Energía Eléctrica Energía Térmica Energía Mecánica

Transcripción

1 Energía BIOMASA

2 Energía Eléctrica Energía Térmica Energía Mecánica

3 Energía BIOMASA La biomasa, definida como la materia orgánica renovable de origen vegetal, animal o procedente de la transformación natural o artificial de la misma, es una fuente muy variada de energía. Entre los métodos de aprovechamiento existentes destacan la combustión directa de la biomasa y la utilización de residuos orgánicos y cultivos para la producción de biogás y biocombustibles a través de procesos bioquímicos, que son usados como sustitutos de compuestos petroquímicos. La bioenergía se define como la energía obtenida a partir de la biomasa y sus derivados, ya sea electrica, mecánico o térmica. La conversión energética de la materia prima se puede realizar mediante procesos termoquímicos, donde se produce la descomposición de la biomasa por medio de calor, o procesos bioquímicos que ocurren en presencia de microorganismos o medios de reacción para actuar como catalizadores. La forma mas tradicional de aprovechamiento energético, la combustión, es un proceso considerado carbono neutral, puesto que las emisiones del proceso son equilibradas con el CO2 absorbido previamente por las plantas y arboles durante su crecimiento. Proyecciones de la IEA indican que la generación de electricidad a partir de biomasa debiera crecer desde el actual 1,3% a un 3%-5% para el 2050, dependiendo de diferentes supuestos a nivel mundial. En términos absolutos, el crecimiento neto podría ser 5-8 veces la producción actual, con un significativo efecto en la reducción de emisiones de GEI. Esto no parece ser considerable comparado con el potencial estimado total, 10%-20% de la energía primaria para el 2050, donde la biomasa también es usada para generación de calor y para producir combustibles para el transporte [OECD/IEA, 2007]. Las principales barreras para su implementación apuntan a la baja eficiencia de conversión, la disponibilidad y transporte de la biomasa, y la escasa logística de suministro sumado a la falta de políticas de apoyo, los riesgos asociados a la agricultura intensiva (fertilizantes, químicos, conservación de la biodiversidad), entre otros. Respecto del futuro de esta tecnología en Chile, se estima que el potencial factible técnico-económico de implementar al 2025 es entre 461 a 903 MW con una participación entre un 3,1 % a un 6 % del parque generador [UTFSM, 2008]. Actualmente, en Chile los procesos de generación de electricidad existentes se basan de manera principal en la combustión directa de la biomasa. Adicionalmente, existen proyectos de generación a partir de la combustión de gases obtenidos a partir de procesos de transformación de la biomasa, como la extracción de biogás desde vertederos o sistemas de tratamiento anaeróbico. 2.

4 Bioquímica Energía eléctrica, térmica o mecánica La conversión bioquímica de la biomasa ocurre mediante r eacciones químicas y b iologicas asociadas a procesos metabólicos de microorganismos que permiten la degradación de la biomasa. Como resultado d e este p roceso s e obtienen p roductos energéticos que pueden ser posteriormente transformados en energía útil. En general, los métodos de conversión bioquímica se utilizan cuando se dispone de fuentes de b iomasa que tienen u n alto c ontenido de humedad, puesto que tanto los microorganismos c omo las enzimas actuan e n ambientes acuosos. 3.

5 Digestión anaeróbica La implementación de esta tecnología permite la obtención de energía eléctrica y/o térmica, con un rango de potencia eléctrica de alrededor de 0,3-10 MW [IEA/ ETSAP, 2010]. Dentro de un reactor se lleva a cabo un proceso de degradación de materia orgánica, del cual se obtiene biogás como uno de los producto principales. Este gas combustible esta compuesto principalmente por metano (CH4), dioxido de carbono (CO2) y otros gases, como el acido sulfihidrico (H2S). Adicionalmente, otro beneficio de este proceso es que reduce la cantidad de patogenos y cantidad de lodos comparado con procesos tradicionales de tratamiento de residuos organicos. Esto permite tener costos operacionales bajos, ya que este proceso de degradación no requiere de acciones adicionales. El lodo generado puede ser utilizado como abono en la agricultura. Los principales componentes de un proceso de digestión anaeróbica son el reactor donde se lleva a cabo la digestión y su sistema de calefacción en caso de ser requerido, los mezcladores que permiten obtener una mezcla completa dentro del reactor, lo que facilita la degradación de la biomasa, los extractores de biogás y los gasometros que permiten equilibrar las fluctuaciones de la producción, el consumo y los cambios de volumen causados por variaciones de temperatura o producción, además de actuar como acumulador de biogás para su posterior uso. El factor de planta que puede alcanzar esta tecnología es cercano al 80% [IEA/ETSAP, 2010], mientras la eficiencia estimada de conversión puede ser cercana a 26-32% (40 85% en caso de cogeneración) [IEA/ETSAP, 2010]. Los costos de inversión oscilan entre USD/kW, mientras que los costos de operación y mantenimiento bordean los 300 USD/kW/ año (costos consideran cogeneración) [IEA/ETSAP, 2010]. El costo medio de la energía generada a través de este proceso está entre 14 y 18,3 centavos USD por kwh. Dentro de las expectativas futuras se tiene que el factor de planta de los sistemas basados en esta tecnología estará cercano al 100% [GreenTech Opportunities]. La digestión anaeróbica para producir biogás está expandiéndose en aplicaciones locales, fuera de la conexión a la red de distribución de electricidad, así como en aplicaciones domiciliarias y rurales. Convierte solo una porción de la materia prima (alrededor del 50-60%), pero produce subproductos que pueden ser utilizados en acondicionamiento de suelos. China es el país con mayor cantidad de producción de biogás, mientras en Europa Alemania es el líder en esta materia. Otros ejemplos de referencia son el Reino Unido, Italia y España [OECD/IEA, 2007].Existen diversos tipos de alternativas de implementación de esta tecnología, clasificándose principalmente en: Digestión anaeróbica de alta tasa: Este proceso de digestión convierte la biomasa en biogás mediante la degradación biológica de la materia orgánica en reactores anaeróbicos completamente mezclados y calefaccionados a temperaturas entre 4.

6 El b iogás generado s e utiliza c omo c ombustible p rincipalmente p ara motores, t urbinas de g as, hornos, calderas, e stufas y celdas de hidrógeno. Frecuentemente, el sistema de calefacción del r eactor f unciona c on e l mismo biogás obtenido del proceso de digestión. Digestión anaeróbica de baja tasa: Esta t ecnología es u n proceso d e conversión de biomasa en biogás mediante la degradación biológica de la materia orgánica en reactores sin mezcla, con períodos de digestión más largos que los digestores de alta tasa, entre 30 y 60 días, y sin calefacción, por lo que en general se mantienen a menos de 25 C. El biogas que se produce en estos digestores se utiliza, al igual que el producido por los digestores de a lta tasa, para el funcionamiento de motores de combustión, turbinas de gas, hornos, calderas, estufas y celdas de hidrógeno. 5.

7 Fermentación alcohólica: Transesterificación: Esta tecnología se ha utilizado durante siglos para la producción de licores y, más recientemente, para generar sustitutos de combustibles fósiles para transporte, los que se utilizan principalmente para motores de combustión, particularmente en Brasil en donde existen millones de vehículos impulsados con alcohol obtenido de la caña de azúcar y en Estados Unidos donde existe una producción importante de bioetanol a partir de maíz [Enersilva]. Consiste en un proceso mediante el cual se obtienen combustibles líquidos como etanol a partir de la biomasa. El primero se produce por medio de la fermentación de azúcares, utilizando cualquier producto de origen vegetal que posea azúcares transformables, principalmente azúcar de caña, remolacha, trigo, maíz y papa, aunque existen otras fuentes, que se encuentran en etapa de investigación y desarrollo comercial, como el material lignocelulosico y las macroalgas. La adición de microorganismos fermentativos es requerida para la producción de bioetanol. El rendimiento teórico de este proceso, medido en m3 etanol producido por tonelada de materia prima, es 0,28 para arroz y trigo y 0,37 para maíz [UTFSM - ODEPA, 2007]. Los costos de inversión asociados a la implementación de este tipo de tecnologías en Chile es del orden de 670 USD por m3 de combustible producido anualmente, mientras que el costo de operación y mantenimiento depende principalmente de la materia prima vegetal utilizada (64%) y otros componentes como son energía (17%) y químicos (11%) [UTFSM - ODEPA, 2007]. La transesterificación es un proceso químico a través del cual aceites (de maravilla, raps y otras fuentes) se combinan con alcohol (etanol o metanol) para generar una reacción que produce ésteres grasos como el etil o metil ester. Estos pueden ser mezclados con diesel o usados directamente como combustibles en motores comunes. A modo de ejemplo, una tonelada de grano de maravilla es capaz de producir 0,44 m3 de biodiesel, 0,044 m3 de glicerina y 560 kg de torta seca ; mientras que una tonelada de raps producirá 0,42 m3, 0,042 m3 y 580 kg, respectivamente [UTFSM - ODEPA, 2007]. La eficiencia de conversión, de aceite a biodiesel es del orden del 98% [UTFSM - ODEPA, 2007]. Su principal ventaja es reducir las emisiones de monoxido de carbono (CO), hidrocarburos y material particulado. Los costos de inversión asociados a la implementación de este tipo de tecnologías en Chile oscila entre 290 y 320 USD por m3 de combustible producido anualmente. Al considerar, además, la inversión necesaria para la producción de aceites, ésta será entre 400 y 450 USD/ m3. Por su parte, los costos asociados a operación y mantenimiento dependen principalmente de la materia prima vegetal utilizada (72%) y otros componentes como químicos (6%) [UTFSM - ODEPA, 2007]. 6.

8 Termoquímica Energía Eléctrica y Térmica Los procesos de conversión termoquímica utilizan calor como fuente de transformación de la biomasa para obtener subproductos con alto valor energetico, como vapor y gases combustibles. E stos pueden s er u tilizados posteriormente en turbinas o motores que permiten la generación de energía e lectrica o puede s er utilizados c omo f uente d e calor directa para satisfacer diversos requerimientos de energía térmica 7.

9 Combustión Directa Esta tecnología se aplica para obtener energía térmica o e léctrica ( uno u o tro), con un r ango d e potencia menor a 100 M W [OECD/IEA, 2007]. Consiste e n la o btención de energía mediante la combustión de la biomasa, principalmente residuos de la industria primaria, secundaria y terciaria forestal. Es el proceso más utilizado y antiguo para generación de energía con biomasa, a l a vez que e s el m étodo m ás económico, en caso de generación de energía térmica, pues sólo requiere de una fuente para la o btención de b iomasa y una caldera para la combustión. En los casos de generación de energía eléctrica, se requiere además el conjunto turbina - generador. El costo de inversión oscila entre 650 y USD/ kw, para la generación térmica, mientras que los costos asociados a operación y mantenimiento se encuentran entre 6 y 25 USD/kW/ año [, 2009]. El costo medio de la energía está entre 1,5 y 4 centavos USD/kWh. Esta t ecnología puede s er a plicable e n cualquier l ugar donde s e disponga d e una fuente de b iomasa. E s una t ecnología desarrollada para uso comercial y la más utilizada en Chile. El f actor de p lanta que puede alcanzar e sta tecnología se encuentra entre un 86,6 y 94,2% [ETSAP/ IEA, 2010] mientras la eficiencia estimada de conversión se encuentra en el rango de 15 a 38% [EPA 2008], para el caso de generación de electricidad y sobre 70% en caso de generación de energía térmica [ETSAP/IEA, 2010]. 8.

10 9. Combustión directa con cogeneración Esta tecnología es similar al proceso de combustión directa, pero en lugar de generar únicamente energía térmica también se produce electricidad, mediante la utilización de turbinas que a provechan el vapor generado e n la caldera, con un rango de potencia en general menor a 250 MW [ EPA, 2008]. mientras que los costos de operación y mantenimiento oscilan entre 63 y 81 USD/kW/año [, 2010]. El costo medio de la energía está en el rango de 6,8 y 11,4 centavos USD/kWh. Suecia y Finlandia son países líderes en cogeneración a partir de biomasa. El f actor de p lanta que p uede alcanzar e stá entre 7 6 y 91% [ OECD/IEA, 2007]. En c uanto a la eficiencia en la conversión, ésta depende del tipo de energía generada, sin embargo, al cogenerar la eficiencia se encuentra cercana al 80% [EPA, 2008]. Los costos d e inversión para esta t ecnología se encuentran entre y U SD/kW,

11 10. Pirólisis La pirólisis es el proceso de carbonización de la b iomasa, a l procesar l a biomasa c on nula presencia d e oxígeno y t emperaturas cercanas a 500 C. E l producto r esultante de e ste proceso es un gas combustible principalmente c ompuesto por monoxido de carbono ( CO) e hidrogeno (H2), que puede utilizarse para la obtención de calor o electricidad en motores a combustión con potencias hasta 10 MW y eficiencias d e 60-70%, o en t urbinas a gas con eficiencias superiores y mediante ciclos combinados d e alta e ficiencia [IEA 2008, T ech. Perspectives]. El factor de planta se encuentra entre 80 y 90%. La c onversión de b iomasa e n syngas a través de procesos termoquímicos genera solo de 2 a 4% de cenizas. Para llevar a cabo este proceso se requiere disponer de una caldera o mufla para la degradación anaeróbica. Pese a que el método ha sido muy utilizado y probado a lo largo del tiempo, aún se encuentra en una etapa de estudio y su implementación se ha enfocado a plantas piloto, aunque en países como Finlandia y Canadá se han desarrollado plantas que han f uncionado exitosamente con esta tecnología. Los costos d e inversión para e sta tecnología están entre y USD/kW [IEA, 2008], con costos de operación del orden de 894 USD/ kw al año [UOP LLC, 2010]. El costo medio de la energía es del rango de 14,8 a 21,8 centavos USD/kWh.

12 Gasificación Esta tecnología es utilizada para obtener energía eléctrica y/o térmica, con un rango de potencia de 30 kw y 40 MW [EPA, 2007]. Es un tipo de pirólisis en la que se utiliza una mayor proporción de oxígeno a mayores temperaturas, con el objetivo de optimizar la producción del llamado gas pobre o syngas, constituido por una mezcla de monóxido de carbono, hidrógeno y metano, con proporciones menores de dióxido de carbono y nitrógeno. Existen diferentes tecnologías de gasificación y su aplicación depende de las caracteristicas de la materia prima utilizada, como humedad, tamaño de particula y porcentaje de volatiles y la escala del sistema, aunque el gas pobre generado con este proceso se puede usar en equipos convencionales, como los motores diesel. La generación de energía mediante este tipo de procesos tiene una eficiencia entre 35% y 40% [, 2010]. Las características del gas, en términos de composición y poder calorífico, dependen principalmente del medio o agente gasificante utilizado (vapor, oxigeno o aire). El factor de planta de esta tecnología puede estar entre 85 y 95% [EPA, 2007]. Los costos de inversión se encuentran entre y USD/kW para generación de electricidad y entre 850 y USD/kW térmicos para la generación térmica [IEA 2008, Tech. Perspectives], mientras que los costos de operación (sin considerar el costo de la biomasa) se encuentran en el rango de 20 a 44 USD/MWh [EPA, 2007]. Sumado el consumo del combustible, el costo de operación llega a USD 298 USD/kWh/año. Por otra parte, el costo medio de la energía está entre 14,8 y 21,8 centavos USD/kWh. Las plantas que consideran gasificación y utilizan turbinas a syngas no son aún comerciales, pero aquellas que utilizan ciclos combinados usando un subproducto del proceso de pulpa y papel, como es el licor negro, están actualmente en uso. Los países que pueden considerarse como principales términos de referencia en esta materia son EEUU, Japón, India y Europa en general. 11.

13 Plasma La tecnología de plasma permite descomponer todo tipos de residuos a estructura molecular básica, empleando una T muy alta en ausencia casi total de oxígeno. El proceso se realiza en reactores, donde se hace pasar una corriente eléctrica entre dos electrodos en la presencia de una columna de gas sobrecalentado (plasma) conductor de la electricidad para crear temperaturas extremas. Así los residuos son descompuestos en: Gas combustible, syngas, compuesto de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2). Materiales inorgánicos metales, vidrios y gravilla que son vitrificados y recuperados. El uso de la tecnología de antorchas de plasma no es nuevo, se tienen antecedentes que Westinghouse comenzó a construir antorchas de plasma para la NASA en conjunto con el Programa Espacial Apollo en la década de los sesenta con el propósito de probar protectores de calor en naves espaciales. La tecnología ha sido empleada por diferentes industrias a lo largo de los años para fundir y cortar metales o disponer materiales peligrosos, y es conocida como soldadura al arco. El proceso está compuesto por las siguientes etapas: procesamiento y selección de los desechos, tratamiento de plasma, purificación del gas y producción de energía. La ciudad de Palissade, Minnesota, señala en junio del 2010 que la maduración de este proceso ha sido rápida, no obstante hasta la fecha no se reporta la construcción de un sistema a gran escala. Algunas ciudades y municipalidades en el mundo están considerando la tecnología de plasma para la gestión de los residuos sólidos urbanos como una alternativa a los rellenos sanitarios. Los sistemas de plasma en la actualidad alcanzan dimensiones entre 0,2 y 16 MW, con un factor de plasma de 80 a 90%. La eficiencia de conversión de energía es de 30 a 35%. El Instituto Tecnológico de Investigación reporta 24 instalaciones de tecnología de antorcha de Plasma [Dovetail Partners INC., 2010], los que usan la tecnología para tratar diferentes materiales peligrosos incluyendo asbestos, desechos de curtiembre, escoria de aluminio, convertidores catalíticos, desechos médicos, municiones, etc. El costo medio de inversión para esta tecnología es de USD/kW, con un costo de operación cercano a 517 USD/kW/año. El costo medio de la energía es del orden de 33,3 a 36,6 centavos USD/kWh [SCS Engineers, 2010]. 12.

14 13.

15 Colofón Portada... Pag Pag Pag Pag Pag Pag Pag Pag Pag Contraportada... KDM Base de imágenes del CER Base de imágenes del CER Base de imágenes del CER Base de imágenes del CER Base de imágenes del CER Base de imágenes del CER World Bioenergy World Bioenergy Base de imágenes del CER Imagen: Base de imágenes del CER

16 Para mayor información contactarse con: Centro de Energías Renovables Agustinas 640, piso 16, Santiago Tel