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Biomasa, aprovechamiento energético

Publicado en Sin categoría

El diccionario de la Real Academia Española define a la biomasa de dos formas: 1) Utilizada en Ecología: “Materia total de los seres que viven en un lugar determinado, expresada en peso por unidad de área o de volumen” y 2) “Materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía.”

Naturalmente la segunda forma es la que nos interesa bajo el punto de vista energético, porque la energía que contiene la biomasa es energía solar acumulada a través de la fotosíntesis, proceso químico por el cual las plantas utilizan la energía solar para convertir los compuestos inorgánicos que asimilan, como por ejemplo el CO2, en compuestos orgánicos. quedando almacenada, parte de esa energía química, en forma de materia orgánica, que podrá recuperarse quemándola directamente o, bien, transformándola en combustible mediante varias tecnologías.

Basándose en la definición de la Especificación Técnica Europea CEN/TS 14588, la Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR), cataloga la biomasa como “todo material de origen biológico excluyendo aquellos que han sido englobados en formaciones geológicas sufriendo un proceso de mineralización” La exclusión se refiere, evidentemente, al carbón, el petróleo y el gas, cuya formación y composición hace miles de años no es comparable con lo que se denomina el balance neutro de la biomasa, sobre las emisiones de CO2.

La combustión de biomasa no contribuye al aumento del efecto invernadero porque el carbono que se libera forma parte de la atmósfera actual ya que es el que absorben y liberan continuamente las plantas durante su crecimiento. Los combustibles fósiles, que son extraídos del subsuelo, contienen carbono capturado y almacenado en épocas remotas, hace miles de años, y su liberación en la actualidad contribuye al incremento de gases de efecto invernadero.

La Agencia Internacional de la Energía calcula que el 10% de la energía primaria mundial procede de los recursos asociados a la biomasa, incluidos los relacionados con biocombustibles líquidos y biogás. Gran parte de ese porcentaje corresponde a los países pobres y en desarrollo, donde resulta ser la materia prima más utilizada para la producción de energía.

Según datos del Fondo de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), “algunos paises pobres obtienen el 90% de su energía de la leña y otros biocombustibles”. En África, Asia y América del Sur representa la tercera parte del consumo energético y para más de dos mil millones de personas es la principal fuente de energía en el ámbito doméstico. Este organismo reconoce que “la mejora del uso eficiente de los recursos de la energía de la biomasa - incluidos los residuos agrícolas y las plantaciones de materiales energéticos - ofrece oportunidades de empleo, beneficios ambientales y una mejor infraestructura rural”. Incluso va más allá al considerar que el uso eficiente de estas fuentes de energía ayudarían a alcanzar dos de los objetivos de desarrollo del milenio: “erradicar la pobreza y el hambre y garantizar la sostenibilidad del medio ambiente”

El Panel lntergubernamental sobre Cambio Climático, ha previsto que a finalizar la presente centuria la cuota de participación de la biomasa en la producción mundial de energía debería de estar entre el 25 y el 46%.

Aprovechamiento termo-eléctrico de la biomasa

Las instalaciones de producción energética con biomasa se abastecen de una amplia gama de biocombustibles, desde astillas de madera y residuos forestales, hasta cardos y paja, pasando por huesos de aceituna y cáscaras de almendra. Esta heterogeneidad de origen, también se observa en el aprovechamiento térmico y/o eléctrico de la biomasa, como por ejemplo calefacción y producción de agua caliente en el sector doméstico, calor para procesos industriales o generación de electricidad. Nos interesa destacar tres grupos de tecnologías para el aprovechamiento energético de la biomasa:

1.- Combustión directa para producción de calor 

La utilización de la biomasa para obtener calor es tan antigua como las primeras hogueras de leña que utilizaron los hombres prehistoricos como sistema único de calefación en sus cuevas. Después de miles de años, parece que esta tecnología puede ser parte de la solución al grave problema que plantea la utilización de combustibles fósiles.
La biomasa puede alimentar un sistema de climatización (calor y frío) igual que si se realizara con gas o gasóleo.Existe una gran variedad de biocombustibles sólidos que pueden ser utilizados en sistemas de climatización de edificios. Entre ellos destacan: pelets, astillas, huesos de aceitunas, cáscaras de frutos secos (almendras, piñones), etc. Actualmente disponemos de tecnologías fiables y a costes competitivos que hacen de la biomasa un fuerte competidor del gas natural y los derivados del petróleo.
altLos sistemas de climatización alimentados con biomasa son respetuosos con el medioambiente, no generan olores como el gasóleo, ni se pueden producir escapes peligrosos como el gas. Su operación y mantenimiento son muy sencillos, ya que incorporan sistemas de control avanzados para el manejo de la instalación. La limpieza del equipo es totalmente automática y la única operación a realizar por el usuario es la retirada de las cenizas. Dependiendo de la calidad del combustible y de la caldera, las cenizas pueden suponer hasta el 1% de la biomasa consumida, lo cual hace de la retirada de las mismas una tarea liviana y poco frecuente.
Las calderas de biomasa son resistentes al desgaste, tienen una larga vida útil y son prácticamente silenciosas debido a que no necesitan un quemador que insufle aire a presión para pulverizar el combustible, como las calderas de gasóleo. Además, presentan un alto rendimiento energético, entre el 85-92%, según el tipo de biomasa utilizado.
El uso de la biomasa en calefacciones centralizadas de edificios o en redes de calefacción centralizadas (calefacción de distrito), son una alternativa al consumo de gas y otros combustibles sólidos. Este tipo de instalaciones con biomasa generan un ahorro, derivado del consumo de energía, superior al 10% respecto al uso de combustibles fósiles, pudiendo alcanzar niveles mayores en función del tipo de biomasa, la localidad y el combustible fósil sustituido.
Si comparamos las emisiones de las calderas de biomasa con las de los sistemas convencionales de calefacción, se podría decir que los valores de SO2, responsable de la lluvia ácida, son en el caso de las calderas de biomasa, más bajos o similares a los de gasóleo y gas. En cuanto a las partículas las emisiones son superiores, pero dentro de los límites que definen las diferentes legislaciones en la materia.
Las calderas de biomasa son equipos compactos diseñados específicamente para su uso, presentan sistemas automáticos de encendido y regulación e, incluso algunas, de retirada de cenizas, que facilitan el manejo al usuario. 

Un caso concreto, cada vez más extendido, son las calderas de pelets. Debido a las características de este combustible: poder calorífico, compactación, etc, las calderas diseñadas para pelets son muy eficientes y más compactas que el resto de calderas de biomasa. Los pelets son uno de los principales productos de la compactación de la biomasa. Generalmente para su fabricación se utilizan materiales residuales de las industrias de transformación de la madera tales como virutas, serrines, polvo de lijado, etc. También es posible utilizar residuos de poda agrícola y de limpieza forestal. En este caso se requiere una serie de tratamientos previos de los residuos como el secado, astillado y/o molienda debido a que las operaciones de peletizado necesitan unas condiciones de humedad y granulometría especiales.
Los pelets tienen forma cilíndrica, con diámetros normalmente comprendidos entre 6 y 12 mm y longitudes de 10 a 30 mm. Como consecuencia, los pelets pueden ser alimentados y dosificados mediante sistemas automáticos, siendo una ventaja en instalaciones de edificios.
Los pelets de madera son aquellos cuya procedencia es mayoritariamente residuos de madera. Generalmente las instalaciones de fabricación de este tipo de pelets emplean residuos lignocelulósicos generados en los procesos industriales, con el objetivo de solucionar el problema de la acumulación de residuos. Aproximadamente, el 45% de la materia prima proviene de la industria de la primera transformación de la madera, el 45% de industrias de segunda transformación de la madera (muebles, parquet, puertas,…) y el 10% restante procede de otras materias primas como residuos forestales, residuos de industrias textiles, etc. La materia prima se utiliza fundamentalmente en forma de serrín o astilla, porque reduce drásticamente la transformación física y los costes de secado.
En Europa, el uso de los pelets lleva implantado hace bastantes, por lo que existen unos estándares utilizados por los fabricantes de pelets y calderas de biomasa. Estos pelets están caracterizados por:

  • Densidad media de unos 650 kg/m3. Esta elevada densidad proporciona una ventaja en el transporte y el almacenamiento.
  • Bajo contenido en cenizas (cerca de 0,5%) y humedad (6-8%).
  • Elevado poder calorífico en función de la materia prima con la que han sido fabricados, que alcanza valores de hasta 4.000-4.500 kcal/kg. Es interesante saber que dos kilogramos de pelets equivalen, aproximadamente, a un litro de gasóleo.  

 

ICOGEN, suministra Módulos Autónomos de Calefación por Biomasa con aplicación en instalaciones de calefacción de edificios tales como comunidades de viviendas, hoteles, residencias, oficinas, etc (Véase el capítulo Productos) Utilizamos silos de alto volumen para almacenamiento de combustible (Pelets y/o astillas) y contenedores en cuyo interior instalamos la caldera de alta eficiencia (Siempre primeras marcas del mercado), los sistemas de transporte y alimentación de combustible, sistema primario de agua caliente, depósito acumulador e intercambiador de placas. Potencias comprendidas entre 100 y 500 kWt.y todo ello premontado, compacto y listo para su puesta en servicio inmediata como alternativa a las instalaciones convencionales de combustibles fósiles y con demostrables ventajas económicas para nuestros clientes.

2.-Combustión directa para generación de vapor

Para generación de vapor en una caldera y posterior expansión del mismo en una turbina acoplada a un alternador, ciclo de Rankine simple, que puede ser con fluido vapor de agua o bien otros fluidos como el sistema denominado ORC o Ciclo Orgánico de Rankine. Para la combustión de biomasa existen diversas tecnologías dependiendo de la naturaleza y tamaño del combustible, tales como hogares con parrillas refrigeradas o cámaras torsionales.

La generación eléctrica con biomasa se realiza, generalmente, mediante calderas de vapor a alta presión y turbinas a condensación cuya viabilidad económica depende de una escala no inferior a 9 MWe en potencia eléctrica neta, o bien 10 MWe brutos, con consumos no inferiores a 40 GWh/año, equivalentes a 80.000 T/año de biomasa disponible.

Para el funcionamiento de estos grandes complejos y con objeto de conseguir su rentabilidad económica, se requiere una eficaz organización con capacidad para gestionar, manipular, transportar y almacenar un recurso tan disperso como es la biomasa. Por ello es importante disponer de tecnologías de aprovechamiento de la biomasa con escalas más reducidas y que resulten igualmente rentables, porque de ese modo las inversiones serán asequibles y distribuibles territorialmente en las zonas de generación del recurso biomásico. Por tanto los sistemas para combustión deberían satisfacer requerimientos tales como moderada inversión, operación sencilla y gastos de mantenimiento reducidos. Si bien queda mucho recorrido por investigar y desarrollar, dada la enorme diversidad de biomasas existentes, en algunos países con abundante biomasa de América del Sur se han perfeccionado diversas tecnologías con capacidades a pequeña escala, desde 1 MWt de potencia.

La cámara torsional, por ejemplo, es una tecnología que permite la combustión de biomasa de tamaños entre 0,1 mm y 20 a 30 mm, consiguiendo eficiencia y combustión de alta estabilidad en un amplio rango de aireación, desde excesos de aire muy bajos, del orden del 10%, a muy altas proporciones de aire. La especial concepción de esta cámara permite tiempos de residencia de las partículas de biomasa más de 50 veces superiores a los obtenidos con productos gaseosos, lo cual permite, a su vez, utilizar biomasas con humedad de hasta el 30%. La entrada del producto se realiza tangencialmente iniciándose un proceso de pirólisis mientras el conjunto de elementos carbonosos se concentra en la zona periférica, donde se realiza su rápida conversión a fase gaseosa sin emisión de efluentes carbonosos.

Las cámaras torsionales realizan una combustión previa de la biomasa y se pueden acoplar a calderas, hornos o secadores, siendo incluso posible la co-combustión con otros tipos de combustibles líquidos o gaseosos.

En lugar de utilizar calderas de vapor de agua y turbinas para la producción combinada de calor y electricidad, resulta muy interesante recurrir, entre otras, por razones de escala a la tecnología ORC, es decir en Ciclo Orgánico de Rankine, con ventajas tales como alta eficiencia del ciclo termodinámico, potencias desde 400 kWe, turbina de alto rendimiento, baja velocidad de la turbina que hace innecesario el reductor, ausencia de erosión en los álabes de turbina, no corrosión y larga vida a la instalación en su conjunto. También hay otras ventajas como la sencillez de los procedimientos de arranque y parada, funcionamiento silencioso, mantenimiento limitado, y un buen rendimiento incluso a carga parcial.

3.-Gasificación de la biomasa

La gasificación es un recurso muy antiguo y habitual en periodos de carencia o escasez de combustibles, como sucedió después de la guerra civil española o de la segunda guerra mundial. La gasificación de biomasa consiste en la transformación de la materia sólida en una mezcla de gases combustibles a través de reacciones térmicas y químicas producidas en un medio con defecto de oxígeno.

Como agente gasificante se usa un gas que aporta el oxígeno y el calor para iniciar las reacciones. En este proceso la celulosa se transforma en hidrocarburos más ligeros, en CO y en hidrógeno. La mezcla de gases obtenida en el proceso de gasificación de biomasa, llamada gas de síntesis o más comúnmente “syngás”, cuando se emplea aire como agente gasificante, tiene un poder calorífico inferior (PCI) equivalente a la sexta parte del gas natural, por lo que debidamente tratado podrá ser utilizado en una caldera, en una turbina o en un motor de combustión interna.

De la energía primaria existente en la biomasa, entre el 20 y 30% se invierte en reacciones endotérmicas, en pérdidas de calor de los reactores y en el enfriamiento del syngás, necesario para condensar el vapor de agua que comporta. Por tanto dependiendo de la tecnología utilizada el rendimiento del proceso de gasificación es entre el 70 y el 80%.

La importancia de la gasificación radica en que podemos obtener la transformación de la biomasa en energía eléctrica, logrando rendimientos eléctricos del 30 a 32%, bastante superiores en comparación con los obtenibles mediante combustión directa de la biomasa para generación de vapor en ciclo de Rankine, donde sólo se se llega a un rendimiento eléctrico del 22%

Se han desarrollado diversas tecnologías para la gasificación de la biomasa pero en todas ellas podemos distinguir tres tipos de reactor:
  • Lecho móvil down draft, o de corrientes paralelas, cuando la biomasa y el agente gasificante circulan en el mismo sentido
  • Lecho móvil up draft, o de corrientes opuestas, cuando ambas circulan en contracorriente.
  • Lecho fluidificado, cuando el agente gasificante mantiene en suspensión la biomasa, hasta que las partículas de ésta se gasifican y convierten en cenizas volátiles y son arrastradas por la corriente del syngás. 

En el proceso de gasificación, la biomasa pasa por una primera etapa de calentamiento hasta 100ºC, que provoca el secado de la misma, absorbiendo el calor sensible para aumentar su temperatura y el latente para evaporar la humedad, y una segunda etapa, que también absorbe calor, denominada pirólisis, o ruptura por calor, en la que se rompen las moléculas grandes dando lugar a otras de cadena más corta que, a la temperatura del reactor, están en fase gaseosa. En los reactores “up draft” la tercera etapa es la reducción, por combinación del vapor de agua producido en la primera etapa, con el dióxido de carbono que viene arrastrado por la corriente del gasificante desde la cuarta etapa (oxidación) La última etapa es la oxidación de la fracción más pesada, la carbonosa, al entrar en contacto con el agente gasificante .

Según el agente gasificante que se emplee se producen efectos distintos en la gasificación, y el syngás resultante varía en su composición y poder calorífico. El aire es el agente más común y económico, pero hay procesos que utilizan otros tales como el oxígeno, vapor de agua o hidrógeno.

En cuanto a la humedad de la materia a gasificar, valores del 10 al 15% son los más adecuados. En general, la humedad facilita la formación de hidrógeno, pero reduce la eficiencia térmica. Es importante que las cenizas entrantes, fracción mineral mezclada o adherida a la biomasa, sean lo más reducidas posible. Estas cenizas absorben calor, ensucian los filtros, erosionan los conductos y pueden llegar a producir sinterizaciones.

Dependiendo de la tecnología que se emplea, y de las condiciones de gasificación, relación biomasa/gasificante, tiempo de residencia, etc., se pueden usar catalizadores para inducir ciertas reacciones y que se produzca prioritariamente algún componente.

Los motores de gas tienen elevadas exigencias en la calidad y pureza del gas combustible, especialmente en lo que se refiere al contenido en alquitranes, problema clave a considerar, y dependiendo de la demanda de calor y de electricidad que se pretenda cubrir, tendremos en cuenta que en un motor de combustión interna obtendremos los siguientes rendimientos: 33-38% electricidad, 35-40% calor a través del agua de refrigeración a unos 90ºC, 18-22% calor a través de los gases de combustión y 5-8% serán pérdidas.

ICOGEN, a través de su socio tecnológico BIOMASS ENGINEERING LTD (BEL) suministra plantas completas de producción de energía eléctrica a partir de biomasa procedente de astillas de madera. BEL es líder internacional reconocido por el diseño, producción e instalación de sistemas de cogeneración mediante técnicas de gasificación de biomasa. Es una compañía radicada en el R.U. pionera en el desarrollo de esta tecnología, después de haber invertido más de quince años de investigación y desarrollo con el apoyo de varios académicos experimentados, disponiendo actualmente de múltiples referencias en el R.U y Europa. Los sistemas de gasificación BEL son capaces de producir gas sin casi presencia de alquitranes.