Estimación del potencial energético de biomasa residual agrícola a

pequeña escala: caso Colombia

Quelbis R. Quintero B.Ing. Agrícola Dr. Sc.

IPCC en 2010 estima un potencial técnico basado en literatura científica y modelos matemáticos

Aprovechando los residuos agrícolas, forestales yresiduos sólidos urbanos.

140 EJ año-1

70 EJ año-1

120 EJ año-1

60 – 100 EJ año-1

140 EJ año-1

Mejorando la gestión agrícola e pecuaria apoyado en latecnología. Elevando la eficiencia de conversión dealimentos para carne y agricultura de precisión.

Utilizando las tierras con escasez de agua, marginales y degradadas, estimadas en 5 millones de km2 a nivel mundial.

Utilizando tierras excedentes de buena calidad, estimadas en 3 millones de km2 a nivel mundial.

Estableciendo nuevas plantaciones forestales.

50

0 E

J añ

o-1

Po

ten

cial

glo

bal

de

en

erg

ía p

rim

aria

a p

arti

r d

e B

iom

asa

Emis

ion

es

de

Gas

es

Efe

cto

Inve

rnad

ero

Potenciales energéticos

Potencial Económico y Financiero

Potencial Técnico

Representa la generación posible de energia eléctrica a partir de um combustible (biomasa, residuos

sólidos, etc) de una determinada tecnologia con una eficiencia determinada. También es tenido en cuentalas limitaciones topográficas, ambientales y uso de la

tierra (LOPEZ et al., 2012b)

Potencial Teórico:

El IPCC define o potencial teórico como la cantidad de energia física que puede ser usada en un lugar específico y durante un determinado período (por ejemplo, a lo

largo de un año entero).

Bio

mas

a R

esid

ual

Agr

íco

la

(BR

A)

Biomasa Residual de Cosecha (RAC): proviene de trabajos agrícolas tradicionales

Biomasa Residual Agroindustrial (RAI): provienen de las industrias

agroalimentarias

𝐵𝑅𝐴 = 𝑅𝐴𝐶 + 𝑅𝐴𝐼

𝑅𝐶 = 𝑅𝐻𝑒𝑟𝑏𝑎𝑐𝑒𝑜𝑠 + 𝑅𝐿𝑒ñ𝑜𝑠𝑜𝑠

Determinación de potencial Energético Teórico de Biomasa

• PTresiduo: potencial teórico

• PCI: poder calorífico inferior útil (Kcal kg-1)

• m: peso de los residuos a considerar (ton)

• VP: producción de cultivo (ton)

• FGR: factor de generación de residuos (kg residuos kg producción-1)

• 8322: 95% de horas anuales de generación

• 860: conversión de Kcal kg-1 a kWh kg-1

𝑃𝑇𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 =𝑃𝐶𝐼 × 𝑚

8322 × 860𝑚 = VP × 𝐹𝐺𝑅

Poder calorífico para algunos residuos agrícolas

Escalante y otros (2010)

Factores de generación de residuos algunos cultivos agrícolas

Escalante y otros (2010)

Generación de Residuos de Algodón

Potencial Teórico de residuos algunos cultivos agrícolas

0.0

20.000.0

40.000.0

60.000.0

80.000.0

100.000.0

120.000.0

140.000.0

160.000.0

180.000.0

200.000.0

TJ a

ño

-1

Determinación de potencial Técnico de Biomasa

• PTCresiduo: potencial técnico

• PTresiduo: potencial teórico

• FA: factor de aprovechamiento (0 – 1)

• Ef: eficiencia de conversión

𝑃𝑇𝐶𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 = 𝑃𝑇𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 × 𝐹𝐴 × 𝐸𝑓

Algunos ciclos de Potencia

Tecnologías Comercialmente DisponiblesSistema Expansor Potencia Grado de desarrollo de la tecnología Referencia

CRO

Expansor de tornillo

(ET)4 kW – 350 kW Prototipo

(Qiu, Liu, & RiffaT, 2011) & («OrmaT technologies

Inc.», 2012) & («WSK Kehl», 2012) & («ElectraTherm»,

2012) & («Heliex Power», 2012) & («Bosch KWK

Systeme», 2012)

Turbina radial de dos

etapas (TR)300 kW – 2 MW Módulo comercial («turboden», 2012)

Turbina Axial (TA) 300 kW – 2.4 MW Módulo Comercial («GMK ORC», 2012) & («Adoratec», 2012)

Turbina Radial (TR) 1 kW – 50 kW Prototipo(Kang, 2012a) & (Welch & Boyle, 2009) & («InfiniTy

turbine ®», 2012) («Green Energy Australasia»,

2012)(«Zuccato Energia», 2012)

CRC

Expansor de tornillo

(ET)4 kW – 300 kW Prototipo (Environmental Protection Agency – EPA, 2008)

Turbina Axial (TA) 2 MW – 7 MW Módulo Comercial («turboden», 2012)

Turbina Radial (TR) 300 kW Módulo Comercial (Welch & Boyle, 2009)(«ergion gmb», 2012)

Eficiencias Nominales de algunos Ciclos de Potencia

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350

Eficie

ncia

(%

)

Potencia (kW)

CRO (Benzeno) con ET CRC con TR CRC con ET Ciclo Otto (G-MCI) Ciclo Brayton (C-TGCE) CRO (n-pentano) con ET

Convenciones: CRO – ciclo Rankine orgánico; ET – expansor de tornillo; CRC – ciclo Rankine convencional; TR – turbina radial; G –

gasificación; MCI – motor de combustión interna; C – combustión; TGCE – turbina a gas de combustión externa.Quintero y otros (2012)

Eficiencias Nominales de algunos Ciclos de Potencia

Convenciones: CRO – ciclo Rankine orgánico; TA – turbina axial; TR – turbina radial; CRC – ciclo Rankine convencional; G –gasificación; MCI – motor de combustión interna; TGCE – turbina a gas de combustión externa; C - combustión. Quintero y otros (2012)

10

15

20

25

30

500 1000 1500 2000 2500 3000

Eficie

ncia

(%

)

Potencia (kW)

CRO (Benzeno) con TA CRO (Benzeno) con TR CRC con TA Ciclo Otto (G-MCI)

Ciclo Brayton (G-TGCE) Ciclo Brayton (C-TGCE) CRO (n-pentano) con TA CRO (n-pentano) con TR

Estimación Potencial Técnico para el Cultivo del Arroz por Hectárea Sembrada

Variable Valor Unidad

Factor generación Residuos (tamo) 2,35

Factor generación Residuos

(cascarilla)0,2

Producción Promedio 5400 kg/ha

Índice de Utilización (RAC) 0,5

Índice de Utilización (RAI) 1

Factor de Conversión 0,000277778 kWh

BRPotencia

(kW)

kWh/hasembrada

Ciclo Otto

(G-MCI)

Ciclo Brayton

(G-TGCE)

Ciclo Brayton

(C-TGCE)

Tam

o

100 3395,9 3533,6

300 3579,5 3831,9

500 3763,0 2868,2 3900,7

1000 4199,0 3946,6

2000 5093,8 4061,3

3000 5988,7 4176,0

Cas

cari

lla

100 669,0 696,1

300 705,2 754,9

500 741,3 565,0 768,5

1000 827,2 777,5

2000 1003,5 800,1

3000 1179,8 822,7

Estimación Potencial Técnico para el Cultivo del Arroz por hectárea sembrada

Variable Valor Unidad

Factor generación Residuos (tamo) 2,35

Factor generación Residuos

(cascarilla)0,2

Producción Promedio 5400 kg/ha

Índice de Utilización (RAC) 0,5

Índice de Utilización (RAI) 1

Factor de Conversión 0,000277778 kWh

BRCiclo

termodinámico

Potencia

(kW)

kWh/ hasembrada

Turbina Axial

(TA)

Turbina

Radial (TR)

Expansor de

Tornillo (ET)

Tam

o

CRC

100 3281,2 2455,1

300 4015,4 3671,2

500 2730,5

1000 2937,0

2000 3350,0

3000 3763,0

CRO (n-

pentano)

100 2937,0

300 4176,0

500 2959,9 3235,3

1000 3166,4 3510,6

2000 3556,5 4038,4

3000 3946,6 4497,3

Cas

cari

lla

CRC

100 646,4 483,7

300 791,1 723,3

500 537,9

1000 578,6

2000 660,0

3000 741,3

CRO (n-

pentano)

100 578,6

300 822,7

500 583,1 637,4

1000 623,8 691,6

2000 700,7 795,6

3000 777,5 886,0

Consumo de Biomasa Residual (BR) del cultivo de arroz para diferentes ciclos termodinámicos y rutas tecnológicas de biocombustibles gaseosos

BRPotencia

(kW)

kg/kWh

Ciclo Otto

(G-MCI)

Ciclo Brayton

(G-TGCE)

Ciclo Brayton

(C-TGCE)

Tam

o

100 1,97 1,89

300 1,87 1,74

500 1,77 2,33 1,71

1000 1,59 1,69

2000 1,31 1,64

3000 1,12 1,60

Cas

cari

lla

100 1,70 1,63

300 1,61 1,51

500 1,53 2,01 1,48

1000 1,37 1,46

2000 1,13 1,42

3000 0,96 1,38

BRCiclo

termodinámico

Potencia

(kW)

kg/kWh

Turbina Axial

(TA)

Turbina

Radial (TR)

Expansor de

Tornillo (ET)

Tam

o

CRC

100 2,04 2,72

300 1,66 1,82

500 2,45

1000 2,27

2000 1,99

3000 1,77

CRO (n-

pentano)

100 2,11

300 1,60

500 2,26 2,06

1000 2,11 1,90

2000 1,88 1,65

3000 1,69 1,49

Cas

cari

lla

CRC

100 1,76 2,35

300 1,44 1,57

500 2,11

1000 1,96

2000 1,72

3000 1,53

CRO (n-

pentano)

100 1,96

300 1,38

500 1,95 1,78

1000 1,82 1,64

2000 1,62 1,43

3000 1,46 1,28

Costos Específicos de algunas Tecnologías

Rutas

termoquímicas

Potencia

(kWe)

Costo Específico de

Inversión

(USD$/kW)

Referencia

Calor Residual –

CRO4 – 250 2900 - 1800

(Quoilin, Declaye, Tchanche, & LemorT,

2011) & (Vanslambrouck & Vankeirsbilck,

2011) &(«Calnetix», 2012)

Combustión - CRC 500 – 3000 2800 - 1500*(Environmental Protection Agency – EPA,

2008)

Combustión – CRO 150 – 2000 3950 – 1300 (Vanslambrouck & Vankeirsbilck, 2011)

Conclusiones

• La generación de energía eléctrica con Biomasa Agrícola Residual es posible. Sin embargo hay que tener en cuenta el grado de concentración de los residuos para hacerlo viable.

• Los costos de generación de energía eléctrica con biomasa a pequeña escala pueden ser limitantes. Sin embargo con los avances en el desarrollo de los ciclos de potencia, ha incidido positivamente en la disminución de estos.

•Muchas gracias!!!