MADERA NATIVA COMO FUENTE DE ENERGÍA

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1 ATCP Revista Celulosa y Papel Octubre MADERA NATIVA COMO FUENTE DE ENERGÍA Nora Szarka, Claudia Llanos Unidad de Desarrollo Tecnológico (UDT) Universidad de Concepción RESUMEN En la actualidad Chile enfrenta el problema de una alta dependencia de importaciones de diferentes combustibles para producir energía, lo cual se suma a un alto precio e impacto ambiental. Este escenario hace necesaria la incorporación de nuevas alternativas para diversificar la matriz energética. En este contexto, el uso de fuentes renovables, específicamente biomasa forestal debido a la gran disponibilidad en el país, es una buena oportunidad para reducir la dependencia y la contaminación que provocan los combustibles fósiles. Este artículo muestra las alternativas tecnológicas para generar energía a partir de biomasa de bosque nativo, el cual representa el 85% del total de bosque chileno. Los procesos de conversión evaluados son físicos y químicos, e incluyen densificaciones mecánicas y termoquímicas, combustión, pirólisis, y gasificación, así como un proceso bioquímico para producir bioetanol. A partir de estos procesos es posible obtener combustibles líquidos, sólidos y gaseosos capaces de sustituir los combustibles fósiles para la generación de electricidad y calor. INTRODUCCIÓN En la actualidad, la provisión de energía es uno de los principales desafíos que enfrentan muchos países los que, al igual que Chile, dependen de las importaciones de diferentes tipos de combustibles para la operación de industrias, generación de electricidad, calefacción y transporte. Chile importa el 72% de la energía primaria que consume en forma de gas, petróleo y carbón (CNE, 2007). Por otro lado, la generación de energía a partir de fuentes fósiles contribuye a la polución del aire, especialmente por las emisiones de CO2, SOX y NOX. Además, el alto precio del petróleo, los continuos cortes de gas natural desde Argentina y la alta dependencia de nuestro sistema eléctrico de la generación hidroeléctrica (recurso que puede variar por factores climáticos, difíciles de predecir), hacen necesaria la búsqueda de nuevas alternativas, con el fin de diversificar la matriz energética, basada en fuentes locales y menos contaminantes.

2 30 ATCP Revista Celulosa y Papel Octubre 2009 En este contexto, las fuentes de energías renovables pueden contribuir a reducir la dependencia de las importaciones, aumentar la seguridad del abastecimiento y además disminuir el impacto ambiental, en comparación al uso de combustibles fósiles. Las energías renovables se caracterizan porque en sus procesos de transformación y aprovechamiento en energía útil no se consumen ni se agotan a una escala temporal humana. Entre estas fuentes de energía se cuentan las de tipo hidráulica, solar, eólica, mareomotriz, biomasa y energía geotérmica. Entre las energías renovables, el uso de biomasa es una atractiva alternativa para generar energía, debido a que es un recurso local abundante y existen tecnologías maduras para su conversión energética. Se entiende por biomasa al conjunto de materia orgánica renovable de origen animal, vegetal o precedente de la transformación natural o artificial de la misma (CNE, GTZ, 2007). Nuestro país cuenta con abundante disponibilidad de recursos de biomasa forestal (15,6 millones de hectáreas de bosque), los que se concentran en la zona centro sur del país (CONAF, CONAMA, 1999), de los cuales más de 13 millones de hectáreas corresponden a bosques nativos. Actualmente un 16% del consumo primario de energía en Chile proviene de biomasa (CNE, 2001), principalmente para uso residencial como leña. En relación a la generación de eléctrica en Chile, sólo el 2% de la capacidad instalada del sistema interconectado central (SIC) proviene de biomasa. MATERIALES Y MÉTODOS BOSQUE NATIVO EN CHILE De las 13 millones de hectáreas de bosque nativo en Chile, el principal tipo forestal es el Siempreverde (41%), Coihue de Magallanes (17%) y Roble-Raulí-Coihue (14%). Las actividades generadoras de biomasa forestal son principalmente la cosecha y la industria del aserrío de madera. De igual modo, existe una gran cantidad de biomasa disponible en los bosques, producto de incendios forestales y de la caída natural de bosques. Dentro de los residuos generados en las industrias, encontramos principalmente aserrín, viruta, corteza, despuntes y lampazos, con una cantidad aproximada de 5,5 millones de m3scc/año. Estos desechos son acopiados, ya sea en zonas delimitadas dentro de los aserraderos o bien dejados en el bosque o en el lugar de utilización, dependiendo si el aserradero es de tipo estacionario o móvil. De acuerdo a estudios anteriores, cerca de un 50% de los residuos generados en actividades de aserrío no son comercializados. Por otro lado, los residuos provenientes de las actividades de cosecha (ramas, hojas y corteza) se encuentran en los bosques mismos y representan aproximadamente un 40-70% de la cosecha. Además, a nivel nacional existe una gran superficie (1,5 millones de hectáreas) con madera muerta, producto de incendios forestales. Considerando las áreas protegidas, las restricciones legales, las condiciones de los terrenos (entre ellas los comúnmente difíciles accesos) y las condiciones climáticas, todavía existe una gran superficie con una cantidad relevante de residuos de biomasa forestal potencialmente utilizables. Con respecto a los usos del bosque nativo, en Chile prácticamente no se utiliza con fines industriales; son los pequeños propietarios que extraen la madera, para venderla como combustible. En este contexto, el uso en Chile es del orden de 7 millones de metros cúbicos de bosque nativo para leña, lo cual representa un 91% de la biomasa total comercializada proveniente de bosque nativo, mientras que sólo el 9% se utiliza para otros fines. El destino de la leña a partir de bosque nativo es principalmente residencial, contándose con un 48% el consumido por el sector residencial urbano, le sigue el sector residencial rural con un 47%, un 3% las industrias y sólo un 2% el sector servicios. POSIBLES USOS ENERGÉTICOS DE LA MADERA La madera, como materia prima, contiene celulosa, hemicelulosas y lignina. La celulosa es rígida, insoluble en agua y contiene desde varios cientos hasta varios miles de unidades de glucosa. Las hemicelulosas son un componente de las paredes de las células de las plantas. Su función es la de una sustancia de soporte y armadura, en la mayoría de los casos en conjunto con la celulosa. La lignina es un polifenol presente en las paredes celulares de plantas y otros organismos, la cual proporciona rigidez a la pared celular. Después de la celulosa, es la segunda sustancia orgánica más abundante en el planeta. Dependiendo de estos componentes, se puede generar energía de diversas formas a partir de madera, mediante procesos de conversión. La energía contenida en la biomasa puede transformarse en calor, energía eléctrica o combustibles de transporte. Los procesos de conversión de biomasa forestal son procesos fisicoquímicos, bioquímicos y termoquímicos, como muestra la Figura 1.

3 ATCP Revista Celulosa y Papel Octubre Figura 1. Vías posibles de uso energético de biomasa forestal PROCESOS TERMOQUÍMICOS COMBUSTIÓN La combustión es un proceso que consiste en la descomposición termoquímica de la biomasa, en presencia de oxígeno. Los productos principales son dióxido de carbono, agua, cenizas y calor. En la Figura 2 se muestra un esquema general del proceso de combustión. proceso de aserrío son utilizados como combustible para calderas, para generar vapor requerido en el proceso de secado de la madera. En el futuro, por la gran disponibilidad y bajo costo de esta materia prima, se espera un aumento en el uso de residuos nativos en varios sectores, combinando posiblemente con otros procesos, como por ejemplo la densificación. Para el proceso de combustión se emplean principalmente hornos y calderas. Existe una gran variedad de hornos que se utilizan para combustionar biomasa, sin embargo, los más utilizados son los hornos con parrilla móvil, hornos de parrilla rotatoria y hornos de quemador simple. Los gases generados pueden ser usados para generar calor mediante calderas, electricidad con la aplicación de turbinas o motores y generar tanto calor como electricidad, con un sistema de co-generación (Nussbaumer, 2002). Dentro de las posibilidades de uso de biomasa de bosque nativo, actualmente en el sector industrial los desechos generados del Figura 2. Proceso de combustión

4 32 ATCP Revista Celulosa y Papel Octubre 2009 GASIFICACIÓN La gasificación es un proceso que consiste en la descomposición termoquímica de la biomasa, en presencia de pequeños proporciones de un agente oxidante (aire, oxigeno o vapor) a temperaturas sobre los 700 C. El producto principal es un gas combustible. La composición del gas obtenido depende del equipo y del agente oxidante utilizado. En el caso de la utilización de aire, se genera un gas pobre, de bajo poder calorífico (4-7 MJ/m3) como consecuencia del alto contenido de nitrógeno; mientras que en el caso del oxígeno o vapor de agua se obtiene un gas de síntesis que tiene un poder calorífico mayor (10-18 MJ/ m3). La Figura 3 representa el esquema general del proceso de gasificación, el cual considera 3 etapas: secado, pirólisis y gasificación. Figura 3. Esquema de un proceso de gasificación Los tipos principales de gasificadores empleados actualmente son de tipo lecho móvil y de lecho fluidizado, siendo el primero el más común. Dentro de los gasificadores de lecho móvil, existen los de contra-corriente (updraft) y co-corriente (downdraft), lo que se observa en la Figura 3. El gas pobre obtenido puede quemarse subsecuentemente, para obtener de forma adicional energía térmica, en una caldera para producir vapor, o bien ser enfriado y acondicionado para su uso en un motor de combustión interna que produzca a su vez energía mecánica, o en turbinas de gas o en motores de combustión interna. Ambos motores térmicos pueden ser acoplados a un generador, para la producción de electricidad. Además, tal como está ejemplificado en la Figura 1, el gas resultante del proceso de gasificación, después de un proceso de síntesis y acondicionamiento, también puede ser inyectado a la red de gas natural para uso domiciliario o industrial, lo cual reviste una alternativa muy valiosa considerando el déficit de abastecimiento de gas natural a nivel nacional. El proceso de gasificación a partir de biomasa está siendo aplicado en diversas plantas a nivel mundial en países como Suecia, Nueva Zelandia y Finlandia, entre otros; sin embargo, no existen aplicaciones a nivel industrial en nuestro país, sino sólo investigaciones a pequeña escala. Actualmente no existe gasificación a partir de bosque nativo, sólo a partir de residuos provenientes de plantaciones. Considerando que uno de los factores que influye en los productos de gasificación es la concentración de lignina en la madera, algunas especies de bosque nativo pueden dar buenos resultados, aunque hasta hoy no existan estudios cuantitativos al respecto.

5 ATCP Revista Celulosa y Papel Octubre PIRÓLISIS La pirólisis es el proceso que consiste en la descomposición termoquímica de la biomasa en ausencia de un medio oxidante, a temperaturas entre 400ºC a 800ºC. Los productos de este proceso son carbón vegetal, bio-oil y gases combustibles. Las cantidades relativas de los productos obtenidos, así como su composición, dependen de las propiedades de la especie maderera tratada y de los parámetros de operación del equipo (principalmente temperatura y tiempo de residencia). Una reacción de corto tiempo de residencia a altas temperaturas recibe el nombre de pirólisis rápida, cuyo principal producto es el bio-oil. Mientras una reacción con largos tiempos de residencia a bajas temperaturas recibe el nombre de pirólisis lenta, la cual entrega como principal producto el carbón. En la Figura 4 se observa el esquema general del proceso de pirólisis, el cual considera como primera etapa la preparación de la materia prima (secado y selección), en la cual se reduce la humedad de la biomasa bajo el 10% bs. Posteriormente tiene lugar la reacción pirolítica propiamente tal en el reactor, seguida de la separación de sólidos desde la corriente de gases y vapores (carboncillo) en un ciclón convencional, para terminar finalmente con la recepción del bio-oil, posterior al proceso de condensación a través de una etapa de enfriamiento. Figura 4. Esquema de un proceso de pirólisis (Fuente: Bridgwater, 2002) En los últimos años se han desarrollado múltiples tecnologías en procesos de pirólisis. Los principales tipos de reactores empleados son cono rotatorio y lecho fluidizado. Con respecto al uso actual de los productos obtenidos, el carbón vegetal puede ser utilizado para generar calor y el bio-oil puede ser quemado en calderas para generar vapor y para cogeneración. Además, se puede obtener productos químicos y combustibles de transporte. Por otro lado, los gases combustibles pueden ser quemados para la obtención de calor (ver Figura 1). Actualmente en Chile existe una empresa que trabaja en la producción carbón vegetal a partir de desechos forestales de pino en una planta piloto. En general, hasta ahora las materias primas utilizadas para procesos de pirólisis han sido carbón y biomasa de pino, no existiendo productos de pirólisis a partir de especies de bosques nativos. Tal como se señaló anteriormente, dependiendo de la composición de la especie maderera utilizada (celulosa, lignina, hemicelulosas y extraíbles), se podrá obtener composiciones diferentes de los productos del proceso de pirólisis, por lo que se mantiene como un desafío importante el estudiar el uso de este proceso utilizando biomasa de especies de bosque nativo, para evaluar los resultados de la composición de sus diferentes productos. PROCESOS FÍSICOS DENSIFICACIÓN La densificación es un proceso que consiste en la compactación de la biomasa mediante la aplicación de presión constante para obtener productos combustibles densificados con un alto poder calorífico, y homogéneos en propiedades y dimensiones. Algunos residuos de biomasa forestal como el aserrín y la viruta son utilizados para la elaboración de elementos densificados como pellets y briquetas. Los pasos principales para generar pellets de madera son: secado de aserrín, molienda fina, acondicionamiento de vapor y peletizado por presión. Los pellets son elementos densificados de forma cilíndrica, entre 20 y 40 mm de largo y un máximo de 10 mm de diámetro, con un 10% de humedad. La briqueta tiene un tamaño, 5-10 cm de diámetro. Las ventajas de estos productos densificados son un mayor poder calorífico, mejor combustión y eficiencia, bajo costo de materia prima (usando residuos) y factibilidad de almacenamiento (necesita menos espacio); además, constituyen una fuente de energía neutra respecto a CO2 y durante su uso prácticamente no se genera residuos, ya que no requieren de aditivos u otro tipo de sustancias. Con respecto a la elaboración de pellets, la materia prima que se utilice para su elaboración debe tener una humedad entre un 8-15% base húmeda y un tamaño de partícula del orden de 5 mm, con el fin de garantizar la calidad del producto final. Los tipos de equipos de pelletizado son principalmente de matriz anular y matriz plana. Para el caso de las briquetas, es necesario que la humedad de la materia prima esté comprendida entre un 8 y 15% y que el tamaño de las partículas esté comprendido entre 0,5 y 1 cm. Existen distintas tecnologías de briquetado, siendo las más utilizadas el densificado por impacto, densificado por extrusión y briquetadoras hidráulicas o neumáticas.

6 34 ATCP Revista Celulosa y Papel Octubre 2009 En países europeos el pellets está siendo utilizado en generadoras de electricidad y tiene un rol importante para generar calor. En Chile existen 3 empresas productoras de pellets, con capacidad de producción sobre las 50 mil toneladas al año. La elaboración de pellets en estas empresas es principalmente a partir de desechos de aserraderos (bosque de pino) y de fábricas de muebles, no existiendo productos desarrollados a partir de especies de bosques nativos, representando por ende un desafío interesante. Como posibles usos de pellets de madera como combustible alternativo en Chile se cuentan las centrales eléctricas, en la generación industrial de calor y energía eléctrica, y para calefacción residencial. PROCESO BIO-TECNOLÓGICO ETANOL El etanol o alcohol etílico tiene la formula CH3CH2OH. Esta sustancia puede utilizarse como combustible para automóviles, ya sea solo o mezclado en cantidades variables con gasolina para reducir el consumo de derivados del petróleo. Las dos mezclas comunes son E10 y E85, con contenidos de etanol del 10% y 85%, respectivamente. Convencionalmente se habla de dos generaciones de bioetanol: la primera considera el uso de granos de maíz y caña de azúcar, lo que es característico en países como Estados Unidos y Brasil, respectivamente, los cuales actualmente son los mayores productores de bioetanol en el mundo; la segunda generación, en cambio, se basa en el uso de un material lignocelulósico, como madera, paja de trigo, desechos agrícolas, etc. Dicho proceso requiere de un pretratamiento, para hacer la celulosa accesible a la hidrólisis; para ello existen pretratamientos biológicos, físicos, químicos, físico-químicos y combinaciones de los anteriores. Los procesos sucesivos utilizados son de hidrólisis ácida y enzimática, fermentación y finalmente destilación para obtener etanol. Un esquema simplificado del proceso se muestra en la Figura 5. Para Chile, la generación de bioetanol a partir de madera de bosque nativo es una atractiva alternativa, considerando que hay gran cantidad de materia prima disponible. Después de analizar el rendimiento de varias especies, se puede encontrar las más adecuadas y optimizar las condiciones del proceso. Figura 5. Esquema general de un proceso de producción de bioetanol

7 ATCP Revista Celulosa y Papel Octubre CONCLUSIONES Existe gran cantidad de biomasa forestal de los bosques nativos en Chile, disponible para generar energía. Existen varios procesos de conversión de biomasa forestal a nivel mundial y nacional en diferentes niveles de desarrollo, como pirólisis, gasificación o densificación, que podrían ser adaptados y aplicados en Chile para generar electricidad, calor o combustibles. Las tecnologías podrían ser usadas para madera de bosque nativo, ya que su comportamiento en general es conocido. La conversión de biomasa para generar calor, electricidad, combustible y productos químicos a través de un proceso de pirólisis es desarrollado a nivel de planta piloto en Europa, Canadá y también en Chile. Por lo tanto, después de una adaptación del proceso y del estudio de materias primas disponibles, el proceso de pirólisis sería una alternativa de conversión energética interesante con múltiples potenciales resultados para el país. El proceso de gasificación a partir de biomasa está siendo aplicado en diversas plantas a nivel mundial. La aplicación de esta tecnología en Chile podría ser de gran utilidad para obtener productos combustibles o de gas sustituto al gas natural, lo cual disminuiría los problemas de disponibilidad y de precios que enfrenta nuestro país respecto a combustibles, disminuyendo además la dependencia energética del país. En nuestro país la generación de pellets aún no está siendo utilizada masivamente, debido a altas barreras de entrada, principalmente a nivel residencial. Sin embargo, la adaptación de está tecnología constituye una alternativa en la generación de energía residencial e industrial que permitiría disminuir la dependencia de combustibles fósiles. En este contexto, la biomasa de bosque nativo representa un potencial significativo. REFERENCIAS CNE (2007): Balance de Energía. Adquirida en Mayo de 2009, desde CNE, INFOR, GTZ (2007): Disponibilidad de residuos madereros. ISBN: Santiago, Chile. CONAF, CONAMA, BIRD (1999): Catastro y evaluación de recursos vegetacionales de bosque nativo. Nussbaumer, T. (2002): Combustion and Co-Combustion of biomasa. 12th European Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection June 2002, Amsterdam. Bridgwater, A. (2002): Fast Pyrolysis for Biomass: A Handbook 2. PyNE.