Tecnologías de la biomasa

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. En primer lugar, 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.

Desde principios de la historia de la humanidad, la biomasa ha sido una fuente energética esencial para el hombre. Con la llegada de los combustibles fósiles, este recurso energético perdió importancia en el mundo industrial. En la actualidad los principales usos que tiene son domésticos.

En Europa, Francia es el país que mayor cantidad de biomasa consume (más de 9 millones de toneladas equivalentes de petróleo (tep)) seguido de Suecia. España ocupa el sexto lugar dentro de esta lista con 3,8 millones de tep (Mtep), según se observa en la tabla:

(Fuente: Ciemat. Energías-renovables. 2008)

 Los factores que condicionan el consumo de biomasa en Europa son: 

- Factores geográficos: debido a las condiciones climáticas de la región, las cuales indicarán las necesidades de calor que requiera cada zona, y las cuales podrán ser cubiertas con biomasa. 

- Factores energéticos: por la rentabilidad o no de la biomasa como recurso energético. Esto dependerá de los precios y del mercado energético en cada momento. 

- Disponibilidad del recurso: este es el factor que hay que estudiar en primer lugar para determinar el acceso y la temporalidad del recurso.

En la actualidad, la biomasa alcanza el 45% de la producción con energías renovables en España, lo que equivale al 2,9% respecto del total de consumo de energía primaria, incluidas las convencionales. Tanto en aplicaciones eléctricas como térmicas los recursos más utilizados son los residuos procedentes de industrias forestales y agrícolas. El mayor consumo se da en Andalucía, Galicia y Castilla y León, debido principalmente a la presencia en ellas de empresas que consumen grandes cantidades de biomasa, a la existencia de un sector forestal desarrollado y la diseminación de la población que facilita el uso de la biomasa doméstica.

En la siguiente aplicación se nos da una explicación "infográfica" acerca de la BIOMASA. Pulsa y lee:

La utilización de la biomasa con fines energéticos tiene las siguientes ventajas medioambientales: 

1) Disminución de las emisiones de CO2_.
Aunque para el aprovechamiento energético de esta fuente renovable tengamos que proceder a una combustión, y el resultado de la misma sea agua y CO₂, la cantidad de este gas causante del efecto invernadero, se puede considerar que es la misma cantidad que fue captada por las plantas durante su crecimiento. Es decir, que no supone un incremento de este gas a la atmósfera. 

2) No emite contaminantes sulforados o nitrogenados, ni apenas partículas sólidas.

Si se utilizan residuos de otras actividades como biomasa, esto se traduce en un reciclaje y disminución de residuos. Canaliza, por tanto, los excedentes agrícolas alimentarios, permitiendo el aprovechamiento de las tierras de retirada. 

3) Los cultivos energéticos sustituirán a cultivos excedentarios en el mercado de alimentos. Eso puede ofrecer una nueva oportunidad al sector agrícola. 

4) Permite la introducción de cultivos de gran valor rotacional frente a monocultivos cerealistas

5) Puede provocar un aumento económico en el medio rural. 

6) Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles.

7) En la actualidad la tecnología aplicada a la biomasa está sufriendo un gran desarrollo.

La investigación se está centrando en los siguientes puntos: el aumento del rendimiento energético de este recurso.

- En minimizar los efectos negativos ambientales de los residuos aprovechados y de las propias aplicaciones. - En aumentar la competitividad en el mercado de los producto. En posibilitar nuevas aplicaciones de gran interés como los biocombustibles.

Entre los pocos inconvenientes cabe señalar:

- Tiene un mayor coste 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. 

- Producción estacional.

- 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.

- Necesidad de acondicionamiento o transformación para su utilización.

¿Cuáles son los métodos que se utilizan para obtener energía de la biomasa?.

Existen diferentes métodos que transforman la biomasa en energía aprovechable, expondremos los dos métodos más utilizados en este momento, los termoquímicos y los biológicos.

A) Termoquímicos: Estos métodos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación de la biomasa. Están muy desarrollados para la biomasa seca, sobretodo para la paja y la madera. Utilizan los procesos siguientes:

A1) Combustión.- Es la oxidación de la biomasa por el oxígeno del aire, en esta reacción se libera agua y gas carbónico, y puede ser utilizado para la calefacción doméstica y para la producción de calor industrial.

A2) Pirólisis.- Se trata de una combustión incompleta a alta temperatura (500ºC) de la biomasa en condiciones anaerobias. Se utiliza desde hace mucho tiempo para producir carbón vegetal. Este método libera también un gas pobre, mezcla de monóxido (CO) y dióxido de carbono (CO₂), de hidrógeno (H₂) y de hidrocarburos ligeros. Este gas, de poco poder calórico, puede servir para accionar motores diesel, para producir electricidad, o para mover vehículos. Una variante de la pirólisis, es la pirólisis flash. Esta se realiza a una temperatura mayor, alrededor de 1.000 ºC, y tiene la ventaja de asegurar una gasificación casi total de la biomasa. Se optimiza de esta forma el “gas pobre”.
Las instalaciones en la que se realizan la pirólisis y la gasificación de la biomasa se llaman gasógenos. El gas pobre producido puede utilizarse directamente o puede servir como base para la síntesis de metanol, el cual podría sustituir a las gasolinas para la alimentación de los motores de explosión (carburol).

La gasificación tiene ventajas con respecto a la biomasa original:

El gas producido es más versátil y se puede usar para los mismos propósitos que el gas natural; puede quemarse para producir calor y vapor y puede alimentar motores de combustión interna y turbinas de gas para generar electricidad y produce un combustible relativamente libre de impurezas y causa menores problemas de contaminación al quemarse.

B) Biológicos.- Se trata de una fermentación alcohólica que transforma la biomasa en etanol (biocombustible). Este alcohol se produce por la fermentación de azúcares. Otro método biológico es la fermentación metánica, que es la digestión anaerobia de la biomasa por bacterias. Se suele utilizar para la transformación de la biomasa húmeda. En los fermentadores, o digestores. La celulosa es la sustancia que se degrada en un gas, el cual contiene alrededor de 60% de metano y 40% de gas carbónico. Para este proceso se requiere una temperatura entre 30-35 º C. Estos digestores por su gran autonomía presentan una opción favorable para las explotaciones de ganadería intensiva.

¿Qué aplicaciones tiene?.

La gran variedad de biomasas existentes unida al desarrollo de distintas tecnologías de transformación de ésta 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, energía eléctrica y biocombustibles.

1) Producción de energía térmica: 

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. 

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 condicionescontroladas.

2) Producción de electricidad:

Obtenida minoritariamente a partir de biomasa residual (restos de cosecha y poda) y principalmente a partir de cultivos energéticos leñosos, de crecimiento rápido (chopo, sauce, eucalipto, robinia, coníferas, acacia, plátano,…) y herbáceos (cardo lleno, miscanto, caña de Provenza, euforbias, chumberas,…). También se utiliza el biogás resultante de la fermentación de ciertos residuos (lodos de depuradora, Residuos Sólidos Urbanos…) para generar electricidad. 

El rendimiento neto de la generación de electricidad en las plantas de biomasa es bajo, del orden dl 20% referido a su poder calorífico inferior. Ello se debe fundamentalmente el 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.

Una posibilidad de incrementar el rendimiento energético en el uso de la biomasa es la cogeneración de calor y electricidad. 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%.

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 eleva el rendimiento a valores por encima del 30%, sin embargo ésta es una opción poco extendida. 

3) Producción de biocombustibles:

3.1) Biolíquidos.- 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, boniato,….) y los motores diesel con bioaceites (obtenidos a partir de colza, girasol, soja,…). Esta aplicación se verá de forma detallada más adelante. 
Básicamente se trabaja en dos alternativas comerciales: el biodiesel y el bioalcohol.

a) Biodiesel.-  Son ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales y que se emplean en los motores de ignición de comprensión (motores diesel) o en calderas de calefacción. 

El biodiesel está formado por ácidos grasos y ésteres alcalinos, obtenidos de aceites vegetales, grasa animal y aceites usados. A partir de un proceso llamado “transesterificación", los aceites se combinan con un alcohol (etanol o metanol) y se alteran químicamente para formar ésteres grasos como el etil o metilo éster. Los productos originados son: glicerina y metiléster. Éste tiene un comportamiento en los motores de combustión de diésel similar al del gasoil. Esta línea es una vía de salida para los excedentes de colza, girasol y otros productos alimentarios.
La glicerina, en este caso, es un subproducto que puede venderse a las fábricas de jabón.

El inconveniente que tiene el biodiesel es el alto precio que tienen los aceites para uso alimentario en los mercados.

b) Bioetanol.- Producción de alcohol etílico a partir de diferentes materias primas que tienen azúcares fáciles de extraer y transformar: semillas de cereal y de maíz, tubérculos, caña de azúcar, materias celulósicas y hemicelulósicas (paja, madera), etc. Mediante un proceso de fermentación de materias azucaradas de los vegetales se obtiene etanol, que se utiliza en los motores de encendido por chispa, mezclado con la gasolina o como único combustible. 

El bioetanol es el alcohol etílico producido a partir de la fermentación de los azúcares que se encuentran en los productos vegetales (cereales, remolacha, caña de azúcar o biomasa) combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa.
Los usos del bioetanol son: la fabricación del ETBE, mezcla directa con gasolina, como combustible principal en los motores de gasolina o mezcla directa con diesel.

El octanaje o el número de octanos de la gasolina se refiere a la facilidad con que ésta se quema y cuánta detonación produce. El octanaje, por lo tanto, es el índice que mide el valor antidetonante de los combustibles por comparación con en el de un carburante patrón. Para conseguir un adecuado índice de octano tradicionalmente se añadían sales de plomo a la gasolina, método que en la actualidad está prohibido por el grado de contaminación ambiental que tiene este metal. El aditivo que se añade a la gasolina para aumentar el octano es el metil terciario buril éter (MTBE) que se obtiene del metanol. Es un producto derivado del gas natural o del carbón, un líquido tóxico que inicia la evaporación a temperaturas moderadas, a partir de 34 ºC. Como sustitutivo al MTBE, se encuentra el bioetanol en forma de ETBE.

El ETBE cumple mejor esa misión por razones físicas de mezcla y produce menos contaminación residual que el MTBE. Es la mejor vía para introducir la biomasa en el suministro de combustibles de automoción. Puede alcanzarse con ella hasta el 5% del consumo de gasolinas. Por otro lado, los motores admiten mezclas de gasolina con etanol hasta un 20%, sin producirse variaciones notables en su comportamiento.

Incluso los motores pueden funcionar exclusivamente con bioetanol, con una adaptación de los motores a este combustible. Los llamados vehículos flexibles (FFV) permiten la utilización de tanto de gasolina como de bioetanol E 85. Estos vehículos utilizan un 15% de gasolina para paliar el problema de la baja presión de vapor y garantizar así el encendido.

 En la actualidad se encuentra en fase de experimentación la mezcla del bioetanol con diesel (E diesel). La proporción en la que se está mezclando es entre el 5 y el 15%. Para este tipo de mezcla se necesita la utilización de emulsionantes como aditivos. Con estas mezclas se consiguen combustibles de distintas clases dependiendo de la temperatura de inflamación que tengan.

Dentro de los procesos de producción de etanol, queremos destacar las tres materias principales de las cuales se obtiene: azúcar de los cultivos de caña o de remolacha; de los cereales, bien mediante el método Dry Milling o Wet Milling; o a partir de biomasa mediante una hidrólisis ácida.

Las ventajas de usar el bioetanol son:

1. Una mejora del índice de octanos.
2. Un mayor calor de vaporización.
3. La temperatura de llama menor, consiguiéndose una menor pérdida de calor por radiación.
4. Un mayor volumen de gases en la combustión, lo que significa una mayor presión y una mayor energía mecánica producida.
5. La velocidad de llama mayor, esto se traduce en un desarrollo más eficiente del par del motor.
6. Mejora la biodegradabilidad de la gasolina.
7. Reduce el número de compuestos aromáticos en la gasolina, y por lo tanto, reduce las emisiones de benceno a la atmósfera.

Los inconvenientes del uso de bioetanol son:

1. Eleva la presión de vapor (esto se produce en la mezcla directa).
2. Tiene afinidad por el agua.

Las barreras que se encuentran los biocarburantes en el mercado (tanto el biodiesel como el bioetanol) son:

- Necesaria exención fiscal.

- Desligar la producción de la materia prima de retirada obligatoria de la PAC (Política Agraria Comunitaria).

- Acondicionar la red de distribución de carburantes.

- Garantías de funcionamiento de los vehículos.

3.2) Biogases.- Es una aplicación poco utilizada actualmente que 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. El proceso es adecuado para tratar biomasa de elevado contenido en humedad y poco interesante en otras aplicaciones, bien por su calidad o por la poca cantidad disponible.

El gas obtenido es de bajo poder calorífico, pero útil en aplicaciones térmicas en el propio entorno ganadero o agrícola, suministrando luz y calor. 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. 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.

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, H₂, pequeñas concentraciones de metano, nitrógeno y vapor de agua. Tiene un poder calorífico medio. Existen varias alternativas de gasificación; el lecho fijo sirve para tratar pequeñas cantidades de biomasa, mientras que los de lecho fluido tratan mayores cantidades, siendo éstos utilizados para la generación de electricidad.

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.