LA BIOMASA COMO FUENTE DE ENERGÍA SUSTENTABLE

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1 LA BIOMASA COMO FUENTE DE ENERGÍA SUSTENTABLE TEXTO GUÍA FRANCISCO BURGOS CRISTOBAL OPORTO UNIVERSIDA AUSTRAL DE CHILE

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3 Índice Página I Cofinanciado por INNOVA-CHILE CORFO La Biomasa como Fuente de Energía Sustentable Universidad Austral de Chile Conocimiento y Naturaleza Primera Edición, 2010 Registro Propiedad Intelectual N o ISBN: Edición electrónica, 2011 Edición: Pamela Colina (pamela-colina@vtr.net) Todos los derechos reservados Impreso en Valdivia - Chile/Printed in Valdivia - Chile

4 La biomasa como fuente de energía sustentable El sector forestal ha ido madurando con el correr de los años y ha logrado alcanzar un nivel de entrada de sus productos en los mercados más exigentes. Sin embargo, esta característica de sustentabilidad, no la presentan las fuentes de energías actualmente en uso, tales como, termoeléctrica, petróleo, etc. Si fuésemos capaces de unir la sustentabilidad del recurso forestal a las fuentes de energías podríamos solucionar uno de los mayores problemas a nivel nacional, un abastecimiento seguro de energía. Al unir ambos conceptos se abren nuevos nichos comerciales tanto para el sector forestal como para el sector energético o para ambos en colaboración. Actualmente, en las Regiones XIV y IX, existe la intención para llevar a cabo el desarrollo de nuevos productos y mercados que generen a futuro márgenes de utilidad superior al tradicional negocio de servicios forestales y negocios relacionados; pero no están disponibles ni la información ni las capacidades para la toma de decisiones y formación de alianzas estratégicas. Cabe además señalar que actualmente, en el sur de Chile, el principal uso la madera nativa es para leña. Por lo tanto, este es un recurso renovable sub-utilizado, con alto potencial, que se podría manejar en forma sustentable para generar Bioenergía. La baja capacidad de las empresas forestales (y empresas de sectores relacionados) para la toma de decisiones y para la formación de alianzas estratégicas en torno al negocio de la Bioenergía, puede superarse mediante la formación adecuada a técnicos y profesionales acerca de conceptos e ideas biotecnológicas que puedan ser puestas en práctica de inmediato o a mediano plazo. Es por esto que nace la idea de crear un curso de capacitación, que entregue las herramientas básicas de conocimiento, en lo relacionado con las energías renovables basadas en Biomasa. Junto al cofinanciamiento de INNOVA- CHILE CORFO, la Universidad Austral de Chile ha desarrollado el presente texto para servir como apoyo al curso de capacitación La Biomasa como Fuente de Energía Sustentable. Dr. Francisco Burgos Olavarría franciscoburgos@uach.cl Marzo 2011, edición electrónica

5 Índice general 1. IDENTIFICACIÓN, TIPOS DE BIOMASA, PROS Y CONTRAS Concepto de Biomasa Clasificación de tipos de Biomasa Pros y Contras del Uso de Biomasa Perspectiva Energética de la Biomasa ANÁLISIS ASOCIADOS A LA BIOMASA Poder Calorífico Análisis Elemental o Mediato Análisis Inmediato BIOMASA COMO FUENTE DE ENERGÍA Energía y Potencia Potencial de la Biomasa BIOCOMBUSTIBLES Tipos de Biocombustibles Pretratamiento y Logística de la Biomasa Biodiésel Bioetanol Biogás Pellets Otras Tecnologías de Transformación y Aprovechamiento Energético NORMALIZACIÓN Normativa Chilena sobre Energías Renovables No Convencionales Normativa Internacional sobre Biocombustibles Sólidos Normativa Internacional sobre biocombustibles Líquidos III

6 Página IV Índice

7 Índice de figuras 4.1. Producción Mundial de Bioetanol Producción Mundial de Biodiésel Proceso de Trans esterificación Producción de Biodiesel, reactores de flujo pistón Proceso de Esterificación Proceso de Tras esterificación catálisis ácida Procesos para generar bioetanol V

8 . El presente libro lo dedico a quienes Son la motivación en todo lo que hago cada día. A quienes Amo, Mi familia P.M.E.

9 Capítulo 1 IDENTIFICACIÓN, TIPOS DE BIOMASA, PROS Y CONTRAS 1.1. Concepto de Biomasa La Biomasa es cualquier tipo de materia orgánica que haya tenido su origen inmediato en un proceso biológico, de origen vegetal o animal. Este concepto abarca un conjunto heterogéneo de materias orgánicas, tanto por su origen como por su naturaleza. En el contexto energético, el término Biomasa se emplea para denominar a una fuente de energía renovable basada en la utilización de la materia orgánica formada por vía biológica en un pasado inmediato o de los productos derivados de ésta. Bajo este esquema también tienen consideración de Biomasa la materia orgánica de las aguas residuales y los lodos de depuradora, así como la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos, aunque dadas las características específicas de estos residuos se suelen considerar como un grupo aparte. La Biomasa tiene carácter de energía renovable ya que su contenido energético procede en última instancia de la energía solar fijada por los vegetales en el proceso fotosintético. Esta energía se libera al romper los enlaces de los compuestos orgánicos en el proceso de combustión, dando como productos finales dióxido de carbono y agua. Por esta razón los productos procedentes de la Biomasa que se utilizan para fines energéticos se denominan biocombustibles, pudiendo ser según su estado físico, biocombustibles sólidos, en referencia a los que son utilizados básicamente para fines térmicos y eléctricos; biocombustibles líquidos, como sinónimo de los biocarburantes para automoción; y biocombustibles gaseosos Clasificación de tipos de Biomasa Los tipos de Biomasa se pueden clasificar teniendo en consideración distintos criterios, siendo los más aceptados origen y naturaleza. 1

10 Página 2 Biomasa y energía En función de su origen la Biomasa se puede clasificar en Primaria, considerándose dentro de esta categoría los seres fotosintéticos; Secundaria, considerándose los seres heterótrofos; y por último Terciaria, considerándose los seres carnívoros. Por otra parte, en función de su naturaleza la Biomasa se puede clasificar en Biomasa Natural, correspondiente a aquella que se produce en los ecosistemas naturales sin la intervención humana, por ejemplo, en bosques, matorrales y herbazales; y Biomasa Residual, que engloba a todos aquellos residuos o subproductos orgánicos producidos de forma antropogénica como los residuos agrícolas y de la industria agraria, residuos urbanos, residuos silvícolas y residuos ganaderos. Además la Biomasa residual se puede subclasificar en función de su porcentaje de humedad en Biomasa Seca, que abarca los residuos con un porcentaje de humedad inferior al 10 %, y Biomasa Húmeda. Existe además otro tipo de Biomasa obtenida a partir Cultivos Energéticos, que corresponden a cultivos de plantas de crecimiento rápido realizados con la finalidad de producir Biomasa transformable en biocombustible. Estos cultivos se pueden clasificar en dos categorías de primera y segunda generación. Los de primera generación corresponden a cultivos que además de tener fines energéticos son destinados a satisfacer las necesidades alimentarias las personas, motivo por el cual existe un debate a nivel mundial en torno al alza de los precios de los alimentos por su utilización con fines energéticos, estos cultivos corresponden a leguminosas, raps, girasol, entre otras. Los cultivos de segunda generación, a diferencia de los de primera generación no tienen fines alimentarios y corresponden a cultivos lignocelulósicos de especies leñosas y herbáceas, y cultivos de especies no comestibles como Camelia, Jotrpha y microalgas. También se pueden clasificar los Cultivos Energéticos dependiendo de su aprovechamiento final en cultivos oleaginosos para la producción de aceites transformables en biodiésel, cultivos alcoholígenos para la producción de bioetanol a partir de procesos de fermentación de azúcares, y cultivos lignocelulósicos para la generación de Biomasa sólida. Características generales que deben tener los cultivos energéticos son: Altos niveles de productividad en Biomasa con bajos costos de producción, de tal forma que hagan viable económicamente la producción de biocombusti-bles o biocarburantes en relación a los de combustibles de origen fósil. Posibilidad de desarrollarse en tierras marginales o en tierras agrícolas marginalizadas por falta de mercado para los productos tradicionalmente cultivados, teniendo en consideración que los cultivos se adapten a las condiciones edafoclimáticas del lugar donde se implanten, debido a que las plantas dan las productividades mayores en aquellos lugares que reúnen condiciones que les sean más favorables. Requerimiento de maquinaria agrícola convencional, normalmente disponi-ble por los agricultores, utilizable

11 Biomasa y energía Página 3 también para otros cultivos propios de la zona. Que presente balance energético positivo. Es decir que se extraiga de ellos más energía de la que se invierte en el cultivo y su puesta en la planta de energía. Que no tengan, en lo posible, un gran aprovechamiento alimentario en paralelo, con el objetivo de garantizar el suministro, sin una subida de precios que perjudique a la larga tanto a la explotación agrícola en sí como a las industrias alimentaria y energética. Que la Biomasa producida se adecue a los fines para los que va a ser utilizada: como materia prima para pellets, para producción térmica, para generación o cogeneración de calor y electricidad. Que no contribuyan a degradar el medio ambiente (por ejemplo, empobrecer el suelo) y permitan la fácil recuperación de la tierra, para implantar posteriormente otros cultivos en algunos casos. Cuando sea posible, que la rotación sea factible y beneficiosa en todas las etapas Pros y Contras del Uso de Biomasa Al igual que las demás alternativas energéticas el aprovechamiento de la Biomasa con fines energéticos tiene sus ventajas y desventajas. En cuanto a las ventajas se puede decir que existen ventajas ambientales y socioeconómicas. En relación a las ventajas ambientales, la Biomasa corresponde a un recurso renovable que explotado adecuadamente permite la sustentabilidad de los sistemas, dado que: La combustión de Biomasa produce CO 2, pero una cantidad análoga a la emitida fue captada previamente por las plantas durante su crecimiento, por lo que la combustión de la Biomasa no supone un incremento neto de este gas en la atmósfera. Además, al tener escaso o nulo contenido en azufre, la combustión de la Biomasa no produce óxidos de este elemento, causantes de las lluvias ácidas, como ocurre en la quema de combustibles fósiles. En el caso de los biocarburantes utilizados en motores, las emisiones contienen menos partículas sólidas y menor toxicidad que las emisiones producidas por carburantes procedentes del petróleo. También es notable destacar que como una parte de la Biomasa procede de residuos que es necesario eliminar, su aprovechamiento energético supone convertir un residuo en un recurso, y así mismo se puede recuperar de las cenizas de la combustión de Biomasa importantes elementos minerales de valor fertilizante, como fósforo y potasio. En relación a las ventajas socioeconómicas, la utilización de Biomasa con fines energéticos contribuye a una menor dependencia de fuentes de energías extranjeras, debido a que se trata de un recurso distribuido por todo es planeta,

12 Página 4 Biomasa y energía además el desarrollo de un mercado bioenergético fomenta el empleo y desarrollo rural en una equivalencia diez veces mayor que el mercado basado en fósiles debido a que se genera una fijación de la población en zonas rurales y se abre una nueva oportunidad para el sector agrícola. Como ya se mencionó, también existen desventajas en la utilización de la Biomasa con fines energéticos, algunas de ellas son la limitación en el tamaño de las plantas de generación debido de la dispersión de la materia prima, baja densidad relativa de energía en comparación con los recursos fósiles, tecnología en desarrollo y un alto costo de inversión Perspectiva Energética de la Biomasa La obtención de energía a partir de la Biomasa puede conseguirse directamente utilizándola como combustible sólido en calderas, e indirectamente mediante su transformación por procesos mecánicos, termoquímicos, biológicos y bioquímicos. Por lo tanto las aplicaciones energéticas se pueden clasificar en tres categorías, Generación de Calor, tanto a nivel domestico como industrial; Generación de Electricidad, en modalidades de cogeneración y co-combustión; y por último en Transporte mediante los biocarburantes. Es a través de estas aplicaciones que surgen oportunidades de nuevos mercados como: Utilización de la Biomasa residual como biocombustible en plantas o procesos industriales. Fabricación y venta de astillas y pellets de madera para el consumo doméstico. Fabricación de pellets agrícolas o de mezclas para la utilización en grandes industrias o centrales térmicas de generación eléctrica o co-combustión. Venta de Energía Eléctrica y Térmica. Producción de biocarburantes. Desarrollo de BIORREFINERÍAS: Aprovechamiento integral de la Biomasa

13 Capítulo 2 ANÁLISIS ASOCIADOS A LA BIOMASA El análisis de la Biomasa está destinado a la caracterización, permitiendo: Determinar con balances de energía el calor que se genera en el proceso al que se someta el combustible (Poder Calorífico Inferior ó Poder Calorífico Superior). Cantidad de combustible necesario para producir el flujo de calor requerido y rendimiento del proceso. Composición de los humos, en especial contenido en óxido de azufre (SO 2 ) y óxidos de nitrógeno (NOx) por su influencia medioambiental, además de azufre y fósforo. Aire secundario y primario necesario en el proceso de combustión (volátiles). Tipo de materiales del hogar para que estos no sean atacados en la etapa de combustión. Temperatura de rocío de los humos. Tipo de quemador o tecnología de combustión más adecuada para dicho combustible, etc. Necesidad de adaptación previa (secado, densificado, molienda, tamizado) Poder Calorífico El poder calorífico expresa la energía máxima que puede liberar la unión química entre un combustible y el comburente y es igual a la energía que mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible, menos la energía utilizada en la formación de nuevas moléculas en las materias (generalmente gases) formada en la combustión. Por lo tanto el Poder Calorífico es la cantidad de calor que entrega un kilogramo, o un metro cúbico, de combusti- 5

14 Página 6 Biomasa y energía ble al oxidarse en forma completa. Sus unidades de medida puede expresarse, dependiendo del sistema de unidades, en Kcal/m 3, Kcal/Kg, BTU/lb, BTU/ft 3. La mayoría de los combustibles usuales son compuestos de carbono e hidrógeno, que al arder se combinan con el oxígeno formando dióxido de carbono (CO 2 ) y agua (H 2 O) respectivamente. Además del agua generada por la combustión del hidrógeno existe agua proveniente de la humedad propia del combustible, la cual es evaporada por parte de la energía liberada en la reacción. Es por esta razón que se definieron el Poder Calorífico Superior y Poder Calorífico Inferior, en donde éste último corresponde a la cantidad de calor desprendido en la combustión completa de un combustible sin contar la parte correspondiente a calor latente del vapor de agua de la combustión, el cual no es aprovechado. Por otra parte, el Poder Calorífico Superior se define suponiendo que todos los elementos de la combustión (combustible y aire) son tomados a O C y los productos (gases de combustión) son llevados también a O C después de la combustión, por lo que el vapor de agua se encontrará totalmente condensado. Existen dos métodos para determinar el poder calorífico de los combustibles, el método analítico, para el cual es preciso realizar un análisis elemental del combustible cuyo poder calorífico es necesario determinar, y el método práctico que se realiza por medio de un calorímetro en donde se quema una cierta cantidad de combustible y se mide la cantidad de calor producido a través de la energía ganada por un líquido conocido, generalmente agua. En la siguiente tabla se aprecian los poderes caloríficos inferior de distintos tipos de Biomasa a distintos contenidos de humedad, y poder calorífico superior.

15 Biomasa y energía Página 7 PODERES CALORÍFICOS DE DIFERENTES TIPOS DE BIOMASA TIPOS DE BIOMASA PCI PCS Contenido en humedad ( %) RESTOS DE CULTIVOS HERBÁCEOS Paja de cereales Tallos de girasol Contenido en humedad ( %) RESTOS DE CULTIVOS LEÑOSOS Sarmientos de vid Ramas de poda de olivo Contenido en humedad ( %) RESIDUOS FORESTALES Leñas y ramas Coníferas Frondosas Cortezas Coníferas Frondosas Contenido de humedad ( %) RESTOS DE AGROINDUSTRIA Cáscaras de almendras Cáscaras de avellanas Cáscaras de piñón Cáscaras de cacahuate Cáscaras de arroz Contenido de humedad ( %) RESTOS DE INDUSTRIAS FORESTALES ASERRÍN Y VIRUTAS Coníferas Frondosas de clima templado Frondosas Tropicales PCS: Poder calorífico superior (en kcal/kg) PCI: Poder calorífico inferior (en kcal/kg) Fuente: IBERDROLA. Energías renovables para todos: Energía de la Biomasa Análisis Elemental o Mediato El Análisis Elemental es una técnica instrumental utilizada para la determinación de los porcentajes de Carbono, Hidrógeno y Nitrógeno, en muestras en estado sólido y líquido, estable e inestable y de todo tipo de naturalezas. Se trata de una técnica destructiva, en la que tras pesar una cantidad de muestra conocida entre 2 y 4 miligramos, se la somete a una oxidación térmica entre C, en ambiente de oxígeno, con lo que se consigue la conversión total y cuantitativa de los componentes en carbono (CO 2 ), hidrógeno (H 2 O) y nitrógeno (N 2 ), estos productos gaseosos son arrastrados al modulo de separación donde se produce la adsorción selectiva de CO 2 (columna de cobre), H 2 O (columna de plata), para ser separados unos de otros y ser medidos por el Detector de Conductividad Térmica de uno en uno, el primero en ser medido es el Nitrógeno, que es el no retenido, y posteriormente se produce la desadsorción térmica del CO 2 y por último la del H 2 O. Una vez obtenidos los porcentajes de carbono, hidrógeno y nitrógeno es posible determinar el poder calorífico del combustible analizado, aplicando el Principio de Conservación de la Energía, dado que el poder calorífico de un cuerpo compuesto es igual a la suma de los poderes caloríficos de los elementos simples que lo forman, multiplicándolos

16 Página 8 Biomasa y energía por la cantidad centesimal en que intervienen, descontando de la cantidad de hidrógeno total del combustible la que se encuentra ya combinada con el oxígeno del mismo Análisis Inmediato El Análisis Inmediato es el conjunto de ensayos mediante los cuales se determinan los porcentajes de humedad, cenizas y materia volátil. En relación a la humedad, esta no debe ser superior a 60 % para que la Biomasa sea viable como combustible debido a que, por una parte, a mayor porcentaje de humedad menor es el poder calorífico inferior de la Biomasa, y por otra parte, por un tema de los costos asociados al transporte por el hecho de estar transportando agua. El porcentaje de cenizas determina en cierta medida la calidad de la Biomasa ya que corresponde a los componentes minerales del combustible que reducen el poder calorífico, y además afectan el rendimiento térmico de un horno por interferir en la transferencia de calor, y por otra parte, aumentan las intervenciones por limpiezas.

17 Capítulo 3 BIOMASA COMO FUENTE DE ENERGÍA 3.1. Energía y Potencia Para lograr determinar el potencial de la Biomasa como fuente de energía es necesario aclarar algunos conceptos como energía, energía térmica, energía eléctrica y potencia. La energía es una magnitud física de tipo escalar que se manifiesta en diversas formas, se mide por la capacidad de una fuerza o de un sistema para realizar un trabajo y su unidad de medida en el Sistema Internacional es Joule (J). La ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía térmica en un calefactor. En consecuencia, la energía térmica es una forma de energía que se manifiesta con el incremento de la temperatura y puede ser obtenida a partir de energía química a través de una reacción exotérmica como la combustión de algún combustible, también puede ser obtenida mediante una reacción nuclear de fisión o fusión, o a través de la energía eléctrica por medio del efecto Joule, además puede obtenerse por rozamiento como residuo de un proceso mecánico, o a través del aprovechamiento de la energía de la naturaleza como energía geotérmica o energía solar térmica. Las unidades más utilizadas para cuantificar la energía térmica son Calorías (Cal) y British Termal Unit (BTU). La energía eléctrica es otra forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos cuando se les coloca en contacto por medio de un conductor eléctrico para obtener trabajo. La energía eléctrica se puede transformar en muchas otras formas de energías, como energía luminosa por medio de una resistencia, energía mecánica por medio de un motor eléctrico y en energía térmica. La unidad de medida más utilizada para cuantificar la energía eléctrica es el Watt por Hora (Wh), que corresponde a una unidad derivada del joule. 9

18 Página 10 Biomasa y energía Por otra parte, la potencia es la unidad que está determinada por la cantidad de trabajo efectuado en una unidad de tiempo. En la mayoría de los procesos de intercambio energético y/o realización de trabajo un factor importante es el tiempo empleado en dicho proceso. Si nos fijamos en aquellos aparatos como el refrigerador, secador y ampolleta que consumen energía eléctrica y la transforman para enfriar, calentar e iluminar, respectivamente, la magnitud física que relaciona la energía eléctrica consumida en una unidad de tiempo se llama potencia. La potencia se aplica a cualquier proceso de transferencia energética. Así por ejemplo también podemos hablar de la potencia de una grúa para elevar una carga, como el trabajo desarrollado por el montacargas en la unidad de tiempo. La unidad más utilizada para cuantificar la potencia es el Watt o Vatio (W). El Joule es una unidad de energía muy pequeña para la vida corriente. Aproximadamente, un Joule es la cantidad de energía necesaria para levantar 1 kg una altura de 10 cm de la superficie terrestre. Una patada de un deportista puede tener una energía de unos 200 J; una bombilla de bajo consumo de 20 W durante 8 horas gasta unos J; y el consumo eléctrico de una familia media durante un mes puede ser de unos J (unos 278 kwh). Por eso es más frecuente utilizar la unidad kwh (kilovatio hora), en lugar de MJ (Megajulio) o el GJ (Gigajulio), como debería hacerse Potencial de la Biomasa Para determinar el potencial de una determinada Biomasa para generar energía es necesario tener en cuenta que existe un potencia teórico y un potencial técnico. El potencial teórico se define como la cantidad de energía contenida por toda la Biomasa disponible para generación, en condiciones teóricas de humedad y de poder calorífico de la Biomasa. Por otra parte, el potencial técnico se obtiene aplicando los factores de eficiencia en la conversión de la energía contenida en la Biomasa en energía eléctrica (eficiencias de combustión, generación de vapor, generación de energía eléctrica).

19 Capítulo 4 BIOCOMBUSTIBLES La Biomasa es una excelente alternativa energética debido a que a partir de ella se puede obtener una gran diversidad de productos, y además se adapta perfectamente a todos los campos de utilización actual de los combustibles tradicionales. Así, mediante procesos específicos, se puede obtener toda una serie de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos que pueden ser aplicados para cubrir las necesidades energéticas de confort, transporte, cocción de alimentos, industria, electricidad y además servir de materia prima para la industria. Es por estos motivos que a partir del año 2000 la producción de biocombustibles, específicamente bioetanol y biodiésel, se vieron incrementadas considerable-mente como se aprecia en los siguientes gráficos. Por otra parte, este fenómeno tiene sus orígenes en dos variantes fundamentales, sobre las cuales cada país optó al momento de diseñar una política para su promoción. En primer lugar se puede mencionar la seguridad energética donde Brasil y EE.UU. son sus representantes, y por otra parte la sustentabilidad ambiental donde sus exponentes principales son Alemania y Suecia Tipos de Biocombustibles La clasificación más utilizada para los biocombustibles es según su estado, los cuales pueden ser biocombustibles sólidos, biocombustibles líquidos y biocombustibles gaseosos. Dentro del grupo de los biocombustibles sólidos, los más importantes son los de tipo primario, constituidos por materias lignocelulósicas procedentes del sector agrícola o forestal y de las industrias de transformación que producen residuos de dicha naturaleza. La paja y los restos de poda de uva, olivo y frutales, la leña, las cortezas y los restos de podas y raleos de las masas forestales son materia típica para elaboración de biocombustibles sólidos. También constituyen una buena materia prima para la fabricación de biocombustibles sólidos las cáscaras de frutos secos, huesos de aceituna y otros frutos, los orujillos procedentes de la extracción del aceite de orujo en las almazaras 11

20 Página 12 Biomasa y energía MM m Figura 4.1: Producción Mundial de Bioetanol Fuente: ODEPA. Contribución de la Política Agraria al Desarrollo de los biocombustibles en Chile. y los restos de las industrias del corcho, la madera y el mueble. Otro grupo de biocombustibles sólidos lo constituye el carbón vegetal, que resulta de un tratamiento térmico con bajo contenido en oxígeno de la Biomasa leñosa, pero al ser el resultado de una transformación termoquímica de la Biomasa primaria, debe ser considerado de naturaleza secundaria. Aunque una parte importante de la Biomasa se utiliza directamente, como por ejemplo la leña en calderas y cocinas, la utilización energética moderna de los biocombustibles sólidos requiere un acondicionamiento especial la Biomasa. Las formas más generalizadas de utilización de este tipo de combustibles son astillas, aserrín, pellets y briquetas. Las astillas constituyen un material adecuado para ser empleado en hornos cerámicos de panadería, viviendas individuales y sistemas de calefacción centralizada de núcleos rurales o pequeñas industrias. Este producto se obtiene a partir de los restos leñosos de los tratamientos silvícolas, de las operaciones de corte de madera o de las podas de árboles de cultivos leñosos. Cuando las astillas se van a utilizar en quemadores específicos que necesiten inyectores,

21 Biomasa y energía Página ,5 MM m3 3 2,5 2 1,5 1 0, Figura 4.2: Producción Mundial de Biodiésel Fuente: ODEPA. Contribución de la Política Agraria al Desarrollo de los biocombustibles en Chile. por ejemplo, previamente hay que molerla para obtener un combustible más fino y a fin de eliminar restos de piezas metálicas, arena, piedras o vidrios. En cuanto a las ventajas y desventajas que existen entre los biocombustibles sólidos tenemos:

22 Página 14 Biomasa y energía VENTAJAS DESVENTAJAS ASTILLAS DE MADERA PELLETS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES Pueden estar disponibles localmente. La producción fomenta el empleo local.más baratas que los pellets. Requieren un mayor espacio para el almacenamiento. Alta calidad y uniformidad son importantes, pero difíciles de asegurar. Mayor demanda de personal para la operación y el mantenimiento de la Planta. Fuente: CARTIF. Curso de formación en Biomasa-Valdivia 2009 Combustible estandarizado con alta fiabilidad de operación. Requieren menor espacio para el almacenamiento. Menor esfuerzo para la operación y mantenimiento de la Planta. Alto costo del combustible. Menores beneficios para la economía local. Pueden estar disponibles localmente. Más baratos que los pellets y astillas. Menor esfuerzo para la operación y mantenimiento de la Planta que las astillas. Requieren un mayor espacio para el almacenamiento. Pueden dar problemas de emisiones o corrosión de la caldera. Mayor demanda de personal para la operación y mantenimiento que los pellets. La denominación de biocombustibles líquidos se aplica a una serie de productos de origen biológico utilizables como combustibles de sustitución de los derivados del petróleo o como aditivos de éstos para su utilización en el sector transporte, en la generación de electricidad y calor. Dentro de esta categoría se encuentran el aceite vegetal, biodiésel, bioetanol, biometanol y aceite de pirólisis. La ventaja de los biocombustibles líquidos sobres los sólidos es que tienen mayor densidad energética y son más fáciles de transportar y almacenar, con excepción de los pellets. Dentro del grupo de los biocombustibles líquidos, los biocarburantes abarcan al subgrupo caracterizado por la posibilidad de su aplicación a los actuales motores de combustión interna de ciclo Diésel y Otto. Los biocarburantes en uso proceden de materias primas vegetales obtenidos a través de transformaciones biológicas y físico-químicas. Actualmente se encuentran desarrollados principalmente dos tipos, en primer lugar el biodiésel obtenido a partir de la transesterificación de aceites vegetales y grasas animales con un alcohol ligero como metanol o etanol, y en segundo lugar, el bioetanol obtenido de semillas ricas en azúcares, caña de azúcar, remolacha y sorgo dulce a través de la fermentación de lo azucares, sin embargo, en otros cultivos como los cereales la energía está almacenada en forma de carbohidratos más complejos como el almidón que tiene que ser hidrolizado antes de su fermentación a bioetanol. Como ya se mencionó, existe la posibilidad de emplear los biocombustibles líquidos como aditivos de los combustibles fósiles, destacándose el etil-tercbutil éter (ETBE) producido a partir del bioetanol, ya que su utilización en motores presenta menos problemas que el propio bioetanol. En cuanto a los biocombustibles gaseosos que se pueden obtener de la Biomasa están el gas de síntesis, biogás y el hidrógeno. Sus principales aplicaciones son la generación de electricidad, por medio de motogeneradores Pretratamiento y Logística de la Biomasa El uso de la Biomasa con fines energéticos generalmente requiere de procesos de adecuación de la materia prima para su posterior aprovechamiento, ya sea directamente como biocombustible sólido o para su transformación. Los procesos involucrados son recolección, transporte, almacenamiento, secado, astillado y triturado.

23 Biomasa y energía Página 15 En cuanto a la recolección, existen sistemas de recogida desarrollados con tecnologías adecuadas para cada tipo de Biomasa. Por ejemplo, para el caso de la Biomasa forestal se encuentran los sistemas Skidder, autocargador y astilladora autocargadora; y para la Biomasa agrícola está el sistema de empacadora o enfardadora. Es importante optimizar los sistemas de transporte para cada tipo de Biomasa. La elección del sistema de transporte se debe elegir en función del tipo de Biomasa, necesidad de pretratamiento en campo, optimización de distancias en función de la situación de la Biomasa y de la planta, y la minimización de costos del transporte. La Biomasa triturada generalmente se transporta con camiones autodescargables o remolques y se maneja en planta con cargadores frontales. La Biomasa empacada se transporta con remolques autocargadores y en planta se gestionan con puente grúa automatizada o montacargas y brazo telescópico. Las plantas de aprovechamiento energético de Biomasa distribuida deben ubicarse lo más cercana posible a las fuentes de Biomasa para reducir costos del transporte. En estas plantas la recepción puede ser anual (paja de cereal, residuo forestal y paja de maíz) o estacional (paja de girasol, residuo de Álamos, poda de viñedo y paja de maíz). En zonas mayoritariamente agrícolas se considera una gestión del residuo por parte de las cooperativas agrícolas, que permite una recepción anual del residuo. En zonas forestales se considera una recepción estacional. Se puede establecer una metodología para la logística de suministro. La primera etapa sería la eliminación de una parte de la Biomasa que presenta menor rentabilidad, por tratarse de residuos minoritarios en la zona de estudio. Por ejemplo, eliminación de residuos de forma individual en municipios en que se encuentren por debajo de la capacidad aproximada de un camión, con el fin de minimizar el costo de transporte; otro ejemplo sería la eliminación de residuos de forma individual en municipios, de menos a más producción, hasta eliminar los que poseen un cierto porcentaje del total de la zona, puesto que la rentabilidad de aprovechar Biomasa de municipios con baja concentración es reducida; por último se podría considerar la eliminación de municipios enteros por poseer un pequeño potencial y encontrarse lejos de zonas con alta concentración de Biomasa y de la posible ubicación de la planta. La segunda etapa consiste en la elección de la ubicación óptima para la planta y los centros intermedios de almacenamiento. Esto se puede realizar mediante una aproximación inicial tomando distancias en líneas rectas entre la planta y los centros intermedios. También se debe comprobar la existencia de red eléctrica para la evacuación de la energía en la posible ubicación de la planta, además de la existencia de una buena conexión por carretera entre la planta y los centros intermedios.

24 Página 16 Biomasa y energía Corresponde a la tercera etapa la optimización de las cantidades de Biomasa a utilizar en cada uno de los municipios, mediante la minimización de los costos en la elección de las cantidades óptimas de Biomasa que van desde cada municipio a la planta, considerando los posibles problemas de fusibilidad, con el fin de desechar las mezclas que, siendo óptimas desde el punto de vista económico, puedan producir problemas técnicos como la de formación de escorias u otros. La cuarta etapa corresponde al dimensionamiento de los centros intermedios de almacenamiento y la campana de almacenamiento en planta, en función de la Biomasa que se requiera almacenar. Para Biomasa de recepción anual se fija un stock en la campana, siendo para residuos forestales lo que se recibe en un mes, para pajas de cereales el equivalente a tres días de consumo de la planta. Para el caso de Biomasa de recepción estacional, la capacidad de almacenamiento máxima coincidirá con la cantidad que se encuentre almacenada en el último mes de la temporada de recogida del residuo. El cálculo de los costos finales corresponde a la quinta etapa, que consiste en la formulación empleada en la determinación de los costos en las etapas previas y determinación de los costos finales para cada zona. Primero se procede al cálculo del costo total de la Biomasa anual consumida, puesta en planta. Luego se realiza el cálculo del costo medio individual para cada tipo de Biomasa por unidad de masa, puesta en planta, tomando en consideración los costos individuales, las distancia recogidas y la cantidad de cada tipo de Biomasa, para cada uno de municipios de las distintas zonas. Posterior al almacenamiento de la Biomasa en los centros intermedios, dependiendo de la planta, es necesario realizar ciertos tratamientos como es el secado, el cual puede ser en forma natural o forzada. El secado natural se basa en aprovechar las condiciones ambientales favorables para facilitar la deshidratación de los residuos de madera como astillas y aserrín, que cuando están almacenados producen una serie de procesos termogénicos debidos a la acción de las células vivas de la madera y a la actividad biológica de microorganismos como bacterias y hongos, y a fenómenos de oxidación química e hidrólisis ácida de los componentes de la celulosa que ocasionan pérdidas energéticas en los materiales. Por otra parte, el secado forzado corresponde a la evaporación del agua contenida en la Biomasa por medio de la aplicación de calor, lo que implica incurrir en un costo adicional, tanto por conceptos de energía como de sistemas automatizados. Los sistemas utilizados son del tipo dinámico y estático. El secado forzado estático es el que se realiza en una nave o recinto especialmente diseñado para ese propósito, por ejemplo los secaderos de madera aserrada. Por otra parte, los sistemas para secado forzado dinámico realizan el secado de la Biomasa por medio del transporte neumático en una atmosfera caliente de gases de combustión.

25 Biomasa y energía Página 17 Cuando la Biomasa que llega a los centros intermedios corresponde a residuos forestales o simplemente a cultivos energéticos lignocelulósicos, es necesario realizar un proceso de reducción del tamaño para su posterior utilización. Este proceso se lleva a cabo en máquinas como astilladoras y trituradoras Biodiésel El biodiésel es un biocarburante líquido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo la colza, el girasol y la soja las materias primas más utilizadas para este fin. Las propiedades del biodiésel son prácticamente las mismas que las del diésel de automoción en cuanto a densidad y número de cetano. Además, presenta un punto de inflamación superior. Por todo ello, el biodiésel puede mezclarse con el diésel para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente si se adaptan éstos convenientemente. La American Standards for Testing and Materials define el biodiésel como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales, y que se emplean en motores de ignición de compresión. Materias primas Cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para la producción de biodiésel. En la siguiente tabla se muestran las materias primas utilizadas. ACEITES VEGETALES CONVENCIONALES Aceite de Colza o Canola (Brassica napus) Aceite de Girasol Aceite de Soja (Glycine max) Aceite de Coco Aceite de Palma Aceite de Maní ACEITES DE SEMILLAS MODIFICADAS GENÉTICAMENTE Aceite de girasol de alto oleico ACEITE DE OTRAS FUENTES Aceite de producción microbiana Aceite de microalgas Fuente: CARTIF. Curso de formación en Biomasa-Valdivia 2009 ACEITES VEGETALES ALTERNATIVOS Aceite de Mostaza de Abisina (Brassica carinata) Aceite de Cardo (Cynara cardunculus) Aceite de Camelina Sativa Aceite de Crambe Abyssinica Aceite de Pogianus Aceite de Jotropha Curcas GRASAS ANIMALES Sebo de Vaca Sebo de Búfalo ACEITES DE FRITURAS USADOS En general la materia prima debe tener un bajo costo, ya que supone entre un 60 y 80 % del costo final del biodiésel. Es por esta razón que las investigaciones están alineadas en la búsqueda de nuevos cultivos que demanden bajo costo de explotación y sobre todo elevada productividad. El cultivo energético más utilizado en Europa para la producción de biodiésel corresponde al de Brassica Napus

26 Página 18 Biomasa y energía (Colza ó Canola). En el 2006 los principales estados productores miembros de la UE-25, produjeron toneladas con rendimiento de 3,24 toneladas por hectárea. La Colza es una planta anual de semillas con contenido de aceite que va del orden de 30 a 40 %, el aceite que se obtiene de este cultivo tiene elevado contenido de ácidos insaturados de cadena larga (Erúcico y Eicosenoico mayor del 50 %) y escasez de ácidos saturados. El girasol es otro cultivo energético muy utilizado para producción de biodiésel, también corresponde a una planta anual, pero de semillas con contenido de aceite que va del orden del 22 a 45 % y muy rico en ácido Linoleico (52 a 62 %) y ácido Oleico (25 a 42 %). La ventaja de este cultivo es que el tallo puede ser utilizado como Biomasa para combustión en la producción de calor y electricidad. Los principales productores de este cultivo son Rusia, Ucrania, Argentina, EE.UU., Francia y España. En el año 2006 los principales estados productores de la UE-25 produjeron toneladas con un rendimiento de 1,58 toneladas por hectárea. En Estados Unidos, la materia prima más utilizada para la producción de biodiésel es la Soja. El contenido de aceite de la semilla va del orden de 13 a 26 %, contiene un elevado porcentaje de ácido Linoleico (48 a 60 %) y ácido Oleico (16 a 30 %). Los principales productores son EE.UU., Brasil y Argentina. En Chile se están llevando a cabo diversos proyectos financiados por CORFO para la evaluación, adaptación y validación de cultivos energéticos como fuente de materia prima de bajo costo para la producción de biodiésel. Las especies estudiadas corresponden a Camelina, Mostaza, Jotropha Curcas y microalgas. El cultivo de microalgas para la producción de biodiésel resulta muy interesante debido a sus características, siendo la más destacable una producción de aceite de m 3 /Km 2, lo representa entre 7 y 30 veces más que los cultivos terrestres (Colza 120 m 3 /Km 2, Palma 610 m 3 /m 2 ). Tecnologías de Transformación El proceso que se utiliza para la producción de biodiésel es la transesterificación, sin embargo la esterificación se viene aplicando combinándolo con la transesterificación de cara a aprovechar el subproducto de ácidos grasos y producir asimismo biodiésel. Actualmente, la mayor parte del biodiésel producido procede de aceites vegetales al que se le añade metanol y un catalizador alcalino. Sin embargo hay muchos aceites de bajo costo y grasas animales que pueden ser utilizados, su problema radica en que suelen contener gran cantidad de ácidos grasos que no se pueden convertir en biodiésel usando catalizadores alcalinos. En estos casos es necesario hacer la esterificación en dos etapas: inicialmente debe realizarse un pretratamiento para convertir los ácidos grasos libres en ésteres metílicos con un catalizador ácido, y en un segundo paso se realiza la transesterificación con un catalizador alcalino para completar la reacción. La esterificación es un proceso por el cual se sintetiza un éster. La más común es la esterificación de Fisher-Speire, que consiste en el calentamiento de una mezcla del alcohol y del ácido correspondiente con ácido sulfúrico, utilizan-

27 Biomasa y energía Página 19 do el reactivo más económico en exceso para aumentar el rendimiento y desplazar el equilibrio hacia la derecha. El ácido sulfúrico sirve en este caso tanto de catalizador como de sustancia higroscópica que absorbe el agua formada en la reacción, a veces es sustituido por ácido fosfórico concentrado. En la práctica la esterificación tiene varios inconvenientes, entre los cuales están, que el alcohol puede sufrir reacciones de eliminación formando olefinas, esterificación con el propio ácido sulfúrico o de formación del éter, además el ácido orgánico puede sufrir decarboxilación. Por otra parte, la transesterificación consiste en combinar, el aceite con un alcohol ligero, metanol o etanol, dejando como residuo de valor añadido propanotriol (glicerina) que puede ser aprovechada, entre otras, por la industria cosmética. Se utiliza casi exclusivamente el metanol por su capacidad de reaccionar con cualquier aceite vegetal y ser un 55 % más barato que el etanol, además porque el etanol debe ser completamente anhidro (azeótropo), en la transesterificación con etanol se necesitan condiciones más drásticas de presión y temperatura, el biocombustible es menos estable y hay que refinar el aceite. En la reacción de transesterificación se utiliza un catalizador para mejorar la velocidad de reacción y el rendimiento final, además porque sin él no sería posible esta reacción. Los catalizadores pueden ser ácidos homogéneos (H 2 SO 4, HCl, H 3 PO 4, RSO 3 ), ácidos heterogéneos (Zeolitas, Resinas Sulfónicas, SO 4 /ZrO 2, WO 3 /ZrO 2 ), básicos heterogéneos (MgO, CaO, Na/NaOH/Al 2 O 3 ), básicos homogéneos (KOH, NaOH) y enzimáticos (Lipasas: Candida, Penicillium, Pseudomonas). Los catalizadores que se suelen utilizar a escala comercial son los catalizadores homogéneos básicos ya que actúan mucho más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas. La utilización de álcalis (opción más utilizada a escala industrial) implica que los glicéridos y el alcohol deben ser anhidros (<0,06 % v/v) para evitar que se produzcan reacciones secundarias como la saponificación. Además, los triglicéridos deben tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralicen con el catalizador y se formen también jabones. La saponificación está favorecida cuando se utiliza el hidróxido potásico o sódico (OH) responsables de esta reacción. Cuando se utilizan estos catalizadores, se debe tener especial precaución con las condiciones de reacción referentes a temperatura y cantidad de catalizador básico utilizado. Los metóxidos sólo contienen el grupo OH como impureza, por lo que su utilización no produce prácticamente jabones por saponificación. De todas maneras se debe eliminar el agua, mediante evaporación, en los aceites con altos contenidos en humedad antes de llevar a cabo la transesterificación. En cuanto a la reacción secundaria de neutralización de ácidos grasos libres, hay dos maneras de eliminarlos del aceite. La primera es mediante la reacción con un catalizador básico (fundamentalmente NaOH) en presencia de agua,

28 Página 20 Biomasa y energía ocurriendo asimismo una reacción indeseable, produciendo jabón. La otra manera es mediante una reacción de esterificación con un catalizador ácido con lo que se formaría éster metílico. Es preciso mencionar que existen variables que afectan el proceso de transesterificación como los son la acidez y humedad, el tipo de catalizador, la relación molar del alcohol/aceite, el tiempo y la temperatura. En cuanto a la acidez y la humedad, para que se realice la reacción completa se necesita un valor de ácidos grasos libres menor al 3 %, se debe tener cuidado con la cantidad de catalizador para evitar la formación de jabones al reaccionar con el agua, los triglicéridos deben tener un valor ácido bajo y los materiales deben contener baja humedad, el hidróxido y metóxido de sodio o potasio deben mantener un grado de humedad bajo y se debe tener cuidado con el contacto con el aire debido a que disminuye su efectividad por interacción con monóxido de carbono y la humedad. En relación al tipo de catalizador, en la siguiente tabla se aprecian las ventajas e inconvenientes de los diferentes tipo de catálisis. VENTAJAS INCONVENIENTES Catálisis básica Esterifica ácidos grasos Velocidad de reacción baja (homogénea) No se forman jabones Exceso de alcohol elevado Purificación más simple Condiciones enérgicas: P, T Neutralización del catalizador Catálisis Ácida Esterifica ácidos grasos Velocidad de reacción baja (homogénea) No se forman jabones Exceso de alcohol elevado Purificación más simple Condiciones enérgicas: P, T Neutralización del catalizador Catálisis Enzimática Esterifica ácidos grasos Velocidad de reacción baja No se forman jabones Exceso de alcohol elevado Purificación más simple Condiciones enérgicas: P, T Neutralización del catalizador Catálisis Heterogénea Reutilización del catalizador Transferencia de materia Facilidad de procesos continuos No se forman jabones Purificación más sencilla Fuente: CITME, Informe de Vigilancia Tecnológica-biocarburantes líquidos: biodiésel y bioetanol. Una de las variables más importantes que afecta el rendimiento del proceso de transesterificación es la relación molar alcohol-aceite, dado que la transesterifica-ción es un proceso de equilibrio que necesita un exceso de alcohol para conducir a la reacción al lado derecho, utilizándose una relación molar de 6:1 para una máxima conversión. Un valor alto de relación molar de alcohol afecta a la separación de glicerina debido al incremento de solubilidad. Cuando la glicerina se mantiene en la solución hace que la reacción revierta hacia la izquierda, disminu-yendo el rendimiento de los ésteres. Por otra parte, la conversión aumenta con el tiempo de reacción. El tiempo de duración de la reacción oscila entre

29 Biomasa y energía Página 21 0,5 a 8 horas, en función de la temperatura de operación, tipo de materia prima, etc. La transesterificación se puede producir en un rango de temperaturas que van de los 60 a 80 C, dependiendo del tipo de aceite y catalizador. Existen diversas tecnologías que pueden ser combinadas de diferentes maneras variando las condiciones del proceso y la alimentación del mismo. La elección de la tecnología será función de la capacidad deseada de producción, alimentación, calidad y recuperación del alcohol y del catalizador. En general, plantas de menor capacidad y diferente calidad en la alimentación suelen utilizar procesos Batch o discontinuos. Los procesos continuos, sin embargo, son más idóneos para plantas de mayor capacidad que justifique el mayor número de personal y requieren una alimentación más uniforme. Proceso Discontinuo Se trata de reactores con agitación, donde el reactor puede estar sellado o equipa-do con un condensador de reflujo. Las condiciones de operación más habituales son a temperaturas de 65 C, aunque rangos de temperaturas desde 25 a 85 C también han sido publicadas. El catalizador más común es el NaOH, aunque también se utiliza el KOH, en rangos del 0,3 al 1,5 % (dependiendo que el catalizador utilizado sea KOH o NaOH). Es necesaria una agitación rápida para una correcta mezcla en el reactor del aceite, el catalizador y el alcohol. Hacia el fin de la reacción, la agitación debe ser menor para permitir al glicerol separarse de la fase éster. Se han publicado rendimientos con resultados entre el 85 y el 94 %. Algunas plantas en operación utilizan reacciones en dos etapas, con la eliminación del glicerol entre ellas, para aumentar el rendimiento final hasta porcentajes superiores al 95 %. Temperaturas mayores y relaciones superiores de alcohol:aceite pueden asimismo aumentar el rendimiento de la reacción. El tiempo de reacción suele ser entre 20 minutos y una hora. En la siguiente figura se muestra un esquema de bloques de un proceso de transesterificación discontinuo. Proceso Continuo Una variación del proceso discontinuo es la utilización de reactores continuos del tipo tanque agitado (CSTR). Este tipo de reactores puede ser variado en volumen para permitir mayores tiempos de residencia y lograr aumentar los resultados de la reacción. Así, tras la decantación de glicerol en el decantador la reacción en un segundo CSTR es mucho más rápida, con un porcentaje del 98 % de producto de reacción. Un elemento esencial en el diseño de los reactores CSTR es asegurarse que la mezcla se realiza convenientemente para que la composición en el reactor sea prácticamente constante. Esto tiene el efecto de aumentar la dispersión del glicerol en la fase éster. El resultado es que el tiempo requerido para la separación de fases se incrementa.