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COLEGIO OFICIAL DE FÍSICOS
CURSO DE FORMACIÓN DELPROFESORADO EN EL ÁREA DE LAS
ENERGÍAS RENOVABLES
BIOMASA
Mercedes BallesterosCIEMAT
Madrid, 27 de Octubre de 2001
Contribución de la EE.RR. en España (1998)
BiomasaSolarRSUHidráulicaMinihidráulicaEólica
La biomasa es la energíarenovable más importantecuantitativamente (50,8 %)pero está poco desarrollatecnológicamente
¡¡Gran paradoja¡¡
LA BIOMASA EN EL CONTEXTO DE LAS EE.RR.
• Alto grado de autoconsumo ⇒ No existe mercado de combustible
• 55% del consumo en el sector doméstico• Producción de electricidad en el sector de la industria
de la pasta y el papel
BIOMASA COMO RECURSO ENERGÉTICO
• Flexible• Permite un cierto grado de almacenamiento• Se transforma de varias maneras ➾ se dirige a
diferentes usos⇓
APROVISIONAMIENTO DE BIOMASA
BIOMASA
Recurso energético abundante ➾ Produccióntotal de biomasa en la biosfera
140x109 toneladas/año ➾ 2,425 x 1018 Kj
• Residuos agrícolas y forestales• Residuos industrias alimentarias y de la
madera• Cultivos energéticos
Biomasa energética ➾ Diferentes orígenes
•TÉRMICA•GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD•BIOCARBURANTES
Aceitesvegetales
EXTRACCIÓN DIRECTA
Densificado
TRANSFORMACIÓN FÍSICA
Combustión Pirólisis Gasificación
TRANSF. TERMOQUÍMICA
Digestiónanaerobia
Fermentación
TRANSF. BIOLÓGICA
BIOMASA
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN DE LA BIOMASA
APLICACIONES DE LA ENERGÍA DE LA BIOMASA
Tecnologías de acondicionamiento y preparación de labiomasa
➾ Tratamiento de homogenización de los residuos➾ Cultivos energéticos, nuevas especies y técnicasde cultivo
DESARROLLO DE LA BIOMASA ENERGÉTICA
No sólo depende de las tecnologías de transformación(calderas, gasificación, hidrólisis de celulosa,…)
también
Cultivos energéticos (herbaceos y leñosos)
Biomasa energética
Residuos forestales (tratamientos y aprovechamientosde masas vegetales). Difícil mecanización de lostrabajos necesarios para su utilización. Altoprecio➾Justificación medioambiental.
Residuos agrícolas leñosos (olivo) y herbáceos (paja).
Residuos industrias forestales (serrín, astillas) yagrícolas (aceite de oliva, cascarilla de arroz, almendra).
Productores de azúcarAlimentarios: maiz, caña, cereal, remolachaNo alimentarios: pataca, sorgo
OleaginosasAlimentarios: Soja, colza, girasolNo alimentarios: Brassica carinata, Camelina sativa
LignocelulósicosHerbáceos: Cynara, Miscanthus, BrassicaLeñosos: eucalipto, chopo
CULTIVOS ENERGÉTICOS
Valoración de la productividad en base a su contenidocalórico
CARACTERÍSTICAS DE LOS CULTIVOS ENERGÉTICOS
Elevada Productividad (>10 ton/ha año)Resistencia a la sequíaResistencia a plagasPrecocidad de crecimientoAdaptación a terrenos marginalesBalance energético positivo
CULTIVOS ENERGÉTICOS VERSUS ALIMENTARIOS
Distintas especies o distinta fitotecnia del cultivoCultivo con bajo coste energéticoAltos rendimientos en biomasa total
•57 MTEP/año adicionales en el área de biomasa➾30 MTEP/año de residuos agrícolas y forestales➾27 MTEP/año de cultivos energéticos en usos
termoeléctricos•15 MTEP/año adicionales de biogás•18 MTEP/año adicionales de biocarburantes
LIBRO BLANCO DE LAS EE.RR. (UNIÓN EUROPEA)
General: Que las renovables sean el 12% de la energíaprimaria demandada en la U.E. en el año 2010.
Biomasa: Aumentar en 90 MTEP/año el consumo deBiomasa en la U.E. en el 2010.
Objetivos
Esto significa
Residuos silvícolas ➾ Problemas de recogida y logísticos dealmacenamiento y transporteResiduos agrícolas ➾ Competencia con otros usosGran participación de los cultivos energéticos
Usos térmicos ➾ 150.000 haElectricidad ➾ 700.000 haBiocarburantes ➾ 650.000 ha
PLAN DE FOMENTO DE LAS EE.RR. (España)Objetivos
•Generación de electricidad ➾ 5.100 Ktep•Biomasa térmica ➾ 900 ktep •Biocarburantes ➾ 500 ktep
Materias primas
P.V.P. (pta/te) Recursos (2010)Residuos forestales 2 450.000 tep/año
150.000 haRes. Agrícolas leñosos 2-3 350.000 tep/año
875.000 haRes. Agrícolas herbáceos 1-1,5 1,35 Mtep/año
1.350.000 haRes. Industrias forestales 0,5-1,5 250.000 tep/año
Res. Industrias agrícolas --- 250.000tep/año
Cultivos energéticos 2,2 3,35 Mtep/año 1.000.000 ha
EVALUACIÓN DE LAS FUENTES DE BIOMASA(IDAE, 1999)
• Recolección ➾ Según su procedencia• Transporte ➾ Baja densidad• Almacenaje ➾ Producción estacional• Molienda ➾ Depende de tecnología de transformación• Secado ➾ 40% para combustión, 25 % para gasificación• Compactación ➾ Alto coste
CARACTERIZACIÓN DE LA BIOMASA•Humedad (5-70%) ➾ Secado previo•Tamaño-forma de partícula➾Tecnol. de transformación•Composición química
–Análisis inmediato (volátiles y cenizas)–Análisis elemental (C, H, N, S)
•Análisis energético (poder calorífico)
PREPARACIÓN DE LA BIOMASA
•Estufas para usos domésticos, calderas decalefacción para edificios de tamaño medio,hornos industriales, calderas de vapor, ...
• Equipos sencillos en los que prima el bajo costesobre la eficiencia energética.
•Rendimientos en torno al 70%•Alimentación:
– en forma de pelets o briquetas– sin aglomerar: quemadores de tipo ciclónico,
de premezcla y de cámara torsional.
APLICACIONES TÉRMICAS
GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD PORCOMBUSTIÓN DE BIOMASA
CAMARADE
COMBUSTION
Aire
Biomasa
Cenizas
VaporTURBINA GENERADOR
ENERGIAELECTRICA
Agua Vapor de
procesoPerdidas
Rendimiento neto: 20% referido al PCI
•Aspectos a considerar:
•El elevado contenido en agua➾ reducción del rendimiento
•Elevado contenido en álcalis ➾ sinterización•Baja densidad de la biomasa ➾ combustión incompleta
⇓Optimización de la circulación de gases de la caldera
filtrado de los gases de combustión (multiciclón, filtros demangas o electrostáticos)
PRODUCCIÓN DE VAPOR
•Calderas tradicionales de parrilla fija o móvil (T>>>>1000ºC)•Calderas de lecho fluido: burbujeante, circulante (T<<<<800ºC)
•Poco extendidas en España•Dificultad de asegurar un suministro estable decombustible•Tamaño mínimo de generación que asegure la rentabilidad•Bajo rendimiento energético•Inversión específica 240.000 ptas/kW
⇓Necesidad de una prima eléctrica adecuada
Biomasa primaria ⇒ 5,07 ptas/kWhBiomasa secundaria ⇒4,7 ptas/kWh
APLICACIONES ELÉCTRICAS
PROCESO DE GASIFICACIÓN
Oxidación parcial de la biomasa a alta temperatura
Etapas:Pirólisis: Biomasa + calor (T>400ºC) ➜ char + gasesGasificación: char + agente gasificante + calor (T>700ºC)
➜ gases + ceniza
Composición del gas: CO, H2, N2, CO2, vapor de agua, hidrocarburos y alquitranes
ESQUEMA DEL PROCESO DE GASIFICACION
BIOMASA
GAS POBRECO, H2, N2
GAS DE SINTESISCH4, CO, H2
Gasificacióncon aire
Combustión ENERGIAMECANICA
METANOLETANOL
< 6 MJ/m3
10 - 20MJ/m3
GASIFICADORO2
Turbinade gas
ELECTRICIDAD
Turbinade gas
ELECTRICIDAD
> 30 MJ/m3
CH4, CO, H2
GAS ALTO CONTENIDOENERGETICO
H2
Sólidos carbonososAlquitranes
TIPO DE REACTORES PARA EL PROCESO DEGASIFICACIÓN
Secado 100ºC
Pirólisis 300ºC
Gasificación 900ºC
Oxidación 1400ºC
Biomasa Gas
Ceniza Agente gasificante
Secado 100ºC
Pirólisis 300ºC
Gasificación 900ºC
Biomasa Agente gasificante
Ceniza Gas
Secado
Pirólisis
Oxidación
Ceniza Gas
Agentegasificante
Oxidación 1400ºC
Lecho móvil encontracorriente o updraft
Lecho móvil en contracorrientesparalelas o updraft
+
+
+Gasificación
Biomasa
Lecho fluidizado
TECNOLOGÍAS DEL PROCESO DE LIMPIEZA DEL GAS
• Necesidad de eliminar los alquitranes y partículas sólidas• Suele ser aconsejable la eliminación por separado de las partículas y
del alquitrán (sólo a altas temperaturas)� Partículas sólidas:– cenizas o biomasa parcialmente gasificada– los separadores deben operar por encima del punto de
condensación de los alquitranes– se utilizan ciclones (900ºC), precipitadores electrostáticos
(500ºC), filtros de mangas (290ºC), filtros de lecho granulado(300ºC).
� Alquitranes– Scrubbers. Sistemas húmedos de depuración con lluvia de
agua
ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA DE GASIFICACIÓN
• Gasificadores de pequeña escala (potencia > 750 kWe)– Tecnología de lecho fijo en corrientes paralelas– Importante potencial de mercado para Europa y
países en vías de desarrollo– Baja producción de alquitranes, más simple lalimpieza de gases
• Gasificadores de mayor escala– Tecnología de lecho fluidizado– Se encuentran en fase de demostración (Lurgi, TPS,
Foster Wheeler y Carbona)
PIROLISIS
Separador Enfriador Calentador
Calentadorde
coque
Cambiadorde
calor
Aire
Gas deescape
Aire precalentado
Gas portador precalentado
C. vegetal
C. vegetal
Coque
Gas - C. vegetal
Biomasa
ESQUEMA DEL PROCESO DE PIROLISIS
Líquidos piroleñosos
Características de los aceites de pirólisis de la madera
• Combustible líquido• Fácil sustitución de combustibles convencionales enmuchos dispositivos: quemadores, máquinas, turbinas.
• Poder calorífico es de alrededor del 40% del aceitecombustible en base de peso y del 60% en volumen.
• No se pueden mezclar con hidrocarburos combustibles.• No son tan estables como los combustibles fósiles.