mientras que en invierno se pre- l - dialnet.unirioja.es · y acaban colmatándose y desde el punto...

RESUMEN:

Las necesidades de consumoenergético y la necesidad depreservar el medio de agre-

siones cuyos efectos son del todoimpredecibles mueven a la búsque-da de fuentes de energía que en lamedida de lo posible, sean reno-vables y respeten el medio. La bio-masa en un posible candidato afuente alternativa. Además, su estu-dio es un buen recurso didáctico.

INTRODUCCIÓN

Los recientes incidentes en el suministro eléctrico,desde las islas Baleares hasta los EE UU ponen demanifiesto un hecho: las redes de suministro están allímite de sus posibilidades y cualquier problema pornimio que sea, puede acarrear unos resultados catas-tróficos.

Con todo, la sociedad del primer mundo insiste enaumentar su consumo energético llegando al despilfa-rro. Valga un ejemplo: en verano se gastan millonadaspara tener una temperatura ambiente de 18 ó 20ºC

mientras que en invierno se pre-tende 25ºC. En este momento un20% de la población consume el80% de los recursos energéticos.Este es un problema gravísimo,sobre todo teniendo en cuenta queel primer mundo no lleva trazas deceder en su consumo, sino todo locontrario y el tercer mundo aspira alos niveles de vida y de consumodel primero.(Fig. 4)La mayor parte de la energíaproviene de los combustiblesfósiles, -con el problema de sus

reservas limitadas y de los efectos de contaminación,especialmente por los gases de efecto invernadero ylluvia ácida,- y de la energía nuclear de fisión, con losinconvenientes de la limitación del material fisionable, yla generación de residuos radiactivos, aunque en estecaso no hay gases de efecto invernadero1, al menos enla fase de producción energética (Fig.1).

Otra fuente de energía es la hidráulica. Tampoco estáexenta de problemas ya que tiene una dependenciadirecta con la meteorología y precisa una inversión ini-cial, económica y energética, muy grande en la cons-trucción de infraestructuras. Una presa implica siempreun peligro de catástrofe. Los embalses no son eternos

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I.E.S. Las Lagunas Rivas VaciamadridDepartamento Química Analítica e

Ingeniería Química. Universidad de Alcalá.

joseantonio.martí[email protected]

José Antonio Martínez Pons

1 Un excelente estudio sobre el cambio climático y la influencia en el mismo de los gases de "efecto invernadero" puede encontrarse en Martínez Lope(2003)

LA BIOMASA COMO FUENTE DE ENERGÍA RENOVABLE

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biomasa.qxd 20/10/2005 12:56 PÆgina 32

y acaban colmatándose y desde el punto de vista am-biental no son inocuos ya que convierten un ambientefluvial en palustre, con las consiguientes consecuenciaspara la flora y la fauna, juntamente con una relativa ele-vación de la temperatura del agua y otros problemasque no es momento de tratar.

Además de estas tres fuentes de producción de energíaa gran escala, existen otras fuentes con mucha menorimplantación, como la energía solar que a su vezpuede dividirse en un aprovechamiento térmico de laradiación solar para altas o bajas temperaturas y enconversión directa de la energía luminosa en eléctricapor medio de células fotovoltaicas. En líneas generalesla producción de un MW equivale aproximadamente auna hectárea de colectores. Ésta queda lógicamenteimproductiva. Además, la fabricación de células foto-voltaicas con la tecnología actual a base de silicio, sig-nifica un elevado costo energético que debe obtenerse

de alguna fuente "clásica". Este coste equivale a unafracción no desdeñable de la energía proporcionadapor la célula en toda su vida útil. Es posible que con lamejora de su rendimiento y de las tecnologías de fabri-cación puedan ser una fuente eficiente de energía agran escala.

Otra fuente de producción de energía es el viento. Lahumanidad ha aprovechado la fuerza del viento desdetiempo inmemorial, sobre todo para mover molinos ynaves. Hoy día se están instalando abundantes par-ques eólicos. Sin embargo es innegable el impactoambiental y sonoro de estos aparatos y sus limita-ciones.

La energía nuclear de fusión sigue estando muy lejosde ser rentable económicamente Tampoco de momen-to, el uso directo del hidrógeno como combustiblepuede considerarse como una alternativa eficiente agran escala. Si bien es cierto que su combustión nogenera sino agua, hay que producirlo, por ejemplo porelectrolisis, lo que implica un costo energético mayorque el recuperado (2ª ley de la termodinámica), dis-tribuirlo y almacenarlo, problemas aun no satisfactoria-mente resueltos.

Otras fuentes energéticas, como la mareomotriz o lageotérmica o están muy localizadas geográficamente ono parecen dar resultados prácticos.

Ninguna de las fuentes renovables citadas es capaz deuna producción masiva y están limitadas por las condi-ciones meteorológicas por lo que podrán servir deapoyo pero nunca de base al suministro normal deenergía (Instalaciones domésticas que viertan a la redla energía sobrante, de lo que se viene hablando, nodejan de ser meras anécdotas).

De lo dicho se puede concluir que recursos no soninagotables, las fuentes de energía reales están muypoco diversificadas, la sed de consumo no cesa y estáaumentando el calentamiento global, (Hansen, 2004)por efecto invernadero (sea antrópico o no), y nadieparece dispuesto a limitar el consumo desaforado, portanto la solución única es potenciar nuevas fuentes deproducción energética que por una parte no agoten losrecursos, -fuentes renovables,- y por otra minimicen elimpacto ambiental traducido en forma de lluvia ácida yefecto invernadero.

Además del consumo de energía las sociedades desa-rrolladas se caracterizan por una producción de dese-chos de todo tipo, entre los cuales están los domésti-cos. Los desechos contienen materias primas y energíaque deberían recuperarse. (Fig. 5)

Un sistema que aproveche los residuos orgánicos parasu conversión energética, debe ser mirado con sumointerés. (Wright,1990), al igual que un método quepueda aprovechar restos agrícolas o ganaderos e inclu-so cultivos ex profeso para su conversión en energía.


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Precisamente ahí radica el valor de la biomasa.

INTERÉS DIDÁCTICO.

Dado el carácter polémico de todo lo relacionado conproblemas ambientales, donde la información que llegaal público suele ser, en el mejor de los casos, sesgaday muchas veces incorrecta, cuando no decididamentefalsa, es importante que por lo menos los estudiantesreciban una información correcta que les permita cuan-do llegue el momento, tomar las decisiones que corres-pondan con conocimiento de causa.

El tema de la biomasa con rigor y detalle, no es excesi-vamente conocido por los profesores, especialmente deEnseñanza Secundaria y también éstos pueden estarcondicionados por sus prejuicios.

Por otra parte, el estudio de la tecnología empleada enel tratamiento de la biomasa requiere la aplicación detécnicas, algunas muy avanzadas, físicas, químicas ybioquímicas, sin dejar de lado los procesos de recogiday almacenamiento de las materias primas y la distribu-ción de los productos. Todo ello constituye un excelenterecurso didáctico en la enseñanza de la química y de unmodo especial, de la ingeniería química, (Calleja, 1999;Costa Novella, 1983; Costa López,1984; Vian, 1980),que implica el estudio cinético de las reacciones, análi-sis de catalizadores y biocatalizadores, ingeniería dereactores y comparación de técnicas diferentes.

También contribuye de un modo efectivo a que los estu-diantes se familiaricen con las diferentes unidades demedida energética así como sean capaces de comparar los

diferentes factores de escala.Además de la comprensión de los procedimientosquímicos y de sus limitaciones es necesario estimar loscostos energéticos de producción, recogida, cultivo,abonado, preparación previa, etc., en muchos casoscasi equivalentes a lo que el producto es capaz de"devolver". Este problema de costo previo es sis-temáticamente "olvidado".

Otro tema interesante es el del almacenamiento de laenergía producida y no consumida, que también impli-ca problemas de tipo ecológico, pero no es objeto deeste trabajo.

LA BIOMASA.

Se entiende por biomasa el conjunto de materia orgáni-ca renovable ya sea de origen animal o vegetal o proce-dente de su transformación y no utilizable como confinalidad alimentaria o industrial. La biomasa es unareserva de energía enorme y durante mucho tiempo yaun hoy en los países subdesarrollados es la casi únicafuente de energía en forma de combustible. Sus posi-bilidades de aprovechamiento son múltiples y su com-bustión no produce aumento en gases de efecto inver-nadero ya que el CO2 que devuelve a la atmósfera loretiró de ella casi al mismo tiempo, lo que no ocurre conlos combustibles fósiles, cuya combustión emite undióxido de carbono retirado hace milenios.(Wrigth,1990). Es bien sabido que todo indica que laprimitiva atmósfera terrestre no contenía oxígeno y hansido las plantas verdes las que a lo largo de milenioshan ido sustituyendo dióxido de carbono por oxígenogracias a la fotosíntesis.

Atendiendo a su origen la biomasa puede ser restos deactividades agrícolas, ganaderas o forestales, lo queincluye ramas, matojos, restos varios y los purines, -queson los restos de las explotaciones agropecuarias, -residuos de consumo humano y cultivos ex profeso devegetales energéticos, es decir vegetales que se desti-nan a la producción energética, ya sea en forma sólida,fundamentalmente lignocelulosa, o líquida como cul-tivos de oleaginosas o cereales para producir etanol.

Los residuos de consumo urbano incluyen las basurasurbanas y los lodos de las depuradoras de aguas resi-duales, que pueden emplearse en la producción debiogás y los restos de aceites que pueden ser útilespara producir combustible líquido, como el biodiesel.

El aprovechamiento energético de los residuos de laactividad humana debe combinarse con procesos deselección, reaprovechamiento y compostage.

APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA.

El aprovechamiento energético, valorización enlenguaje técnico, de la biomasa implica dos tipos fun-damentales de procesos: termoquímicos y bioquímicos.Los termoquímicos pueden ser la combustión directa de

UNIDADES ENERGÉTICAS DE USO COMÚN

1 Tonelada equivalente de carbón (tec) = 0,7 tep =0,007 Tcal = 7·103 termia1 Tonelada equivalente de petróleo (tep) = 1,429 tec =0,01 Tcal = 104 termia1 teracaloría (Tcal) = 1012 cal = 4,186·1012 J1 termia = 106 cal = 4,186·106 J1 termia inglesa (therm) = 100 000 BTU = 1,0548·108 J1 BTU ( Britsh thermal unit) = 1,0548·103 J1 kilovatiohora (kWh) = 3,6·106 J


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los productos, con la que se obtiene un rendimientoenergético inmediato, o la pirolisis que engloba un con-junto de procesos en los cuales las cadenas de materiaorgánica se rompen dando origen a combustibles líqui-dos. Estos procesos implican un calentamiento ya seaen el vacío ya en una atmósfera libre de agentes oxi-dantes. Cuando se realiza en atmósfera conteniendouna cantidad controlada de oxidantes es la llamadagasificación.

Estas técnicas tienen un escaso impacto ambiental yproducen combustibles líquidos u otras materias primasutilizables en posteriores procesos químico- indus-triales.

Los procesos biológicos implican, en líneas generales,la descomposición bacteriana de la biomasa. Se tratafundamentalmente de digestión anaerobia o fer-mentación de los residuos. También son posiblesmétodos aerobios (Berruga, 2000). La más usual, la fer-mentación metánica convierte los compuestos orgáni-cos en metano, junto con otros productos que en con-junto constituyen el llamado biogás, así una mezcla con60 % en volumen de metano proporciona unas 5500kcal m-3, (el volumen se expresará siempre en condi-ciones normales)

Respecto a los cultivos energéticos, éstos puedensometerse a procesos físico químicos que los trasfor-men en combustibles sólidos de tipo lignocelulósico,útiles para la calefacción doméstica u otrosaprovechamientos industriales, entre ellos, la pro-ducción eléctrica, o bien destinarse a la síntesis decombustibles líquidos, normalmente previa obtencióndel etanol por medio de la fermentación alcohólica. Apartir del etanol puede obtenerse combustible paramotores de cuatro tiempos (ciclo Otto).

Las grasa y aceites, mediante procesos de transesteri-ficación generan aceites diesel ya que las propiedadesde los ésteres metílicos que se producen son muysemejantes a las del gasóleo tradicional. (Blevisse,1990; Gray, 1990; Reddy, 1990).

Históricamente (Flotats, 1997) hay constancia de queAlessandro Volta allá por 1776 descubrió que sobre lospantanos y en las aguas estancadas se producíangases combustibles. En 1868 Becham describió quelas reacciones implicadas eran consecuencia de un pro-ceso microbiológico. Con carácter precursor en el usopráctico de la biomasa en 1859 en Bombay se cons-truyó una pequeña instalación que producía gas com-bustible y abonos tratando estiércol de ganado.Donald Cameron en 1890 diseñó una gran fosa sépti-ca para producir gases combustibles con los que ali-mentó la red de alumbrado público de la ciudad deExeter, Gran Bretaña, y durante la II Guerra Mundial enmuchas granjas tanto de los países europeos aliadoscomo del Eje, se instalaron pequeños reactores, diges-tores, que producían gas para el consumo local.Algunas de estas instalaciones funcionaron hasta 1950.En muchos países asiáticos y africanos hay pequeñas

instalaciones como la citada en Bombay pero se trataen general de equipos en que el gas producido no secontrola y no es tratado y que por tanto debe quemarseen ambientes abiertos para evitar problemas derivadosde la acumulación de gases tóxicos ( CO, CO2, SO2,etc. )

INCONVENIENTES.

El aprovechamiento de modo eficiente y controlado dela biomasa es una tecnología reciente, y así presentaproblemas por su novedad, su todavía escasaimplantación así como por los derivados de la propiatecnología.

Además la concentración energética es menor en labiomasa y los rendimientos de producción son ligera-mente menores que los de combustibles fósiles.

Tampoco hay un suficiente desarrollo en los sistemasde recogida y distribución.

Sin embargo es de esperar que en un futuro no muyremoto los términos se inviertan y el aprovechamientode la biomasa alcance volúmenes considerables.

PRODUCTO X P.C.I. X P.C.I. X P.C.I.

Leñas y ramas 0 19.353 20 15.006 40 10.659

Serrines y virutas 0 19.069 15 15.842 35 11.537

Orujillo de oliva 0 18.839 15 15.800 35 11.746

Cáscara de almendra 0 18.559 10 16.469 15 15.424

Cortezas (Coníferas) 0 19.437 20 15.257 40 11.077

Cortezas (Frondosas) 0 18.225 20 14.087 40 9.948

Poda de frutales 0 17.890 20 13.836 40 9.781

Paja de cereales 0 17.138 10 15.173 20 13.209

Vid (Sarmientos) 0 17.765 20 13.710 40 9.656

Vid (Ramilla de uva) 0 17.263 25 12.331 50 7.399

Vid (Orujo de uva) 0 18.894 25 13.543 50 8.193

P.C.I. a humedad x (kJ/kg)

Tabla 1: Poder calorífico de distintos residuos de biomasa. Xes el contenido de humedad (Sebastián, 2002)

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DETALLADO DE ALGUNAS TÉCNICAS.

Biogás.

Como se dijo antes la transformación en biogás implicaun conjunto de procesos que descomponen la materiaorgánica y acaban por producir metano y otros gases.

La materia orgánica de partida puede ser cualquiera:restos urbanos, lodos de depuradora, residuos agríco-las y ganaderos, residuos de industria alimentaria,como queserías (Berruga, 2000) incluso restos orgáni-cos acumulados a lo largo de los años en los vertederos

Los residuos pueden tratarse por separado o mezcla-dos, lo que se llama cogeneración que presenta la ven-taja que las limitaciones de cada uno de los tipos deresiduo se compensa con los restantes, consiguiéndoseasí una mejor rentabilización a la par que reducción deemisiones gaseosa, incluso de los siempre molestosolores.

La metanización consta de cuatro etapas : hidrólisis,ácidogénesis, acetogénesis y metanogénesis, reali-zadas por bacterias de diferentes tipos como puedeverse en el esquema,( Fig. 6) que fraccionan la materiaorgánica inicial hasta el producto final, el biogás, que esbásicamente metano y dióxido de carbono

La transformación se lleva a cabo en reactores, diges-tores. En España y en la mayoría de países en los queestas técnicas han alcanzado un buen desarrollo, comoAlemania o Dinamarca, suele realizarse reactores ma-yoritariamente de flujo continuo. Estos reactores son

muy versátiles y no implican excesivas complicacionesya que se trata de un simple tanque agitado ya seamecánica ya neumáticamente. Debido a su propiaesencia la concentración de microorganismos es prácti-camente la misma en todo el reactor y en los efluentesya digeridos. (Calleja, 1999) Los tiempos de permanen-cia medios dependen del tipo del material de carga y dela temperatura de trabajo y puede oscilar entre unosquince días, en régimen termófilo, entre 45 y 75ºC y uncentenar en régimen psicrófilo, entre 10 y 20 ºC. Lo másusual sin embargo es régimen mesófilo, entre unos 30y 40 ºC que significa unos tiempos de permanenciatambién intermedios, de unos 20 a 30 días.

Componente % en volumen

CH4 60 a 80

CO2 20 a 40

H2 1 a 3

CO 0,1 a 1

N2 0,5 a 3

OTROSH2S, NH3... 0,5 a 1

H2O variable

Tabla 2.- Composición típica del biogás (De Eficienciaenergética, junio 2003)


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Un aumento de temperatura en general significa unaaumento de la velocidad de multiplicación de las bacte-rias y en consecuencia, de la producción del biogás,además el régimen termófilo se asegura la destrucciónde patógenos, malas yerbas así como larvas y huevosde insectos, importante sobre todo para aprovechar losresiduos como abonos, sin embargo al aumentar latemperatura aparece el efecto inhibidor del nitrógenoamoniacal, por lo que los procesos termófilos requierenun control bastante estricto.

También se utilizan otros tipos de reactores, como losreactores de flujo intermitente (por cargas) o de flujopistón pero los llamados de biomasa retenida, quepueden ser de lecho fijo o fluidizado en los que losmicroorganismos se adhieren a un elemento inerte, fijoo en suspensión en la corriente de gas, no son los másadecuados ya que el contenido en residuos sólidos esmuy elevado y estos sólidos ocasionan taponamientosen el reactor.

En suma, con los matices convenientes, se utilizanreactores semejantes a los comunes en la mayoría deprocesos químico - industriales2.

Además de la temperatura y la composición y el desti-no final de los residuos, las variables que influyen en elproceso son el pH, las demandas químicas y biológicade oxígeno (DQO y DBO) así como la presencia de sus-tancias que inhiben el proceso, como metales pesados,amoniaco, formas no ionizadas de ácidos grasos, o sus-tancias relativamente inertes, como nitrógeno, fósforo oazufre. Como todos los procesos de ingeniería, seimpone un estudio previo de todo el conjunto de cir-cunstancias a la hora de decidir la instalación y el ré-gimen de operación mejores.

En general, es de especial interés el mantenimiento deun pH óptimo, en torno a 7, para lo cual es muy impor-tante el control del equilibrio del dióxido de carbono.Aproximadamente un 90 % de la energía disponible poroxidación directa se transforma en metano yendo larestante al crecimiento bacteriano.

Los rendimientos estequiométricos suele estimarse enunidades de DQO eliminada y viene a ser de unos 350m3/Tm de DQO eliminada que equivalen a unos 3500kWh/ Tm de DQO.(Paris, 2003)

Un estudio detallado y cuantitativo de la cinética de losdigestores y de las distintas variables físico químicasde que depende, aunque es muy interesante e instruc-tivo sobrepasa el propósito de este trabajo, más biendivulgativo, y puede verse, por ejemplo, en Flotats,1997.

Una vez obtenido, el biogás puede usarse ya sea comocombustible de autobuses ya inyectarse directamente ala red de distribución de gas. Sin embargo, en ambos

casos se precisa un ajuste a las normas legales, espe-cialmente en la inyección a la red porque el biogás,según su poder calorífico, unas 6500 kcal m-3,pertenece a la misma familia que el gas de coquerías yotros gases usados como combustible, la denominada"primera familia" ( entre 5700 y 9500 kcal m-3) y el gasnatural a la "segunda" (9680 a 13850 kcal m-3 )y suinyección a la red requiere un acondicionamiento previoque lo haga compatible. Aunque es relativamente sen-cillo, hoy por hoy, no es común.

2 Un resumido buen estudio sobre la mayoría de reactores utilizados en el procesamiento de vertidos líquidos puede verse en Berruga et al., 2000. Esteopúsculo hace un excelente análisis del aprovechamiento de los subproductos y vertidos de quesería.

Demanda química de oxígeno (DQO): Se estima el con-tenido orgánico de las aguas por determinación del O2 con-sumido con agentes químicos fuertemente oxidantes enmedio ácido y en caliente. Su medida normalizada consisteen utilizar dicromato de potasio en medio ácido (sulfúrico),con sulfato de plata como catalizador , hirviendo a reflujodurante dos horas.

Materia orgánica +Cr2O72+ + H+ Cr3++ CO2 +H2O

Demanda biológica (o bioquímica) de oxígeno (DBO):Cantidad de oxígeno en mg/L (ppm) consumidas en condi-ciones de ensayo, 20 ºC y oscuridad, durante el tiemponecesario para asegurar la oxidación de las materiasbiodegradables presentes en el agua, por actividad biológi-ca. Aunque se trata de un proceso lento (21-28 días) sesuele normalizar a 5 días (DBO5) o a 7 días (DBO7). Hoydía se utiliza más la

Demanda biológica de oxígeno carbonosa (DBOC) en laque se inhibe la actuación de bacterias nitrificantes. Noobstante sobre todo debido a los largos tiempos deincubación la DBO cada día se utiliza menos. (Berruga,2000)

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BIOGÁS Y VERTEDEROS:

Otra forma de obtención del biogás es la desgasifi-cación de los vertederos recientes y antiguos. El biogásse genera de forma natural en los vertederos, implican-do un cierto peligro ya que como es bien sabida la mez-cla de metano con oxígeno es altamente explosiva, eltemido gas grisú de las minas. De este modo la des-gasificación permite aprovechar un residuo peligrosoque en última instancia acabaría en la atmósfera

En la práctica el método consiste en practicar una seriede pozos de extracción en la superficie de los ver-tederos. El gas así obtenido se recoge y transporta através de un colector a un condensador de donde pasaa una balsa de lixiviación. Separados los lixiviados elbiogás se conduce directamente a la planta de ge-neración eléctrica, alimentando los motores que impul-san los correspondientes alternadores. La corriente pro-ducida pasa un transformador de alta tensión a partir decual se inyecta a la red.

Se suele instalar una antorcha de seguridad en la quese quema los excedentes de gas.

Un ejemplo típico podría consistir en 150 pozos de 500mm de diámetro y 20 m de profundidad alimentando 12generadores de unos 1000 kW cada uno, debidamenteprotegidos e insonorizados, que producen electricidad a6,3 kV la cual se eleva a 66 kV para su inyección a lared.

Una vez clausurado un vertedero su actividad continúaaunque decae exponencialmente con el tiempo.

BIOGÁS Y PURINES.

El aprovechamiento de purines es un ejemplo de unaprovechamiento total de residuos. Una vez más setrata de obtener biogás de restos orgánicos.

Los purines son los restos de las explotacionesganaderas. Su aprovechamiento suele producirse prác-

ticamente "in situ" en las propias granjas.

En un proceso típico, en este caso el llamadoVALPUREN, puesto en práctica en Cataluña, (Paris,2003) se procede del siguiente modo(Fig. 9):

Los purines se reciben en planta y se almacenan entanques, después se trasvasan a los biodigestores de3000 m3 donde tiene lugar un proceso mesófilo a tem-peratura constante de 35º C. El tiempo de residencia enlos reactores es de 20 días. Ahí se produce el biogás.Los residuos se decantan quedando por una parte unresiduo sólido y una fracción líquida. Esta se trata conácido sulfúrico para fijar el amoniaco producido en ladigestión, se desgasifica y se concentra a bajas presióny temperatura. El concentrado se mezcla con el residuosólido y se seca. El resultado es un abono que puedeincorporarse a los campos. Por otra parte, el biogás ali-menta un sistema cogenerador del que se extrae, aguacaliente, utilizada en el proceso y energía eléctrica queautoabastece las instalaciones y el sobrante se vende ala red. Por ejemplo la planta de Juneda está dotada deseis motores de 2724 kW cada uno, que consumen unamezcla de biogás y gas natural (aproximadamente 10%del primero). En el año 2002 produjo 116 916 MWh delos que exportó a la red 110 608 MWh.

Las grandes ventajas del sistema son, por una parte unahorro energético directo, por otra la reducción deemisores y por otra parte el ahorro derivado de la uti-lización de fertilizantes nitrogenados obtenidos por eldesecado de los residuos, sin necesidad por tanto delos gastos que la producción de este tipo de fertilizantesimplica.

BIODIESEL:

El biodiesel es un combustible renovable, con muy bajoimpacto contaminante además de biodegradable y quepuede sustituir perfectamente, incluso ventajosamenteal fueloleo de origen mineral.(Paris, 2003; Gray, 1990)Se fabrica apartir de materia grasa de origen vegetal oanimal y procedente de cualquier mecanismo produc-

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tor: restos de industrias de fabricación de aceites, resi-duos de fritura de indutria alimentaria u hostelera eincluso restos de grasa doméstica. Naturalmente tam-bién puede ser su materia prima aceite virgen prepara-do ex profeso para est transformación o cualquier otragrasa, incluso, en Nueva Zelanda se propuso utilizarrestos de sebo de oveja..

El proceso químico es una esterificación, en la cual lostriglicéridos contenidos en las grasas reaccionan con elmetanol en presencia de hidróxido de potasio, dandobiodiesel, -que como se dijo antes, es una mézcla deésteres metílicos,- glicerina y un residuo sólido.(Fig. 10)El metanol no reaccionado se recupera y recircula , laglicerina puede comercializarse como glicerina sólida yel residuo sólido es un fertilizante rico en potasa.

Puede observarse pues que el proceso en sí es cerra-do, sin efluentes de ninguna clase y por tanto de nulo

impacto ambiental, por lo que se refiere al propio pro-ceso.

El biodiesel solo o mezclado con fuel normal se puedeutilzar en cualquier vehículo diesel de reciente cons-trucción, en Europa desde 1995, sin que ello signifiquemodificaciones en el motor y prácticamente con elmismo rendimiento, reduciéndose significativamente lasemisiones, especialmente partículas y compuestosazufrados, dado que el biodiesel no contiene en azufre.(El tema está en estudio). En vehículos más antiguos esrecomendable mezclar ambos combustibles.

CULTIVOS ENERGÉTICOS:

Se trata de plantas que se cultivan con el objetivo deproducir sobre todo combustibles o materias primasequivalentes a las derivadas del petróleo.

Son fundamentalmente de dos tipos.

Plantas fermentables que producen etanol, tales soncereales y caña de azúcar.

Plantas de las que se pueden extraer aceites y materiasgrasas que se dedicarán al producción de biodiesel. Esimportante destacar que tanto en un caso como el otro,aunque sus productos pueden dedicarse al consumohumano, no es este su objetivo, sino el servir de com-bustible.

Respecto al primer grupo, el etanol puede ser directa-mente utilizado como combustible, por ejemplo enBrasil el 20 % del combustible utilizado es etanol, y hallegado a alcanzar la cota del 28 %. (Emsley, 1998;Moreira, 1981). Desde el punto de vista energético unlitro de etanol al quemarse produce unos 24.000 kJmientras que un litro de gasolina se acerca a los32.000. Su principal ventaja es que genera menos sub-productos contaminantes, especialmente partículas,restos de hidrocarburo sin quemar, monóxido de car-bono y el omnipresente azufre. Respecto a costesaunque se esta mejorando el rendimiento agrícola, porejemplo, en la caña de azúcar se llega a las 77 tm porha, y la eficacia de los microorganismos que inducen lafermentación así como las técnicas de destilación y rec-tificación, la relación con los combustibles fósilesparece estancada.

combustible kJ/kg

hidrógeno, H2 (gas) 143000

metano, CH4 (gas) 56000

gasolinas y querosenos (líquidos) 48000

biodiesel de colza (líquido) 45000

etanol CH3CH2OH (líquido) 30000

metanol CH3OH (líquido) 23000

Tabla 3. Energía de los combustibles más habituales


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No solamente la caña puede producir azúcares fer-mentables, en Estados Unidos se utiliza el maíz y en lospaíses de latitudes medias la remolacha, Beta vulgaris,puede ser una buena elección.

Respecto a la producción de biodiesel, hay plantascomo la Euphorbia lathyris que segrega una savialechosa de látex que podría incorporarse directamentea la industria petroquímica y la savia del árbol brasileñoCobaifera langdolfrii podría en teoría utilizarse directa-mente como combustible diesel, aunque de momentose trata de posibilidades.

Una de las fuentes de aceites más importantes es lacolza, Brassica napus, planta próxima al nabo comúnque se cultiva para consumir su raíz (Emsley, 1998). Enlatitudes medias se siembra, bien en septiembre, colzade invierno o bien en marzo, de primavera y ambas secosechan en junio, principio o final. La primera rindeunas tres toneladas de semilla por hectárea y la segun-da algo menos. Cada tonelada de semilla a su vez pro-duce unos 320 kg aceite y el resto de masa prensadaes muy rico en proteínas por lo que se utiliza para la ali-mentación de animales, pese algunos inconvenientesderivados de su riqueza en glucosinolatos que puedencausar problemas de tiroides. Aunque se utiliza tambiéncomo lubrificante, materia prima en industria farmacéu-tica o medio de cultivo para microorganismos, la princi-pal utilidad del aceite de colza en la alimentaciónhumana siendo base de fabricación de aceites y mar-garinas, (90% de la producción) precisamente con elaceite colza los ingleses del siglo XVI pretendían susti-tuir los aceites mediterráneos especialmenteespañoles. De hecho su contenido en monoinsaturadoslo hace comparable al aceite de oliva. Sólo el ácido erú-cico, uno de sus componentes, que también es monoin-saturado con 22 átomos de carbono, puede darle gustodesagradable y, al parecer, en los mamíferos jóvenesinduce acumulación de grasa en el músculo cardíaco.Por esta razón se buscó variedades pobres en esteácido, aunque a efectos de biodiesel este detalle no esimportante, es más, es ventajoso.

Otras plantas también pueden producir grasas esterifi-cables, por ejemplo ciertas algas (Chaetoceros,Navicula, Monoraphidium) que pueden duplicar sunúmero cinco veces en un día dando la mitad de sumasa en aceite y pueden cultivarse sobre aguas conta-minadas o en aguas saladas, como las del mar. Con solabundante, un estanque de 10 000 m2 (1 ha), unos doscampos de fútbol, podría rendir 120 tm de algas al año,más del doble de la producción de colza o caña de azú-car. Incluso hay predicciones más favorables. PaulRoessler del Instituto De Investigaciones De La EnergíaSolar (SERI) en Colorado piensa que son posibles las100 tm de grasa por ha y año (citado por Emsley, 1998)

Un litro de biodiesel sin impuestos cuesta lo mismoque un litro de aceite fósil ya gravado y la producción debiodiesel entraña un conjunto de costes ocultos, comogastos de cultivo, fertilizado, recogida, transporte ytransformación química que hace que cada litro de

biodiesel "cueste" a su vez casi un litro de combustibleconvencional. Las ventajas pues no son tan grandes.

RESIDUOS LEÑOSOS:

La madera es el soporte de la mayoría de los vegetales,está constituida, dicho sea simplificando mucho, de glú-cidos de cadena larga: celulosas, y lignina un polímerocomplejo de estructura bastante variable y en muchoscasos todavía no elucidada por completo, que con-tienen un grupo propilo de constitución variable, unido agrupos guayacoílo, siringilo o piperonoilio. La maderade un árbol típico resinosos, (Vian, 1980) como el pinocontiene 52 % de celulosa 27,5 % de lignina y 7% dehemicelulosa, una frondosa como el haya se muevesobre valores 45 % de celulosa 23% de lignina y 15%de hemicelulosa. En el trigo los valores son 49 % decelulosa y 28 % de hemicelulosa, sin prácticamentelignina.

Su aprovechamiento por el ser humano se pierde en losorígenes de la civilización, como materia prima paramúltiples utensilios, herramientas, mobiliario e inclusoarmas, vehículos y viviendas. Por ejemplo, el uso masi-vo de la madera en la construcción de las grandes flotasfue una de las causas de la deforestación de gran partede Europa. Un buque de línea del siglo XVIII podíadesplazar hasta 3 000 tm y estaba construido demaderas de excelente calidad: roble, encina, abeto etc.El mayor buque de este tipo, el Santísima Trinidad, seconstruyó como muchos de los buques de la Armadaespañola, en América, concretamente en La Habana.En EE.UU. La deforestación se debió a la construccióndel ferrocarril y la necesidad de traviesas, postestelegráficos etc. Hubo momentos en que se llegaron aconstruir hasta 15 km diarios, lo suponía la tala de unos2000 árboles/día y al no conocerse la creosota la vidade estos materiales no excedía los siete años.

Durante milenios ha sido prácticamente el único com-bustible del que ha dispuesto el ser humano y aun hoyocurre así en la mayoría de países de bajo desarrollo.

Hasta bien entrado el siglo XVIII la pirogenación de lamadera producía el único reductor de que se disponíaen la metalurgia del hierro y acero, el carbón vegetal.

SANTÍSIMA TRINIDAD (Denominada La Real, 1769-1805)Construcción: 1769, en los astilleros de La HabanaDesplazamiento: 2.200 toneladas de arqueo y 4.950 dedesplazamientoEslora: 60 metrosManga: 16 metrosArmamento en 1769: 120 cañones. 1ª Batería: 30 de 36libras, 2ª Batería: 32 de 24 libras, 3ª Batería: 32 de 18 libras,Castillo y Alcázar: 26 de 8 librasArmamento en 1805: 140 cañones. 1ª Batería: 32 de 36

libras, 2ª Batería: 34 de 24 libras, 3ª Batería: 36 de 12 libras,4ª Batería: 18 de 6 libras, 14 obuses de 24 y 6 esmeriles (El cañón se clasifica por el peso del proyectil, en generalmacizo y esférico, que dispara la pieza, las baterías seclasifican de abajo, la 1ª más próxima a la flotación, haciaarriba. 1 libra 0,45 kg)


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Este se obtenía de forma empírica y artesanal en el pro-pio monte, en las típicas "carboneras" ("sitjes" encatalán) en ella se producía la combustión parcial demadera en atmósfera pobre de oxígeno, dando comoresto el carbón y perdiéndose los volátiles, la técnica noha evolucionado en muchos países de tercer mundo.Hoy día, en el mundo industrializado, el carbón vegetalha perdido parte de su interés, aunque sigue pro-duciéndose, por ejemplo como adsorbente, con técni-cas industriales más complejas. como la destilaciónseca que consiste en el calentamiento anerobio pro-gresivo y controlado de la madera, con recogida de losvolátiles que se desprenden, siendo el ácido acético yel metanol los más interesantes, quedando un residuosólido, el carbón de madera (Thorpe 1922, Vian, 1980)3

Hoy la madera se usa en la construcción de muebles ylas técnicas de chapado y aglomerado permiten unaprovechamiento grande de la madera y sobre todopara obtener celulosa que después se utilizará en múlti-ples aplicaciones.

Las industrias madereras, forestales y agrícolas gene-ran abundantes residuos que es interesante recuperar.

Estos son ramas, cortezas, etc. y restos de aserraderoy carpintería: serrines y virutas. Además están losrestos de la producción de cereales: paja y cascarilla.La paja en otros tiempos tenía abundantes usos, hoyha perdido gran parte de estas utilidades.

En teoría son posibles diferentes aprovechamientos deesos residuos, pero en la práctica se reducen a tres:combustión, gasificación o pirolisis.

La primera consiste en el quemado directo de los resi-duos obteniéndose en consecuencia dióxido de car-bono, agua, cenizas y energía calorífica. Esta energíasuele aprovecharse para calentar agua incluso producirvapor. Normalmente los residuos deben someterse aprocesos previos de triturado, secado y compactado.Dependiendo de su estado y de su propia composiciónse utilizarán diferentes tipos de reactores, hornos, quepueden ser de emparrillado fijo, móvil o tipo caldera.Muchas veces el procedimiento funciona en la propiaindustria que aprovecha el agua caliente para otros pro-cesos industriales derivados de la madera.

El proceso de gasificación es sustancialmente eldescrito más arriba. Consiste en una oxidación parcialde la madera obteniéndose gas de síntesis (CO + H2 enproporciones variables) éste a su vez es materia primapara la obtención de metanol u otros productos (Vian,1980; Calleja, 1999). Su poder calorífico no es muy ele-vado. También aquí los hornos dependen del caudal yde la composición del combustible, utilizándose los delecho fijo, lecho móvil e incluso de lecho fluidizado, conlas ventajas que este reactor presenta. El agente oxi-dante suele ser el aire. El principal problema es que elgas producido contiene alquitranes y abundantes

partículas en suspensión, lo que requiere un proceso dedepuración previo a su uso, en frío (lavado) o encaliente (filtro cerámico). Este segundo camino, aunquetiene menor rendimiento energético, da un resultadomucho más flexible en la utilización del producto.

Respecto a la pirolisis y otros procesos como la hidróli-sis no parece que de momento sean rentables con losresiduos.

A MODO DE RESUMEN:

La biomasa es un recurso energético de gran interéssin embargo su utilización requiere:

Fuente próxima de producción de biomasa o facilidadde trasporte a la instalación.

Estudio pormenorizado de costos y beneficios paradeterminar la viabilidad y rentabilidad de la instalación.

Se trata de una tecnología relativamente poco desarro-llada, pero con posibilidades de futuro.

Entre sus ventajas (Sebastián,2002) figuraNo contribución al efecto invernadero.Contenidos en azufre prácticamente nulos, general-

mente inferiores al 0,1%, en consecuencia no hay emi-siones apreciables de dióxido de azufre.

Reducción de las emisiones generadas (hidrocar-buros volátiles, partículas, SO2 y CO).

La digestión anaerobia para tratar la biomasa resi-dual húmeda además de anular su carga contaminante,reduce fuentes de olores molestos y elimina, casi en sutotalidad, los gérmenes y los microorganismospatógenos del vertido. Los lodos resultantes del proce-so de digestión anaerobia pueden ser utilizados comofertilizantes en la agricultura.

Contribuye a la diversificación energética La implantación de cultivos energéticos en tierras

abandonadas evita la erosión degradación del suelo. Entre sus inconvenientes y comparando con los com-bustibles de origen mineral

Los rendimientos de las calderas de biomasa sonalgo inferiores.

3 Interesante comparar las técnicas descritas por ambos autores

Figura 11. Esquema del navío Santísima Trinidad

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La biomasa posee menor densidad energética, o loque es lo mismo, para conseguir la misma cantidad deenergía es necesario utilizar más cantidad de recurso.Los sistemas de almacenamiento son, en general, ma-yores.

Los sistemas de alimentación de combustible y elimi-nación de cenizas son más complejos y requieren unosmayores costes de operación y mantenimiento, pero laprogresiva automatización va minimizando este proble-ma.

Los canales de distribución de la biomasa no está tandesarrollados (sólo aplicable en el caso de que losrecursos no sean propios).

Muchos de estos recursos tienen elevados con-tenidos de humedad, lo que hace que en determinadasaplicaciones puede ser necesario un proceso previo desecado

La producción implica "costes ocultos" en energíaprevia, transporte e infraestructuras que pueden serimportantes,

ADDENDA: ÚLTIMOS DATOS DE PRODUCCIÓN ELÉC-TRICA EN ESPAÑA

Confirmando lo expuesto al principio de este trabajo ysólo con referencia a España, de acuerdo con datos deForo Nuclear, durante el año 2003 la producción eléctri-ca aumentó un 6,5%, alcanzando un récord de produc-ción de 262.249 millones de kWh. Esto se debe a un

incremento progresivo del consumo eléctrico que, en2003, se situó en un 6% (228.104 millones de kWh), esdecir, desde 1998, sólo cinco años, ha aumentado un41%.

Los porcentajes de producción según fuentes energéti-cas son los siguientes: Hidráulica 14,7%; Minihidráulica1,8%; Combustibles Fósiles 41,5%; Nuclear 23,6%;Cogeneración 12,2%; Eólica 4,4%; Solar 0,001% yBiomasa 1,4%.

Los datos hablan por si mismos

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REFERENCIAS42



mientras que en invierno se pre- l - dialnet.unirioja.es · y acaban colmatándose y desde el punto...

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