CURSO DE FORMACIÓN DEL PROFESORADO EN EL ÁREA DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES

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1 COLEGIO OFICIAL DE FÍSICOS CURSO DE FORMACIÓN DEL PROFESORADO EN EL ÁREA DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES BIOMASA Mercedes Ballesteros CIEMAT Madrid, 27 de Octubre de 2001

2 LA BIOMASA EN EL CONTEXTO DE LAS EE.RR. Contribución de la EE.RR. en España (1998) Biomasa Solar RSU Hidráulica Minihidráulica Eólica Gran paradoja La biomasa es la energía renovable más importante cuantitativamente (50,8 %) pero está poco desarrolla tecnológicamente Alto grado de autoconsumo No existe mercado de combustible 55% del consumo en el sector doméstico Producción de electricidad en el sector de la industria de la pasta y el papel

3 BIOMASA Recurso energético abundante Producción total de biomasa en la biosfera 140x10 9 toneladas/año 2,425 x Kj BIOMASA COMO RECURSO ENERGÉTICO Flexible Permite un cierto grado de almacenamiento Se transforma de varias maneras se dirige a diferentes usos APROVISIONAMIENTO DE BIOMASA

4 Biomasa energética Diferentes orígenes Residuos agrícolas y forestales Residuos industrias alimentarias y de la madera Cultivos energéticos

5 PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN DE LA BIOMASA BIOMASA EXTRACCIÓN DIRECTA TRANSFORMACIÓN FÍSICA TRANSF. TERMOQUÍMICA TRANSF. BIOLÓGICA Aceites Densificado Combustión Pirólisis Gasificación Digestión Fermentación vegetales anaerobia APLICACIONES DE LA ENERGÍA DE LA BIOMASA TÉRMICA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD BIOCARBURANTES

6 DESARROLLO DE LA BIOMASA ENERGÉTICA No sólo depende de las tecnologías de transformación (calderas, gasificación, hidrólisis de celulosa, ) también Tecnologías de acondicionamiento y preparación de la biomasa Tratamiento de homogenización de los residuos Cultivos energéticos, nuevas especies y técnicas de cultivo

7 Biomasa energética Residuos forestales (tratamientos y aprovechamientos de masas vegetales). Difícil mecanización de los trabajos necesarios para su utilización. Alto precio Justificación medioambiental. Residuos agrícolas leñosos (olivo) y herbáceos (paja). Residuos industrias forestales (serrín, astillas) y agrícolas (aceite de oliva, cascarilla de arroz, almendra). Cultivos energéticos (herbaceos y leñosos)

8 CULTIVOS ENERGÉTICOS Productores de azúcar Alimentarios: maiz, caña, cereal, remolacha No alimentarios: pataca, sorgo Oleaginosas Alimentarios: Soja, colza, girasol No alimentarios: Brassica carinata, Camelina sativa Lignocelulósicos Herbáceos: Cynara, Miscanthus, Brassica Leñosos: eucalipto, chopo

9 CARACTERÍSTICAS DE LOS CULTIVOS ENERGÉTICOS Elevada Productividad (>10 ton/ha año) Resistencia a la sequía Resistencia a plagas Precocidad de crecimiento Adaptación a terrenos marginales Balance energético positivo CULTIVOS ENERGÉTICOS VERSUS ALIMENTARIOS Valoración de la productividad en base a su contenido calórico Altos rendimientos en biomasa total Cultivo con bajo coste energético Distintas especies o distinta fitotecnia del cultivo

10 LIBRO BLANCO DE LAS EE.RR. (UNIÓN EUROPEA) Objetivos General: Que las renovables sean el 12% de la energía primaria demandada en la U.E. en el año Biomasa: Aumentar en 90 MTEP/año el consumo de Biomasa en la U.E. en el Esto significa 57 MTEP/año adicionales en el área de biomasa 30 MTEP/año de residuos agrícolas y forestales 27 MTEP/año de cultivos energéticos en usos termoeléctricos 15 MTEP/año adicionales de biogás 18 MTEP/año adicionales de biocarburantes

11 PLAN DE FOMENTO DE LAS EE.RR. (España) Objetivos Generación de electricidad Ktep Biomasa térmica 900 ktep Biocarburantes 500 ktep Materias primas Residuos silvícolas Problemas de recogida y logísticos de almacenamiento y transporte Residuos agrícolas Competencia con otros usos Gran participación de los cultivos energéticos Usos térmicos ha Electricidad ha Biocarburantes ha

12 EVALUACIÓN DE LAS FUENTES DE BIOMASA (IDAE, 1999) P.V.P. (pta/te) Recursos (2010) Residuos forestales tep/año ha Res. Agrícolas leñosos tep/año ha Res. Agrícolas herbáceos 1-1,5 1,35 Mtep/año ha Res. Industrias forestales 0,5-1, tep/año Res. Industrias agrícolas tep/año Cultivos energéticos 2,2 3,35 Mtep/año ha

13 CARACTERIZACIÓN DE LA BIOMASA Humedad (5-70%) Secado previo Tamaño-forma de partícula Tecnol. de transformación Composición química Análisis inmediato (volátiles y cenizas) Análisis elemental (C, H, N, S) Análisis energético (poder calorífico) PREPARACIÓN DE LA BIOMASA Recolección Según su procedencia Transporte Baja densidad Almacenaje Producción estacional Molienda Depende de tecnología de transformación Secado 40% para combustión, 25 % para gasificación Compactación Alto coste

14 APLICACIONES TÉRMICAS Estufas para usos domésticos, calderas de calefacción para edificios de tamaño medio, hornos industriales, calderas de vapor,... Equipos sencillos en los que prima el bajo coste sobre la eficiencia energética. Rendimientos en torno al 70% Alimentación: en forma de pelets o briquetas sin aglomerar: quemadores de tipo ciclónico, de premezcla y de cámara torsional.

15 GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD POR COMBUSTIÓN DE BIOMASA Aire Vapor TURBINA GENERADOR ENERGIA ELECTRICA Biomasa CAMARA DE COMBUSTION Agua Vapor de proceso Perdidas Cenizas Rendimiento neto: 20% referido al PCI

16 PRODUCCIÓN DE VAPOR Aspectos a considerar: El elevado contenido en agua reducción del rendimiento Elevado contenido en álcalis sinterización Baja densidad de la biomasa combustión incompleta Optimización de la circulación de gases de la caldera filtrado de los gases de combustión (multiciclón, filtros de mangas o electrostáticos)

17 APLICACIONES ELÉCTRICAS Calderas tradicionales de parrilla fija o móvil (T>1000ºC) Calderas de lecho fluido: burbujeante, circulante (T<800ºC) Poco extendidas en España Dificultad de asegurar un suministro estable de combustible Tamaño mínimo de generación que asegure la rentabilidad Bajo rendimiento energético Inversión específica ptas/kw Necesidad de una prima eléctrica adecuada Biomasa primaria 5,07 ptas/kwh Biomasa secundaria 4,7 ptas/kwh

18 PROCESO DE GASIFICACIÓN Oxidación parcial de la biomasa a alta temperatura Etapas: Pirólisis: Biomasa + calor (T>400ºC) char + gases Gasificación: char + agente gasificante + calor (T>700ºC) gases + ceniza Composición del gas: CO, H 2, N 2, CO 2, vapor de agua, hidrocarburos y alquitranes

19 ESQUEMA DEL PROCESO DE GASIFICACION Gasificación con aire GAS POBRE CO, H 2, N 2 Combustión ENERGIA MECANICA BIOMASA GASIFICADOR O 2 < 6 MJ/m 3 GAS DE SINTESIS CH 4, CO, H MJ/m 3 Turbina de gas ELECTRICIDAD METANOL ETANOL H 2 GAS ALTO CONTENIDO ENERGETICO Turbina de gas ELECTRICIDAD Sólidos carbonosos CH 4, CO, H 2 Alquitranes > 30 MJ/m 3

20 TIPO DE REACTORES PARA EL PROCESO DE GASIFICACIÓN Lecho móvil en contracorriente o updraft Lecho móvil en contracorrientes paralelas o updraft Lecho fluidizado Biomasa Gas Biomasa Agente gasificante Ceniza Gas Secado 100ºC Pirólisis 300ºC Gasificación 900ºC Secado 100ºC Pirólisis 300ºC Oxidación 1400ºC Biomasa Secado + Pirólisis + Oxidación + Oxidación 1400ºC Gasificación 900ºC Gasificación Ceniza Agente gasificante Ceniza Gas Agente gasificante

21 TECNOLOGÍAS DEL PROCESO DE LIMPIEZA DEL GAS Necesidad de eliminar los alquitranes y partículas sólidas Suele ser aconsejable la eliminación por separado de las partículas y del alquitrán (sólo a altas temperaturas) Partículas sólidas: cenizas o biomasa parcialmente gasificada los separadores deben operar por encima del punto de condensación de los alquitranes se utilizan ciclones (900ºC), precipitadores electrostáticos (500ºC), filtros de mangas (290ºC), filtros de lecho granulado (300ºC). Alquitranes Scrubbers. Sistemas húmedos de depuración con lluvia de agua

22 ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA DE GASIFICACIÓN Gasificadores de pequeña escala (potencia > 750 kwe) Tecnología de lecho fijo en corrientes paralelas Importante potencial de mercado para Europa y países en vías de desarrollo Baja producción de alquitranes, más simple la limpieza de gases Gasificadores de mayor escala Tecnología de lecho fluidizado Se encuentran en fase de demostración (Lurgi, TPS, Foster Wheeler y Carbona)

23 ESQUEMA DEL PROCESO DE PIROLISIS Gas - C. vegetal Separador Enfriador Calentador C. vegetal Aire Líquidos piroleñosos PIROLISIS C. vegetal Cambiador de calor Biomasa Coque Calentador de coque Aire precalentado Gas portador precalentado Gas de escape

24 Características de los aceites de pirólisis de la madera Combustible líquido Fácil sustitución de combustibles convencionales en muchos dispositivos: quemadores, máquinas, turbinas. Poder calorífico es de alrededor del 40% del aceite combustible en base de peso y del 60% en volumen. No se pueden mezclar con hidrocarburos combustibles. No son tan estables como los combustibles fósiles.

25 PARÁMETROS A TENER EN CUENTA EN EL PROCESO DE PIRÓLISIS CONTROL PROCESO - materia prima temperatura - tiempo de residencia - condensación - retirada del char etc INTERACCION PROPIEDADES DEL ACEITE - contenido en agua separación de fases - toxicidad - contenido en solidos - acidez etc

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