Dr. Alfredo Barriga

Junio - 2011

CONCEPTOS BASICOS

•Masa: Cantidad de materia que forma un cuerpo, se mide con la balanza de masas

(inercia)

•Velocidad: Tasa de cambio de posición con respecto al tiempo.

•Cantidad de movimiento: (momentum): producto de masa por velocidad de un

cuerpo.

•Fuerza: Magnitud física que aplicada a un cuerpo ocasiona un cambio en su cantidad

de movimiento

•Trabajo: Parámetro que se pone en juego cuando una fuerza se desplaza una distancia

(ó en caso de desplazamiento angular, torque se desplaza un ángulo)

•Energía: Parámetro que se pone en juego cuando se puede generar trabajo como

producto final.

•Calor: Energía en transición desde un cuerpo de mayor a menor temperatura.

•Energía Térmica: Energía acumulada como un aumento de temperatura. Depende

además del calor específico que es característico del material

•Máquina: Equipo (compuesto de componentes) que convierte formas de trabajo o

energía. La palanca es la máquina más simple. La caja de cambios de un vehículo es una

máquina. Dependiendo de las formas de energía que se interconvierten; estas pueden

ser: mecánica térmica; termo-mecánica; fluido mecánica, etc

•Máquinas Térmicas: Máquina que convierte alguna forma de energía térmica a

energía mecánica, Ejemplos: son motores de combustión interna; turbinas a gas; etc.

Una forma particular son los sistemas térmicos, que convierten una forma de energía

térmica a otra, por Ejemplo: Calderos de vapor, hornos,etc.

•Sistemas de Conversión de Energía: Conjunto de elementos que permite

interconvertir una forma de energía a otra forma mas útil. Ejemplo: Sistema fotovoltaico

(energía solar térmica a eléctrica); Sistema quimo-térmico (energía química a térmica);

sistema termomecánico (térmico a mecánico), etc.

INTRODUCCION A LAS FUENTES DE ENERGIA Presentado por: Alfredo Barriga R. PhD Fecha: 13 de Junio, 2011

•Eficiencia de Conversión: Fracción entre la forma de energía de salida y la forma de

salida de entrada. Nótese que en esta etapa de conversión de energía se disipa

irreversiblemente una cierta fracción; de modo que la eficiencia de conversión es

siempre menor a 1 (en porcentaje, menor que 100 %)

Caloría (cal )Energía

Watt ( w)Potencia

Wattio-horaEnergía

Eléctrica

Joule ( J)Trabajo

Pascal ( Pa)

Atmósfera ( atm )

Presión

Segundo (s)Tiempo

Metro (m)Longitud

Newton (N)Fuerza

Kilogramo (Kg)Masa

Caloría (cal )Energía

Watt ( w)Potencia

Wattio-horaEnergía

Eléctrica

Joule ( J)Trabajo

Pascal ( Pa)

Atmósfera ( atm )

Presión

Segundo (s)Tiempo

Metro (m)Longitud

Newton (N)Fuerza

Kilogramo (Kg)Masa

1W= J / s

1cal = 4.18 J

1J = Nm

1atm = 105 Pa

1Pa= 1 N/m2

1h= 3600 s

1pie= 0.305 m

ROL DE LA ELECTRICIDAD

La electricidad es modernamente el acarreador de energía aplicado mas utilizado. Esta

es una forma intermedia de energía que permite poner distancia entre el equipo de

generación primario de fuerza (electrogenerador) y el equipo usuario de potencia

mecánica (electromotor). La electricidad puede transportarse por conductores a

razonables distancias.

Las fuentes renovables de energía aprovechan el uso de electricidad. Así, para

aplicaciones de iluminación se genera electricidad sea en un sistema fotovoltaico,

eólico, hídrico, etc y de allí es transportado hasta el usuario final. Una conversión

electrolumínica subsecuente genera luz. Algo similar ocurre para aplicaciones de fuerza

motriz donde la electricidad generada se convierte en potencia de eje en un motor

eléctrico.

El hecho que la mayoría de utensilios electrodomésticos modernos sean de corriente

alterna impone que si la corriente eléctrica es originalmente generada de tipo directo se

haga necesario intercalar un convertidor.

ESQUEMA DE INTERCONVERSION DE ELECTRICIDAD

(SIMPLIFICADO)

SISTEMA DE

CONVERSION

ENERGETICO PRIMARIO

FOSIL

MECANICA

SOLAR

NUCLEAR

TERMICO

GEOTERMIA

HIDRICA

EOLICA

MAREAL

RED

ELECTRICIDAD

BASIC CONCEPTS

CONCENTOS BASICOS

Renewable Energy Systems Sistemas de Energia Renovable

1. Heat and Power Calor y Potencia

2. Energy and Work Energia y Trabajo

3. Energy conversion / Inefficiency / Energy Cascade Eficiencia de Conversion/ Ineficiencias / Cascada Energetica

4. Resource Recurso

5. Renewability Renovabilidad

6. Needs: Basic / non basic Necesidades : Basicas/ No Basicas

7. Household Needs and Energy Demand Necesidades Domesticas y Demanda de Energia

8. Renewable Energy Systems Sistemas Renovables de Energia

9. Steam Vapor de Agua

10. Photosynthesis and Biomass Production Fotosintesis y Produccion de Biomasa

11. Stored energy Energia Almacenada

12. Electricity Generation and Use Generacion y Uso de Electricidad

13. Daily Pattern of Household Electricity Demand Perfil de Demanda Diaria de Electricidad Domiciliaria

14. Engine / IC (Internal Combustion) Engine Motor / Motor de Combustion Interna- CI

15. Shaft Power Potencia de Eje

16. Renewable Energy Energia Renovable

17. Life Cycle assessment Evaluacion de Ciclo de Vida

18. Sequestered Energy Concepts Conceptos de Energia Secuestrada

19. Fossil C02 CO2 Fosil (de derivados de Petroleo)

20. Energy Ratio in Energy Conversion Systems Cuociente de Energia de los Sistemas de Conversion de Energia

21. Resource Assessment Evaluacion del Recurso

22. Technology Know How / Equipment / Expertise Know How Tecnologico / Equipos / “Experticia”

23. Energy Demand assessment Evaluacion de la Demanda de Energia

24. Demand Side Management Manejo del Lado de la Demanda de Energia

25. Matching Demand to Supply Armonizacion Demanda / Suministro

26. Rational Use of Energy Uso Racional de Energia

27. Unit Cost of Energy Costo Unitario de Energia

28. Present Worth Valor Presente

29. Annualization Analysis Analisis de Anualidad

30. Basic Cost / Benefit Analysis Analisis Basico de Costo / Beneficio

31. Impact Assessment Evaluacion de Impacto

32. Relative Technological Complexity Level Index RTCLI Indice de Nivel de Complejidad Tecnologica Relativa

33. Avoided CO2 Concept (fossil) Concepto de CO2 Evitado (fosil )

34. Vulnerability of Energy Supply System Vulnerabilidad de Sistemas de Suministro Energetico

35. Hybrid Schemes (Solar/Wind) Esquemas Hibridos (Solar / Viento)

36. Energy vs Food Dilemma Dilema Energia vs Alimentos

37. Energy Storage Systems Sistemas de Almacenamiento de Energia

38. Diesel- Electrical Generator Set Generador Electrico a Diesel

39. Heat Recovery Systems Sistemas de Recuperacion de Calor

40. Food Preservation and Energy needs Preservacion de Alimentos y Necesidades Energeticas

41. Analysis Matrix and Decision Matrix Matriz de Analisis y Matriz de Decision

42. Development and Productive Activities Actividades Productivas y de Desarrollo

43. Project Definition Definicion de Linderos del Projecto

44. Stake Holders Identification and Management Identificacion y Gestion de los Actores Sociales (en un Proyecto)

45. Participatory Technology Transfer Transferencia de Tecnologia de Tipo Participativo

46. Energization for Rural Development Energizacion para Desarrollo Rural

47. Green House Effects of Energy Systems Efecto Invernadero de Sistemas Energeticos

48. Natural Cycles. Ciclos Naturales

49. Social Impact Assessment Evaluacion de Impacto Social

50. Scattered and Cluster Household Locations Localidades de Viviendas Dispersas (scattered) y Agrupadas (cluster)

51. Cogeneration in Energy Systems Cogeneracion (en sistemas de energia)

52. Clean Development Mechanisms CDM Mecanismos de Desarrollo Limpio MDL

53. Fuel Cells / Waste Heat Recovery / Tidal / Ocean Thermal EC / Wave Celdas Electoquimicas / Recup. Calor Resid / Mareal / Oceano Termal / Olas

Note: A few other concepts will be added to this listing as appropriate

Nota: Se anadiran unos cuantos conceptos mas a esta lista

INTRODUCCION AL ANALISIS DE LA BIOMASA

01.- En el presente estudio, se cubren aplicaciones energéticas de la biomasa. Por tanto,

se considerará bajo el nombre de Biomasa toda forma derivada de plantas, así como

ciertos residuos de animales (estiércol en particular). Las principales formas de biomasa

consideradas serán:

Leña . productos leñosos y residuos forestales

Material de plantas herbáceas.

Cultivos Agrícolas

Residuos Orgánicos de desechos municipales

02.- La Biomasa tiene normalmente un alto contenido de humedad; así la leña verde por

ejemplo contiene entre 20 y 60 % de humedad como Leña verde . El poder calorífico

está entre 18 y 20 MJ / Kg para biomasa forestal ( base seca ); para pajas es 17MJ/

Kg . El contenido de azufre de la biomasa vegetal está en el rango entre 0.01 y 0.1 % ;

por comparación el carbón mineral contiene entre 0.5 a 5 % de azufre.

03.- La biomasa( vegetal ) se genera en el proceso de la fotosíntesis por el cual las

hojas de las plantas toman dióxido de carbono y agua junto con fotones de la luz solar

para convertirlos en moléculas de glucosa y liberar oxígeno atmosférico. Detalles del

proceso fotosintético se dan en una sección separada. La biomasa vegetal se distribuye

entre el tronco ( tallo en las herbáceas ) ramas , follaje y hojas, raíces, corteza, semillas

.Los frutos tienen un mayor componente de azúcares y almidones con algo de celulosa .

En el otro extremo los troncos y raíces de variedades forestales están constituidos

principalmente de celulosa, hemicelulosa y lignina. Las raíces de tubérculos contienen

almidones en mayor proporción. Todos los componentes de la biomasa contienen

energía química almacenada la cual puede ser liberada mediante procesos de oxidación.

04.- La eficiencia de conversión fotosintética en sus varios pasos se presenta

posteriormente. Nótese que las plantas del tipo C4, es decir las que poseen moléculas de

azúcar con 4 átomos de carbono en la fotosíntesis tienen una eficiencia fotosintética

global de entre 2 y 3 % ( relación entre energía química en el tejido y energía solar

incidente ). Nótese además que la productividad ( Toneladas de biomasa seca por

hectárea por año ) depende del nivel promedio de Radiación Solar incidente en la

región. Productos Agrícolas generan biomasa con productividad típica de 20 a 30

Toneladas / Ha- Año mientras que productos forestales tienen productividad de 10 a 20

Ton –Seca / Ha- año.

05.-La determinación de la cantidad de un residuo particular se establece por medio de

los COEFICIENTES DE RESIDUO. Esto se mide por la relación entre masa de residuo

y la masa del producto considerado . Así por EJEMPLO: Un coeficiente de por

ejemplo 2.0 para algodón significa que se produce 2.0 Kg de residuo por cada Kg de

algodón en fibra. Véase la tabla de coeficientes de residuos.

06.-Biomasa celulósica es una mezcla de polímeros carbohidratos conocidos como

celulosa, hemicelulosa y lignina. La fracción principal es celulosa, entre 40 y 50%,

hemicelulosa, entre 20 y 40%, mientras que el el resto es lignina con un poco de

extractables. Celulosa consiste de moléculas de glucosa unidas en una larga cadena de

estructura cristalina. Hemicelulosa es un conjunto de cadena larga de azúcares sin la

estructura cristalina. Lignina es un polímero complejo que rodea las paredes de la

celulosa y es más resistente a la descomposición acída y bacteriana .

La composición de las principales formas de biomasa vegetal se da a continuación(

véase referencia 14 Renewable Energy )

07.- Carbohidratos son los componentes más abundantes de tejidos de plantas y algunos

animales. Se clasifican como: Mono-Di-Tri- Tetra- Poli- sacáridos de acuerdo al

número de grupos de moléculas que los conforman . Casi todos los monosacáridos

contienen 5 ó 6 átomos de carbono en su molécula de azúcar, denominados pentosa y

hextosa respectivamente. El azúcar de caña (15 % sucrosa) puede descomponerse por

hidrólisis, generando azúcares de 6 átomos de carbono que son glucosa y fructosa. El

almidón , presente en cereales, tubérculos, etc es un polisacárido constituido por

cadenas rectas y ramificadas de glucosa . Hidrólisis por medio de ácidos ó enzimas

denominas amilasas genera azúcares de glucosa.

Azúcares 10

%

Mineral+Ligni

na 3 %

Celulosa 3%

Hemicelulosa6

%

Aceite 10%

Proteina 10 %

Almidón 72%

Otro 13 %

Lig 17 %

Cel 32 %

HC 32 %

Extractable

5%

Lig 22%

Cel 50 %

HC 23 %

Otro 10 %

Lig 15 %

Cel 45 %

HC 30 %

MAIZ RESIDUOS AGRICOLAS MADERAS DURAS PLANTAS HERBACEAS

08.- Para producir alcohol los productos con azúcares y almidón son directamente

procesados, tal como se muestra en una sección posterior. Compuestos celulósicos y

lignínicos tienden a poseer una mayor resistencia natural a la hidrólisis ácida y

enzimática.

09.- La Energía de la biomasa lignocelulósica ha sido típicamente convertida por

métodos termoquímicos en particular combustión, pirólisis, gasificación. Sin embargo

en décadas recientes ha habido un surgimiento creciente de producción de alcohol

(etanol) a través de la combinación de hidrólisis enzimático y fermentación del azúcar .

La resistencia natural a la hidrólisis se la supera con un pre- tratamiento con solventes

orgánicos y ácidos diluidos con adición de calor; esto ocasiona que la hemicelulosa se

hidrolice formando xilosa, fácilmente removible, quedando un material poroso de

básicamente celulosa y lignina más accesible al ataque enzimático. La producción de

glucosa subsecuentemente se hace por hidrólisis generando glucosa, la cual puede ser

fermentada utilizando variedades apropiadas de hongos tipo levadura ( Saccharomyces

Cerevisiae ) y bacterias . La lignina puede separarse y ser utilizada como combustible

térmico directo. Deben considerarse costos de proceso así como relaciones de energía

para la evaluación de los procesos.

10.- LA TECNOLOGIA DE BIOGAS es la generación de metano por la

descomposición anaeróbica ( ausencia de aire ) de productos orgánicos por acción

bacteriana .El proceso de descomposición para generar metano comprende varios pasos

con requerimientos determinados de pH, relación Carbono – nitrógeno , contenido de

sólidos volátiles totales, rango de temperatura ..etc. Esto ocasiona que la generación de

biogas en los digestores domésticos típicos esté sujeta a fluctuaciones e imprevistos.

Los sistemas domésticos de digestores más utilizados son : El chino ( completamente

cerrado ) y el Hindú ( con campana flotante ) para estiércol de ganado . El tiempo de

residencia típico es de unos 30 días. La capacidad de reducción del nivel de patógenos

en la materia prima (por la permanencia en ausencia de oxígeno. Así como la

eliminación de olores del estiércol original y las características de mejorador de suelo

del efluente del digestor hacen que en la práctica los digestores domésticos sean

utilizado por estas finalidades mas que por la generación de metano .El caso de la

generación de metano en rellenos sanitarios cae bajo otra óptica puesto que el material

orgánico enterrado y cubierto va generando metano en un proceso que dura varios años.

En caso de no ser apropiadamente captado y recogido el gas metano migra hacia la

superficie y escapa por esta hacia la atmósfera. El metano es bastante más activo que el

CO2 en su efecto invernadero.

La producción de biogás en rellenos sanitarios está en el orden de 100 a 200 m3

por cada tonelada de material de basura orgánica típica.

11.- COMBUSTIÓN Y PIRÓLISIS son formas más tradicionales de uso energético de

la biomasa. El uso industrial de leña como energético en hogares es un ejemplo de ello,

en hogares de hornos y calderos, lo mismo que el uso en fogones domésticos para

cocción de alimentos. La combustión de biomasa leñosa en hogares industriales se da

típicamente con parrilla sobre la cual se deposita la biomasa; aire se insufla desde la

parte interior, si bien en algunos diseños se ventea por la parte superior. Biomasa

desmenuzada tipo hojuelas o astillas como en aserrín de madera y cascaras troceadas,

puede también combustionarse en hogar con parrilla con característica de combustión

en lecho fijo de cama delgada, cuyos parámetros de altura de lecho debe controlarse.

Detalles se dan en secciones posteriores. La pirólisis, esto es calentamiento entre 200 a

500° C es un proceso tradicional tanto para la recuperación de material volátil como del

residuo carbonizado. Carbón vegetal es obtenido de esta manera, así como alquitrán y

otros productos líquidos condensados de los volátiles.

12.- La GASIFICACIÓN TÉRMICA es otro camino para el aprovechamiento

termoquímico de la biomasa. En este proceso, etapas de oxidación ( con déficit de

oxígeno ) y reducción química se dan en pasos subsecuentes dentro de un reactor que

opera a temperaturas entre 800 a 1000°C .Se genera un producto gaseoso que contiene

especies combustibles como CO, H2, CH 4 y cantidades menores de otros

hidrocarburos. Una vez depurado (remoción de partículas), desecado y enfriado dicho

gas puede ser utilizado como combustible en motores de combustión interna y turbinas

a gas. Puede usarse lecho fijo (tecnología existentes desde siglo pasado) así como lecho

fluidizado (Véase en Dendroenergía referencia 22)

CICLO DE LA BIOMASA

*COMBUSTION

* PIROLISIS +CARBON

* GASIFICACION TERMICA

* HIDRÓLISIS+FERMENTACION

* DIGESTION BACTERIANA

SECADO

Gasificación

Densificación

Pirólisis

Combustión

Troncos Ramas Raices leñosas

CELULOSA

HEMICELULOSA

LIGNINA

AZUCARES

ALMIDONES

ACEITE

PROTEINAS

Hojas

Follaje

Tallos

celulósicos

suaves

ENFARDADO

Troceado Hidrólisis Fermentado

Alcohol

PRENSADO BIO-FUEL MOTOR/ HOGAR

CALOR

TRABAJO Semillas

aceiteras

Granos de

cereales

Tubérculos

NIVELES TIPICOS DE RADIACION SOLAR

INSOLACION ( ENERGIA / DIA- AREA )

Kwh/ m2

D MJ/ m2

D Mcal / m2

D Mcal / Ha D

3.0 10.8 2.57 25700

4.0 14.4 3.44 34400

5.0 18.0 4.30 43000

6.0 21.6 5.17 51700

CADENA DE INTERCONVERSION FOTOSINTETICA

ENERGIA CONVERSION

Solar 100

Rad. Fotos. Act. 0.50

Capturada en fotosíntesis 0.80

Almacenada en glucosa 0.28

Mantenida después de respiración

nocturna. 0.60

Mantenida después de foto resp 0.7

Sarturac capacidad utiliz. Fotosin. 0.70

CARACTERISTICAS GENERALES BIOMASA

REACCIÓN FOTOSINTÉTICA 6 CO 2 + 6 H2O C 6 H12 O 6 + 6 O2

H 2 O

CO 2

fotosíntesis

fruto

hojarasca troncos

descomposicio

n

Retorno a suelo / raiz

Radiación

solar

CONVERSIÓN FOTOSINTÉTICA

CONDICIONES DE PRODUCCIÓN BIOMÁSICA MÁXIMO

- Cobertura completa durante año

- Temperatura entre 20 – 30 ° C

- Nutrientes Adecuadas

- Control de Plagas y enfermedades

PODER CALORÍFICO ( Base Seca )

17.5 MJ / kg = 4.2 M- cal / kg.

PRODUCCION ANUAL

Tómese un nivel de insolación diario de

Ton 14.5 MJ / m2

D 34400 M cal / ha- d Insolación

Biomasa Anual= ( Insolación * Conversión Global ) / Poder calorífico

BIOMASA TEORICO MAX REAL MAX

C4 6.7 % 2-3 %

C3 3.3 % 1 %

ESPECIE CONVERSION TON-SECO/ HA- AÑO

C4 2.5 % 75 = (34400*365*0.025) / 4.2

C3 1 % 30

- SECADO

- TORREFACION

- PIROLISIS

- COMBUSTION ( BRASA )

AIRE

CENIZAS

LLAMA

BRASA

LEÑA

VOLATILES

CARBON

VEGETAL

CC.

ESQUEMA DE COMBUSTION DE LIGNOCELULOSICO

EN AIRE

COEFICIENTES DE RESIDUOS DE CULTIVOS

CULTIVO COEFICIENTE RANGOS

Soya 0.55 – 2.60

Maíz 0.55 – 1.20

Algodón 1.20- 3.00

Trigo 0.47 – 1.75

Cebada 0.82- 1.50

Arroz entero 0.38- 1.25

Centeno 1.20- 1.95

Avena 0.95- 1.75

Sorgo 0.50- 0.85

Caña de Azúcar 0.13- 0.25

PRODUCCION DE ESTIERCOL ( por 5.000 kg de vivo animal )

ANIMAL VOLUMEN ( m3

) PESO NETO V.S. N . P.

Ganado de leche 0.038 38.5 7.98 0.38 0.10

Ganado de carne 0.038 41.7 9.33 0.70 0.20

Puerco 0.028 28.4 7.02 0.83 0.47

Oreja 0.020 20.0 21.5 1.00 0.30

Pollos 0.028 31.3 16.8 1.20 1.20

Caballos 0.025 28.0 14.3 0.86 0.13

INTRODUCCION A LAS

FUENTES DE ENERGÍA

OLADE

ALFREDO BARRIGA, PHD

ESPOL – ECUADOR

Junio 2011

•Masa: Cantidad de materia que forma un cuerpo, se mide

con la balanza de masas (inercia)

•Velocidad: Tasa de cambio de posición con respecto al

tiempo.

Cantidad de movimiento: (momentum): producto de masa

por velocidad de un cuerpo.

Fuerza: Magnitud física que aplicada a un cuerpo ocasiona

un cambio en su cantidad de movimiento

•Trabajo: Parámetro que se pone en juego cuando una

fuerza se desplaza una distancia (ó en caso de

desplazamiento angular, torque se desplaza un ángulo)

DEFINICIONES BASICAS* 1

•Energía: Parámetro que se pone en juego cuando se puede

generar trabajo como producto final.

•Temperatura: Parámetro que mide la actividad interna de la

materia ( a nivel molecular y atómico)

•Calor: Energía en transición desde un cuerpo de mayor a

menor temperatura.

•Energía Térmica: Energía acumulada como un aumento de

temperatura. Depende además del calor específico que es

característico del material

•Electricidad: acarreador de energía, por medio del

movimiento de electrones a través de un conductor eléctrico.

DEFINICIONES BÁSICAS 2

DEFINICIONES BÁSICAS 3

•Energía mecánica: cubre todas las formas mecánicas de

energía: fuerza en movimiento, presion actuando en

fluidos, etc.

•Energía potencial: Es la energía generada por la presencia

del campo gravitacional.

•Energía cinética: Depende de la masa y la velocidad de

una porción dada de materia.

•Energía química: Es originada en la energía química de la

reacción de oxidación (u otras) de una sustancia dada.

DEFINICIONES BÁSICAS 4

•Máquina: Equipo (compuesto de componentes) que

convierte formas de trabajo o energía. La palanca es la

máquina más simple. La caja de cambios de un vehículo es

una máquina. Dependiendo de las formas de energía que se

interconvierten; estas pueden ser: mecánica térmica;

termo-mecánica; fluido mecánica, etc

•Máquinas Térmicas: Máquina que convierte alguna

forma de energía térmica a energía mecánica, Ejemplos:

son motores de combustión interna; turbinas a gas; etc.

Una forma particular son los sistemas térmicos, que

convierten una forma de energía térmica a otra, por

Ejemplo: Calderos de vapor, hornos,etc.

•Sistemas de Conversión de Energía: Conjunto de

elementos que permite interconvertir una forma de energía a

otra forma mas útil. Ejemplo: Sistema fotovoltaico (energía

solar térmica a eléctrica); Sistema quimo-térmico (energía

química a térmica); sistema termomecánico (térmico a

mecánico), etc.

DEFINICIONES BÁSICAS 5

ESQUEMA DE INTERCONVERSION DE ELECTRICIDAD

(SIMPLIFICADO)

SISTEMA DE

CONVERSION

ENERGETICO PRIMARIO

FOSIL

MECANICA

SOLAR

NUCLEAR

TERMICO

GEOTERMIA

HIDRICA

EOLICA

MAREAL

RED

ELECTRICIDAD

•Eficiencia de Conversión: Fracción entre la forma de

energía de salida y la forma de salida de entrada. Nótese que

en esta etapa de conversión de energía se disipa

irreversiblemente una cierta fracción; de modo que la

eficiencia de conversión es siempre menor a 1 (en porcentaje,

menor que 100 %)

DEFINICIONES BÁSICAS 6

UNIDADES

Caloría (cal )Energía

Watt ( w)Potencia

Wattio-horaEnergía

Eléctrica

Joule ( J)Trabajo

Pascal ( Pa)

Atmósfera ( atm )

Presión

Segundo (s)Tiempo

Metro (m)Longitud

Newton (N)Fuerza

Kilogramo (Kg)Masa

Caloría (cal )Energía

Watt ( w)Potencia

Wattio-horaEnergía

Eléctrica

Joule ( J)Trabajo

Pascal ( Pa)

Atmósfera ( atm )

Presión

Segundo (s)Tiempo

Metro (m)Longitud

Newton (N)Fuerza

Kilogramo (Kg)Masa

1pie= 0.305 m

1h= 3600 s

1Pa= 1 N/m2

1atm = 105 Pa

1J = Nm

1cal = 4.18 J

1W= J / s

USOS DE LA ENERGÍALa energía permite la generación de calor y trabajo por

medio de una transformación apropiada. Es uno de loselementos mas importantes para satisfacer las necesidadesbásicas.

En la actualidad, la energía proviene de los derivadosde los hidrocarburos: petróleo, diesel, gasolina, etc.

La electricidad es una forma intermedia de energía quepermite poner distancia entre el equipo de generaciónprimario de fuerza (electrogenerador) y el equipo usuariode potencia mecánica (electromotor). La electricidadpuede transportarse por conductores a razonablesdistancias.

La selección de las fuentes de energía depende de lacalidad intrínseca de cada fuente, también de laaplicabilidad y su proceso de conversión hacia su usofinal.

Aplicaciones de Biomasa

Biomasa es el término utilizado para describir la materia

orgánica no fosilizada originada en un proceso biológico

espontáneo o provocado, utilizado como fuente de energía

aunque puede tener uso industriales (Borja Velásquez)

La biomasa contiene carbono, nitrógeno, oxigeno e hidrogeno

como cada ser vivo, y por lo tanto presentará el potencial para

la combustión. Esta combustión entonces ofrecerá la energía

en forma de calor. También puede darse oxidación lenta.

Introducción

Generación de Biomasa

CICLO DE LA BIOMASA

H 2 O

CO 2

fotosíntesis

fruto

hojarasca troncos

descomposicio

n

Retorno a suelo / raiz

Radiación

solar

CADENA DE INTERCONVERSION FOTOSINTETICA

ENERGIA CONVERSION

Solar 100

Rad. Fotos. Act. 0.50

Capturada en fotosíntesis 0.80

Almacenada en glucosa 0.28

Mantenida después de respiración

nocturna. 0.60

Mantenida después de foto resp 0.7

Sarturac capacidad utiliz. Fotosin. 0.70

CARACTERISTICAS GENERALES BIOMASA

Reacción Fotosintética 6 CO 2 + 6 H2O C 6 H12 O 6 + 6 O2

CONVERSIÓN FOTOSINTÉTICA

BIOMASA TEORICO MAX REAL MAX

C4 6.7 % 2-3 %

C3 3.3 % 1 %

CONDICIONES DE PRODUCCIÓN BIOMÁSICA MÁXIMO

- Cobertura completa durante año

- Temperatura entre 20 – 30 ° C

- Nutrientes Adecuadas

- Control de Plagas y enfermedades

Poder calorífico ( Base Seca )

17.5 MJ / kg = 4.2 M- cal / kg.

PRODUCCION ANUAL

Tómese un nivel de insolación diario de

Ton 14.5 MJ / m2 D 34400 M cal / ha- d Insolación

Biomasa Anual= ( Insolación * Conversión Global ) / Poder calorífico

Utilización y conversión de la Biomasa

Tecnologías de conversión

•Combustión-Gasificación-Pirólisis

•Biogas

•Biocombustible: Ethanol, biodiesel, etc.

Calderas de Biomasa

http://www.steam-boilers.org/boiler/biomass-boiler-2.html

Calderas de Biomasa

http://www.steam-boilers.org/boiler/biomass-boiler-2.html

Coeficientes de Residuos

La determinación de la cantidad de un residuoparticular se establece por medio de losCOEFICIENTES DE RESIDUO. Esto se mide por larelación entre masa de residuo y la masa delproducto considerado . Así por EJEMPLO: Uncoeficiente de por ejemplo 2.0 para algodón significaque se produce 2.0 Kg de residuo por cada Kg dealgodón en fibra.

Producción y Uso de Carbón Vegetal

Componentes Lignocelulosicos

Biomasa celulósica es una mezcla de polímeros carbohidratosconocidos como celulosa, hemicelulosa y lignina. La fracciónprincipal es celulosa, entre 40 y 50%, hemicelulosa, entre 20 y40%, mientras que el el resto es lignina con un poco deextractables. Celulosa consiste de moléculas de glucosaunidas en una larga cadena de estructura cristalina.Hemicelulosa es un conjunto de cadena larga de azúcares sinla estructura cristalina. Lignina es un polímero complejo querodea las paredes de la celulosa y es más resistente a ladescomposición acída y bacteriana .

COMPOSICION DE BIOMASAS TIPICAS

Azúcares 10

% Mineral+Ligni

na 3 %

Celulosa 3% Hemicelulosa6

%

Aceite 10%

Proteina 10 %

Almidón 72%

Otro 13 %

Lig 17 %

Cel 32 %

HC 32 %

Extractable

5%

Lig 22%

Cel 50 %

HC 23 %

Otro 10 %

Lig 15 %

Cel 45 %

HC 30 %

MAIZ RESIDUOS AGRICOLAS MADERAS DURAS PLANTAS HERBACEAS

BIOMASA

Animal o vegetal

HUMEDA

Obtenida con Humedad

mayor al 60%

SECA

Obtenida con Humedad

menor al 60%

Procesos Físicos Procesos

Biológicos

Procesos Termoquímicos

Combustión

Pirolisis

Gasificación

Liquefacción

Fermentación

(alcohol)

Digestión

Bacteriana

Secado-Compac

Trociado

Prens Mecánico

Caminos de Aprovechamiento de Biomasa como Energía

Destilación

Tecnologías de Transformación – Utilización de la Biomasa

Generación Equipo Transformación Primaria

Vapor Caldero

Calor Horno

Fuerza Motriz Motor-Maquina

Electrcidad Central

Combustion de:alcohol-biodiesel-

biogas-gas pobre

Pre-procesamiento: leña,

cascaras, etc

Pre-procesamiento: leña,

cascaras, etcTransformación en

biocombustibles

Transformación en

biocombustibles

Proceso Intermedio

Hogar de Biomasa

Hogar de BiomasaCombustion de:alcohol-biodiesel-

biogas-gas pobre

ESQUEMA DE COMBUSTION DE LIGNOCELULOSICO EN AIRE

AIRE

CENIZAS

LLAMA

BRASA

LEÑA

VOLATILES

CARBON

VEGETAL

CC. - SECADO

- TORREFACION

- PIROLISIS

COMBUSTION ( BRASA )

Tipología de Digestores de Biogas

http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia34/HTML/articulo03.htm

Biodigestor Modelo

Hindú www.energianatural.com.ar/biogas02.html

Biodigestor Modelo Chino

www.energianatural.com.ar/biogas02.html

http://www.ruralcostarica.com/biodigester.html

Digestor Horizontal, Cubierta de Plástico

Reflexiones sobre Uso de biomasa

Combustión esta establecida. Requiere control de emisiones

Biogas se aplica en pequeña escala y escala industrial

Bioetanol esta establecido. Avances reciente con uso de celulosa

Biodiesel esta en onda expansiva

Debe allanarse conflicto alimento vs fuel

PREGUNTAS Y COMENTARIOS DE LA SESION: CAPEV-09-BIOMASA-SESION-01-13-06-2011

¿Cómo cuantificar la demanda de energía para quienes no tienen energía, sobre todo en áreas

rurales?

Se hace vía encuestas directas o por determinación razonable de las necesidades o por comparación de

grupos humanos similares que estén en situaciones similares. Se hace entonces un estimado de

demanda por determinado consumo diurnal (diario), por ejemplo:

3 focos - 15W – 6 horas/día Total: 270 Wh/d (Vatios horas en cada día)

Televisor 50W – 5 horas/día Total: 250 Wh/d

Radio 20W – 3horas/día Total: 60Wh/d

Total de suma: 580Wh/d

Otros: Depende de la región, ejemplo ventiladores etc. se redondea 120Wh que sumado a lo anterior,

seria 700Wh/d

Nota: Este es consumo de electricidad y no incluye uso de refrigeradoras. Se ha limitado a necesidades

estrictamente básicas de iluminación y acceso de telecomunicaciones y sistemas de información como

televisión y radio. Sin embargo, en zonas muy remotas es posible que no haya acceso a televisión, en

cuyo caso esto se restaría. El uso de un refrigerador aumentaría entre 2000 o 3000 Wh/d, dependiendo

del tipo de refrigerador, del grado de eficiencia y uso, así como la práctica personal del usuario (abrir

puertas, dejar puertas abiertas, meter carga, etc.). En definitiva, dependiendo de las necesidades que se

quieran satisfacer, la demanda diaria por familia (vivienda) de energía se ubicara en niveles desde unos

500Wh/d(caso básico – sin refrigerador) hasta unos 2000Wh/d(cuando hay un refrigerador pequeño).

Véase Folletos de Fuentes Alternas de Energía, Curso de Maestría OLADE Universidad de Calgary 2002

ABarriga.

Se podría establecer alguna relación proporcional entre la capacidad de una caldera y la cantidad de

MW producidos en una central termoeléctrica de biomasa

La respuesta es afirmativa. La generación eléctrica estará en proporción a la cantidad de vapor generado. Por tanto si se duplicase la demanda eléctrica tendría que duplicarse el suministro de vapor, y así similarmente para cualquier otra proporción, siempre y cuando se mantenga en condiciones similares de temperatura, presión del vapor o su calidad. Hay alguna manera de estimar cuantas toneladas diarias de residuos se necesitan para producir 1MW Si, se necesita conocer por un lado, el poder calorífico de la biomasa residual y por otro la eficiencia de conversión (transformación de energía termoquímica (biomasa) a energía eléctrica).

Consumo de Planta Electrogeneradora

Tómese el caso de un generador de 1MW que tiene una eficiencia medida en sitio de 36%, es decir

0.36KWh (eléctrico) por cada KWh (termoquímico) suministrado.

Úsese datos de biomasa y factores de conversión:

Poder calorífico inferior de la biomasa 15 MJ/Kg (15000 kJ/kg)

Factor de conversión 1KWh=3600KJ

Consumo especifico (por cada kwh-electrico)

Consumo por día

Consumo diario = Pot x h/d x ce

Consumo diario =

Existe alguna forma o metodología para estimar la distancia máxima económicamente factible de

recolección de biomasa para ser trasladado a una central térmica

Tiene que ver con la combinación de costo original del residuo (si lo tuviese), así como con el costo de

transporte desde el punto de origen hasta el punto de destino final. Tiene así mismo que ver con el

estado de la biomasa en particular su transportabilidad así como su contenido de humedad. Se hace

notar que si bien algunos desechos pueden no tener un valor comercial en un momento inicial de

negociación, podrían adquirir algún tipo de costo, una vez que se convierten en insumo o material prima

de una industria, como por ejemplo, la generación eléctrica. El contenido de humedad tiene q ver con la

decisión de donde se coloca una planta de procesamiento, esto es en el sitio de origen de la biomasa o

en el sitio de uso final, puesto que en el primer caso se reducirían los costos de transporte. Tiene

además que ver con la cantidad de biomasa que exista en los centros individuales y las rutas de su

recorrido. Por ejemplo la generación de cascara del arroz en grano, se genera en los múltiples centros de

secado y descascarado, que existan (denominados pilladoras en Ecuador y otros países). Dependiendo

de la posición relativa entre ellas se podría hablar de un sistema de recolección, que las lleve hacia

puntos de acopio intermedio o hacia centros de uso por ejemplo centrales eléctricas que operen a

biomasa.

¿Que significa HC?

En la diapositiva #21 HC significa Hemicelulosa

¿Veremos el biodigestor tipo manga, de plástico de una sola envoltura? los biodigestores tienen

costos altos de instalación

Los biodigestores varían de precio de acuerdo al tipo de tecnología que utilizan. Se verá esto más en

detalle cuando lleguemos a la parte correspondiente.

Nota: Unas pocas preguntas adicionales serán contestadas próximamente.

Esta guía corresponde a la Biomasa en sus varias aplicaciones

Conversión Solar a Biomasa

01.- Revise el ciclo natural de la biomasa. Explique el proceso de fotosíntesis. Indique

el efecto del nivel de radiación solar. Lo mismo para otros factores de importancia.

Explique como se almacena la energia dentro del tejido de las plantas. Como se indica

en las notas, aun con las plantas más eficientes en convertir energia como lo son las C4,

el máximo valor de aprovechamiento no supera 2 a 3%. La formula típica de biomasa es

C6H12O6.

02.- Note que de 100 unidades de radiación solar, solo la parte visible (longitud de onda

entre 0.4 a 0.7 micro-metro) y que equivale a un 50% (0.5) de la radiación incidente es

radiación “foto-sintéticamente” activa – RFA. La fracción de RFA capturada por

material foto- sintéticamente activo es 80% (0.8). En adición, la fracción de energía de

fotones que se almacena en moléculas de glucosa es 28% (0.28). Finalmente, la

respiración nocturna de las plantas usa el 40% de la energia, dejando solo el 60% (0.6).

Por tanto, la fracción global de energía que se almacena en plantas en relación a energía

solar es:

100 x 0.5 x 0.8 x 0.28 x 0.60 = 6.7%

03.- Esta cifra es un máximo ideal, alcanzable solo en plantas C4, cuyo primer producto

de fotosíntesis es una molécula de azúcar con 4 átomos de carbono: maíz, sorgo y cana

de azúcar. Las plantas más comunes, de tipo C3, es decir moléculas de azúcar con 3

carbonos, pierden 30% de la energía capturada durante la foto-respiración. Estas son

plantas mucho mas comunes (95% de las plantas son C3), pierden 30% de la energía

fotosintética durante foto-respiración (en momentos que brilla el sol), y se saturan con la

luz y pueden absorber solo el 70% de la energía. Por tanto, la fracción de conversión

para este tipo de plantas (C3) será:

6.7% x 0.7 x 0.7 = 3.3%

04.- Condiciones para máxima conversión foto-sintética y producción de biomasa son:

- Cobertura completa de follaje todo el año

- Ni temperaturas bajas ni climas muy secos

- Presencia adecuada de nutrientes y suministro de agua

- Bajas perdidas por plagas y enfermedades

En la practica, la tasa final de conversión oscila entre 1 a 2%

TECNOLOGIAS DE TRANSFORMACION TERMOQUÍMICAS DE LA BIOMASA

Presentado por: Alfredo Barriga R. PhD Fecha: 16 de Junio, 2011

05.- La energía fotosintética se guarda como glucosa (y otros azucares complejos) en

los varios componentes de la planta: trunco; raíces; ramas y hojas; follaje; frutos y

semillas; etc. La producción por hectárea se calcula notando que el poder calorífico de

material leñoso es del orden de 17.5 MJ/kg en base seca. Así, tómese por ej un nivel de

radiación solar de 15.1 MJ/m2-día (equivalente a 4.2 kwh (solar)/m2-día); con una

relación de conversión de 0.01, con 10 000 m2 por hectárea y 365 días al año, la

producción seria:

15.1 MJ/m2-d x 10 000 m2/ha x 0.01 x 365 d/año / 17.5 MJ/kg = 32 000 kg

Equivalentes a 32 Ton por año. En la práctica el rango típico es 20 a 30 Ton/año.

06.- Note las condiciones requeridas para que se genere este nivel de producción

biomasita. Así, aprecie la necesidad de suministro de nutrientes y agua, así como su

momento apropiado durante el crecimiento de la planta, así como su disponibilidad en

forma rápidamente absorbible por las por los microorganismos del sistema radicular

(maíces). Note así mismo la necesidad de tener cobertura completa del follaje (canopy)

para captar la mayor parte del influjo de radiación solar (o de su parte visible y

fotosinteticamente activa)

Descripción Química de la Biomasa

07.- La biomasa puede describirse químicamente desde varios aspectos. Desde el

análisis elemental (ultimo) la biomasa se compone de C, H, O, N, S, etc. Desde el punto

de vista de análisis próximo se compone de: Humedad; fracción orgánica (volátil y no-

volátil); y fracción mineral. Desde el punto de vista ligno-celulósico: celulosa;

hemicelulosa; lignina; azucares; almidones; extractable; y material mineral.

08.- La biomasa se descompone lentamente sea por oxidación lenta a nivel de suelo o

por la acción de flora y fauna (y microorganismos) del mismo suelo. Esto retorna los

nutrientes al suelo

09.- Revise lo presentado para apreciar las diversas rutas de conversión termoquímica

de la biomasa. Aun en procesos lentos de combustión, se trata de una mezcla de varios

procesos. Tómese el caso de fogones domésticos típicos: de fuego abierto; de tres

piedras; semi-abiertos; y estufas cerradas. La eficiencia de ellos es variable dependiendo

de cuan bien aprovechan el calor de la reacción química de combustión.

Fogones

10.- En zonas rurales y tradicionales, los fogones no se usan solo para cocción, sino que

además son el centro de la actividad familiar y para proveer fuente de calor, así como

luz y efectos de gases repelentes (pero algo perniciosos). En algunos casos, el olor

característico de la cocción con leña todavía se lo promociona en ciertas zonas.

Pirolisis

11.- Pirolisis es la descomposición térmica de la biomasa, desde unos 150 a 500 grados

C (y aun más alto). La fracción volátil se emite y deja la fracción sólida. La fase gaseosa

contiene: monóxido de carbono; metano; algo de hidrogeno; y pequeñas cantidades de

otros gases; la fase liquida (momentáneamente evaporada) contiene hidrocarburos,

alquitrán y licor piroleñoso. La fracción sólida que queda es el material carbonizado,

con poco contenido de volátiles, densidad mas baja que la biomasa original. Esto es el

denominado carbón vegetal. La pirolisis puede ser lenta o rápida tal como se explico en

la presentación. Por otro lado, los volátiles pueden reciclarse tanto para un uso separado

como para generar el calor requerido para la propia pirolisis.

Carbón Vegetal

12.- En la fabricación de carbón vegetal, leña y similares se arman dentro de un

recipiente apropiado (o una pila en fabricación artesanal). Existe algún tipo de fogón en

la parte inferior, en que se produce combustión de algún producto apropiado; en la

fabricación artesanal, se usa restos de biomasa de menor calidad. Los gases calientes

van calentando la masa y causando la emisión de la fracción volátil. Se evita el contacto

con aire fresco para evitar la combustión de gases y carbón. En los sistemas mejor

industrializados, se aprovecha parte de los volátiles para suministrar el calor necesario

por combustión en el hogar interior del sistema.

Combustión

13.- Véase el modelo de combustión de biomasa presentado en clase. La combustión de

un pedazo de biomasa presente varios frentes que avanzan. Hay una llama gaseosa que

rodea la pieza bajo combustión. La llama radia calor hacia la porción no quemada de la

biomasa, generando el proceso de pirolisis que origina la emisión de los volátiles que

alimentan el ciclo y se combustión en la llama gaseosa. Así mismo, el calor genera un

frente de deshidratación (secado) hacia la porción “fresca” de la biomasa. En un hogar,

los trozos de biomasa se colocan unos sobre otros, y se radian calor entre ellos, y luego

hacia el hogar.

La combustión de biomasa en cámaras de combustión, así como la transferencia de

calor en las paredes, depende de una serie de factores del tipo térmico, fluido dinámico

y otros, tal como se ve mas adelante.

14.- Las varias formas de biomasa ligno-celulosica pueden ser combustionadas y su

calor puede aplicarse de forma útil. Así, se puede aprovechar como combustible aserrín

y astillas de madera de la industria de la madera; así mismo, cáscaras y corazón

(“pepas”) de frutos pueden también utilizarse como combustible. Restos de tallos,

ramaje, fibras de procesamiento de biomasa, etc., puede ser utilizada. Bagazo en un caso

interesante, pues es un producto residual de la fabricación de productos de industrias

azucareras y alcoholeras.

Incrustaciones en la Combustión de Biomasa

15.- El contenido de material mineral puede limitar el uso de estas formas de biomasa,

pues elementos como Na, K y otros puede generar formación de escorias e

incrustaciones por el bajo punto de fusión. Ciertos metales como Vanadio ocasionan

también problemas por sales compuestas de vanadio y sodio. Residuos de la

industrialización de palma africana tienen estas características que imponen

precauciones especiales al usar los residuos como combustible en hogares de

combustión. Deben analizarse los llamados “factores perniciosos” (fouling indices) de

las varias biomasas.

Combustión de Biomasa en Cámaras-Hogares Industriales

16.- La combustión de formas de biomasa se da en cámaras (hogares) de combustión.

Existe generalmente una parrilla (móvil típicamente). El producto (leños, cáscaras,

astillas, etc.) se introducen por alimentación en “bulto” o insufladas en aire (depende del

tamaño y contextura). Así, biomasa fibrosa puede ser introducida insuflada (en

suspensión) en aire. La biomasa recién introducida se va volatilizando conforme se

enfrenta con la llama, alimentando en forma cíclica esta llama gaseosa con los

productos de volatilización. El residuo carbonizado puede quemarse en suspensión o si

densidad, forma y tamaño lo llevan hacia el piso de la parrilla, se combustión como

brasa encima de esta. El retiro de las cenizas es una operación importante. La

formación de incrustación y escorias es otro punto muy importante, pues cenizas con

bajo punto de fusión pueden generar escorias y otras formaciones que se depositan

sobre superficies metálicas y generan problemas. Así mismo, el “tren de depuración’ de

los gases de escape debe diseñarse cuidadosamente para extraer de la corriente gaseosa

para eliminar gases perniciosos.

Se añadirá en la siguiente guía un resumen de un reporte interno sobre combustión.

Gasificación Térmica

17.- Se trata del llamado Gas Pobre, por un proceso termoquímico. En realidad es una

combinación de procesos de oxidación y reducción. En definitiva, el proceso se da en la

zona de reacción de un generador de gas pobre, en que se produce una oxidación con

alto déficit de oxigeno, seguida inmediatamente por reducción de los gases con el

carbono del lecho caliente. Se generan gases combustibles: monóxido de carbono;

hidrogeno; algo de metano; etc. Se genera además condensables como agua, alquitrán,

hidrocarburos complejos (agrupados como licor piroleñoso), etc.

18.- Detalles de la preparación previa de la biomasa para combustión en hogares

industriales va más allá de la cobertura del presente curso. Más información puede ser

suministrada de así solicitarlo los interesados en profundizar. En clase se presentaron

esquemas de las diversas plantas de gasificación. Mas información se plantearan en las

guías subsecuentes.

Tecnologías transformación termoquímicas de la biomasa

OLADE

ALFREDO BARRIGA, PHD

ESPOL – ECUADORJunio 2011

Ciclo Natural de la Biomasa

BIOMASAAnimal o vegetal

HUMEDAObtenida con

Humedad mayor al 60%

SECAObtenida con

Humedad menor al 60%

Procesos Físicos Procesos Biológicos

Procesos Termoquímicos

CombustiónPirolisisGasificaciónLiquefacción

Fermentación(alcohol)Digestión Bacteriana

Secado-CompacTrociadoPrens Mecánico

Características de la Biomasa

Fuente: Manual de Energía Térmica con biomasa

Comparación de Características de Biocombustibles

CARACTERISTICAS GENERALES BIOMASA

Reacción Fotosintética 6 CO 2 + 6 H2O C 6 H12 O 6 + 6 O2 CONVERSIÓN FOTOSINTÉTICABIOMASA TEORICO MAX REAL MAX

C4 6.7 % 2-3 %C3 3.3 % 1 % CONDICIONES DE PRODUCCIÓN BIOMÁSICA MÁXIMO-         Cobertura completa durante año-         Temperatura entre 20 – 30 ° C-         Nutrientes Adecuadas-         Control de Plagas y enfermedades Poder calorífico ( Base Seca ) 17.5 MJ / kg = 4.2 M- cal / kg. PRODUCCION ANUALTómese un nivel de insolación diario de Ton 14.5 MJ / m2 D 34400 M cal / ha- d InsolaciónBiomasa Anual= ( Insolación * Conversión Global ) / Poder calorífico

Los procesos termoquímicos (pirólisis, gasificación y combustión) consisten en una descomposición de los componentes orgánicos de la biomasa a altas temperaturas.

Distinguimos algunos métodos como:•Combustión•Pirólisis•Gasificacion

MÉTODOS TERMOQUÍMICOS.

Esquema del proceso de descomposición térmica de la biomasa

ESQUEMA DE COMBUSTION DE LIGNOCELULOSICO EN AIRE

AIRE

CENIZAS

LLAMA

BRASA

LEÑA

VOLATILES

CARBON VEGETALCC.

- SECADO

- TORREFACION

- PIROLISIS

COMBUSTION ( BRASA )

PirolisisEs la Combustión incompleta de la biomasa en ausencia de oxigeno, a unos 500 grados centígrados. y que rinde como producto principal el denominado carbón vegetal, cuando se realiza a temperaturas relativamente bajas (inferiores a 350ºC) y tiempos largos, hasta de muchos días, si se utilizan las tecnologías tradicionales. Este proceso se conoce también con el nombre de carbonización..

BIOMASA + CALOR CO2 + CO + H2 + CXHY

BIOMASA + CALOR Carbono + Líquido + gases

Esquema de un Combustible Gaseoso (metano)

Esquema de un combustible líquido (fuel oil)

Esquema de un combustible Biomásico (madera)

Tecnología Tiempo de residencia

Temperatura máxima (oC)

Producto Principal

Poder calórico (Base

seca)

Carbonización Horas-días 300-500

Carbón vegetal 30 MJ/ Kg

Lenta 5-30 min. 400-600

Bio-óleo. Carbón. Gas

20 MJ/ Kg 30 MJ/ Kg 5-10 MJ/Nm3

Rápida ≤1s 450-600 Carbón Gas

30MJ/ Kg 10-20 MJ/Nm3

Rápida ≤1s 700-900 Carbón Gas

30 MJ/ Kg 15-20 MJ/Nm3

Tecnologías de Pirolisis

Cuando la biomasa se somete a un proceso de pirólisis se obtienen productos tales como:

ØSólidos (carbón vegetal)ØLíquidos (Bio-aceite combustible) (Bio-oil)ØGases (combustible gaseoso de bajo o medio poder calórico)

Los productos básicos de la pirólisis dependen de:•Temperatura del reactor.•Razón de calentamiento asociada con el tamaño de la partícula.•Tiempo de residencia de los productos en el reactor.•Tecnología empleada (equipamiento) y parámetros de•trabajo.

LA COMBUSTIÓN

La combustión es un proceso por el que la biomasa directamente o sus biocombustibles derivados son oxidados hasta dióxido de carbono (CO2), agua. La ecuación global de la reacción de combustión es la inversa de la de fotosíntesis.

BIOMASA + O2 CO2 + H2O + CALOR

Tipos de Cámara de Combustión de Biomasa

Principales tecnologías de combustión para la biomasa

Tecnologías para Combustión de Biomasa

Parrilla: Que pueden ser fijas, horizontales e inclinadas, como móviles y vibratoriasLecho fluidizado: Se basa en producir la reacción de combustión en un medio de reacción denominado lecho en el que las partículas de combustible se mueven de forma parecida a las de un líquido

Parrilla Móvil

Fuente: Manual de Energía Térmica con biomasa

Horno de lecho fluidizado burbujeante

Biomasa Residual Típicaü Restos de cosecha: rastrojos; tallos y ramas, etc.

ü Bagazo del proceso de extracción de jugo de cana (producción de azúcar, alcohol, etc.)

ü Cáscara de arroz.

ü Cáscara y raquis de palma aceitera.

ü Restos de industrialización de madera: corteza, laterales de corte, tablones dañados, etc.

ü Aserrín y virutas de madera, de a fabricación de elementos de madera.

Temperatura de Operación de la Cámara

La temperatura de operación depende de varios factores tales como:

v Poder Calorífico del Combustible.

v Humedad de la biomasa.

v Porcentaje de exceso de aire.

v Transferencia de calor de llama a las paredes de transferencia en la cámara.

v Perdidas de calor hacia el exterior.

v Completamiento de la combustión.

Horno de Parrilla Inclinada

Análisis de los principales residuos agrícolas en “Base Seca”

Análisis de los principales Residuos Agrícolas en “Base Húmeda”

Fórmula Química y Poderes Caloríficos en “Base Húmeda”

Efectos de la Humedad en poder calorífico de la Biomasa

Efectos de la Fluido- dinámica de Partículas

Las partículas al descender libremente en una ambiente fluido (aire o gases de combustión por ejemplo) caen con una velocidad que depende de las fuerzas fluidas (arrastre).

Estas fuerzas de arrastre dependen por un lado de la viscosidad del fluido, mientras que por otro de aspectos como la forma de la partícula. Para el caso de partículas de forma irregular, como lo son la mayoría de las biomasas “troceadas” como bagazo, cáscaras, etc. el coeficiente de arrastre depende de la estela que se forma corriente abajo por el paso de la partícula.

Vista de Biomasa troceada insuflada con aire desde una boca de

alimentación

Factores que afectan forma de llama en Combustión de Biomasa

La forma de la llama depende de :

v Proporción entre combustión en fase gaseosa de productos de pirolisis, y combustión en brasa de residuo carbonáceo.

v Posición relativa de la biomasa al momento de combustión en seno del gas y sobre parrilla.

v Geometría y distribución del suministro de aire: desde debajo de parrilla; y por encima de ella.

v Presencia de efectos vorticoidales: se inducen por entrada tangencial de aire.

Esquema ilustrativo de las diferentes etapas durante la combustión de una partícula de combustible de biomasa

Vista general de un horno de lecho fijo de parrilla transportadora

Vista y descripción de las partes de un horno de lecho fijo de Parrilla

Transportadora

Vista de la boca de Alimentación y forma parabólica de la biomasa al

ingresar a la cámara de combustión de un horno

Fuente CIEMAT

Fuente CIEMAT

Tecnologias de Transformacion Termica

Generación Equipo Transformación Primaria

Vapor Caldero

Calor Horno

Fuerza Motriz Motor-Maquina

Electrcidad CentralCombustion de:alcohol-biodiesel-

biogas-gas pobre

Pre-procesamiento: leña, cascaras, etc

Pre-procesamiento: leña, cascaras, etc

Transformación en biocombustibles

Transformación en biocombustibles

Proceso Intermedio

Hogar de Biomasa

Hogar de BiomasaCombustion de:alcohol-biodiesel-

biogas-gas pobre

Proceso Contenido energético respecto a

la biomasa de partida (%)

Combustible intermedio. Calor.

Electricidad o trabajo mecánico

Combustión 65-95 20-35

Pirólisis (Carbonización) 70-75 60-70 22-30

Gasificación 65-80 22-27

Eficiencia de los diversos procesos térmicos con Biomasa

Los principales problemas de la operación con biomasa residual son:

v Formación de aglomerados y escoria en parrilla (slagging).

v Deposición de incrustaciones en superficies interiores (fouling).

v Corrosión de superficies metálicas.

Problemas en la Combustión Industrial de Biomasa Residual

SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 + TiO2 + CaO + MgO + Na2O +K2O + P2O5 + SO3 + ... = 100 %

• Cenizas ácidas:SiO2, Al2O3, TiO2• Cenizas Básicas

Fe2O3,CaO, MgO, Na2O, K2O, P2O5, SO3• % de cenizas básicas

(Fe2O3 + CaO + MgO + Na2O + K2O) x 100

SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 + TiO2 + CaO + MgO + Na2O + K2O• % de cenizas ácidas

(SiO2 + Al2O3 + TiO2) x 100

SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 + TiO2 + CaO + MgO + Na2O + K2O• Relación básico/ácido

(Fe2O3 + CaO + MgO + Na2O + K2O)——————————————— x 100

SiO2 + Al2O3 + TiO2

Análisis de CenizasSe suele realizar mediante espectroscopia de Absorción Atómica. Los resultados se expresan como los óxidos de los elementos analizados.

Escoria formada en Combustión de Biomasa

Incrustaciones en los tubos de fuego de una caldera

Emisiones y su ControlEn las plantas de combustión se producen efluentes gaseosos, sólidos y líquidos. Las partículas son una de las emisiones más importantes que se encuentran en la combustión de la biomasa.SISTEMAS DE DEPURACIÓN DE GASES

vSistemas Ciclónicos

vFiltros de mangas

vSeparación por vía húmeda (wet scrubbers)

vElectrofiltros

Perspectivas de la Combustión de Biomasa Residual en Hornos

y Calderos en Ecuador

El uso de biomasa en combustión industrial es muy común en Ecuador. Tanto especies forestales leñosas como restos de cáscaras y ramajes lignocelulosicos son utilizados típicamente en combustión en hornos y calderos industriales.

Un caso práctico son los calderos de las plantas madereras, que utilizan los restos de madera como combustible.

Cascarilla de Arroz

Bagazo de Caña

Cascarilla de Palma Aceitera

Principales biomasas que existen en Ecuador

PRINCIPALES CULTIVOS AGRICOLAS Y

RESIDUOS AGROINDUSTRIALES

CULTIVOS PERMANENTES

SUPERFICIE (Has.)

PRODUCCIÓN (Tm.)

VENTAS (Tm.)Plantada

Edad Productiva Cosechada

TOTAL NACIONALSolo 1.124.976 982.457 942.273

Asociado 309.799 283.711 267.634

BANANO (FRUTA FRESCA) (Musa cavendishii)

Solo 180.819 172.762 169.753 5.891.447 5.206.675Asociado 31.025 30.476 27.657 110.855 79.150

CACAO (ALMENDRA SECA) (Theobroma cacao)

Solo 314.735 278.582 265.351 73.392 70.582Asociado 108.250 95.109 91.307 12.499 10.995

CAFÉ (GRANO ORO) (Coffea arabica)Solo 124.442 114.436 100.684 23.260 18.055Asociado 87.838 84.641 77.120 15.427 13.236

CAÑA DE AZÚCAR PARA AZÚCAR (TALLO FRESCO) (Saccharum officinarum)

Solo 103.158 99.507 96.817 8.360.001 8.360.001Asociado . . . . .

CAÑA DE AZÚCAR PARA OTROS USOS (TALLO FRESCO) (Saccharum officinarum)

Solo 45.391 . . . .Asociado . . . . .

MARACUYÁ (FRUTA FRESCA) (Passiflora edulis)Solo 13.690 12.007 11.742 88.360 86.904Asociado 1.870 1.501 1.474 7.959 7.921

NARANJA (FRUTA FRESCA) (Citrus sinensis)Solo 5.442 5.105 4.933 31.652 29.751Asociado 16.547 14.573 14.130 24.407 18.957

PALMA AFRICANA (FRUTA FRESCA) (Elaeis guineensis)Solo 165.666 146.492 144.090 1.805.214 1.805.214Asociado 1.468 1.165 1.165 4.259 4.259

PLÁTANO (FRUTA FRESCA) (Musa paradisiaca)Solo 77.119 70.196 68.802 446.205 355.345Asociado 43.632 38.586 37.512 148.822 118.210

TOMATE DE ÁRBOL (FRUTA FRESCA) (Cyphomandra betacea)

Solo 3.373 2.087 1.864 11.883 11.255Asociado 308 116 114 364 332

OTROS PERMANENTES Solo 91.143 81.283 78.237 Asociado 18.860 17.544 17.155

FUENTE :INSTITUTO NACIONAL DE ESTADÍSTICA Y CENSOS (INEC) ESPAC - 2007

Definiciones, períodos, significados de abreviaturas y símbolos, ver texto

FUENTE DE NOMBRES CIENTÍFICOS: http://articulos.infojardin.com

BIOMASA VEGETAL

Acciones Necesarias para uso de biomasa en hornos

v Evaluación de cantidad y localidad de biomasa residual.v Caracterización de biomasa y sus minerales.v Selección de hornos apropiados.v Remplazo progresivo de biomasa principal.v Evaluación de eficiencia.v Control de escoria e incrustaciones.v Control de emisiones.v Pruebas globales de operación.

Consumo de Planta Electrogeneradora1Tómese el caso de un generador de 1MW que

tiene una eficiencia medida en sitio de 36%, es decir 0.36KWh (eléctrico) por cada KWh (termoquímico) suministrado.

Úsese datos de Biomasa y factores de conversión:Poder calorífico inferior 15 MJ/Kg (15000 kJ/kg)Factor de conversión 1KWh=3600KJ

Consumo de Planta Electrogeneradora2Consumo especifico (por cada kwh-electrico)

Consumo por díaConsumo diario = Pot x h/d x ce

Consumo diario =

Consumo de Planta Electrogeneradora3

Eficiencia % (c.e)masa(kg/kWh)

Consumo diario (ton/d)

36 0.66 15.8

38 0.63 15.15

40 0.6 14.4

41 0.585 14.04

Tabla de comparacion de eficiencia con el consumo diario de toneladas de biomasa de una Planta de 1 MW

Consumo de Planta Electrogeneradora4

Eficiencia (c.e)masa(kg/kWh)

Rendim. Vol. (kWh/gal)

Consumo diario (gal/d)

36.5 0.23 15.4 1558

38 0.22 15.96 1503.5

40 0.21 16.8 1428.29

41 0.206 17.22 1393.45

Tabla de comparacion de eficiencia con el consumo diario de Fuel Oil de una Planta de 1 MW