Impacto de la energa sobre el medio ambienteAunque en diferente grado de intensidad,el hombre desde siempre ha cambiadodeliberadamente el entorno, para resol-ver sus necesidades inmediatas y futuras.Slo el avance en el conocimiento hagenerado una toma de conciencia en lasociedad. Este hecho produce una totalaceptacin de responsabilidad para conel medio ambiente, hasta ahora descui-dado y transformado.

En el mbito energtico, cuya inter-relacin con el medio ambiente poseeconnotaciones negativas en la opininpblica, se investiga con el propsitode garantizar la respuesta adecuada a laspreocupaciones de la sociedad ejempli-ficadas en problemas tan complejos comoel cambio climtico, el empobrecimientode la capa de ozono estratosfrico, la aci-dificacin del suelo, la prevencin deaccidentes o la gestin de residuos.

No obstante, la distribucin de los con-sumos de energa primaria, refleja el escaso

desarrollo y la falta de implantacin de tec-nologas de produccin energtica, y portanto, el impacto ambiental antropognicoen el mbito energtico, todava hoy es ungran problema, y as lo refleja el siguienteestudio comparativo.

Emisiones en los procesos de combustinLas emisiones de contaminantes atmos-fricos constituyen un tema de interscreciente tanto por sus consecuenciasmedioambientales, relacionadas con lacalidad del aire, como por sus implica-ciones tecnolgicas, si se considera lacombustin el proceso que las genera.

Son los combustibles fsiles la mayorfuente generadora de energa, con una pro-duccin mundial en torno al 85%: carbn(24%), petrleo (39%) y gas natural (22%).

Aunque cualquier opcin para la gene-racin de electricidad tiene repercusio-nes sobre el medio ambiente, son loscombustibles fsiles los que producenmayor cantidad de emisiones.

Durante las fases de combustin ypostcombustin las principales emisio-nes que se liberan del proceso son: gasesy vapores en elevada concentracin,materia particulada, compuestos orgni-cos y elementos traza.

Los gases estn formados principal-mente por gases de efecto invernadero:dixido de carbono (CO2), metano(CH4), dixido de nitrgeno (NO2), ycompuestos halogenados. Gases pre-cursores de la lluvia cida: dixido de azu-fre (SO2) y los xidos de nitrgeno (NOx);adems de oxgeno (O2) y vapor de agua.

La materia particulada en las emisio-nes est formada fundamentalmente porminerales, inquemados y elementos traza.Una fraccin de estas partculas, aproxi-madamente la cuarta parte, es recogidacomo ceniza en el propio combustor y elresto es liberada como ceniza volante, queser retenida parcialmente en los sistemasde control de emisiones antes de su salidaa chimenea. Aunque los sistemas de fil-tracin convencionales tienen una alta efi-

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La utilizacin de la materia orgnica como fuente de energa se ejemplifica en este artculo con el caso de una planta de biogs para una explotacin ganadera

El aprovechamiento energtico de la biomasa

Ismael Delgado Caballero

Francesc Estrany Coda

Ramn Oliver Pujol

ciencia (rango de tamao micras), no soncapaces de eliminar de forma significativalas partculas ms finas, submicromtricas.

En la combustin del carbn se hanencontrado unos once elementos traza,de los considerados contaminantes: beri-lio (Be), cromo (Cr), manganeso (Mn),cobalto (Co), nquel (Ni), arsnico (As),selenio (Se), cadmio (Cd), antimonio(Sb), mercurio (Hg), y plomo (Pb).

Las emisiones procedentes de los resi-duos slidos urbanos (RSU), utilizadoscomo recurso energtico en procesos deincineracin o co-combustin generan,junto a la materia particulada, elementostraza especialmente txicos como el mer-curio (Hg) y compuestos orgnicos per-sistentes, con riesgo para la salud, comolas dioxinas.

Los compuestos orgnicos se puedenencontrar en fase gas, habitualmentecomo compuestos orgnicos voltiles(VOC) o adsorbidos sobre la superficiede las partculas, como hidrocarburosaromticos policclicos.

En la combustin se generan tambin(cuando se dan las condiciones adecua-das) compuestos orgnicos traza: poli-clorodibenzo-p-dioxinas (PCDD) y po-liclorodibenzofuranos (PCDF) msconocidos como dioxinas y furanos.

En general cualquier emisin decombustin va a depender en primerlugar de las propiedades del combusti-ble, pero tambin de manera importantela tecnologa de combustin utilizada(calderas de combustin de carbn pul-verizado, combustores en lecho fluidi-zado, incineradores para combustiblesslidos y quemadores o motores decombustin interna para combustibleslquidos).

Problemtica de las centrales nuclearesLa generacin de electricidad con plan-tas de energa nuclear provoca la emisina la atmsfera de sustancias radioactivas.Adems, plantea serios problemas en lagestin de residuos radioactivos de alta,media y baja actividad.

En el caso de considerar impactosrelacionados con el desmantelamiento,las centrales nucleares resultan penali-zadas, dadas las dificultades aadidas enel caso de grandes infraestructuras y losproblemas relacionados con la recupera-cin de suelos contaminados. A todo esto,cabe aadir el agravio que supone elcarcter radioactivo de parte de los resi-duos y de las instalaciones que entraronen contacto directo o indirecto con elcombustible y sus radiaciones.

Los materiales estructurales sufren unenvejecimiento debido a la exposicincontinua a radiacin neutrnica. Se pro-ducen cambios en sus propiedades fsi-cas y mecnicas, potenciado por las con-diciones de operacin: radiacin, altastemperaturas, cargas cclicas a alta pre-sin, y un ambiente corrosivo. Desde elpunto de vista de la seguridad, el enve-jecimiento de los materiales influye sobrela fiabilidad de las plantas nucleares enoperacin, pudiendo llegar a compro-meter su seguridad.

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Ventajas de las energas renovablesEn este contexto, las denominadas tec-nologas renovables representan en gene-ral, y por su propia naturaleza, unaopcin ventajosa. Adems, el carcter delas fuentes primarias renovables, en gene-ral dispersas e inagotables, hace que pre-senten menores necesidades de trans-formacin y transporte y ello explicatambin sus menores efectos globales.

Si es cierto que tecnolgicamente faltaun mayor desarrollo que disminuya algu-nos de los posibles impactos actuales,como podran ser los impactos paisajsti-cos en la energa elica, los materiales uti-lizados para la captacin de energa solar,la optimizacin rigurosa en los procesosde combustin de biomasa, etc., no obs-tante, se debe tener en cuenta de modoglobal y sin dejar ningn tipo de duda alrespecto, hechos favorables como son lareduccin de emisiones de CO2, reduc-cin del efecto invernadero, as como lareduccin de emisiones a la atmsfera decompuestos que provocan lluvias ci-das, logrando disminuir notablemente lageneracin de residuos nocivos tanto para

el hombre como para el medio ambiente,reducir la emisin de compuestos que aci-difican los suelos y las aguas y, en gene-ral, paliar los impactos medioambienta-les que conlleva la generacin de energa.

BiomasaEl trmino biomasa hace referencia a lamateria orgnica que se produce en lasplantas verdes a travs del proceso defotosntesis, as como a la originada enlos procesos de transformacin de la pri-mera, considerando tanto los que se pro-ducen de forma natural, como de formaartificial. La formacin o transformacinde la materia orgnica ha de ser reciente,lo que excluye del trmino a los com-bustibles fsiles (carbn, petrleo y gasnatural), cuya formacin tuvo lugar hacemillones de aos.

OrigenEn la fotosntesis, las plantas verdes trans-forman productos minerales, como sonel dixido de carbono y el agua, en sus-tancias orgnicas y oxgeno por accinde la radiacin solar. La materia orgnica

obtenida tiene un alto valor energticoasociado a su estructura interna y sedenomina biomasa vegetal. En dicho pro-ceso, la energa contenida en la radiacinsolar se transforma en energa qumica,siendo el esquema bsico y general de lareaccin el que se indica a continuacin:

CO2 + H2O Luz O2 + (CH2O)n

La clorofila presente en las plantas ver-des es la substancia responsable de la absor-cin de luz que se necesita en el proceso dela fotosntesis. Hay que sealar que la trans-formacin energtica asociada a la foto-sntesis tiene un rendimiento bajo.

En primer lugar, del conjunto de lon-gitudes de onda del espectro solar, slola radiacin solar comprendida en elrango de onda de 0,4 a 0,7 m es vlidapara el proceso, lo cual supone una ciertarestriccin. En segundo lugar, no toda laradiacin solar que incide sobre la plantaes absorbida por sta, ya que aproxima-damente el 30% es reflejada. Si adems,se considera que la propia fotosntesistiene un rendimiento prximo al 30%,y que se producen prdidas de energacomo consecuencia de otros procesos quetienen lugar en las plantas, se obtiene queel rendimiento en el proceso de genera-cin de biomasa a partir de la energasolar es muy bajo, entre el 3 y el 5%.

Como fuente de energa, la biomasase puede utilizar directamente a travs deun proceso de combustin, o bien sepuede transformar en otras sustancias quea su vez se utilicen como combustibles.La realidad es que la biomasa, comparadacon los combustibles fsiles, tiene unabaja densidad energtica, un alto conte-nido en humedad que dificulta el procesode combustin, y no se puede almacenardurante mucho tiempo porque se dete-riora. Sin embargo, su potencial energ-tico es lo suficientemente elevado comopara justificar el estudio y desarrollo detecnologas que permiten un uso eficientede la misma como fuente de energa.

Aprovechamiento energtico de la biomasaEl modo ms directo para extraer y apro-vechar la energa contenida en la biomasaes por medio de un proceso de com-bustin, de tal modo que su energa qu-mica se transforme en energa trmica.Este modo de proceder es adecuadosiempre que la biomasa tenga buenaspropiedades como combustible. Sinembargo, no siempre se puede hacer unuso directo de la misma. En general, sepuede decir que la biomasa no presenta

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TIPO RECURSO TRATAMIENTO APROVECHAMIENTO

RESIDUOFORESTAL

SINTRATAMIENTO

RESIDUOAGRCOLA REFINO

RES. IND. AGRCOLA DENSIFICACIN

PRODUCCINTRMICA

RES. IND. FORESTAL PIRLISIS

CULTIVOSENERGTICOS GASIFICACIN

EFLUENTESAGROGANADEROS

EFLUENTES IND. AGROALIM. DIGESTIN

ANAEROBIAPRODUCCINELCTRICA

RESID. URBANASDEP. AGUAS

DESGASIFICACINVERTEDEROS

CULTIVOSENERGTICOS FERMENTACIN

EXCEDENTESAGRCOLAS

ALCOHLICA

EXTRACCIN

TRANSPORTES

SUBPRODUCTOSIND. AGROALIM.

ESTERIFICACIN

Figura 1.

unas buenas caractersticas para su usodirecto, ya que tiene una densidad ener-gtica muy baja y un alto grado de hume-dad. Esto hace que, en numerosas oca-siones, sea necesario someter a la biomasaa algn tipo de tratamiento que per-mita obtener sustancias con mejorescaractersticas como combustible.

Los diferentes tipos de tratamientosque se suelen utilizar se pueden clasifi-car en tres grupos: procesos de extrac-cin, procesos termoqumicos y proce-sos bioqumicos.

En la figura 1 se refleja el uso ener-gtico que se da a la biomasa segn seasu procedencia mediante diferentes tiposde tratamientos.

Digestin anaerobiaEste proceso bioqumico consiste en ladescomposicin de la materia orgnicapresente en la biomasa. Se obtiene unamezcla de productos gaseosos que sedenomina biogs, formada principal-mente por metano y dixido de carbono,junto con un residuo semislido, tipolodo o fango, que tendr una mayor con-centracin en nutrientes que la bio-masa inicial. En la figura 2 se recoge lacomposicin habitual de biogs.

La digestin anaerobia, como mtodode tratamiento de residuos, permite redu-cir la cantidad de materia orgnica conta-minante y, al mismo tiempo, producir ener-ga. El que uno de estos dos objetivospredomine sobre el otro depende de lasnecesidades de descontaminacin del medioy/o la naturaleza y origen del residuo.

Este tipo de proceso se est utilizandodesde hace muchos aos con el objetivode someter a los residuos a un procesode estabilizacin, sin que se prestara aten-cin al tipo de producto obtenido. Sinembargo, en los ltimos aos, la situa-cin ha cambiado. Se ha estudiado enprofundidad el proceso con el objetivosimultneo de conseguir estabilizar elresiduo y obtener unos productos con unalto contenido energtico, intentando

que la obtencin de metano a partir dela biomasa resulte competitiva. El poten-cial calorfico superior de 1 m3 de biogses de 23.000 KJ aproximadamente.

El tipo de biomasa que es tratada en unproceso de digestin anaerobia suele serbiomasa residual procedente de ganade-ras y granjas, sobre todo estircol de losanimales. En general, es biomasa con unalto grado de humedad, y donde la mate-ria orgnica se encuentra presente en az-cares, celulosa, hemicelulosa, protenas ylignina. Hay que sealar, sin embargo, queno todas las sustancias orgnicas mencio-nadas presentan la misma predisposi-cin a la descomposicin bioqumica. Lasms aptas a este tipo de proceso, y enorden decreciente, son los monosacri-dos, hemicelulosa, celulosa, protenas ylignina, verificndose que la misma sus-tancia en diferentes substratos, presentacomportamientos diferentes frente a ladigestin anaerbica, y el resultado es quela fraccin transformada vara.

Etapas de la digestin anaerobiaLa digestin o fermentacin anaerobiade compuestos orgnicos es un procesocomplicado en el que se producen ungran nmero de reacciones qumicas ydonde se presentan una gran variedad debacterias, no siendo fcil conocer lasecuencia exacta en la que se sucedentodos los pasos del proceso. Sin embargo,s se sabe que la fermentacin anaerobiase desarrolla en tres etapas (figura 3):

Primera etapa: hidrlisis

En esta etapa, las bacterias, principalmentecelulolticas, actan sobre la materia org-nica transformndola en monmeros, defrmula molecular ms simple y solubles.

Segunda etapa: acetognica

Los monmeros obtenidos son atacadospor otro tipo de bacterias produciendocidos orgnicos de cadena corta, prin-cipalmente el cido actico, y dixido decarbono e hidrgeno (tambin algunos

alcoholes y aldehdos). Esto se produceen la fosa de homogenizacin.

Tercera etapa: metanognica

Las sustancias producidas en etapas ante-riores son atacadas por las bacterias deno-minadas metanognicas, que necesitanencontrarse en una atmsfera con ausen-cia de oxgeno. stas producen la forma-cin de metano y dixido de carbono.

Las bacterias metanognicas son orga-nismos claves en el digestor, su desarrolloes muy lento y son extraordinariamentesensibles a las variaciones que se pro-ducen en el medio que las alberga. Esttotalmente comprobado que la digestinde los lodos se realiza a cualquier tem-peratura; sin embargo, el tiempo que setarda en completar la digestin es varia-ble y est en relacin con ella. En estesentido, existen dos grandes clases de bac-terias metanognicas, cuyas temperatu-ras de desarrollo son muy diferentes:

Las bacterias mesfilas, cuya tempe-ratura ptima est entre 35 y 45 C.

Las bacterias termfilas, para las quela temperatura oscila de 50 a 60 C.

Se puede obtener metano tambin a par-tir del hidrgeno y el dixido de carbonoproducidos en la segunda etapa, pero encualquier caso, hay que sealar que la pro-duccin de metano est principalmente con-trolada por las bacterias metanognicas.

Adems de la temperatura, hay otrascondiciones en las que se realiza el pro-ceso que tienen una gran influencia sobreel desarrollo del mismo. Las variablesms influyentes son la acidez (pH), elcontenido en slidos, el tipo de sustan-cias y el tiempo de retencin.

El pH tiene que estar muy controlado,debe mantenerse entre 6,5 y 8. Fuera deeste rango las bacterias no se desarrollan.El rango de trabajo ms adecuado es de6,6 a 7,6. El pH influye sobre la cantidadde biogs producida y sobre la propor-cin de metano.

El contenido en slidos debe ser bajo,entre el 10% y el 12%, por lo que el gradode humedad ser alto. Las bacterias nece-sitan un medio fluido para su desarrollo,pero con una concentracin adecuadade nutrientes. Es necesario que, aproxi-madamente, el 10% del total de biomasaseca est constituida por nitrgeno, y queun 2% sea fsforo. Adems, deber haberpotasio y sales minerales, y no debernencontrarse sustancias txicas como meta-les pesados o pesticidas, ya que impidenel buen desarrollo del proceso.

El tiempo de retencin depender delas caractersticas de la biomasa que sevaya a tratar, oscilando entre 3 y 30 das.

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COMPOSICIN DEL BIOGS

65%

5%

30% metano

dixido de carbono

hidrgeno y otros

Figura 2.

Planta de biogs para una explotacin ganaderaActualmente, las grandes explotacionesganaderas tienen un volumen de estir-col y camas de ganado excesivo para ver-ter en su propia superficie sin causardaos medioambientales. Por estemotivo, los residuos generados por susvacas son distribuidos a diferentes agri-cultores, con el nico beneficio (sin dejarde ser importante) de la eliminacin dela carga contaminante.

El proceso, adems de garantizar ladisminucin de carga contaminante yobtencin de un fertilizante orgnico demejores propiedades para los suelos, pro-pone la obtencin de energa trmica yelctrica con el consiguiente ahorro ener-gtico y beneficio econmico, objetivofinal de cualquier empresa.

En primer lugar, se recogern los estir-coles de los dos establos principales, quealbergan a ms del 80% del censo vacuno.

Este estircol se seguir recogiendocon el sistema actual, el cual se basa enpasar continuamente por el suelo del

establo un ngulo metlico que se arras-tra mecnicamente a travs de un ral conforma de cremallera.

Se conducir por canalizacin incli-nada (por gravedad) prevista de una mallaen la entrada para tamizar con el fin deretener los slidos mal digeridos por lasvacas o pajas que se puedan colar. Estosresiduos no son metanizables, por lo queno afecta al rendimiento energtico.

Se almacenarn en una fosa de homo-genizacin y trituracin previa. Funcio-nar intermitentemente el sistema dehomogenizacin y trituracin, y de estafosa se alimentar el digestor anaerbicopor tubera de acero inoxidable y ampliodimetro para evitar atascos.

En el digestor se producir el biogsdebido a la transformacin por metano-gnesis que realizan unas bacterias espe-cficas. Tambin se obtendr un efluentecon una carga de nitrgeno menor alcontenido inicial, y con una composicinadecuada para su uso como fertilizante oabono.

El biogs se extraer mediante bomba,

y ser conducido por tubera de aceroinoxidable a un gasmetro, intercalandoantes unos filtros para eliminar humedady absorber el cido sulfhdrico.

El biogs almacenado ser conducidohasta el equipo de cogeneracin queconsta de motor trmico y generador.Tambin estar previsto un sistema deintercambiadores de calor para refrige-rar el motor y calentar el digestor.

La electricidad se aprovechar en lagranja, en la planta de transformacin debiomasa, en el resto de las instalacionesy se ceder a la compaa suministradora.

Precio y primas por la venta a la redExisten dos modalidades de facturacin:

Precio fijo de la venta de electricidadgenerada por biogs: 0,060582 / KWh.

Precio variable:1. Precio por KWh variable segn

libre mercado.2. Complemento de eficiencia ener-

gtica.3. Prima para biogs: 0,025136 / KWh.

BibliografaJarabo Friedrich. F. La energa de la biomasa, S.a.p.t.

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de Energas Renovables.

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1

1 1

2

3

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1 1

HIDRLISIS

ACIDOGNESIS

METANOGNESIS

MATERIA ORGNICA

Proteinas Glcidos Lpidos

Aminocidos, azcares c. grasos, alcoholes

Productos intermedios(c. propinico,

butrico, etc.)

c. actico H2, CO2

CH4 + CO2

Figura 3. Fases de la fermentacin anaerobia y poblaciones bacterianas: 1) Bacterias hidrolticas-acidognicas;

2) bacterias acetognicas; 3) bacterias homoacetognicas; 4) bacterias metanognicas hidrogenfilas;

5) bacterias metanognicas acetoclsticas.

NotaPrecios regulados por la legislacin vigente (RealDecreto 1436/2002). Datos obtenidos del B.O.E.martes 31/12/2002 n 313, Anexo 4 tabla de pre-cios para el grupo correspondiente.

Ismael Delgado CaballeroIngeniero tcnico industrial en Qumica Industrial.

Francesc Estrany CodaProfesor titular de la Unidad de Qumica Indus-trial de la Escuela Universitaria de Ingeniera Tc-nica Industrial de Barcelona.

Ramn Oliver PujolCatedrtico de la Unidad de Qumica Industrialde la Escuela Universitaria de Ingeniera TcnicaIndustrial de Barcelona.

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