ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS

Transcripción

1 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS

2 Origen (1) La biomasa es la energía solar convertida por la vegetación, mediante el proceso de fotosíntesis, en materia orgánica (energía química almacenada)

3 Origen (2) La fotosíntesis es el proceso metabólico específico de ciertas células de los organismos autótrofos (organismos que en el curso de la evolución aprendieron a usar la energía solar y a transformarla en energía química), por el que se sintetizan sustancias orgánicas a partir de otras inorgánicas, utilizando la energía luminosa. Es decir, la principal característica de la fotosíntesis es la conversión de dióxido de carbono (CO 2 ) y agua (H 2 O) en glucosa (carbohidratos) y oxigeno (O 2 ) bajo la influencia de la luz

4 Origen (3) La biomasa primaria es vegetal, sin embargo, ésta puede ser transformada por otros seres vivos que se nutren de la misma y generan la denominada biomasa animal o biomasa de los residuos animales. Asimismo, diversas actividades industriales que manejan biomasa vegetal o animal generan subproductos. Por último, los núcleos de población, fruto de la actividad cotidiana de sus habitantes, también generan residuos

5 Origen (4) En definitiva, la biomasa puede ser producida por:

6 Origen (5) La explotación de la biomasa natural de los bosques y selvas en cantidades superiores a la capacidad de generación del ecosistema produciría un daño irreparable en el planeta. La biomasa natural no constituye una fuente de energía renovable, si se la explota de forma intensiva, ya que si la velocidad de consumo es mayor que la de su generación se puede provocar su agotamiento.

7 Origen (6) Este tipo de residuos está formado por determinados subproductos generados por animales vivos (por ejemplo, estiércoles), o muertos (por ejemplo, huesos, pellejos, etc.), que son biodegradables y pueden descomponerse utilizando mecanismos apropiados para generar biogás. El biogás es una mezcla de metano y otros gases que se desprenden durante la degradación anaerobia de la materia orgánica por la acción de microorganismos.

8 Origen (7) Los residuos agrícolas se caracterizan por su estacionalidad y pueden ser clasificados en dos grupos: Los residuos herbáceos (plantas verdes, pajas, cascarillas de cereales, tallos, etc.) Los residuos leñosos (restos de podas, ramas, etc.).

9 Origen (8) Los residuos forestales pueden clasificarse en dos grupos: Los residuos procedentes del proceso de mantenimiento (limpieza de matorrales, podas, etc.) de montes y bosques. Los residuos que se generan en la limpieza de los troncos de árboles, que se talan para ser usados como materia prima en las industrias forestales

10 Origen (9) Los residuos industriales se generan en un amplio número de sectores industriales, sin embargo, solo las industrias que generan volúmenes considerables de residuos orgánicos son las que podrían presentar interés a la hora de aprovechar la energía de su biomasa. En este contexto, pueden señalarse: Las industrias agroalimentarias y agrícolas. Las industrias forestales

11 Origen (10) Los residuos sólidos urbanos (RSU) son, según la definición de biomasa residual, una parte de los desechos (basura) que la humanidad genera en su domicilio (restos de alimentos, papel, etc.) Este tipo de residuos se incluyen dentro de la denominada biomasa vegetal, sin embargo, su aprovechamiento energético presenta algunas diferencias con los del resto de la biomasa.

12 Origen (11) Los cultivos realizados con el propósito exclusivo de obtener materiales con características especiales para ser aprovechados energéticamente. Estos cultivos se denominan cultivos energéticos y, normalmente, se clasifican en cuatro tipos: Cultivos tradicionales. Se trata de cultivos que ha utilizado el hombre tradicionalmente y que ya no son rentables en su aplicación alimenticia o industrial habitual. Cultivos poco frecuentes. Cultivos que pueden implantarse en terrenos difíciles de explotar por los cultivos destinados a la alimentación. Cultivos acuáticos. Un altísimo porcentaje de la superficie terrestre esta cubierta de agua, donde los rayos solares alimentan a un considerable número de plantas acuáticas. Algunas de estas plantas podrían cultivarse con finalidad energética. Cultivos óptimos para la obtención de combustibles líquidos. Hay plantas con propiedades similares a las de los derivados del petróleo que, mediante un sencillo tratamiento, pueden proporcionar combustibles líquidos.

13 Origen (12) Cultivos energéticos tradicionales Este tipo de explotaciones presentan el inconveniente de su competitividad con la producción de alimentos Caña de azúcar Remolacha Cereales

14 Origen (13) Cultivos energéticos poco frecuentes Este tipo de aprovechamiento no compite con la producción de alimentos Pitas Cardos

15 Origen (14) Cultivos energéticos acuáticos. Algunas de estas plantas, entre las que se pueden señalar las algas Macrocystis, Nerocystis, en aguas saladas, y el jacinto de agua (Eichornia crassipes), en agua dulce, podrían cultivarse con finalidad energética.

16 Origen (15) Cultivos energéticos óptimos para la obtención de combustibles líquidos. La palma africana (Elaeis guineensis) La tabaiba (Euphorbia lathyris)

17 Origen (16) El petróleo, perteneciente a los denominados combustibles fósiles o combustibles no renovables, también constituyen biomasa (tanatomasa), es decir, biomasa de origen animal que se enterró en ciertos periodos geológicos y que por la intervención de determinados mecanismos y/o condiciones se transformó en biomasa fósil.

18 Origen (17) El carbón, perteneciente a los denominados combustibles fósiles o combustibles no renovables, también constituyen biomasa (tanatomasa), es decir, biomasa de origen vegetal que se enterró en ciertos periodos geológicos y que por la intervención de determinados mecanismos y/o condiciones se transformó en biomasa fósil.

19 Origen (18) Las aguas residuales urbanas (ARU), constituyen los efluentes líquidos que producen los seres humanos, por tanto, se clasifican dentro de la denominada biomasa animal. Una parte de estos residuos, una vez tratados, pueden destinarse a la generación de biogás. El biogás es una mezcla de metano y otros gases que se desprenden durante la degradación anaerobia de la materia orgánica por la acción de microorganismos.

20 Origen (19) Biomasa El aprovechamiento inmediato de algunos de estos procesos es calor, normalmente empleado in situ o a distancias no muy grandes, para procesos químicos o calefacción, o para generar vapor para centrales eléctricas. En otros procesos el producto resultante es un combustible sólido, líquido o gaseoso: carbón vegetal, combustibles líquidos sustitutos de la gasolina empleada en el transporte, gas para centrales de generación eléctrica, que usan tanto turbinas de gas como de vapor.

21 Origen (20)

22 Origen (21) Previa a la utilización de la biomasa en los distintos procesos, ésta es recogida y sometida a diversos tratamientos, dependiendo del tipo de biomasa y su utilización.

23 Origen (22) La biomasa puede ser almacenada antes de su utilización en diversos formatos: Briquetas, que se presentan en forma de cilindros de diámetros comprendidos entre 50mm y 130mm y longitudes en el rango de 50mm. y 300mm. Briquetas Pellets Pellets, que se presentan en forma de cilindros de diámetros comprendidos entre 8mm y 12mm y longitudes en el rango de 30mm a 50mm

24 Potencial La biomasa se encuentra muy distribuida sobre la superficie de la Tierra, estimándose que la energía anual almacenada por la biomasa es de más de 8 millones de TWh (aproximadamente el 40% de esta energía se genera en ámbito acuático). Actualmente, solo se utiliza una ínfima parte de la energía de la biomasa como fuel.

25 Tecnología en general (1) Las características de algunos materiales permiten que éstos puedan emplearse como combustibles directamente, sin embargo, otros requieren de una serie de tratamientos previos, que precisan distintas tecnologías antes de su aprovechamiento.

26 Tecnología en general (2) Combustión directa (1) En el proceso de combustión la materia orgánica (combustible) reacciona químicamente con el oxígeno (carburente) en una reacción exotérmica (cede calor al medio), obteniéndose dióxido de carbono (CO 2 ), agua (H 2 O) y, si los elementos azufre y nitrógeno forman parte de los reactivos, óxidos de azufre (SO x ) y nitrógeno (N y O z ). Los factores fundamentales que afectan al proceso son: Características físicas, químicas y energéticas de la biomasa (combustible). El porcentaje de oxígeno. La temperatura a la que se realiza la misma (entre 600ºC y 1.300ºC).

27 Tecnología en general (3) Combustión directa (2) La combustión directa de la biomasa puede llevarse a cabo en: El calor generado al quemar la biomasa directamente puede ser usado en plantas industriales para calefacción y producir vapor, que puede ser empleado en la generación de electricidad. Uso de sistemas de calefacción (calderas). Hogares para calentamiento directo (chimeneas, hornos de leña, estufas de leña, etc.)

28 Tecnología en general (4) Combustión directa (3) chimeneas, hornos y estufas de leña planta industrial calderas

29 Tecnología en general (5) Procesos termoquímicos La biomasa es transformada al someterla a diferentes procesos de oxidación, en unas condiciones dadas de presión y temperatura, para obtener combustibles sólidos, líquidos o gaseosos adecuados a diversas aplicaciones. Si el proceso se realizarse en ausencia parcial de oxígeno, éste se denomina gasificación, sin embargo, si el proceso se lleva a cabo sin la presencia de oxígeno, éste se denomina pirólisis.

30 Tecnología en general (6) Procesos termoquímicos: Gasificación (1) El término gasificación recoge al conjunto de procesos en los que un combustible sólido es oxidado parcialmente para producir un combustible gaseoso, que contiene entre otros componentes CO (monóxido de carbono), CO 2 (dióxido de carbono), H 2 (hidrógeno), CH 4 (metano) y vapor de agua. El proceso puede realizarse:

31 Tecnología en general (7) Procesos termoquímicos: Gasificación (2) Cuando la biomasa se gasifica con aire se obtiene el denominado gas gasógeno o gas pobre Cuando la biomasa se gasifica con oxígeno se obtiene el denominado gas de síntesis, con un poder calorífico superior al del gas gasógeno pero inferior al de los combustibles convencionales.

32 Tecnología en general (8) Procesos termoquímicos: Gasificación (3) El proceso puede realizarse:

33 Tecnología en general (9) Procesos termoquímicos: Gasificación (4) Existen diversos tipos de gasificadores, los cuales se suelen clasificar en gasificadores de lecho fijo, los cuales se subdividen a su vez en gasificadotes de flujo de gas ascendente y de flujo de gas descendente, y gasificadores de lecho fluidizado.

34 Tecnología en general (10) Procesos termoquímicos: Gasificación (5) Una central de producción de electricidad con turbinas que se accionan con gas procedente de la biomasa es similar a una central de vapor convencional, excepto que, en vez de quemar el combustible para producir vapor y con él accionar las turbinas, éstas se accionan directamente con los gases calientes de la combustión de la biomasa.

35 Tecnología en general (11) Procesos termoquímicos: Gasificación (6) Central de vapor convencional

36 Tecnología en general (12) Procesos termoquímicos: Gasificación (7) Central de vapor con biomasa

37 Tecnología en general (13) Procesos termoquímicos: Gasificación (8) Existen situaciones en las que se desea producir vapor y electricidad. Para estos propósitos, las turbinas son accionadas por una combinación de gases de combustión y vapores a alta presión, por lo que el sistema incorpora generadores de vapor.

38 Tecnología en general (14) Procesos termoquímicos: Pirólisis (1) Es el más simple y antiguo método de procesar un combustible con el propósito de obtener otro mejor. Los productos obtenidos pueden ser carbón vegetal, combustible líquido y combustible gas. Existen sofisticadas técnicas de pirólisis, como la denominada pirólisis súbita (Fast), que opera en tiempos cortos y a altas temperaturas (800ºC ºC).

39 Tecnología en general (15) Procesos termoquímicos (11) Pirólisis (2)

40 Tecnología en general (16) Procesos termoquímicos: Pirólisis (3) Planta de pirólisis

41 Tecnología en general (17) Procesos biológicos En estos procesos la biomasa húmeda se degrada gracias a la acción de microorganismos, que contiene la biomasa o que se incorporan al proceso, obteniéndose productos de alta densidad energética. Los dos procesos más conocidos son: la digestión anaerobia la fermentación alcohólica.

42 Tecnología en general (18) Procesos biológicos: Digestión anaerobia (1) se lleva acabo en ausencia de aire; pero en este caso la descomposición de la biomasa es debida a la acción de bacterias y no a altas temperaturas. Los materiales de la biomasa que alimentan el proceso suelen ser, entre otros: Residuos ganaderos (estiércol de animales, restos de animales muertos, etc.) Residuos obtenidos en depuradoras de aguas residuales (lodos). El producto resultante es el denominado biogás, que contiene, fundamentalmente, dióxido de carbono (CO 2 ) y metano (CH 4 ), junto con fango.

43 Tecnología en general (19) Procesos biológicos: Digestión anaerobia (2) Lodos de depuradora Residuos ganaderos

44 Tecnología en general (20) Procesos biológicos: Digestión anaerobia (3)

45 Tecnología en general (21) Procesos biológicos: Digestión anaerobia (4) Los aparatos donde se lleva a cabo la digestión anaerobia se denominan digestores.

46 Tecnología en general (22) Procesos biológicos: Digestión anaerobia (5) Los digestores se clasifican en digestores continuos y digestores discontinuos (en desuso).

47 Tecnología en general (23) Procesos biológicos: Fermentación Alcohólica (1) Los azucares (hidratos de carbono simples) que contienen las plantas pueden transformarse en alcohol por la intervención de determinados microorganismos Asimismo, las plantas contienen almidones y celulosas (hidratos de carbono complejos), que pueden también transformarse en alcoholes, aunque mediante un proceso más complejo

48 Tecnología en general (24) Procesos biológicos: Fermentación Alcohólica (2)

49 Tecnología en general (25) Procesos biológicos: Fermentación Alcohólica (3) El etanol puede usarse como combustible en motores de gasolina y en motores diesel. En este último caso, se requiere modificar sustancialmente los motores, mientras que las modificaciones en los motores de gasolina, a veces, no son necesarias.

50 Tecnología en general (26) Otros procesos (1) Dentro de este grupo se encuentran los procesos encaminados a la obtención de biodiesel, es decir, la producción de un biocombustible constituido por aceite obtenido a partir de semillas oleaginosas. El biodiesel puede ser utilizado como un sustituto del gasóleo, o puede mezclarse con éste en diversas proporciones. La biomasa utilizada para la fabricación de biodiesel puede estar constituida por diversas semillas: girasol, colza, soja, semilla de cardo, etc El proceso de obtención de biodiesel que mayores ventajas presenta es la esterificación Los aceites de semillas oleaginosas, después de un proceso de extracción y refinado, son sometidos a un proceso químico con el propósito de obtener éster metílico.

51 Tecnología en general (27) Otros procesos (2)

52 Tecnología en los R.S.U. (1) Existen varias opciones para eliminar los RSU, entre éstas se encuentra la recuperación energética.

53 Tecnología en los R.S.U. (2) El proceso de recuperación energética más ampliamente utilizado desde hace décadas es la incineración.

54 Tecnología en los R.S.U. (3) Transporte Los camiones, una vez recogidos los residuos, se encargan de transportarlos hasta la planta incineradora, donde los vierten en un foso de almacenamiento.

55 Tecnología en los R.S.U. (4) Dependiendo del tipo de instalación, los residuos pueden pasar a alimentar los hornos o pueden ser sometidos previamente a procesos de separación en distintos tipos de materiales, con el propósito de reciclar parte del material (si no han sufrido una selección en origen), y/o destinar la materia orgánica a la fabricación de fertilizantes. En el horno, de los que existen varios tipos (parrillas, rotativos, lecho fluido), se lleva a cabo la combustión de los residuos, transmitiéndose el calor generado por los gases producidos a una caldera donde el agua que circula por sus tubos se convierte en vapor de agua. La combustión, debido a la diversidad de materiales que componen el combustible (basura mezclada con arena, dolomita y calizas como neutralizantes), se lleva a cabo con exceso de aire para lograr la combustión completa.

56 Tecnología en los R.S.U. (5) El vapor puede emplearse para accionar una turbina de vapor, la cual mueve un generador eléctrico que se encuentra mecánicamente acoplado a la misma. El vapor, una vez cedida la presión a los álabes de la turbina, se condensa, bien en una torre de refrigeración o en un condensador refrigerado por aire. Los gases producidos en la combustión de los residuos deben de ser tratados antes de ser expulsados a la atmósfera, a través de una chimenea. Estos tratamientos tienen como objetivo depurar los gases mediante la eliminación de sus contaminantes, fundamentalmente las sustancias tóxicas (dioxinas y furanos). Los métodos típicamente empleados en el tratamiento de los gases son dos: Pulverización de reactivos semihúmedos (agua y cal) con filtrado de partículas y secado. Lavado y secado de gases. Los residuos recogidos de estos tratamientos pueden a su vez ser tratados.

57 Tecnología en los R.S.U. (6) Vertedero (1) Los residuos del proceso, es decir, las escorias de la combustión y las cenizas de los tratamientos de los gases generados, se trasladan a un vertedero de seguridad. La materia orgánica enterrada en los vertederos sufre un proceso de descomposición que da lugar a la generación de gases (metano). Este gas puede ser captado mediante la instalación de tuberías perforadas que permiten recogerlo y conducirlo a la superficie.

58 Tecnología en los R.S.U. (7) Vertedero (2)

59 Costes(1) En el caso de plantas de producción eléctrica alimentadas de biomasa, el coste del kwh generado está ligado a los costes de amortización de la inversión, a los costes de combustible y a los costes de operación y mantenimiento. Entre estos costes, el generado con la adquisición del combustible (biomasa) representa aproximadamente el 50% del coste de la unidad energética generada. A título de orientación podría indicarse que, para una capacidad instalada de 40MW, se precisaría una inversión de 50 millones de euros. Estos costes pueden suponer aproximadamente un 30% de los costes de la unidad energética generada.

60 Costes(2) Los costes de operación y mantenimiento pueden estimarse para una planta de tamaño medio entre un 16% y un 22% del coste de la unidad energética generada.

61 Impacto ambiental. El aprovechamiento de la biomasa se lleva a cabo por procesos (generalmente térmicos), que generan sustancias contaminantes. Sin embargo, la utilización racional de la biomasa como recurso energético no contribuye, a diferencia de los combustibles fósiles, al incremento de la proporción de dióxido de carbono (CO 2 ) presente en la atmósfera. Además, los biocombustibles generan aproximadamente un 65% menos de CO 2 que los equivalentes combustibles fósiles. Sin embargo, el dióxido de carbono y el agua no son los únicos productos resultantes del uso de los combustibles. Dependiendo del tipo de biomasa y del proceso y tecnología utilizada en la recuperación de la energía contenida en la misma es posible obtener residuos y productos contaminantes, en menor o mayor proporción.

62 Situación actual. Determinados escenarios indican que la biomasa, a mediados de este siglo, podrá contribuir a la energía mundial con aproximadamente 200EJ anuales. Esto podría conseguirse con: El uso de unos 400 millones de hectáreas de tierra (alrededor de un 2,5% de la superficie total de terreno) La recuperación de energía de entre un cuarto y tres cuartos de los residuos El empleo de sistemas de conversión de alto rendimiento, resultado de la mejora de los métodos de combustión y el empleo de técnicas avanzadas para la generación de energía a partir de la biomasa.