ENERGIA
BIOMASA |
Biomasa: Abreviatura de masa biológica, cantidad de materia viva producida en un área determinada de la superficie terrestre, o por organismos de un tipo específico. El término es utilizado con mayor frecuencia en las discusiones relativas a la energía de biomasa, es decir, al combustible energético que se obtiene directa o indirectamente de recursos biológicos. El modelo básico de captación y acumulación de la energía solar es el que llevan a cabo las especies vegetales verdes a través del proceso de fotosíntesis, única fuente energética renovable que conlleva asimismo un almacenamiento en forma de energía de alta calidad: la energía química. Este proceso ha mantenido la vida en la Tierra hasta nuestros días en forma de materia orgánica, que resulta ser energía solar almacenada y se denomina "energía de la biomasa".
El término "biomasa" hace referencia a toda la materia que puede obtenerse a través de fotosíntesis, y aquellos producidos durante la cadena biológica. Tiene diversas formas de aprovechamiento, según se trate de materia de origen animal o vegetal. Sólo en materia vegetal, se estima que se producen anualmente doscientos millones de toneladas. La mayoría de las especies vegetales utilizan la energía solar para crear azúcares del agua y del dióxido de carbono, almacenando esta energía en forma de moléculas de glucosa y almidón, oleaginosas, celulosas y lignocelulosas. La biomasa es un recurso energético muy atractivo ya que es renovable y podría ser desarrollado sosteniblemente en el futuro, posee formidables características desde el punto de vista medioambiental y puede tener un potencial económico significativo teniendo en cuenta el aumento del precio de los combustibles fósiles en el futuro. La gran versatilidad de la biomasa como recurso energético es evidente dada la variedad de materiales que pueden ser transformados en combustibles sólidos, líquidos y gaseosos utilizando procesos biológicos y termoquímicos de conversión. Sin embargo, en comparación con otras tecnologías renovables (geotérmica, eólica, solar) la energía proveniente de la biomasa constituye un área más compleja. Aprovechando la energía de la radiación solar mediante el mecanismo de fotosíntesis, las plantas elaboran su propio alimento y el de otros seres vivientes en las cadenas alimenticias. Pero también mediante fotosíntesis se obtienen otros productos, como la madera, que tienen muchas aplicaciones, además de su valor energético. A partir de la fotosíntesis puede utilizarse la energía solar para producir substancias con alto contenido energético (liberable mediante una combustión) como el alcohol y el metano. En este sentido, podemos clasificar la biomasa en: Biomasa natural , es la que se produce en la naturaleza sin la intervención humana; Biomasa residual , es la que genera cualquier actividad humana, principalmente en los procesos agrícolas, ganaderos y los del propio hombre, tal como, basuras y aguas residuales; y Biomasa producida , que es la cultivada con el propósito de obtener biomasa transformable en combustible, en vez de producir alimentos, como la caña de azúcar en Brasil, orientada a la producción de etanol para carburante. El principal aprovechamiento energético de la biomasa es la combustión de la madera, que genera contaminación atmosférica y un problema indirecto de desertización y erosión, salvo que se realice una planificación forestal correcta. Los desechos orgánicos también son utilizables mediante transformaciones químicas principalmente, siendo las más conocidas las aplicaciones de digestores anaeróbicos para detritus orgánicos y la producción de biogás procedente de residuos sólidos urbanos. Sin embargo, la creciente innovación tecnológica de materiales y equipos está afianzando nuevos sistemas de aprovechamiento de los residuos ganaderos y forestales, y consolida un esperanzador futuro en la línea de los biocombustibles, de modo que se pueda compatibilizar una agricultura sostenible con un diseño de producción energética que respete el entorno. Esta energía se obtiene de ciertos compuestos orgánicos que se han producido en el tiempo por procesos naturales, es decir, producto de transformaciones químicas y biológicas sobre algunas especies vegetales o bien sobre ciertos materiales. Un ejemplo de tal proceso lo constituyen los residuos forestales, los residuos de la agricultura y los residuos domésticos. Estos residuos se transforman con posterioridad en combustibles. En el caso de los residuos domésticos es necesario como paso previo a la obtención de energía, un plan amplio para la adecuada clasificación de las basuras y su posterior reciclaje. Puede extraerse alcohol de muchas plantas que produzcan sustancias azucaradas, el metanol de los árboles y aceites combustibles y comestibles de algunas semillas como la de girasol. También se puede producir el biogás, a partir de desechos orgánicos mediante la acción de bacterias metano génicas. Este gas puede utilizarse para los motores de gas o calefacción. Su importancia reside en su ciclo rápido de renovación, comparado con el ciclo geológico de los combustibles fósiles; ahora bien, existe una limitación: su consumo no puede desbordar el ritmo con que se regeneran las plantas, ya que su procedencia última es vegetal. Modificando la reproducción de ciertas plantas, se puede aumentar dicho ritmo, pero, hoy por hoy, los mayores cambios se dan en la ampliación de la gama de tales combustibles más allá de la leña (basura, biogás, uso de aceites y alcoholes como carburantes), la mejora del rendimiento de las técnicas de combustión o el desarrollo de los métodos para transformar el combustible orgánico original en productos más manejables y de amplio uso (densificación de residuos forestales en briquetas; gasificación, pirolisis, digestión anaerobia, fermentación, etc. de varios residuos, para obtener biogás y otros gases combustibles, así como biocombustibles). El aprovechamiento de la biomasa presenta entre otras, las siguientes ventajas: favorece la regeneración natural de la masa principal; facilita la reforestación artificial; posibilita el crecimiento del arbolado; mejora la calidad del arbolado; disminuye enormemente el peligro de plagas; mejora el estado de las cuencas torrenciales; incrementa la capacidad de aprovechamiento ganadero; facilita los movimientos por el monte; incrementa el hábitat de cierta fauna silvestre; disminuye el peligro de incendios forestales; etc. Procesos de Transformación de la Biomasa en EnergíaLas características de gran parte de la biomasa hacen que en la mayoría de los casos no sea adecuada como tal para reemplazar a los combustibles convencionales, por lo que es necesaria una transformación previa de la biomasa en combustibles de mayor concentración energética y física, contándose para ello con diversos procedimientos, que generan una gran variedad de productos. Los combustibles así obtenidos cuentan con las siguientes ventajas:
Algunos combustibles pueden obtenerse de la biomasa directamente por extracción (plantas productoras de hidrocarburos), pero es más frecuente someter la biomasa a distintas manipulaciones, según su naturaleza y contenido en humedad, para su transformación en combustibles. Estas transformaciones pueden dividirse en dos grupos:
Los métodos principales para convertir la biomasa en energía útil son: • Combustión directa. • Gasificación. • Pirolisis . • Fermentación alcohólica. • Digestión anaerobia. Combustión directa:Es la tecnología de transformación más sencilla, y consiste en quemar directamente la biomasa en una caldera para producir calor o vapor y generar electricidad La combustión directa u oxidación completa produce dióxido de carbono, agua, cenizas y calor (éste último es el único componente energético útil del proceso). Los factores más importantes a considerar en este proceso son:
La combustión se realiza normalmente en sistemas que constan de un Horno, un Equipo de recuperación de calor (caldera), y un Sistema de utilización de la energía (conducción de vapor, turbogenerador).
La energía obtenida puede destinarse a la producción de calor (en forma de agua o de aire caliente) para el uso doméstico o industrial y a la producción de electricidad. Este método se utiliza en la actualidad en las industrias azucarera, papelera y de derivados de la madera, siendo cada vez más importante su aplicación a las basuras urbanas.
Es necesario destacar finalmente la combustión en el ámbito doméstico, utilizada desde hace ya muchos años y actualmente de nuevo en gran auge. Los modernos diseños de estufas de leña proporcionan un mejor aprovechamiento del calor y una emisión de humos mucho menor que los sistemas convencionales.
GasificaciónBajo este nombre se engloban los procesos de combustión en condiciones de defecto de oxígeno, con producción de monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno y metano, en proporciones diversas según la composición de la materia prima y las condiciones del proceso. La temperatura de operación oscila entre 700 y 1.500 °C y el oxígeno se limita entre un 10 y un 50% del teóricamente necesario para una combustión completa.
Según se utilice aire u oxígeno puro, se desarrollan dos procesos de gasificación sustancialmente distintos, en cuanto a la posible utilización de los productos obtenidos. Así, se obtiene gas de gasógeno o "gas pobre" mediante una gasificación con aire de biomasa seca, gas que ha de utilizarse en unidades de combustión para obtener electricidad y vapor. Por otro lado, cuando se opera en un gasificador con oxígeno y vapor de agua, se obtiene gas de síntesis. La importancia de este gas radica en que se puede transformar en combustibles líquidos (metanol y gasolinas), por lo que se están haciendo grandes esfuerzos tendentes a mejorar el proceso de gasificación con oxígeno.
PirolisisConsiste en la descomposición de la biomasa por la acción del calor (a unos 450 °C ) en ausencia de oxígeno, proceso en el que la naturaleza y la composición de los productos finales dependen de las propiedades de la biomasa tratada, de la temperatura y presión de operación y de los tiempos de permanencia del material en la unidad de pirolisis. Así, los productos obtenidos se pueden clasificar en tres grandes grupos:
Las materias primas que se estudian actualmente para someterlas a este proceso son los subproductos agrícolas y forestales y los residuos sólidos urbanos; precisamente, las mejores perspectivas de tratamiento de los residuos sólidos urbanos se encuentran en el campo de la pirolisis, orientándose las directrices de tratamiento respecto a la obtención de productos hacia los líquidos y los sólidos. Para obtener combustibles líquidos y carbón se requiere una alimentación seca que se somete a un tratamiento. Con objeto de mejorar los rendimientos en combustibles líquidos se están estudiando los procesos llamados de "licuefacción", que son variantes de la pirolisis con adición de un gas reductor (monóxido de carbono, hidrógeno o gas de síntesis) a temperaturas entre 300 y 500 °C y a alta presión. En definitiva, la pirolisis parece ser un buen método para la obtención de energía a partir de biomasa seca y, quizás, el mejor para convertir los residuos sólidos urbanos en compuestos de interés económico. Fermentación AlcohólicaLas plantas almacenan la energía solar captada en forma de hidratos de carbono simples (azúcares) o complejos (almidón o celulosa), a partir de los cuáles se puede obtener alcohol por fermentación, siguiendo diferentes etapas en función del tipo de biomasa de partida.
De todas las etapas indicadas, los procesos de destilación son los de mayor coste, debido a su consumo de energía.
El etanol obtenido tiene numerosas aplicaciones industriales como disolvente y como combustible. En este aspecto se ha estudiado el etanol como sustitutivo de la gasolina, habiéndose determinado las siguientes propiedades relativas:
Estas características muestran que el etanol y la gasolina no son combustibles intercambiables. Sin embargo, pueden hacerse cambios para que los motores de combustión interna funcionen perfectamente utilizando etanol, el cual produce emisiones menos contaminantes que la gasolina.
También se puede usar etanol absoluto (ya que el agua causaría problemas de miscibilidad) para añadirlo a la gasolina, mezcla conocida como "gasoil" (10% de etanol). Ello permite reducir la adición de compuestos de plomo y evitar tratamientos adicionales para mejorar la calidad de la gasolina, pudiéndose utilizar esta mezcla en un motor convencional.
El que no exista suficiente producción de etanol, unido a la necesidad de motores especiales aconsejaría, de momento, el uso de gasoil para ahorrar energía convencional mediante el uso de energía de la biomasa. Sin embargo, el futuro en este campo es alentador, principalmente si se consigue mejorar la economía del proceso. Digestión AnaerobiaLa digestión anaerobia es una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que da lugar a una mezcla de gases (principalmente metano y dióxido de carbono), conocida como "biogás" y a una suspensión acuosa o "lodo" que contiene los componentes difíciles de degradar y los minerales inicialmente presentes en la biomasa.
La materia prima preferentemente utilizada para someterla a este tratamiento es la biomasa residual con alto contenido en humedad, especialmente los residuos ganaderos y los lodos de depuradora de aguas residuales urbanas. Aunque la digestión anaerobia es un proceso ampliamente conocido en la práctica, se posee en la actualidad una información muy limitada sobre su química y su microbiología. Sin embargo, se puede afirmar en líneas generales que la digestión anaerobia se desarrolla en varias etapas durante las cuáles la biomasa se descompone en moléculas más pequeñas para dar biogás como producto final, por la acción de diferentes tipos de bacterias.
Las variables que influyen en el proceso son las siguientes:
El proceso, se lleva a cabo en recipientes estancos llamados "digestores", que deben permitir la carga y descarga de materiales y poseer un dispositivo para recoger el gas producido. Las características principales de un digestor son el Tamaño, determinado por tres variables interdependientes que son la c oncentración de sólidos degradables, la velocidad de alimentación de sólidos y el t iempo de permanencia de los sólidos en el digestor; y el Tipo de digestor. El producto principal de la digestión anaerobia es el biogás, mezcla gaseosa de metano ( 50 a 70%) y dióxido de carbono ( 30 a 50%), con pequeñas proporciones de otros componentes (nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno), cuya composición depende tanto de la materia prima como del proceso en sí. La cantidad de gas producido es muy variable, aunque generalmente oscila alrededor de los 350 l/kg de sólidos degradables, con un contenido en metano del 70%. Aunque su potencia calorífica no es muy grande, puede sustituir al gas ciudad con ventaja, utilizándose como f uente de calor (cocina, alumbrado), en la c ombustión en calderas de vapor para calefacción, como combustible de motores acoplados a generadores eléctricos, entre otros. Por su parte, el efluente de la digestión está compuesto por diversos productos orgánicos e inorgánicos y se puede utilizar tanto en la fertilización de suelos, con excelentes resultados, como en alimentación animal, aspecto aún en vías de investigación.
La energía de biomasa continúa siendo la fuente principal de energía de las zonas en desarrollo. En algunos casos también es el recurso económico más importante, como en Brasil, donde la caña de azúcar se transforma en etanol, y en la provincia de Sichuán, en China, donde se obtiene gas a partir de estiércol. Existen varios proyectos de investigación que pretenden conseguir un desarrollo mayor de la energía de biomasa, sin embargo, la rivalidad económica que plantea con el petróleo es responsable de que dichos esfuerzos se hallen aún en una fase temprana de desarrollo. Los combustibles derivados de la biomasa abarcan varias formas diferentes, entre ellas los combustibles de alcohol, el estiércol y la leña. La leña y el estiércol siguen siendo combustibles importantes en algunos países en vías de desarrollo, y los elevados precios del petróleo han hecho que los países industrializados vuelvan a interesarse por la leña. Por ejemplo, se calcula que casi la mitad de las viviendas de Vermont (Estados Unidos) se calientan parcialmente con leña. Los científicos están dedicando cada vez más atención a la explotación de plantas energéticas, aunque existe cierta preocupación de que si se recurre a gran escala a la agricultura para obtener energía podrían subir los precios de los alimentos. En este sentido, pueden plantearse dos maneras de aprovechar la biomasa:
Los residuos son el resultado del desarrollo de la civilización actual, y están creando un problema por su magnitud y sus consecuencias. Como la mayor parte de ellos son de carácter orgánico (biomasa residual), se puede suponer que presentan un enorme potencial para la producción de energía. El tratamiento de residuos es una actividad costosa, pero su posible aprovechamiento con fines energéticos puede tener considerables ventajas, por lo que podría convertirse en una actividad de interés económico y social, debido a los beneficios que generaría.
Aunque se siguen varios criterios para clasificar los residuos, en su aspecto de biomasa se consideran tres grandes sectores que producen residuos distintos: Residuos agrarios , que son una consecuencia del sector primario de la actividad humana y entre ellos se puede considerar, a su vez, tres grandes grupos:
Residuos industriales, con posible consideración energética son los derivados de las industrias de conservas vegetales, producción de aceites, vinos y frutos secos, aunque localmente pudieran ser importantes industrias de otro tipo, generadoras de biomasa residual, y Residuos urbanos, que se generan diariamente en grandes cantidades en los núcleos de población, pudiéndose considerar incluidos dentro de dos grandes grupos:
La utilización de todos estos tipos de residuos con fines energéticos será, pues, un sistema de eliminación con ventajas medioambientales y que, además, podría generar productos valiosos; de ahí el interés que presenta esta fuente de biomasa.
Por su parte, los cultivos energéticos son aquellas cosechas que se desarrollan atendiendo al valor que poseen como combustible. Esta nueva faceta agrícola se conoce como "Agroenergética" y sobre la misma existen todavía interrogantes acerca de su rentabilidad e impacto social y ecológico, debido a la falta de datos experimentales.
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