Revalorización Energética de los Residuos de la Industria Vitivinícola Laura Senovilla Arranz (1), Gregorio Antolín Giraldo (2) (1) Mariano García Abril 4, 5º A, 47014 Valladolid; l_senovilla@wanadoo.es (2) ETSII: Paseo del Cauce, s/ n, 47011 Valladolid; greant@eis.uva.es El objetivo principal del Proyecto Fin de Carrera que se desarrolla se centra en la valorización y aprovechamiento energético de los residuos de la industria vitivinícola. El estudio se centrará geográficamente en la zona de Toro, localidad perteneciente a la provincia de Zamora. Se presenta una zona concreta de cultivos de viñedo, con una superficie total de 1.200 ha aproximadamente, y donde además se dispone de la bodega correspondiente para la elaboración del vino. En el proyecto se propone determinar la viabilidad técnica y económica de distintas alternativas para el aprovechamiento, como combustible, de los residuos de poda de la vid (sarmientos y raspones). Se plantea la creación y equipación con los medios técnicos necesarios de una instalación para este fin, bien sea con la utilización directa del residuo, o bien con un pretatamiento y acondicionamiento de éste para ser utilizado como combustible en una instalación térmica totalmente automatizada. Energía Renovable, Biomasa, District Heating, Cogeneración, Pélet. - 1 -
1. Introducción La energía es un elemento clave de toda la actividad humana y es la base del desarrollo de la sociedad. Su aportación es necesaria en cualquier actividad humana: industria, transporte, vivienda, etc. De este modo se explica que la cuarta parte de la población mundial, que la constituyen los países desarrollados, consuman tres cuartas partes de la energía primaria producida en el planeta. De la enorme cantidad de energía que se consume en el mundo el 98% es en forma de calor, siendo generado, en su mayoría, mediante procesos de combustión de diferentes tipos de combustibles, predominando las fuentes de energía de origen fósil: petróleo y carbón. En posiciones muy alejadas en cuanto a su uso se encuentra la energía nuclear, hidráulica, el gas y las energías renovables. Sin embargo, la crisis en la producción de crudo de los años 70, que provocó el inmediato aumento del precio del petróleo y sus derivados, el hecho de que las formas de energía tradicionales (conocidas como no renovables), tengan una duración limitada, y el que los consumos energéticos se vean incrementados continuamente debido al aumento de las necesidades energéticas de la población, la industria y el transporte, hace que sea imprescindible encontrar nuevas fuentes que garanticen el suministro de energía a la población en un futuro. Además, los combustibles fósiles y nucleares plantean una dependencia energética con el exterior de los países consumidores, ya que estos recursos no se encuentran en dichos países o les resultan insuficientes para sus necesidades energéticas. En este sentido, se plantea como solución a todos estos problemas, la mejora en el rendimiento de las tecnologías existentes, la búsqueda de nuevas energías (fusión nuclear, pilas de combustibles...) y el desarrollo e implantación de las energías renovables, puesto que su principal característica es que no se encuentran en una cantidad limitada. Por otra parte, hay que hacer frente a una consecuencia negativa derivada directamente del elevado consumo de energía procedente de combustibles fósiles: la contaminación ambiental. El efecto invernadero, la lluvia ácida, el deterioro de la capa de ozono y en general el cambio climático que está sufriendo el planeta ha llevado a los - 2 -
países a buscar fuentes de energía más respetuosas con el medio ambiente como las energías renovables, que generan una cantidad menor de emisiones contaminantes y de perjuicios para la naturaleza y la población. La toma de conciencia del problema de agotamiento de los recursos fósiles y el impacto ambiental que producen por parte de los países industrializados, está originando un cambio en la política energética del mundo, surgiendo el concepto de desarrollo sostenible. 2. Las Energías Renovables Las Energías Renovables engloban bajo su nombre un gran número de tecnologías de obtención de energía a partir de fuentes energéticas diversas, como el sol, el aire, la tierra y el agua. Se pueden definir como aquellas fuentes que, de forma periódica, se ponen a disposición del hombre y que éste es capaz de aprovechar y transformar en energía útil para satisfacer sus necesidades. Es decir, se renuevan de forma continua tomando como base el ciclo humano, al contrario que los combustibles fósiles, de los que existen unas disponibilidades limitadas en un plazo más o menos largo. Son fuentes de abastecimiento inagotables, ya que en origen proceden en su mayoría del Sol. Esto no significa que las Energías Renovables deban asociarse al aprovechamiento directo de la energía solar sino que el Sol produce una serie de fenómenos naturales, que a su vez, dan origen a los recursos en los que se basan los diferentes tipos de aprovechamiento de estas energías. Las Energías Renovables se caracterizan por ser inagotables, limpias, eficaces, seguras, sencillas, autónomas y autóctonas. Dentro de este grupo se puede englobar la energía eólica, la solar (tanto térmica como fotovoltaica), la hidráulica de menos de 10 MW (también llamada minihidráulica), la mareomotriz, la geotérmica y la biomasa. 2.1. Características principales El recurso energético renovable se encuentra muy distribuido en todo el planeta, garantizando la utilización de recursos autóctonos y un mayor autoabastecimiento. - 3 -
Además esta característica ofrece la posibilidad de desarrollo regional y generación de empleo, tanto en zonas agrarias (biomasa) como urbanas. Su reducido impacto ambiental las convierte en un elemento clave en todas las estrategias tendentes a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y lluvias ácidas. Al utilizar un recurso inagotable, no se encuentran afectadas por problemáticas de escasez o desaparición a largo plazo. Adicionalmente, al presentar las fuentes un carácter disperso, hace que presenten menores necesidades de transformación y transporte y ello explica también sus menores efectos globales. Los análisis comparativos con tecnologías convencionales son, desde este punto de vista, claramente favorables a las tecnologías renovables, aunque ello no signifique la ausencia total de impactos asociados a su utilización. Para poder realizar una comparación real entre las fuentes de energía renovables y las convencionales es necesario tener en cuenta las externalidades. Se entiende por externalidad aquel coste o beneficio asociado a una actividad económica concreta que percibe la sociedad o el medio ambiente y no está incorporado al precio del producto que lo ocasiona. La discusión en el sector energético se centra en la necesidad de que las externalidades, o el coste de los daños medioambientales derivados de la producción y consumo de energía, se incorporen en el mecanismo de formación de los precios y queden reflejados en el coste total. 2.2. Efecto invernadero y Lluvia ácida Si el esperado fuerte crecimiento de la demanda energética se satisface desde fuentes fósiles, el aumento de emisión de CO 2, del resto de gases de efecto invernadero y de NO x podría llegar a causar deterioros irreversibles en el medio ambiente. Por todo ello, se hace necesario el uso de las Energías Renovables para disminuir estas emisiones y sus nocivos efectos, como por ejemplo, el cambio climático, el deshielo de los polos y la lluvia ácida. Los combustibles procedentes de biomasa son neutros a efectos del incremento del CO 2 atmosférico, ya que todo el CO 2 producido en la combustión de dichos - 4 -
combustibles ha sido previamente fijado de la atmósfera, incluso en mayor proporción. Ello se debe a que no toda la biomasa formada se destina a la combustión, una gran parte suele quedar inmovilizada en el suelo después de la recolección. Además, por su casi despreciable contenido en azufre, genera unas emisiones de SO 2 pequeñas, mientras que el nivel de NO x, en la mayoría de los casos, está por debajo de las emisiones producidas por las energías convencionales. Por este motivo, el empleo de biocombustibles en sustitución de los combustibles fósiles puede ser una de las vías para frenar el deterioro ambiental provocado por el incremento de anhídrido carbónico en la atmósfera. Efecto invernadero La temperatura de la tierra es el resultado del equilibrio entre su calentamiento por efecto de la radiación recibida del Sol y el enfriamiento que origina la emisión de la radiación propia de la superficie terrestre. La radiación solar, de longitud de onda corta, que llega al planeta es capaz de atravesar la masa de aire y alcanzar la superficie de la terrestre causando su calentamiento. Una vez caliente, emite energía calorífica a través de la atmósfera en dirección al espacio exterior con una longitud de onda más larga, que es parcialmente retenida por determinados gases de la atmósfera, siendo este fenómeno conocido como efecto invernadero. Se produce una contribución al calentamiento de la atmósfera y del suelo en contacto con ella. El principal gas que contribuye al efecto invernadero es el CO 2, seguido de otros gases presentes en la atmósfera en proporciones inferiores como el metano, los CFC s, vapor de agua y NO 2. Lluvia ácida El uso de combustibles fósiles libera importantes cantidades de SO 2 y NO x que reaccionan con el vapor de agua de la atmósfera, originando los vapores de los ácidos inorgánicos H 2 SO 4 y HNO 3. Éstos son muy corrosivos y dan lugar a la denominada lluvia ácida por ser su ph inferior a 7. Los vapores ácidos se condensarán en las zonas donde se alcance antes su punto de condensación, ocurriendo con frecuencia en las - 5 -
hojas de las plantas, o en la propia naturaleza, donde se forman gotas de lluvia que al caer sobre el suelo provocan daños irreparables en bosques y acuíferos superficiales y subterráneos. 2.3. Situación de las Energías Renovables en España En España existe una gran cantidad de energía renovable que no se aprovecha y que podría paliar en parte el déficit de recursos fósiles, aunque gracias a la elaboración del Plan de Fomento de las Energías Renovables se ha producido un considerable aumento en el consumo y producción de estas energías, siendo lideradas por la energía eólica. Aún así, el objetivo del 12% de consumo de energías renovables sobre el total de la demanda sólo es posible, como se indica en el propio Plan de Fomento de las Energías Renovables, en un escenario de moderado crecimiento de la demanda de energía; en escenarios de mayor crecimiento, será preciso incrementar los objetivos del Plan en términos de nueva potencia eléctrica instalada, o mayor consumo de energías renovables para usos térmicos. 2.4. Cumbre de Kioto y Plan de Fomento de las Energías Renovables Las tres cuartas partes de las emisiones de los gases de efecto invernadero tienen origen en la producción, transformación, transporte y uso de la energía, lo que obliga a orientar los esfuerzos encaminados a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero al campo de la eficiencia energética y al desarrollo de las energías renovables. De las negociaciones y decisiones políticas más recientes, se derivan compromisos concretos para España que suponen la limitación de la emisión de gases de efecto invernadero durante los próximos años. Uno de ellos fue el acuerdo alcanzado en la 3ª Conferencia de las Partes de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, más conocido como Protocolo de Kioto. El Protocolo de Kioto establece en algo más de un 5% la reducción global de las emisiones de los seis principales gases de efecto invernadero en el período de - 6 -
compromiso 2008-2010 respecto a los valores de 1990. Los objetivos individuales por países se determinan teniendo en cuenta la necesidad de mantener un crecimiento económico sostenible así como la disponibilidad de tecnologías en cada uno de los estados, de tal forma que, para la Unión Europea, el objetivo de reducción queda establecido en el 8%, para EE.UU. en el 7% y para Japón en el 6%. La Convención Marco sobre Cambio Climático y el Protocolo de Kioto han reconocido expresamente lo que se ha dado en llamar la burbuja comunitaria, dentro de la cual España tiene limitado el crecimiento de las emisiones de los seis gases de efecto invernadero considerados en el Protocolo en un 15% en el período de referencia 2008-2010 respecto a las emisiones de 1990. Ante estos compromisos, se desarrolla en España el Plan de Fomento de las Energías Renovables, una herramienta fundamental para reforzar las medidas de limitación de emisiones, no sólo de CO 2, sino también de compuestos acidificantes sobre los que existen igualmente objetivos cuantificados de reducción en España en el marco de diversos acuerdos internacionales. El Plan de Fomento de las Energías Renovables fue aprobado el 30 de diciembre de 1999 por el Consejo de Ministros, y enuncia entre sus objetivos la garantía del suministro eléctrico y la calidad del mismo al menor coste posible, la mejora de la eficiencia energética, la reducción del consumo y la protección del medio ambiente. El Plan recoge las principales directrices y líneas de actuación que pueden considerarse relevantes en la articulación de una estrategia para que el crecimiento de cada una de las áreas de energías renovables pueda cubrir, en su conjunto, al menos el 12 % del consumo de energía primaria de España en el año 2010. El área de biomasa se convierte en la parte sustancial del Plan, aportando el 63% de los objetivos energéticos previstos (7,5% sobre el 12% del total del suministro energético) [1, 3]. 3. La Biomasa como Fuente de Energía Renovable Biomasa es cualquier tipo de materia orgánica que haya tenido su origen inmediato como consecuencia de un proceso biológico, por tanto, el concepto de - 7 -
biomasa engloba a productos de origen animal y vegetal. En la actualidad se ha aceptado el término biomasa para denominar al grupo de productos energéticos y materias primas de tipo renovable que se originan a partir de la materia orgánica formada por vía biológica. Quedan fuera de este concepto, los combustibles fósiles o los productos orgánicos derivados. En general, se usa el término de biocombustible para designar a los productos de la biomasa que se emplean para fines energéticos, si bien, en la mayoría de los países de Europa, se suele reservar este término para los productos energéticos de origen biológico que se usan en aplicaciones térmicas, mientras que biocarburante se refiere a los productos que se utilizan en motores térmicos. CO ( H COH ) + 2 radiación solar 2 + H 2O O Figura 1. Origen solar de la biomasa. 3.1. Clasificación de la Biomasa Según su origen, la Biomasa puede ser primaria, secundaria y terciaria. - 8 -
- Biomasa primaria: materia orgánica formada directamente por los seres fotosintéticos (biomasa vegetal y residuos agrícolas y forestales). - Biomasa Secundaria: producida por los seres heterótrofos que se nutren de biomasa primaria (la biomasa ha sufrido una transformación biológica, de modo que tiene distinta naturaleza a la inicial). Dentro de este grupo están la carne y las deyecciones de los animales herbívoros. - Biomasa terciaria: producida por los seres que se alimentan de biomasa secundaria (carne de los animales carnívoros, que se alimentan de los herbívoros). En cuanto a su composición, la Biomasa se clasifica en Biomasa lignocelulósica, amilácea, azucarada, oleaginosa y lacticífera. - Biomasa lignocelulósica: los hidratos de carbono que predominan en su composición son las celulosas (hemicelulosa y holocelulosa) y la lignina. Pertenecen a este grupo la paja, la madera y la leña. - Biomasa amilácea: los hidratos de carbono se encuentran en forma de polisacáridos de reserva tales como almidón o inulina, principalmente. Ejemplos de este tipo de biomasa son los cereales y las patatas. - Biomasa azucarada: mayoritariamente contiene azúcares, ya sean monosacáridos (glucosa o fructosa principalmente) o disacáridos (sacarosa). La remolacha o el tallo de la caña de azúcar son ejemplos de este tipo de biomasa. - Biomasa oleaginosa: posee abundante contenido en aceite; por ejemplo las pipas de girasol. - Biomasa laticífera: contiene predominantemente hidrocarburos y esteroles como productos específicos de su metabolismo (látex). Por último, según sea la naturaleza de la biomasa y el tipo de combustible deseado, existen los combustibles sólidos (leña sin procesar, astillas, briquetas, pelets, triturados finos de menos de 2 mm y carbón vegetal), los combustibles líquidos (alcoholes, biohidrocarburos, aceites y ésteres derivados de ellos) y los combustibles gaseosos (gas de gasógeno, biogás e hidrógeno). - 9 -
3.2. Fuentes de Biomasa Biomasa natural Se produce espontáneamente en las tierras no cultivadas sin la intervención del hombre, por lo que no es la más adecuada para su aprovechamiento energético masivo, ya que podría originar la rápida degradación de los ecosistemas naturales. Sin embargo, sí se podrían aprovechar los residuos de partes muertas, restos de podas y clareos, respetando el equilibrio del ecosistema y evitando además el riesgo de incendios y de propagación de plagas y enfermedades. Biomasa residual Es la que se genera debido a la actividad humana, principalmente en los procesos productivos de los sectores agrícolas, forestal o ganadero, así como en los núcleos urbanos dando lugar a R.U. y aguas residuales. En estos casos es más importante la descontaminación que se produce al eliminar los residuos que la energía que se puede generar con su aprovechamiento. Cuando el contenido acuoso de los residuos es elevado, es necesario llevar a cabo un proceso de deshidratación, para poderlos emplear energéticamente por la vía de la combustión. Otra opción es emplearlos en procesos de digestión anaerobia, con producción de biogás. Excedentes agrícolas El aumento en el rendimiento de las cosechas, muy superior al aumento en las necesidades alimenticias de la población, ha provocado recientemente la aparición de excedentes agrícolas, con el consiguiente problema de almacenamiento y mantenimiento. Esto ha originado que se incentive el abandono de tierras de cultivo para los productos alimentarios tradicionales y se potencien los usos alternativos de estas tierras para cultivos no alimentarios. - 10 -
Cultivos energéticos Los cultivos energéticos se realizan con la finalidad de producir biomasa transformable en combustible o carburante, siendo los biocarburantes más extendidos en Europa el etanol de remolacha y los ésteres derivados de aceites de colza. Teniendo en cuenta que existe excedente de producción en cultivos alimentarios, es fácil pensar que una solución alternativa al abandono de las tierras de cultivo, será la instauración de cultivos energéticos. En la actualidad, los cultivos energéticos se están comenzando a plantear como una alternativa al uso de combustibles tradicionales, si bien todavía no están con el grado de desarrollo que permitiría el comienzo de su implantación a corto plazo. 3.3. Características y aplicaciones energéticas de la Biomasa En muchas ocasiones, la biomasa se elimina por ser molesta para la instalación que la produce o porque entorpece las labores agrarias o ganaderas que la generan. Cuando esto ocurre se está desperdiciando una fuente de energía importante, ya que un kilogramo de biomasa permite obtener 3.500 kcal. Habitualmente, el contenido energético de la biomasa se mide en función del poder calorífico del recurso, aunque para algunos de ellos, como es el caso de la biomasa residual húmeda o de los biocarburantes, se determina en función del poder calorífico del producto energético obtenido en su tratamiento. 3.3.1. Aplicaciones energéticas Generación de energía térmica: El sistema más extendido para este tipo de aprovechamiento está basado en la combustión de biomasa sólida, aunque también es posible quemar el biogás procedente de la digestión anaerobia de un residuo líquido o el gas de síntesis generado en la gasificación de un sólido. - 11 -
Generación de energía eléctrica: En función del tipo y cantidad de biomasa disponible varía la tecnología más adecuada a emplear para este fin, pudiéndose tratar de una turbina de vapor, una turbina de gas o un motor alternativo. Cogeneración: Cuando una entidad presenta consumos térmicos y eléctricos importantes se puede plantear la instalación de un sistema de cogeneración, consistente en la producción conjunta de energía térmica y eléctrica. Esta tecnología presenta como gran ventaja la consecución de rendimientos superiores a los sistemas de producción de energía térmica o eléctrica por separado. Generación de energía mecánica: Los biocarburantes pueden ser empleados en los motores alternativos de los vehículos sustituyendo total o parcialmente a los combustibles fósiles. La utilización de biocarburantes es especialmente interesante en industrias agrarias que dispongan de una adecuada materia prima para su producción (aceites reciclados, colza, girasol, maíz, trigo, pataca, etc.) y que puedan autoconsumirlos (por ejemplo en tractores), llegando a suponer importantes ahorros en la factura de los combustibles. 3.4. Sistemas de aprovechamiento energético de la Biomasa Cuando se desea generar energía con biomasa se puede optar por diferentes sistemas tecnológicos. La elección entre uno y otro depende de las características de los recursos, de la cuantía disponible y del tipo de demanda energética requerida. En general, los sistemas comerciales existentes en el mercado para utilizar la biomasa residual seca se pueden clasificar en función de que estén basados en la combustión del recurso o en su gasificación. Los que aprovechan el contenido energético de la biomasa residual húmeda están basados en su digestión anaerobia. Para ambos tipos de recursos existen tecnologías que posibilitan la obtención de biocarburantes. - 12 -
Figura 2. Aprovechamiento energético en función del tipo de recurso disponible. 3.4.1. Sistemas basados en la combustión del recurso Con los equipos que en la actualidad existen en el mercado se pueden conseguir rendimientos de combustión muy elevados, que pueden alcanzar hasta el 95% si se acoplan equipos de recuperación de calor. Los avances tecnológicos conseguidos, tanto en los sistemas de alimentación de la biomasa como en los equipos de combustión, hacen que en estos momentos, los equipos de combustión de biomasa sean tan eficientes, cómodos y competitivos como los basados en combustibles fósiles. 3.4.2. Sistemas basados en la gasificación del recurso Si se introduce biomasa en los gasificadores se produce un gas combustible por la acción del calor y la carencia de oxígeno, que puede emplearse de forma similar a otros combustibles gaseosos tradicionales. Estos equipos presentan la ventaja de que poseen, - 13 -
cuando se trabaja con potencias reducidas o con potencias muy elevadas, mayor rendimiento que los sistemas de combustión, por lo que en esos casos pueden ser mucho más adecuados. 3.4.3. Digestión anaerobia y compostaje La biomasa residual húmeda (más del 75% de humedad relativa), es aquella que aparece como resultado de la actividad humana en instalaciones agropecuarias, urbanas e industriales y que, por su contenido en agua y materia orgánica, puede ser tratada mediante un proceso biológico. Estos procesos biológicos permiten el aprovechamiento del potencial energético de este tipo de biomasa, disminuyen su carga contaminante y generan subproductos estabilizados con valor fertilizante. De todos los procesos, el compostaje y la digestión anaerobia son los más empleados y ya se encuentran a escala comercial. La materia orgánica del residuo, en ausencia de oxígeno, se descompone por la actividad de unos microorganismos específicos transformándose en un gas de alto contenido energético, y en otros productos que contienen componentes minerales y compuestos de difícil degradación que en ocasiones se denominan fangos. 3.4.4. Producción de biocarburantes Se puede distinguir entre la producción de biocarburantes destinados a su utilización en vehículos con motor diesel y los destinados a su empleo en vehículos con motor de encendido provocado. Los primeros se obtienen de cultivos o especies vegetales oleaginosas (girasol, colza, cacahuete, etc.) y sustituyen al diesel tradicional; los segundos de cultivos o especies vegetales ricas en azúcares (remolacha, pataca, caña de azúcar, maíz, trigo, etc.) y sustituyen a las gasolinas o a los aditivos de las gasolinas sin plomo. - 14 -
4. Enunciado y objetivos del proyecto En los últimos años, España, y en concreto, la región de Castilla y León viene experimentando un gran auge en el desarrollo del sector vitivinícola debido en gran parte a las denominaciones de origen y al reconocimiento del consumidor a la calidad de sus vinos. Como datos generales, se puede afirmar que la superficie de viñedo en la región castellano- leonesa es de unas 73.000 ha con cinco Denominaciones de Origen, lo que supone un 6,3% de la superficie del viñedo nacional. Debido a este desarrollo, tanto el número de bodegas como el número de hectáreas de viñedo cultivadas ha aumentado en gran medida, y este aumento de la producción conlleva unos mayores inputs y a su vez genera mayores subproductos y residuos. Residuos como los generados en la industria vitivinícola, comienzan a ser un verdadero problema para las bodegas, dado que sus únicos tratamientos son la quema o el transporte al vertedero. Ambas soluciones presentan problemas e inconvenientes, ya que la quema de estos residuos supone un riesgo de incendio y una creación de humos que son molestos para el resto de ciudadanos. Además, el quemar estos residuos en lugares cercanos a carreteras o vías de comunicación ofrece problemas de seguridad al disminuir la visibilidad de la zona. La otra solución sería llevar estos residuos a un vertedero controlado, pero esto supone un coste tanto en transporte como en concepto de tasas de vertido. Por ello, el objetivo principal del Proyecto Fin de Carrera que se desarrolla se centra en la valorización y aprovechamiento energético de los residuos de la industria vitivinícola. Se trata, por tanto, de convertir un residuo en un recurso. El estudio se centrará geográficamente en la zona de Toro, localidad perteneciente a la provincia de Zamora. Se presenta una zona concreta de cultivos de viñedo, con una superficie total de 1.200 ha aproximadamente, y donde además se dispone de la bodega correspondiente para la elaboración del vino. En el proyecto se propone determinar la viabilidad técnica y económica de distintas alternativas para el aprovechamiento, como combustible, de los residuos de poda de la vid (sarmientos y raspones). Se plantea la creación y equipación con los - 15 -
medios técnicos necesarios de una instalación para este fin, bien sea con la utilización directa del residuo, o bien con un pretatamiento y acondicionamiento de éste para ser utilizado como combustible en una instalación térmica totalmente automatizada. De este modo se ayuda a cubrir la necesidad de crear plantas de aprovechamiento energético de biomasa, y a cumplir así con los objetivos marcados por el Plan de Fomento de las Energías Renovables. Además, de este modo, se contribuye también a disminuir las emisiones de CO 2, principal causante del efecto invernadero y cuyas emisiones, en la actualidad, distan mucho de cumplir los objetivos marcados en el Protocolo de Kyoto. 4.1. Potencial de la zona estudiada La zona estudiada, como se ha citado anteriormente, se encuentra en las proximidades de la localidad zamorana de Toro, y se trata de una bodega que cuenta con una superficie total de 1.200 ha de cultivos de viñedo. La producción de cada tipo de residuo viene reflejada en la tabla 1. Tabla 1. Potencial de cada tipo de residuo en t/ año. 1 Tipo de residuo Producción (t/ año) Sarmiento 2.200 Raspón 250 La estacionalidad en la obtención del combustible es un factor importante a tener en cuenta a la hora del diseño y dimensionamiento de la instalación. Y además de esto, la recogida de la uva, y por tanto, la obtención del raspón, no se realiza en la misma temporada que la poda de la vid, que es cuando se recoge el sarmiento. 1 Estudio realizado por el Centro Tecnológico CARTIF - 16 -
El sarmiento El sarmiento se puede considerar como un tipo de biomasa primaria y residual, por tener su origen en plantas verdes y ser un residuo de la industria agraria. Además es un residuo lignocelulósico y presenta un carácter leñoso; su tratamiento y combustión será similar a la de los residuos forestales. Los residuos estudiados son, fundamentalmente, sarmientos procedentes de las podas de viñedos. Estas operaciones son de tres tipos: prepoda de diciembre a marzo, poda de enero a abril y poda en verde en mayo; la mayoría de los residuos son obtenidos en la prepoda y poda. La prepoda se puede realizar con maquinaria ya desarrollada, y el resto son manuales. Aún así, en todos los casos se necesita un sistema de recogida y homogeneización de la biomasa obtenida y posteriormente su transporte a la Planta y su almacenamiento. Sería conveniente que el almacenamiento del residuo asegurase el funcionamiento de la instalación durante el resto del año. El raspón El raspón, rampojo o escobajo, es el raquis o parte leñosa del racimo que soporta los granos de uva y se inserta en un nudo del sarmiento por medio del pedúnculo. Supone el 5% del peso del racimo, y al igual que el sarmiento se trata de un residuo biomásico primario de origen agrícola. Tiene su origen en el despalillado del racimo, operación en la cual se separa de forma centrífuga las uvas del racimo. La recolección de la uva o vendimia se realiza principalmente en el mes de octubre, siendo en este periodo donde obtenemos el 100% de la producción anual de raspón. Igualmente en este caso se requerirá un sistema de recogida y almacenamiento del residuo. 4.2. Caracterización del combustible Para evaluar la factibilidad técnica y económica de un proceso de conversión de biomasa en energía, es necesario considerar ciertos parámetros y condiciones que la caracterizan. De este modo se determina el proceso de conversión mas adecuado y se permite realizar proyecciones de los beneficios económicos y ambientales esperados. - 17 -
Granulometría de las partículas La forma en que se presentan los residuos estudiados varía en un amplio rango de tamaños. Podemos tener desde partículas de pocos milímetros, hasta residuos de varios centímetros. Incluso puede haber presencia de polvo, hojas o trozos de tallos. Esto determina que la granulometría se considere heterogénea y que sea conveniente un pretratamiento físico de la biomasa antes de su aprovechamiento. Densidad normal y aparente La densidad real se determina por el peso de una muestra de la que ya se conoce previamente su volumen, mientras la densidad aparente se determina por el peso del producto contenido en un recipiente de un determinado volumen (peso por unidad de volumen del material en el estado físico que presenta, bajo condiciones dadas). Combustibles con alta densidad aparente favorecen la relación de energía por unidad de volumen, requiriéndose menores tamaños de los equipos y aumentando los períodos entre cargas. Por otro lado, materiales con baja densidad aparente necesitan mayor volumen de almacenamiento y transporte y, algunas veces, presentan problemas para fluir por gravedad, lo cual complica el proceso de combustión y eleva los costos del proceso. El sarmiento y sobre todo el raspón presentan una baja densidad aparente que obliga a un triturado previo a la combustión. Es importante que éste no se realice inmediatamente, puesto que la baja densidad favorecerá el secado natural, necesario por el contenido de humedad que presentan, principalmente el raspón. Por otra parte, al tener una menor humedad el material, el proceso de triturado se realizará mejor. Contenido de humedad (humedad relativa) El contenido de humedad, o humedad relativa, de la biomasa es la relación de la masa contenida por kilogramo de materia seca, expresada como un porcentaje del peso. Para la mayoría de los procesos de conversión energética es imprescindible que la biomasa tenga un contenido de humedad inferior al 30%. Muchas veces, los residuos salen del proceso productivo con un contenido de humedad muy superior, que obliga a - 18 -
implementar operaciones de acondicionamiento, antes de ingresar al proceso de conversión de energía. Para combustibles de biomasa, este es el factor mas crítico, pues determina la energía que se puede obtener por medio de la combustión. Cuando se quema la biomasa, primero se necesita evaporar el agua antes de que el calor esté disponible; por eso, cuanto mas alto es el contenido de humedad, menor es el valor calorífico. El contenido de humedad puede variar dependiendo del tipo de biomasa, el tiempo entre su cosecha y su uso y la humedad atmosférica. Después de haberla cosechado, paulatinamente ésta perderá la humedad hasta que se establezca un equilibrio con el ambiente. El valor de la humedad se puede indicar según sea en base seca o en base húmeda: en base seca se define como la fracción del peso del agua dentro de la biomasa y el peso del material seco, expresado como porcentaje. El contenido de humedad en base húmeda es la fracción del peso del agua dentro de la biomasa y el peso total del material. El sarmiento, a pesar de ser un cultivo agrícola, tiene carácter leñoso y su contenido en humedad es similar a la de los restos forestales, que oscila alrededor de un 20% en base húmeda. El raspón es una biomasa considerada húmeda, dado que se recolecta en verde y en la etapa del despalillado se mantiene en contacto con el mosto de la uva durante unos minutos. Por ello, su contenido de humedad en base húmeda es de un 60% aproximadamente. Esta humedad es elevada y se debe reducir exponiendo el raspón al sol extendido en superficie, hasta obtener humedades cercanas al 15-20%. Este proceso de secado natural es favorecido por la baja densidad aparente del material, habiendo una mejor ventilación y una mayor superficie de exposición al sol. Análisis de componentes o inmediato El análisis inmediato es un ensayo rápido que permite predecir el comportamiento de un combustible en ciertos casos. Se trata de una simple separación de los compuestos del combustible en función de sus diferentes volatilidades, proporcionando los contenidos en peso de las fracciones de cenizas, materias volátiles y carbono fijo. - 19 -
Las materias volátiles están constituidas por combinaciones de carbono e hidrógeno y otros gases ocluidos en el combustible, que se desprenden de forma continuada mediante un calentamiento gradual de la muestra. Las cenizas de un combustible son las materias minerales que le acompañan y el porcentaje de cenizas indica la cantidad de materia sólida no combustible por kilogramo de material. Las cenizas reducen el poder calorífico del combustible y el rendimiento térmico de un horno por interferir en la transferencia de calor; además, su eliminación de los hogares de combustión supone un encarecimiento del proceso. Las cenizas de un combustible suelen fundir a temperaturas relativamente bajas, formando escorias, que son perjudiciales para los refractarios (en hogares con parrilla pueden llegar a estropear ésta y originar una combustión irregular al reducir el tiro de la misma). El carbono fijo es la fracción residual de combustible, descontadas las cenizas, que permanece tras ser pirolizado para determinar su contenido en volátiles. La determinación se hace por diferencia a 100 de los porcentajes de cenizas y materias volátiles. Fusibilidad de las cenizas Es fundamental conocer la temperatura a que se produce la fusión de las cenizas de la biomasa que se va a emplear como combustible, puesto que si se llegara a alcanzar dicha temperatura se producirían daños importantes en los equipos donde se realice su aprovechamiento térmico. Análisis elemental o mediato En este análisis se determinan las cantidades de carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre y oxígeno que contiene la biomasa. Es fundamental para conocer sus propiedades como combustible, las necesidades de aire para la combustión y la composición de los humos generados. - 20 -
Análisis de componentes En el caso de biomasa lignocelulósica el análisis de componentes consiste en determinar las cantidades de celulosa, hemicelulosa, lignina y cenizas insolubles que contiene. Poder calorífico El contenido calórico por unidad de masa es el parámetro que determina la energía disponible en la biomasa. Su poder calórico está relacionado directamente con su contenido de humedad. Todas las formas de biomasa tienen un valor calorífico, el cual se expresa como la cantidad de energía por unidad física; por ejemplo, julios por kilogramo. Esta es la energía que se libera en forma de calor cuando la biomasa se quema completamente. Un elevado porcentaje de humedad reduce la eficiencia de la combustión debido a que una gran parte del calor liberado se usa para evaporar el agua y no se aprovecha en la reducción química del material. Por tanto se define como poder calorífico de un combustible al calor desprendido por cada kilogramo de combustible en un proceso de combustión completa a la presión constante de 1 atmósfera. Esta definición necesita de ciertas matizaciones, debiendo diferenciarse los conceptos de poder calorífico superior (PCS), poder calorífico inferior (PCI) y poder calorífico real (PCR). El poder calorífico superior (PCS), también denominado calor de combustión superior, es el calor desprendido por una unidad másica de combustible en el proceso de combustión completa, llevado a cabo en una bomba calorimétrica a volumen constante. El agua de combustión es recogida en forma líquida en la bomba calorimétrica, dependiendo su cantidad de la humedad y de la proporción de hidrógeno de la muestra de combustible. El poder calorífico inferior (PCI), es el calor desprendido por unidad másica de combustible en un proceso de combustión completa, cuando el agua que se forma se libera junto con los humos en forma de vapor. Si este agua condensase desprendería el calor latente de condensación, obteniéndose en ese caso el poder calorífico superior. - 21 -
De acuerdo con los dos conceptos anteriores, la diferencia entre el PCS y el PCI se incrementará cuando la humedad del combustible aumenta (ambos dependen de la humedad del combustible). Las calderas de combustión disipan por la chimenea el agua originado en forma de vapor, por consiguiente el PCI debe ser el poder calorífico que se utilice en los cálculos de los procesos de generación de energía por combustión. El poder calorífico real (PCR), también denominado neto, es el valor resultante de multiplicar el PCI por el rendimiento de la combustión de la caldera. No es un criterio a tener en cuenta normalmente, ya que depende de las condiciones de operación. A efectos prácticos se suele tomar como rendimiento medio de los procesos de combustión para combustibles sólidos, el valor 0,80. El sarmiento y el raspón tienen poderes caloríficos semejantes una vez que son secados al aire libre y disponen de una humedad parecida. Tabla 2. Características energéticas de cada tipo de residuo 2 Tipo de residuo Humedad (%) PCI (kcal/ kg en b.h.) Sarmiento 18 3.500 Raspón 20 3.000 4.3. Viabilidad tecnológica adecuada Para determinar cual es el proceso o técnica más adecuada para el aprovechamiento energético de los residuos extraídos de la vid, se tendrán en cuenta varios parámetros. Se deben considerar las características de la biomasa empleada, así como el tipo de energía demandada y la tecnología mas adecuada al combustible. 2 Estudios realizados por el Centro Tecnológico CARTIF - 22 -
Características de la biomasa empleada La biomasa a utilizar como combustible se considera biomasa residual lignocelulósica con un contenido en humedad importante (alrededor del 20% después del secado natural), pero con la cual el poder calorífico se considera aceptable. Tipo de energía demandada En este caso no hay una demanda de energía concreta, ya que en el proyecto desarrollado el objetivo básico es el aprovechamiento energético de los residuos generados en la superficie estudiada. Para ello se ha de buscar un uso adecuado de esta energía, y en principio se podría generar tanto energía térmica como energía eléctrica. Energía térmica a bajas temperaturas para calefacción y ACS de la bodega, o incluso, si fuera viable económicamente y tecnológicamente, también para el núcleo de población mas cercano o edificios próximos a la planta. La energía eléctrica también podría ser generada para su utilización en la bodega, algún edificio próximo que halla, o incluso para su posterior venta a la red. Tecnología más adecuada al combustible Dado el tipo de biomasa y sus características, los procesos de aprovechamiento mas adecuados para la generación de energía térmica son los termoquímicos, es decir, la combustión, gasificación y pirólisis. De entre estas tres técnicas, se opta por la combustión directa ya que tiene un coste menor (menor inversión inicial y menores costes de mantenimiento), una menor complejidad en su aplicación, una tecnología mas desarrollada con un amplio mercado de componentes, y una mayor versatilidad pudiendo utilizar otros tipos de biomasa en la bodega como orujos, residuos agrícolas del entorno, etc. Otra posibilidad es la de producir conjuntamente electricidad y energía térmica (cogeneración), aunque se trate en si de una instalación mucho mas costosa. - 23 -
Por último, si las opciones anteriores no son las mas adecuadas, se propone otra solución que es la compactación de los residuos para su posterior utilización en otras plantas de biomasa, calderas industriales o domésticas, o incluso centrales térmicas. Por tanto, en vista de los tres parámetros anteriormente estudiados y para el caso concreto de la bodega que se estudia, se consideran las siguientes alternativas posibles: 1. Combustión del residuo para suministrar energía térmica (calefacción y ACS) a la bodega, y compactación del excedente para su venta Para este caso se precisaría de una caldera de poca potencia, de forma que el ahorro en calefacción no justificaría la inversión. Por esta razón, esta no es la alternativa mas óptima. 2. District Heating La calefacción centralizada o District Heating consiste en un sistema de suministro de calefacción municipal, basado en una única planta térmica que abastece calor a varios edificios mediante un sistema de tuberías que los une a la planta central. En esta alternativa se considera la producción y suministro de energía térmica para dotar de calefacción y ACS a la bodega, otras posibles empresas situadas en las proximidades, edificios públicos y viviendas cercanas, etc. La instalación consistiría primeramente en una central de producción de energía térmica a partir de biomasa, en una red de distribución de calor desde la central a los usuarios, y por último en una conexión de cada uno de los usuarios a la red. 3. Cogeneración Esta alternativa consiste en la producción simultánea de electricidad y energía térmica para abastecer las necesidades energéticas de la bodega, edificios públicos de la localidad mas próxima, empresas, etc. - 24 -
4. Compactación de los residuos biomásicos para su venta La compactación se presenta como una alternativa para las operaciones de logística y abastecimiento de residuos de biomasa. Esto es debido a los elevados costes de transporte y almacenamiento de estos residuos por su baja densidad aparente y su heterogeneidad, lo que dificulta la viabilidad económica de los proyectos de aprovechamiento energético de la biomasa. Varias de las alternativas mencionadas se basan en la compactación de residuos. Actualmente el mercado de productos energéticos compactos se considera una oportunidad para dar impulso a la realización de proyectos de obtención de energía a partir de biomasa. 5. Compactación de residuos. Los pelets. Una de las mayores limitaciones que presenta el aprovechamiento energético de biomasas residuales es la baja densidad aparente que presentan, lo cual plantea problemas en el transporte, almacenaje, manejo, etc. de los mismos. Para evitar este inconveniente se procede a compactarlos, obteniéndose productos elaborados como las briquetas y los pelets que presentan ventajas adicionales como la limpieza, homogeneidad y facilidad de manejo, a la vez que se reducen considerablemente las pérdidas por degradación durante períodos de almacenaje prolongados. La briqueta comprende un tamaño de aproximadamente 40 cm de largo y 6 cm de diámetro, mientras que el pélet puede tener de 1 a 7 cm de largo y hasta 25 mm de diámetro [4]. Al ser el pélet de un tamaño inferior que la briqueta se puede manipular mejor. Los pelets pueden ser alimentados y dosificados mediante sistemas automáticos, cargarse en calderas utilizando cintas transportadoras de goma y tornillos sinfín, lo cual amplía sus posibilidades de utilización en instalaciones de mayor envergadura y en la industria. - 25 -
Las briquetas, al contrario, están pensadas para uso doméstico, en chimeneas o calderas individuales, de ahí que sean menos interesantes a la hora de emplearlas para suministrar energía térmica (calefacción y ACS) a la propia bodega. 5.1. Proceso de compactación Para obtener productos compactados de calidad es preciso que el contenido de humedad no supere valores del 15% en base húmeda, y que esté por encima de valores del 8%, puesto que por debajo de este nivel no se obtiene una adecuada aglomeración ya que el agua en determinadas proporciones actúa como sustancia termoplástica favoreciendo la autoaglomeración y, por tanto, si no alcanzan esos porcentajes mínimos, la compactación es defectuosa. En cuanto al factor granulometría, cabe decir que una cierta uniformidad estructural es importante para obtener densificados de elevada calidad. A la vista de lo expuesto, puede decirse que, tras el secado natural de la biomasa (bien sea un residuo agrícola o forestal astillado), el proceso completo de compactación constaría de varias etapas previas que serían la eliminación de materiales indeseables, una reducción granulométrica y por último un secado en máquina. En cuanto a los materiales accesorios como piedras, palos, elementos metálicos, etc., diremos que en general, los elementos terrígenos se eliminan mediante aspiración forzada, que absorben las piezas de madera segregando las piedras por diferencia de densidad. Los elementos gruesos o de difícil manejo se eliminan mediante sistemas de cribado por vibración y los metálicos empleando uno o varios imanes o electroimanes situados estratégicamente. En cuanto a la reducción granulométrica, cabe destacar que si el producto viene astillado o molido, basta una simple molturación de acondicionamiento empleando las mallas adecuadas para dar una cierta homogeneidad al producto; si bien, la presencia de ciertos materiales fibrosos o de distinta forma favorece la aglomeración, al llenarse los poros del producto con materiales de distinto tamaño. En general, se emplean los molinos de martillos para esta etapa de refinado. - 26 -
En cuanto al secado, se suelen emplear secaderos rotatorios (trommel), donde los gases secantes se generan a partir de la combustión de los materiales que no tienen otro aprovechamiento mas noble. En algunas ocasiones, se recurre a columnas de secado, si bien este método se usa sólo cuando la reducción higrométrica debe ser pequeña. 5.2. Los pelets El pélet inicialmente se desarrolló para aprovechar los residuos de materiales orgánicos, y se utilizaban máquinas de otra procedencia, como máquinas de hacer piensos, para fabricarlos. Actualmente ya existe un mercado de pelets empleados como combustibles, y para su elaboración se dispone de máquinas específicas como son las peletizadoras. Figuras 3, 4 y 5. Distintos tipos de pellets Forma y tamaño A diferencia de la briqueta, que puede tener varias formas, la forma del pélet que se comercializa en España es siempre cilíndrica. Así, el diámetro del pélet no debe superar los 25 mm, siendo los diámetros más normales los que oscilan entre 12 y 20 mm. La longitud del pélet es variable, y pueden oscilar entre 1 y 7cm. El tamaño del pélet es menor que el de la briqueta, y por este motivo, las peletizadoras son máquinas diferentes a las briquetadoras. - 27 -
Aspecto y color Tanto el color como el aspecto exterior del pélet depende de la materia prima que lo componga. Los pelets procedentes de material leñoso tienen un color de madera ligeramente ennegrecida y satinada. Densidad Los factores que influyen en la densidad del pélet son de dos tipos; en primer lugar influye la materia prima empleada, ya que cuanto mayor sea la densidad de ésta, mayor será la densidad del producto final. Y en segundo lugar, influye también la presión ejercida por la prensa en el proceso de fabricación del pélet y el correcto diseño y manipulación de la misma. Las presiones de compactación son variables, dependiendo de la maquinaria y de la materia prima empleada. En los pelets, deben tenerse en cuenta tanto la densidad real como la densidad aparente. La densidad real de los pelets es aproximadamente de unos 1.200 kg/ m 3, y la densidad aparente a granel es del orden de 800 kg/ m 3. Humedad La humedad del pélet es función de la forma en que se suministre el producto. Como en el proceso de peletizado que sufre la materia prima hasta convertirse en pélet se suelen utilizar partículas secas (humedad menor del 12% en base húmeda) y, además, en el mismo se seca aún más la partícula, al final, la humedad del pélet resulta ser de un 8 o 10% a la salida de la prensa. Friabilidad La friabilidad es lo opuesto a la resistencia al golpeteo sin desmenuzarse, y es una variable muy importante en los pelets, pues éstos están manipulándose continuamente y chocando unos con otros. El proceso de enfriamiento de los pelets, una vez salidos de la matriz, es tan crucial que su friabilidad se puede ver seriamente afectada. Para que los pelets se - 28 -