muy importante, el metanol, que podría sustituir las gasolinas para la alimentación de los motores de explosión (carburol).

Métodos biológicos:



La fermentación alcohólica es una técnica empleada desde muy antiguo con los azúcares, que puede utilizarse también con la celulosa y el almidón, a condición de realizar una hidrólisis previa (en medio ácido) de estas dos sustancias. Pero la destilación, que permite obtener alcohol etílico prácticamente anhídrido, es una operación muy costosa en energía. En estas condiciones, la transformación líe la biomasa en etanol y después la utilización de este alcohol en motores de explosión, tienen un balance energético global dudoso. A pesar de esta reserva, ciertos países (Brasil, E.U.A.) tienen importantes proyectos de producción de etanol a partir le biomasa con un objetivo energético (propulsión de vehículos; cuando el alcohol es puro o mezclado con gasolina, el carburante recibe el nombre de gasohol). La fermentación metánica es la digestión anaerobia de la biomasa por bacterias. Es idónea para la transformación de la biomasa húmeda (más del 75 % de humedad relativa). En los fermentadores, o digestores, la celulosa es esencialmente la sustancia que se degrada en un gas, que contiene alrededor de 60 % de metano y 40 % de gas carbónico. El problema principal consiste en la necesidad de calentar el equipo, para mantenerlo a la temperatura óptima de 30-35ºC. No obstante, el empleo de digestores es un camino prometedor hacia la autonomía energética de las explotaciones agrícolas, por recuperación de las deyecciones y camas del ganado. Además, es una técnica de gran interés para los países en vías de desarrollo. Así, millones de digestores ya son utilizados por familias campesinas chinas.

LUGAR DE LA BIOMASA ENTRE LAS FUENTES DE ENERGÍA


Al contrario de las energías extraídas de la tanatomasa (carbón; petróleo), la energía derivada de la biomasa es renovable indefinidamente. Al contrario de las energías eólica y solar, la de la biomasa es fácil de almacenar. En cambio, opera con enormes volúmenes combustibles que hacen su transporte oneroso y constituyen un argumento en favor de una utilización local y sobre todo rural. Su rendimiento, expresado en relación a la energía solar incidente sobre las mismas superficies, es muy débil (0,5 % a 4 %, contra 10 % a 30 % para las pilas solares fotovoltaicas), pero las suerficies terrestres y acuaticas, de que pueden disponer no tienen comparación con las que pueden cudrir, por ejemplo, los captadores solares.
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El futuro de la biomasa en Europa


La Comunidad Europea, en función de los compromisos adquiridos en Kyoto ya ha comenzado una estrategia de diversificación de las fuentes de abastecimiento de energía, de disminución de la intensidad energética (unidad de energía consumida por unidad de producto) y de ahorro, como forma de afrontar las necesidades energéticas hacia el futuro.

En España, la respuesta institucional se ha materializado en el Plan de Fomento de las Energías Renovables, aprobado en diciembre de 1999, donde se recoge el objetivo de lograr un 12 % del abastecimiento con energías renovables para el 2010. La aportación actual de las Fuentes de Energía Renovables (FER) es de 6,3 %, teniendo en cuenta que la hidráulica de > 10 MW de potencia es de 2,3 %. La previsión, por tanto es un incremento de más del 100 % ya que el consumo de energía total será mayor que el de hoy.

Exterior de planta en la Comunidad Valenciana


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