Energía de la Biomasa
Se entiende en la actualidad como biomasa al grupo de productos y materias primas renovables que se obtienen a partir de materia orgánica formada por vía biológica, pero excluyendo a los combustibles fósiles (siendo que no son renovables).
Desde el punto de vista ecológico podemos clasificar la biomasa de acuerdo al siguiente criterio:
biomasa primaria: Es la producida por los seres fotosintéticos
biomasa secundaria: Es la producida por los seres que se alimentan
de biomasa primaria (carne o deyecciones de animales herbívoros) * biomasa terciaria: Aquella producida por los seres que se alimentan de biomasa secundaria.
Tipos de biomasa según su composición
la transformación de las moléculas de azúcares sencillos en moléculas más complejas requiere de un gasto energético para sintetizar dicha complejidad. Dependiendo del tipo de molécula quse forme, el proceso se da con una eficiencia que aprxoimadamente es asi:
Proteínas: 55%
Grasas: 77%
Carbohidratos: 97%
Como se observa, la conversión de azúcares en carbohidratos es el proceso de mayor rendimiento. Dependiendo de si se tiene biomasa de origen vegetal o animal, es de esperar que el porcentaje de carbohidratos sea mayor en los vegetales, y a su vez, dentro de los vegetales existan variaciones y diversidad en la composición entre los diferentes compuestos.
Como los hidratos de carbono son los que mayor importancia tienen en la biomasa vegetal, una clasificación posible se da al tener en cuenta la proporción de diferentes hidratos, como por ejemplo:
Biomasa lignocelulósica: donde predomina la celulosa y a lignina (papel
paja, madera, leña). * Biomasa amilácea: donde predominan los polisacários como el almidón o * la inulina (cerales y papas). * Biomasa azucarada: con predominio de monosacáridos o disacáridos como la remolacha azucarera o el tallo de la caña de azúcar.
Según en contenido de agua, la biomasa puede considerarse seca (menor a 13% de humedad) o semihúmeda o fresca con mayor porcentaje.
La fotosíntesis y el origen de la biomasa
Podemos sintetizar el proceso de fotosíntesis en dos etapas: una en la que la luz visible se usa para formar compuestos reductores y con alta densidad de energía, y otra fase en la que no es necesaria la luz, en la que estos compuestos reducen al \(CO_2\).
Para convertir una molécula de \(CO_2\) se necesitan 4 electrones. La energía de 8 fotones (tomando un valor medio por fotón del espectro visible) alcanza para realizar dicho proceso en los electrones.
La eficiencia del proceso de fotosíntesis podría mejorarse en el caso de cultivos modificados genéticamente para la producción de biomasa, ya sea como combustible directo o como paso intermedio para la generación de otros.
Biomasa para fines energéticos
La materia orgánica de la biomasa puede ceder energía ya sea por combustión , o por la transformación de biomasa primaria en compuestos como alcoholes o hidrocarburos.
La utilización moderna de la biomasa no supone, uso de leña o la combustión directa de la biomasa sino en la transformación de materia orgánica en combustibles sólidos, líquidos o gaseosos que puedan sustituir a los tradicionales (fósiles en su mayoría).
Una aclaración histórica
Luego de la crisis del petróleo de los 70's, que puso el modelo de vida basado en combustibles fósiles en jaque, el mundo ha sumado la noción del agotamiento sistémico de los recursos naturales. En tal sentido, la biomasa puede resultar, con los recaudos necesarios, en un método alternativo de producir combustibles.
De todas maneras, los subproductos de la combustión siguen siendo de la misma manera nocivos como los de los hidrocarburos de origen fósil. Asimismo, como veremos más adelante, la dedicación de superfices agrícolas a la producción de biocombustibles las inhabilita para la producción de alimentos, hecho que pone en conflicto dos necesidades humanas vitales.
Sumado a esto, el corrimiento de la frontera agrícola necesario tanto para la agricultura destinada a alimentación como para la que se destina a biocombustibles es también causa del aumento de emisiones de \(CO_2\) ya que implican deforestación en ambos casos.
Puede comentarse, a favor de la utilización de los biocombustibles que si bien emiten \(CO_2\) a la atmósfera, éste ya ha sido compensado por el que la misma materia orgánica ha neutralizado a través de la respiración celular durante su vida.
Biomasa en otras industrias
Ciertas industrias podrían emplear la biomasa vegetal en sus procesos, por ejemplo:
Industria química: Podría reemplazar derivados del petróleo con
productos formados a partir de biomasa como el etanol, etileno, furfural, gas de síntesis, etc. * Lubricantes y aceites industriales se podrían reemplazar por otros de origen vegetal. * Almidón para usos industriales no alimentarios. * Ahesivos a base de lignina.
Ventajas y desventajas de la utilización de la biomasa
ventajas medioambientales
fijación de \(CO_2\) mayor a la que se libera luego plantaciones perennes mejores que cultivos estacionales bajo contenido de azufre en relacion a otros combustibles
ventajas asociadas
crea puestos de trabajo en las zona de produccion y consumo deslocaliza la producción ahorrando transporte promueven el arraigo de poblaciones rurales
ventajas estrategicas
disminuye la necesidad de divisas para importar combustible como es de produccion dispersa disminuye riesgo de concentración economica disminuye dependencia de tecnologias extranjeras caras el costo de la unidad energetica es competitivo con los tradicionales
Posibilidades energéticas de la biomasa
Potencialmente representa 7 veces la cantidad de energía que consume el planeta Hay margen para aumentar la superficie dedicada a cultivos para biomasa aprovechar tierras marginales puede potenciar la economia local Los procesos de cultivo y transformación no son tencnologias complejas
Fuentes de biomasa
Biomasa natural
Residuos de explotaciones y otras actividades
Excedentes de cosechas
Biomasa producida para su aprovechamiento
El único tipo aprovechable es el ultimo, los anteriores solo dependen de cada situación particular donde pueden aprovecharse ocasionalmente pero no como modo de proveer energía de manera constante. El tratamiento de residuos como fuente de biomasa provee ventajas asociadas por la disminución de la contaminación.
Biocombustibles
Adecuación de la biomasa para su uso en sistemas de combustión tradicionales.
usos
calefacción urbana
gas de cocina
locomocion
motores de eplosión fijos
generación de energía eléctrica
Podesres caloríficos
Poder calorífico: cantidad de energía que se obtiene con 1kg de combustible.
PCS: poder calofirifco superior, que no tiene en cuenta el nivel de agua en el combustible PCI: se le resta al PCS el calor latente de la cantidad de agua del combustible
Biocombustibles solidos
carbón vegetal
biomasa lignoelulósica forestal
Residuos De origen agrícola
residuos de cultivos herbaceos: paja, residuos de cosechas.
residuos de cultivos leñosos: vid, aceituna, etc. leña
Existen empacadoras que incrementan la densidad del producto para su transporte.
Residuos de industrias
De la industria de la madera y el mueble: pellets y briquetas De la industria de la vid y el aceite: acoholes
Cultivos energéticos
Son cultivos hechos para obetner biomasa, pueden ser igual que en la anterior clasificacion leñosos o herbáceos.
Biocarburantes
Son los biocombustibles líquidos para locomoción. Requieren ser transformados.
Generan empleos del sector agriola de manera extra. Ahorran en combustibles tradicionales y reducen el impacto del plomo u otros componentes que no están presentes en los biocombustibles. Permiten sustituir importaciones
Como dificultad tiene un elevado costo de producción y la poca colaboración de las empresas de combustibles fósiles y las empresas de automoviles que no mejoran sus productos para tener en cuenta a los biocombustibles.
Bioaceites
Pueden usarse en motores diesel convencionales, donde se somete el acite a un proceso cuyo subproducto es la glicerina (que puede comercializarse). Se los conoce como biodiesel, biogasóleo o diéster. Se pueden hacer con aceite de Girasol, Colza, Soja, etc.
Bioetanoles
El alcohol vegetal se obtiene de la fermentación de materias primas azucaradas, como la remolacha, la caña, y algunos cerecales etc. El etanol hidratado se puede usar directamente en motores de explosión y un etanol muy filtrado, con una mínima modificación en los automóviles puede reemplazar a la gasolina, pudiendose usarse en mezcla con ella. Es posible usarlo en motores diesel con mezclas.
La pataca y el sorgo, en procesos de destilación estan siendo promovidos.
Tratamiento termoquímicos para obtención de biocombustibles
La pirólisis, un calentamiento en ausencia de oxígeno de materia celulósica produce como resultado diversos compuestos sólidos, líquidos y gaseosos, a diferencia de la combustión con oxígeno en donde el resultado es dióxido de carbono y agua.
Si el procesos se lleva a cabo de mas de 700ºC se denomina gasificación, con preeminencia de los productos gaseosos.
carbón vegetal
por cada 1000 kg de leña sometidos a un proceso de pírólisis, se obtienen
330 kg de carbón
110 kg de alquitranes
360 kg de líquido piroleñoso
200 kg de gas
aceite de pirólisis
Con un proceso llamado pirólisis rápida se obtiene un mayor porcentaje de la fase líquida que puede ser usado como combustible en turbinas.
Se efectúa con materia de poca humedad y a no mas de 500ºC durante menos de 2 segundos y rápido enfriamiento para provocar la condensación.
Gasificación de la biomasa
SI la pirólisis se lleva a cabo a mas de 800ºC predomina la fase gaseosa.
El proceso consiste en someter a la biomasa a una oxidación incompleta. Esta combustión provoca un aumento de la temperatura tal que provoca la liberación de gases en diferente proporción.
tipos de gasificadores
Existen varios tiposd de gasificadores, en donde la materia se puede pirolizar gradualmente o de forma mas rápida, de carga superior o inferior.
Digestores: biogás por digestión anaeróbica
Biogás que se obtiene de la digestión sin oxígeno de biomasa, cuyos productos son dióxido de carbono, metano y en menor proporción nitrógeno y otros gases.
En medio acuoso el proceso es mas eficiente por lo que se recomienda para biomasa con alto contenido de agua, por lo que su uso como tratamiento de aguas residuales y residuos sólidos urbanos es evidente.
El gas se puede aprovechar directamente para alimentar turbinas de generación eléctrica, para proveer calefacción a sistemas de viviendas, para cocina, etc. Deben limpiarse muy bien los instrumentos en todos estos casos ya que el biogas es muy corrosivo.
El proceso de digestión
hidrolisis: los microorganismos de rápida reproducción descomponen en otros mas básicos los componentes de la materia.
acidogénesis: estos mismos componentes son asimilados por los organismos o por otros que fermentan y producen una gran cantidad de acidos diferentes.
acetogénesis: unas bacterias de lento crecimiento metabolizan los acidos, alcoholes y acidos grasos de la estapa anterior.
metanogénesis: las bacterias metanogénicas se alimentan de los resiudos de la fase anterior y producen el metano y otros gases que son el producto final de este proceso.
hidratos de carbono: 0,8 $m^3$ por cada kg de glucosa proteinas: 0,7 $m^3$ por kg de proteínas lípidos: 1,2 $m^3$ por kg de grasas
Tipos de digestores
Digestores discontinuos: se cargan una vez y se produce toda la fermentación usando parte de una carga anterior.
Digestores continuos: carga y descarga se realizan de forma continua. dentro de estos tenemos
mezcla completa: un agitador mezcla el sustrato con la biomasa. deben tener
un tamaño tanto mayor como el período de su extracción ya que se rellenan constantemente al mismo tiempo que van consumiendo biomasa. - flujo piston: la presion del inluente realiza el movimiento del efluente, pueden ser verticales u horizontales. - lecho expandido de lodos
Los filtros anaerobicos son soportes de pvc plasitco u otro material que se usan para permitir la fijacion de los microorganismos en el interior de los digestores. EL resiudo a tratar puede ingresar tanto por arriba como por abajo de los filtros y en su arrastre dejar las microorganismos necesarios.
Puede que se utilicen otros materiales inertes moviles como arena y piedras que permiten la adherencia de los microorganismos y su movimiento en todo el digestor. El interior del digestor se lo mantiene en movimiento con cierta velocidad para provocar la fluidización de su contenido. Si se fluidiza todo su contenido se los llama de lecho fluidizado, caso contrario de lecho expandido.
Combustión: produccion de calor y electricidad
Las reacciones de combustión son la combinación de un material llamado combustible, con otro comburente, oxígeno del aire, dando lugar a la producción de energía y resiudos oxidados.
hornos
que es y que ahce
calderas
un horno que aprovecha los gases para calentar otra cosa es una caldera.
Generación de electricidad y turbinas
hogar + caldera + turbina en proceso ciclico.
pueden se turbinas que usen el vapor al maximo, que es condensado y reinyectado al sistema, o pueden ser turbinas a contrapresión donde todavía se puede aprovechar el vapor para otro proceso antes de devolverlo al flujo princial luego de condensarlo.
Un horno puede ser reemplazado por un motor de combustión con biocombustibles en su interior, para accionar un alternador de forma directa para producir energía eléctrica (pqueñas plantas, grupos electrógenos, lugares aislados, etc)