Biomasa CLAVES PARA UNA BUENA DIGESTION ANAEROBIA PH

Biomasa

CLAVES PARA UNA BUENA DIGESTION ANAEROBIA • • PH ALCALINIDAD NUTRIENTES TOXICOS E INHIBIDORES

Introducción • La biomasa es toda sustancia orgánica renovable de origen tanto animal como vegetal. La energía de la biomasa proviene de la energía que almacenan los seres vivos. • Los vegetales al realizar la fotosíntesis, utilizan la energía del sol para formar sustancias orgánicas. Después los animales incorporan y transforman esa energía al alimentarse de las plantas.

• Los productos de dicha transformación, que se consideran residuos, pueden ser utilizados como recurso energético.

Historia • Desde principios de la historia de la humanidad, la biomasa ha sido una fuente energética esencial para el hombre. • Ya en la Edad de Piedra, los primeros hombres se calentaron junto al fuego y cocieron su presa de caza sobre él.

• Hasta la revolución industrial, la biomasa ha servido para cubrir las necesidades de calor e iluminación tanto en la vida cotidiana como en las distintas industrias.

Primeros usos • • • Cocinar. Calefacción. Elaboración de cerámica. Producción de metales. Alimentación de las maquinas de vapor.

• En los usos mas sofisticados como la producción de metales y la alimentación de maquinas de vapor, progresivamente se requirió de una mayor cantidad de energía en un espacio cada vez mas reducido. Esto promovió el uso del carbón como combustible sustitutivo a mediados del siglo XVIII.

• Desde ese momento se empezaron a utilizar fuentes energéticas con un mayor poder calorífico, y el uso de la biomasa declinó hasta mínimos históricos. • Sin embargo, algunos países pobres obtienen el 90% de su energía de la leña y otros biocombustibles.

BIOMASA Y SUS TIPOS

• Se distinguen varios tipos de biomasa, según la procedencia de las sustancias empleadas

• Biomasa vegetal, relacionada con las plantas en general (troncos, ramas, tallos, frutos, restos y residuos vegetales, etc. )

• La biomasa animal, obtenida a partir de sustancias de origen animal (grasas, restos, excrementos, etc. )

• Otra forma de clasificar los tipos de biomasa se realiza a partir del material empleado como fuente de energía: 1. NATURAL 2. RESIDUAL 3. FOSIL 4. BIOMASA SECA Y HUMADA 5. CULTIVOS ENERGETICOS

NATURAL • La biomasa natural es la que se produce en la naturaleza sin intervención humana. Por ejemplo, las podas naturales de los bosques.

Caldera de combustión de biomasa en una central térmica de 2 MW en Lübeck, Alemania.

RESIDUAL • La biomasa residual es el subproducto o residuo generado en las actividades agrícolas (poda, rastrojos, etc. ), silvícolas y ganaderas, así como residuos de la industria agroalimentaria (alpechines, bagazos, cáscaras, vinazas, etc. ) y en la industria de transformación de la madera (aserraderos, fábricas de papel, muebles, etc. ), así como residuos de depuradoras y el reciclado de aceites.

Briquetas obtenidas a partir de residuos de madera de haya, preparadas para combustión en calderas y chimeneas.

FOSIL • Es aquella que procede de la biomasa obtenida hace millones de años y que ha sufrido grandes procesos de transformación hasta la formación de sustancias de gran contenido energético como el carbón, el petróleo, o el gas natural

BIOMASA SECA Y HUMEDA • Según la proporción de agua en las sustancias que forman la biomasa, también se puede clasificar en:

• Biomasa seca: madera, leña, residuos forestales, restos de las industria maderera y del mueble, etc. • Biomasa húmeda: residuos de la fabricación de aceites, lodos de depuradora, purines, etc.

CULTIVOS ENERGETICOS

CULTIVOS ENERGÉTICOS Son plantaciones de crecimiento rápido que se realizan con el propósito especifico de producir energía.

CULTIVOS ENERGÉTICOS • Estos tienen como premisa la obtención de forma rentable de la máxima cantidad neta posible de energía lo que significa que los balances de energía y económico del producto deben ser positivos.

EL CULTIVO Y LA MANIPULACIÓN • Estos deben ser compatibles con las características de la zona de producción • No deben requerir para su cultivo maquinaria ni útiles diferentes a los de los cultivos tradicionales. • Ser cultivos vivaces , con capacidad rebrotadora.

• Presentar una alta resistencia : - Soportar con mínimos cuidados la competencia de malas hierbas y el ataque de plagas. - Deben poseer una alta eficiencia fotosintética.

CULTIVOS ENERGÉTICOS • El cultivo de estas plantas para el aprovechamiento energético es bastante discutido. En primer lugar porque la rentabilidad de estos cultivos no es muy grande. Y en segundo lugar, por la posible competencia que podrían ejercer sobre los cultivos tradicionales.

Aplicaciones de la biomasa

v. La gran variedad de biomasas existentes unidas al desarrollo de distintas tecnologías de transformación de éstas en energía (Combustión directa, Pirólisis, Gasificación, Fermentación, Digestión anaeróbica, . . . ) permiten plantear una gran cantidad de posibles aplicaciones entre las que destacan la producción de energía térmica, electricidad, biocombustibles y gases combustibles.

Producción de Energía Térmica v Aprovechamiento convencional de la biomasa natural y residual. Los sistemas de combustión directa son aplicados para generar calor, el cual puede ser utilizado directamente, como por ejemplo, para la cocción de alimentos o para el secado de productos agrícolas. Además, éste se puede aprovechar en la producción de vapor para procesos industriales y electricidad. v Los procesos tradicionales de este tipo, generalmente, son muy ineficientes porque mucha de la energía liberada se desperdicia y pueden causar contaminación cuando no se realizan bajo condiciones controladas.

Producción de Energía Eléctrica v Obtenida minoritariamente a partir de biomasa residual (restos de cosecha y poda) y principalmente a partir de cultivos energéticos leñosos, de crecimiento rápido (Álamo o Chopo , Sauce, Eucalipto, Coníferas, Plátano, . . . ) y herbáceos (Cardo lleno , Miscanto, Caña de Provenza, Euforbias, Chumberas, . . . ). v También se utiliza el biogás resultante de la fermentación de ciertos residuos (lodos de depuradora, Residuos Sólidos Urbanos…) para generar electricidad.

Cardo lleno Miscanto Chumberas Euforbias

v El rendimiento neto de la generación de electricidad en las plantas de biomasa es bajo, del orden del 20% referido a su poder calorífico inferior. Ello se debe fundamentalmente al pequeño tamaño de la planta de producción. La caldera tiene un rendimiento moderado al quemar un combustible de alto contenido en humedad, y su consumo en servicios auxiliares es alto, por encima del 8% de la producción total de electricidad en salida de alternador. v Una posibilidad de incrementar el rendimiento energético en el uso de la biomasa, es la cogeneración de calor y electricidad

v La condensación del vapor supone una evacuación de calor cercano a la mitad de la energía contenida en la biomasa; la recuperación de parte de ese calor de condensación en forma de vapor de baja temperatura o agua caliente, para usos industriales o domésticos, supone un aumento de la eficiencia energética. Para ello se puede disponer de una turbina de contrapresión o bien hacer una extracción de vapor con volumen significativo en la zona de baja presión de la turbina. Se instalan los intercambiadores de calor adecuados y se pueden obtener rendimientos globales de entre un 40 y un 60%. v La gasificación es una alternativa con mejores rendimientos que la combustión en calderas. El empleo de motores diesel o de turbinas de gas para quemar el gas producido puede elevar el rendimiento a valores por encima del 30%, sin embargo ésta es una opción se usa muy poco.

Producción de Biocombustibles v. Existe la posibilidad, ya legislada, de alimentar los motores de gasolina con bioalcoholes (obtenidos a partir de Remolacha, Maíz, Sorgo dulce, Caña de azúcar, Patata, . . ) y los motores diesel con bioaceites (obtenidos a partir de, Girasol, Soja o soya, . . . ).

Producción de gases combustibles v Aplicación poco utilizada actualmente. Consiste en la descomposición de la biomasa en un digestor para obtener un gas, cuyo compuesto combustible es básicamente metano, pero también contienen nitrógeno, vapor de agua y compuestos orgánicos. v El proceso es adecuado para tratar a la biomasa húmeda v El gas obtenido es de bajo poder calorífico, pero útil en aplicaciones térmicas en el entorno ganadero o agrícola, suministrando luz y calor.

v. En el caso de instalaciones de mayor tamaño, se puede llegar a colocar motores diesel de hasta varios cientos de kilovatios de potencia para la generación de electricidad; existen ya ejemplos industriales de ello. v. La producción de gas se puede controlar adecuándola a la demanda; incluso puede hacerse que durante varias horas el digestor se mantenga embotellado, sin producir gas, durante los períodos en los que no exista consumo energético.

v Otra posibilidad para la producción de gas es el empleo de un gasificador, que inyecta aire u oxígeno y vapor de agua. Opera a elevada temperatura, entre 800 y 1200ºC, con lo cual la cinética de las reacciones es más alta. El gas contiene CO, H 2, pequeñas concentraciones de metano, nitrógeno y vapor de agua. Tiene un poder calorífico medio. v Existen varias alternativas de gasificación v El lecho fijo sirve para tratar pequeñas cantidades de biomasa. v El lecho fluido tratan mayores cantidades, siendo éstos utilizados para la generación de electricidad.

v. Al problema operativo de la gasificación, se une el de la producción de alquitranes y otros compuestos orgánicos pesados. Esto hace posible la combustión del gas en equipos industriales, calderas y hornos o en motores diesel para generación eléctrica, pero dificulta la extensión a turbinas de gas en sistemas eléctricos de alta eficiencia. La alternativa es purificar el gas, pero es caro.

BIODIESEL

• El biodiésel es un biocarburante (nombre genérico de los biocombustibles para automoción) líquido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo la colza, el girasol y la soja las materias primas más utilizadas para este fin.

• Las propiedades del biodiésel son prácticamente las mismas que las del gasóleo de automoción. Además, presenta un punto de inflamación superior. Por todo ello, el biodiésel puede mezclarse con el gasóleo.

• Cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para la producción de biodiésel (girasol, colza, soja, aceites de fritura usado, sebo de vaca, . . . ).

Proceso Discontinuo Es el método más simple para la producción de Diesel. Se trata de reactores con agitación, donde el reactor puede estar sellado o equipado con un condensador de reflujo. Las condiciones de operación más habituales son a temperaturas de 65ºC, aunque rangos de temperaturas desde 25ºC a 85ºC también han sido publicadas. El catalizador más común es el Na. OH.

Proceso Continuo Una variación del proceso discontinuo es la utilización de reactores continuos del tipo tanque agitado, los llamados CSTR del inglés, Continuous Stirred Tank Reactor. Este tipo de reactores puede ser variado en volumen para permitir mayores tiempos de residencia y lograr aumentar los resultados de la reacción.

Un elemento esencial en el diseño de los reactores CSTR es asegurarse que la mezcla se realiza convenientemente para que la composición en el reactor sea prácticamente constante

La glicerina subproducto del biodiésel • En la síntesis del biodiésel, se forman entre el aceite y el alcohol, ésteres en una proporción aproximada del 90% más un 10% de glicerina. La glicerina representa un subproducto muy valioso que de ser refinada a grado farmacológico puede llegar a cubrir los costos operativos de una planta productora

Ventajas

Se produce a partir de materias primas renovables. • El Biodiesel se produce a partir de aceites vegetales, vírgenes y reciclados. El aceite vegetal virgen se extrae de la semilla cultivada dejando atrás la harina de semilla que puede usarse como forraje animal. El aceite es refinado antes de incorporarlo al proceso de producción del biodiesel. Aunque existen más de trescientos tipos de oleaginosas, las más comunes en la producción de biodiesel son la colza, la soja, el girasol y la palma.

No contiene prácticamente nada de azufre. Evita la emisiones de SOx (lluvia ácida o efecto invernadero). • El Biodiésel no contiene azufre, agente que se encuentra en el gasóleo por su poder de lubricación. • En la actualidad los modernos gasóleos bajos en azufre, por su proceso de desulfuración pierden el poder de lubricación, incrementando el ruido y desgaste de los motores. • Las compañías petroleras deben por este motivo aditivar el gasóleo con aditivos químicos y sintéticos para paliar esa anomalía. En Francia se aditiva todo el gasóleo que se comercializa en EESS con Biodiésel al 2% como aditivo lubricador.

Mejora la combustión, reduciendo claramente emisiones de hollín( hasta casi un 55% desapareciendo el humo negro y olor desagradable). • Dado que la molécula de biodiésel aporta, por unidad de volumen, más átomos de oxígeno que lo que aporta el mismo volumen de gasóleo convencional, la presencia de inquemados es menor utilizando biodiesel dado que hay menos moléculas de carbono elemental (hollín) y menos de monóxido de carbono (CO).

Produce, durante su combustión menor cantidad de CO 2 que el que las plantas absorben para su crecimiento (ciclo cerrado de CO 2). • El dióxido de carbono CO 2 que emite a la atmósfera el Biodiesel durante la combustión es neutro, ya que es el mismo que captó la planta oleaginosa utilizada para extraer el aceite durante su etapa de crecimiento. Con lo cual, la combustión de Biodiesel no contribuye al efecto invernadero, es neutra y ayuda a cumplir el protocolo de Kioto.

No contiene ni benceno, ni otras sustancias aromáticas cancerígenas (Hidrocarburos aromáticos policíclicos). • El Biodiesel, como combustible vegetal no contiene ninguna sustancia nociva, ni perjudicial para la salud, a diferencia de los hidrocarburos, que tienen componentes aromáticos y bencenos (cancerígenos). La noemisión de estas sustancias contaminantes disminuye el riesgo de enfermedades respiratorias y alergias.

Es fácilmente biodegradable, y en caso de derrame y/o accidente, no pone en peligro ni el suelo ni las aguas subterráneas. • El Biodiésel, es biodegradable (aprox. 21 días), su origen vegetal lo hace compatible con la naturaleza y la ausencia de compuestos químicos y sintéticos lo hace inocuo con nuestro medio.

No es una mercancía peligrosa (el punto de inflamación se encuentra por encima de 110º C). • El Biodiesel tiene su punto de inflamación por encima de 110ºC, por eso no está clasificado como mercancía peligrosa, siendo su almacenamiento y manipulación segura.

Posee un alto poder lubricante y protege el motor reduciendo su desgaste así como sus gastos de mantenimiento. • El Biodiesel por ser su origen los aceites vegetales, tiene un alto poder de lubricación, alargando la vida de los motores, reduciendo el ruido en los mismos, así como notablemente abaratando los costes de mantenimiento. • Así mismo como característica del Biodiesel, cabe reseñar el poder detergente, que mantiene limpios los sistemas de conducción e inyección del circuito de combustible de los motores.

Es el único combustible no contaminante alternativo a los motores de gasóleo convencional. • El Biodiesel, es el único combustible renovable alternativo en los motores diesel. • Por su composición vegetal, es inocuo con el medio, es neutro con el efecto invernadero, y es totalmente compatible para ser usado en cualquier motor diésel, sea cual sea su antigüedad y estado. • La mezcla que se comercializa, siguiendo la normativa recién aprobada en España, cumple con todas y cada una de las especificaciones de Gasóleo de Automoción (EN 590), mejorando los parámetros deficitarios de dicha norma.

Desventajas del Biodiesel • El biodiesel también presenta algunas desventajas, entre las que destacan: • A bajas temperaturas puede llegar a solidificarse y producir obstrucciones en los conductos. • Es incompatible con algunos materiales ya que en estado puro puede llegar a dañar por ejemplo el caucho y algunas pinturas. • Su utilización produce la pérdida de potencia del vehículo. • Produce un mayor consumo en los vehículos debido a que tiene menos poder calorífico y tarda más tiempo en combustionar.

¿Cuánto cuesta? • Los costos de biodiesel están en alrededor de 35 pesos mexicanos por galón y puede complementarse con combustible diesel bajo en azufre. • Producir cinco litros de biodiésel en Estados Unidos requiere alrededor de 16 kilos de aceite de soya, el cual tiene un costo alrededor de 10 centavos de dólar (1. 10 pesos) por kilo sin contar los costos de producción que sería de alrededor de un dólar con cincuenta centavos (alrededor de 16. 60 pesos).

Bioetanol

Etanol • El etanol es un compuesto químico que puede utilizarse como combustible, solo, o mezclado en cantidades variadas con gasolina, y su uso se ha extendido principalmente para reemplazar el consumo de derivados del petróleo. • El combustible resultante de la mezcla de etanol y gasolina se conoce como gasohol o alconafta. Dos mezclas comunes son E 10 y E 85, contenidos de etanol del 10% y 85%, respectivamente.

• El etanol también se utiliza cada vez más como añadido para oxigenar la gasolina estándar, reemplazando al éter metil tert-butílico (MTBE). Este último es responsable de una considerable contaminación del suelo y del agua subterránea. También puede utilizarse como combustible en las celdas de combustible.

Fuentes y proceso de fabricación

• El etanol puede producirse de dos formas. La mayor parte de la producción mundial se obtiene del procesamiento de materia biológica, en particular ciertas plantas con azúcares. El etanol así producido se conoce como bioetanol. Por otra parte, también puede obtenerse etanol mediante la modificación química del etileno, por hidratación.

• El etanol puede producirse a partir de un gran número de plantas, con una variación, según el producto agrícola, del rendimiento entre el combustible consumido y el generado en dicho proceso. Este etanol, conocido como bioetanol, está sujeto a una fuerte polémica: para unos se perfila como un recurso energético potencialmente sostenible que puede ofrecer ventajas medioambientales y económicas a largo plazo en contraposición a los combustibles fósiles, mientras que para otros es el responsable de grandes deforestaciones y del aumento del precio de los alimentos, al suplantar selvas y terrenos agrícolas para su producción, dudando además de su rentabilidad energética.

• El etanol se obtiene fácilmente del azúcar o del almidón en cosechas de maíz y caña de azúcar, entre otros. Sin embargo, los actuales métodos de producción de bio-etanol utilizan una cantidad significativa de energía en comparación con la energía obtenida del combustible producido. Por esta razón, no es posible sustituir enteramente el consumo combustibles fósiles por bio-etanol.

Fermentación del etanol • Desde la antigüedad se obtiene el etanol por fermentación anaeróbica de azúcares con levadura en solución acuosa y posterior destilación. La aplicación principal tradicional ha sido la producción de bebidas alcohólicas. • Hoy en día se utilizan varios tipos de materias primas para la producción a gran escala de etanol de origen biológico:

Sustancias con alto contenido de sacarosa • caña de azúcar • Melazas • sorgo dulce

Sustancias con alto contenido de almidón • Maíz • Patata • yuca

Sustancias con alto contenido de celulosa • Madera • A partir de celulosa es aún más complejo, ya que primero hay que pre-tratar la materia vegetal para que la celulosa pueda ser luego atacada por las enzimas hidrolizantes. El pre-tratamiento puede consistir en una combinación de trituración, pirólisis y ataque con ácidos y otras sustancias. Esto es uno de los factores que explican por qué los rendimientos en etanol son altos para la caña de azúcar, mediocres para el maíz y bajos para la madera

Purificación

• El método más antiguo para separar el etanol del agua es la destilación simple, pero la pureza está limitada a un 95 -96% debido a la formación de un azeótropo de agua-etanol de bajo punto de ebullición. • Para poder utilizar el etanol como combustible mezclándolo con gasolina, hay que eliminar el agua hasta alcanzar una pureza del 99, 5 al 99, 9%. El valor exacto depende de la temperatura, que determina cuándo ocurre la separación entre las fases agua e hidrocarburos.

Producción y uso • dos principales productores mundiales son Estados Unidos y Brasil, que juntos producen el 70% del total de etanol, seguidos por China, India y Francia • En Europa, tanto Alemania como España han incrementado considerablemente su producción de etanol.

Producción anual de etanol por país (20042006) • • • • País 2006 2005 2004 1 Estados Unidos 4. 855 4. 264 3. 535 2 Brasil 4. 491 4. 227 3. 989 3 China 1. 017 1. 004 964 4 India 502 449 462 5 Francia 251 240 219 6 Alemania 202 114 71 7 Rusia 171 198 8 Canadá 153 61 9 España 122 93 79

México • Desde que Brasil ha sacado al mercado los automóviles de combustible flexible, algunos inversores privados han planteado la posibilidad de fabricar etanol a partir de la caña de azúcar como se hace en dicho pais, esto abriendo la posibilidad de suministrar a Pemex quien se encargaría de distribuir el combustible en Modos E 10, E 20 o E 85 para así comenzar a disminuir la dependencia del petróleo extranjero y la incapacidad de procesar el petróleo extraído.

Proyectos • En el año 2006 se inicio la construcción de 3 plantas de etanol en el estado de Sinaloa estas producirán este mismo como un biocombustible • En el 2009 se comenzó a usar una mezcla de Gasohol(E 5 A E 10 aprox. ) en las gasolinas suministradas en las 3 aéreas metropolitanas mas importantes del pais, esto como prueba piloto para verificar la viabilidad a mediano y largo plazo y su puesta en marcha en todo el país en el menor tiempo posible

• en el 2010 Brasil ha eliminado los aranceles de importación que tenia el etanol, para poder cooperar tecnológicamente con México y ayudarlo a producir Etanol para su mercado interno y ambos poder exportar el combustible a los estados unidos así como introducir al país los vehículos de combustible flexible e incentivar su producción en los modelos que se fabriquen en el mismo

VENTAJAS DE LA BIOMASA

Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles. Esto quiere decir que no se utiliza ningun derivado del petroleo.

Con la biomasa se obtiene un ahorro de entre un 25% a un 80% de las emisiones de CO 2 producidas por los combustibles derivados del petróleo, constituyendo así un elemento importante para disminuir los gases invernadero producidos por centrales que utilizan derivados de petroleo.

• Según un informe de la Asociación Europea de Biomasa , reduciría las emisiones de dióxido de carbono (CO 2) en cerca de millones de toneladas anuales y podría satisfacer, dentro de una década, el 15% de la demanda eléctrica de los países industrializados. Central de biomasa en Florida

No emite contaminantes sulforados o nitrogenados, ni partículas sólidas. Los contaminantes sulfurados como el dióxido de azufre, que deriva de la combustión de carbones, de las refinerías de petróleo Los contaminantes nitrogenados como óxidos de nitrógeno, producidos por motores y la industria. Son altamente tóxicos.

La producción de biocarburantes supone una alternativa de uso del suelo que evita los fenómenos de erosión y desertificación a los que pueden quedar expuestas tierras agrícolas

• La conversión de residuos agrícolas, de la silvicultura, y la basura sólida municipal para la producción energética es un uso eficaz de los residuos que a su vez reduce significativamente el problema de la disposición de basura.

DESVENTAJAS

• Tiene un mayor costo de producción frente a la energía que proviene de los combustibles fósiles.

• Menor rendimiento energético de los combustibles derivados de la biomasa en comparación con los combustibles fósiles.

• La materia prima es de baja densidad energética lo que quiere decir que ocupa mucho volumen y por lo tanto puede tener problemas de transporte y almacenamiento.

• La Necesidad de acondicionamiento o transformación para su utilización.

• se utilizan transportes y maquinarias que trabajan combustibles fósiles y recursos no renovables.

• Restricciones políticas también hacen problemático el uso de Biomasa, políticas energéticas, impuestos y subsidios. Estos hacen que los elevados costos que representan mantenerla no alcancen las ventajas ambientales que representan otros recursos energéticos renovables.

• En su elaboración se producen partículas de materia orgánica, monóxido de carbono, gases orgánicos y óxidos de nitrógeno que representan un impacto de contaminación atmosférica.

PROCESOS DE CONVERSION DE LA BIOMASA EN ENERGIA

GASIFICACION TERMOQUIMICOS COMBUSTION PIROLISIS PROCESOS DE CONVERSION FERMENTACION ALCOHOLICA BIOLOGICOS FERMENTACION METANICA

GASIFICACION • Residuos agrícolas: paja de cereal, poda de frutales, cáscara de frutos secos. • Residuos ganaderos: estiércoles. • Residuos industriales: ramas y hojas, aserrín, cortezas de aserraderos, rechazos orgánicos de proceso, desperdicios de papel, etc.

TIPOS DE GASIFICADORES