Gestin Energtica en la Industria Ingeniero Qumico PARTE

Gestión Energética en la Industria Ingeniero Químico PARTE I. ENERGÉTICA Bloque temático II. FUENTES DE ENERGÍA Lección 4 ENERGÍAS RENOVABLES Y DE VALORIZACIÓN DE RESIDUOS Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos

4. ENERGÍAS RENOVABLES Y DE VALORIZACIÓN DE RESIDUOS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Clasificación de las energías renovables Biomasa Hidráulica Energía solar térmica Energía solar fotovoltaica Energía eólica Energía geotérmica Residuos urbanos e industriales Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 2

CLASIFICACIÓN DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES Las energías renovables (EE. RR. ) son ¬ – – – ¬ aquéllas cuya velocidad de formación es constante y significativa en las escala de tiempos humana aquéllas cuyo aprovechamiento no supone un agotamiento de recursos energéticos y que prácticamente no altera el equilibrio ecológico del planeta. fuentes de energía inagotables, autóctonas y difusas (no concentradas) ¿residuos sólidos urbanos (R. S. U. ) ? Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 3

CLASIFICACIÓN DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES Energías derivadas de la energía radiante solar ( 8 k. W/m 2) ¬ – directa o energía solar pasiva • • – arquitectura bioclimática secaderos naturales, etc. mediante convertidores • artificiales – – • climáticos – – – • ¬ ¬ térmica (placas solares de generación de calor y/o electricidad a través de motores térmicos) fotovoltaica (placas solares de generación directa de electricidad) hidráulica (saltos hidráulicos) eólica (aprovechamiento de la acción del viento) de las olas (aprovechamiento de la acción de las olas) biológicos: biomasa (madera, cultivos energéticos, biocombustibles, etc. ) Fuerzas gravitatorias: mareomotriz (acción de las mareas), que están originadas por las fuerzas gravitatorias solar, terrestre y lunar Calor interno de la Tierra: geotérmica Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 4

BIOMASA (1) ¬ Biomasa energética se define como el conjunto de la materia orgánica, de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformación natural o artificial, susceptible de ser utilizada para la obtención de energía, generalmente por combustión. ¬ Aunque es un combustible y, como tal, genera sustancias contaminantes para el medio ambiente, fundamentalmente CO 2, este último lo ha absorbido en su formación, por lo que el balance de carbono es prácticamente nulo. ¬ En la actualidad es la energía renovable cuantitativamente más importante. 1, 6 t CO 2 F nt oto es sí is 1, 6 t CO 2 1, 2 t O 2 1 t biomas a 0, 2 Ha y de valorización de residuos Lec. 4 Energías renovables 5

BIOMASA (2) Clasificación Atendiendo a su origen : ¬Biomasa natural: Es la que se produce y extrae de los ecosistemas naturales (p. e. talas de arbolado). La biomasa natural sigue siendo en la actualidad una fuente energética de gran importancia en ciertas zonas rurales y en países en vías de desarrollo, donde su explotación intensiva está conduciendo a daños irreversibles en el ecosistema. ¬Biomasa residual: Derivada de residuos o subproductos de las actividades agrícolas, ganaderas y forestales, así como de los procesos de las industrias agroalimentarias y de transformación de la madera. También incluye los residuos biodegradables, correspondientes a efluentes ganaderos, efluentes de aguas residuales, lodos de depuradoras, etc. y la parte biodegradable de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU). ¬Cultivos energéticos: Son cultivos realizados con el fin de obtener materiales destinados a su aprovechamiento energético, como cereales, plantas oleaginosas, etc. De éstos proceden, entre otros, los biocombustibles. ¬Otros: carbón vegetal, densificados, etc. Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 6

Biomasa sólida Madera, residuos vegetales y densificados ¬ La madera es la materia leñosa procedente del arbolado; no presenta actualmente un gran interés en la gran industria como combustible, aunque sí en el sector doméstico y hostelería. Es materia prima del carbón vegetal ¬ Residuos agrícolas y forestales: podas de arbolado ¬ Residuos de industrias agrícolas y forestales: orujillo de aceituna, las cáscaras de frutos secos, el bagazo de caña, residuos de industria maderera, etc. ¬ Densificados: biomasa astillada y/o molida que sufre un proceso de compresión por el que se compacta y se le da una forma más manejable a la vez que pierde humedad y gana densidad, con lo que aumenta su poder calorífico respecto a la biomasa original. – – briquetas (más grandes) pellets (en forma y tamaño de gránulos o lentejas) Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 7

Biomasa sólida La madera tiene una densidad que oscila entre 500 y 750 kg/m 3 y un poder calorífico inferior medio de 19000 k. J/kg cuando está seca y 14400 k. J/kg cuando está verde, es relativamente pobre en carbono y rica en oxígeno y compuestos volátiles El poder calorífico de la biomasa sólida depende principalmente de su contenido en: – – – Carbono 40 % Hidrógeno 4% Oxígeno y nitrógeno 32 % Agua 20 % Cenizas 4% Lignina: aporta el mayor poder calorífico (20000 k. J/kg) Celulosa: mucho menor PC que lignina (5000 k. J/kg) Humedad : disminuye el poder calorífico real Hume 1 d a d Coefi 1 1 0 , 7 2 3 2 6 , 7 2 0 3 3 , 1 3 8 , 6 4 3 , 5 4 7 , 5 5 1 , 1 5 4 , 4 6 0 4 , 5 0 1 0, 0, 0, c 9 9 8 8 7 7 6 6 5 4 4 3 i 7 2 8 4 7 1 5 0 6 9 3 6 e n Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos t 8

Tecnologías de valorización energética de la biomasa sólida ¬ Las instalaciones de combustión de biomasa son similares a las de combustibles sólidos, requiriendo, si bien, ciertas adaptaciones a su morfología, contenido de humedad, etc. ¬ Una tecnología prometedora es la de lecho fluidizado. Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 9

¬ Caldera de pellets Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 10

Biocombustibles líquidos (biocarburantes) Cultivos energéticos Dentro de la biomasa líquida el grupo más desarrollado es el de los biocarburantes o combustibles que pueden utilizarse en motores de combustión interna; son la alternativa renovable a los derivados del petróleo. Proceden en buena parte de los cultivos energéticos: Photo Credit: David and Associates DOE/NREL ¬ Bioetanol: procede de la fermentación de azúcares y cereales y excedentes vitivinícolas. ¬ Biodiesel: procede de la extracción de grasas de semillas o de aceites vegetales usados. Ambos pueden utilizarse solos o mezclados con los combustibles convencionales en distintas proporciones, en éste caso puede no requerirse adaptación del motor Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 11

Biocombustibles líquidos Etanol ¬ El bioetanol procede de la fermentación de cereales o azúcar procedentes de cultivos energéticos o de la extracción de alcohol de bebidas alcohólicas excedentarias ¬ Es el sustituto de las gasolinas total o parcialmente (E 15: 15% de bioetanol) ALCOHOLES BIOETANOL ALCOHOLES Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 12

Biocombustibles líquidos ¬ Biodiesel: a los ésteres metílicos de los ácidos grasos, productos de origen vegetal o animal que se ajusten a unas determinadas especificaciones que los hacen aptos para su combustión en motores de encendido por compresión (MEC). ¬ Procede de la transesterificación de los ácidos grasos procedentes de la hidrólisis de los aceites vegetales mediante alcoholes de cadena corta (metanol o etanol) para obtener los correspondientes ésteres metílicos o etílicos ¬ Es el sustituto renovable del gasóleo, total o parcialmente (B-20 es una mezcla de 20% de biodiésel y 80% de g. o. ) ¬ También pueden utilizarse como combustible, aunque no con la consideración de biodiésel: – Aceites sin tratar – Aceites de fritura Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 13

Biogás ¬ Es un gas procedente de la fermentación anaerobia de residuos orgánicos. El en digestores y/o residuos vegetales. En su composición domina el metano como sustancia combustible. ¬ El proceso tiene lugar en reactores cerrados discontinuos llamados digestores. El ciclo medio de fermentación dura aproximadamente quince días, obteniéndose, p. e. , 60 m 3 de gas por tonelada de estiércol. ¬ El gas de vertedero es una variante del biogás y se obtiene en vertederos enterrados en los que se practica respiraderos por los que se extrae. Contenido en metano inferior al biogás convencional (30 - 40%) gas % Metano 50 - 70 Dióxido de carbono 30 - 50 Hidrógeno 1 - 10 Nitrógeno < 3, 0 Oxígeno < 0, 1 Sulfuro de hidrógeno trazas Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 14

Biogás La fermentación anaerobia ¬ Fases – – – Primera fase: Acción de los microorganismos que rompen las células de la materia vegetal, alimentándose del amoniaco y los aminoácidos. Segunda fase: Acción de las bacterias metanógenas que producen metano, degradando la celulosa y convirtiéndola en glucosa, y asimilando CO 2, H 2 y H 2 O. Tercera fase: Ataque de los ácidos orgánicos por las metanobacterias, metanobacilos y metanococus, produciendo directamente metano. En las dos últimas fases del proceso, además del metano se producen diversos gases como el H 2 S, H 2 y NH 3 y calor. ¬ La actividad microbiana es función de la temperatura; la mayor se consigue con temperaturas entre 32 ºC y 50 ºC. Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 15

4. 2. 5. 1 Instalaciones de biomasa sólida Gasificación Son similares a las combustibles sólidos fósiles, con las adaptaciones precisas para la morfología, contenido de humedad, etc. • El astillado permite reducir y homogenizar el tamaño de partícula. • Una tecnología prometedora es la de gasificación en lecho fluidizado o directamente con esta tecnología. Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 16

4. 2. 5. 2 Instalaciones de biogás Digestores y depuración del gas ¬ El digestor es el reactor donde se produce la fermentación de los residuos orgánicos; su volumen depende de la producción diaria (de 3 m 3/día a 300 m 3/día en instalaciones industriales). ¬ El material más usual en su construcción es la fibra de vidrio o acero. ¬ Los principales factores que influyen decisivamente en el proceso son – – – el contenido en sustancias nutritivas (C/N entre 25 y 30) la agitación de la mezcla la temperatura el p. H (6 < p. H < 8) el contenido en elementos tóxicos la fauna bacteriana ¬ El gas obtenido en los digestores, al separarse de los fangos, asciende hacia la cámara superior del digestor, y desde allí es conducido al gasómetro, donde se realiza su depuración. – Se le hace pasar a través de cal o sosa cáustica, para eliminar el CO 2. – Si contiene excesiva cantidad de SH 2 se introducen ovillos de hilo de hierro en los conductos o filtros de óxido ferroso para eliminarlo. Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 17

Energía hidráulica (1) ¬ Se llama energía hidráulica a la que se obtiene cuando una corriente de agua acciona una turbina de tipo hidráulico conectada, por lo general, a un generador de electricidad. La potencia, P, desarrollada en una turbina hidráulica es: P = Q Hn donde: es el rendimiento de la turbina es el peso específico del fluido de trabajo Q el caudal H la altura o salto de energía neto ¬ En los últimos tiempos se ha impuesto una división en esta clase de energía, atendiendo a la potencia instalada: – hidráulica de gran potencia o gran hidráulica (>5 MW) – minihidráulica (<5 MW). Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 18

Energía hidráulica (2) • Existen distintos tipos de turbinas hidráulicas; el rendimiento de todos ellos está por encima del 90% : 4 Pelton (acción) 4 Francis (reacción) 4 Kaplan y hélice (reacción) 4 bulbo (reacción) • Aplicaciones: 4 Central en red 4 Estación aislada 4 Accionamientos mecánicos • Centrales reversibles: turbina/bomba Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 19

Energía hidráulica (3) Componentes de un sistema hidráulico Presa Aliviadero Embalse Tubería Red eléctrica Sala de máquinas Generador Turbina Descarga Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 20

Energía solar Irradiación diaria ¬ Tipos – Directa – Difusa o albedo – Reflejada ¬ Variable a lo largo del tiempo. Existen tablas con mediciones ¬ Necesidad de concentración Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 21

Energía solar Modos de aprovechamiento ¬ Térmica – Pasiva – Activa (ACS y calefacción) ¬ Termoeléctrica: generación eléctrica mediante motor térmico ¬ Fotovoltaica: generación eléctrica por efecto fotovoltaico Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 22

Energía solar térmica Energía solar pasiva ¬ Consiste en la captación de la radiación solar mediante dispositivos en los que se calienta un objeto material o fluido caloportador. ¬ Energía solar pasiva: no existen elementos en movimiento, ni colectores propiamente dichos, o están integrados como elementos arquitectónicos. Es la utilización más antigua de la energía solar. – Orientación de cerramientos – Acristalamientos en viviendas – Soluciones constructivas tipo “muro trombe” y otros – Invernaderos – Secaderos de productos vegetales y animales Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 23

Energía solar térmica Energía solar activa. Clasificación ¬ En la energía solar térmica activa, en general, un fluido de trabajo transita por el colector. Según la temperatura que se alcance en el fluido, los captadores se clasifican en ¬ Baja temperatura: generación de agua caliente hasta 100ºC en colectores planos, sin/con seguimiento solar en un eje. ¬ Media temperatura: generación de agua caliente o vapor hasta 250ºC, mediante colectores de vacío o de concentración, y, generalmente con seguimiento en un eje. ¬ Alta temperatura: generación de vapor o gases calientes a temperaturas mayores de 250ºC, para la generación de electricidad en turbinas de vapor o de gas. Son grandes instalaciones con campos de heliostatos con seguimiento solar en los dos ejes. Existen pocas en el mundo, siendo su desarrollo comercial incipiente. ¬ Muy alta temperatura: horno solar Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 24

Energía solar térmica Baja temperatura Subsistemas: • Captación: colectores solares y elementos asociados a éstos. • Almacenamiento: indispensable como en cualquier otra energía renovable. La energía térmica absorbida por el fluido térmico en el colector se almacena en forma de energía sensible en un depósito, que también requiere de ciertos elementos para su operación y control. • Circuito de consumo: contiene distintos elementos: apoyo energético, intercambiadores, bombas, vasos de expansión, control, Lec. etc. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 25

Energía solar térmica Media y alta temperatura: concentración solar ¬ Aplicaciones industriales de media y alta temperatura: caldera solar, desalación, destoxificación fotoquímica, etc. ¬ Central solar termoeléctrica – – Parabolic-Trough Solar Power Plant Photo Credit: Gretz, Warren DOE/NREL Colectores distribuidos Torre ¬ Horno solar: hasta 3000ºC Central Receiver Solar Power Plant Credit: Sandiade National Laboratories DOE/NREL Lec. 4 Energías renovables y de. Photo valorización residuos 26 © Minister of Natural Resources Canada 2001 – 2002.

Rendimiento de un colector plano ¬ El rendimiento de un colector plano Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 27

Energía solar fotovoltaica (ESFV) Sistemas aislados ¬El efecto fotovoltaico consiste en la creación de una corriente eléctrica en el seno de un material semiconductor por efecto de la acción de una corriente fotónica incidente sobre su superficie ¬Se genera una diferencia de potencial entre las caras del material que permite establecer una corriente continua al cerrarse el circuito ¬Instalación aislada: – – Suministro doméstico Colector fotovoltaico Acondicio nador Photo Credit: Tsuo, Simon DOE/NREL Batería Bombeo de agua Consumo Colector Acondicionador Batería (almacenamiento) Consumo Photo Credit: Strong, Steven DOE/NREL Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 28

Energía solar fotovoltaica (ESFV) Instalaciones conectadas a red ¬ Instalación conectada a red pública: “el acumulador es la red” ¬ Se genera en continua, que hay que pasar a alterna para verter a la red. ¬ Componentes – Colector – Inversor (acondicionador) – Conexión a la red ¬ Dentro del Régimen Especial de generación eléctrica, las primas que se cobran por la generación y vertido a la red pública son muy importantes (alrededor de 0, 42 €/k. Wh en 2006) Central fotovoltaica Red eléctrica Generación distribuida Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos Inversores Photo Credit: Strong, Steven DOE/NREL 29

Energía eólica Fundamentos ¬ Teóricamente el flujo de potencia, P (W), que existe en una corriente en su paso a través de una superficie A (m 2) viene dado por: P = ½ A v 3 donde la densidad del aire (kg/m 3) y v la velocidad del viento (m/s). ¬ Se define el coeficiente de potencia, Cp(v), como la relación entre la potencia aprovechada por el rotor, dependiente de la velocidad, Pa(v), y la existente en el viento, P: Rotor (palas) Góndola o barquilla con generador viento Altura del eje Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos Torre 30

Energía eólica Curva de potencia ¬ El coeficiente de potencia, Cp, tiene un máximo teórico del 59% (límite de Betz). En la práctica puede alcanzar valores superiores < 40%. ¬ La potencia aprovechada, Pa(v), da lugar a la curva de potencia de la máquina, una vez introducidos los rendimientos del tren de potencia. 1. Velocidad de arranque o velocidad de conexión 2. Velocidad nominal o velocidad de diseño 3. Velocidad de corte ¬ Energía suministrada: se considera una media de 2. 400 horas equivalentes de funcionamiento por año (discontinuidad del viento) Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 31

Energía eólica Aplicaciones ¬ Necesidades de viento – Velocidades medias > 4 m/s ¬ Posibles ubicaciones – Áreas costeras, cadenas montañosas, llanuras, etc. ¬ Aplicaciones: Eléctrica conecada Photo Credit: NEG-MICON – Aisladas: generación eléctrica y bombeos (combinación eólico-fotovoltaica). – Conectada a la red eléctrica pública: las más desarrolladas; en España han tenido un auge considerable. Aislada-bombeo. DOE/NREL Photo Credit: Green, Jim Eléctrica aislada Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos Photo Credit: Rodger, Elliot 32

Energía geotérmica y otras Energía geotérmica: basada en el aprovechamiento del calor que emana del centro de la Tierra ¬ Aprovecha la existencia de depósitos o corrientes de agua a elevada temperatura o entalpía. ¬ También yacimientos de roca caliente ¬ Se clasifican en – baja temperatura (<100ºC) – media temperatura (100 -150ºC) – alta temperatura (>150ºC) Sin interés Media temperatura Baja temperatura En la Región de Murcia se aprovecha: • tradicionalmente en balnearios • calefacción de invernaderos Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 33

Energía geotérmica y otras Energías marinas Las más desarrolladas son: ¬ Energía termo-oceánica: basada en el gradiente térmico entre las capas superficiales y profundas del agua del mar ¬ Energía de las olas: se aprovecha el movimiento oscilatorio mediante distintos mecanismos ¬ Energía de las mareas: se construyen embalses en entrantes naturales (rías, fiordos, etc. ) con doble ciclo (inverso) de aprovechamiento en pleamar y bajamar. ¬ Energía de las corrientes oceánicas: mueven generadores de tipo hidráulico Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 34

Valorización de residuos urbanos e industriales (1) ¬ Se discute el carácter de energía renovable de los residuos urbanos e industriales – no lo son al producirse una destrucción neta de recursos energéticos – lo son si se considera que su formación es relevante a escala humana ¬ La utilización de los residuos como fuente energética está relacionada con la gestión integral de los mismos y su problemática: – la valorización energética de residuos es una alternativa a su destrucción y/o almacenamiento – su tratamiento está sometido, en general, a la normativa de residuos tóxicos y peligrosos – su incineración es problemática y está socialmente muy contestada, por: • posible formación de sustancias altamente nocivas (dioxinas, PCBs/PCTs bifenilos /trifenilos policlorados, etc. ), partículas, etc. • no elimina la raíz del problema (la superproducción de residuos), limita el reciclaje (que en sí mismo es una técnica de eficiencia energética) , etc. – una alternativa a la incineración es su integración en otros procesos industriales, como la fabricación de cemento Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 35

Valorización de residuos urbanos e industriales (2). Clasificación ¬ Sólidos: son los más abundantes, entre ellos sobresalen – Residuos sólidos urbanos (RSU): su valorización energética se realiza en incineradoras, para la producción de energía eléctrica y en algunos casos generación de vapor para abastecimiento industrial o doméstico – Neumáticos usados: tienen un elevado poder calorífico (31, 7 MJ/kg aprox. ) – Lodos de depuradoras, etc. ¬ Líquidos: proceden de de ciertos procesos (químicos) y/o actividades: – aceites usados, minerales o vegetales – líquidos orgánicos residuales combustibles, también llamados combustibles líquidos de sustitución (CLS), clasificados en función de su poder calorífico • CLS-A o CLS de poder calorífico alto, con PCI>7000 kcal/kg y H 2 O<10% • CLS-B o CLS de poder calorífico medio, con 3000<PCI<7000 kcal/kg y H 2 O<40% • CLS-C o CLS de poder calorífico bajo, con PCI<3000 kcal/kg ¬ Gaseosos: obtenidos directamente o en digestores tras procesos de gasificación de residuos sólidos o líquidos (p. e. : gas de vertedero) Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos 36