Sistemas Energéticos con Biomasa Sonia Rincón Grupo de Investigación en Biomasa y Optimización...

Sistemas Energéticos con Biomasa

Sonia RincónGrupo de Investigación en Biomasa y

Optimización Térmica de Procesos – BIOTUniversidad Nacional de Colombia –

Facultad de Ingeniería

Contenido1. Participación de la biomasa en el suministro mundial de energía primaria.2. Biomasa como fuente de energía

3. Procesos de transformación de biomasa para uso como fuente de energía

6. Estado de comercialización de las principales tecnologías

5. Biocombustibles de primera, segunda y tercera generación

4. Ciclo cerrado del CO2

1. Participación de la biomasa en el suministro mundial de energía primaria.

Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia

www.forosesarq.wordpress.com

Energía en el mundo


Evolución del suministro mundial de energía primaria

Mtoe= Millones de toneladas de petróleo equivalente 1 toe = 42 GJ13000 Mtoe=5,5 x1011 GJ


Participación de las energías renovables en el suministro mundial de energía primaria

Renewables in global energy supply. IEA Factsheet. 2007

- Biomasa sólida- Carbonizados de biomasa- Biogas- Biocombustibles líquidos- Residuos municipales

(fracción biodegradable)


Participación por regiones en el suministro de combustibles renovables y desechos

OECD 14,6 %

África 24,2 %

Asia no-OECD 33 %

China 19,2 %

América latina7,6 %

Medio oriente 0,1 %

Europa no-OCDE 0,5 %Antigua Unión Soviética 0,7 %



Participación de las energías renovables en la producción de energía eléctrica


2. Biomasa como fuente de energía


Todo material orgánico que se origina de plantas (incluye algas, árboles y cultivos). Se produce a partir del proceso de fotosíntesis mediante la reacción entre el CO2 del aire, el agua y la luz del sol para la producción de carbohidratos. El término incluye toda la vegetación terrestre y marina.

Biomasa:


Biomasa residual

Residuos agrícolas y forestales

Residuos industriales

Residuos ganaderos Residuos urbanos


Uso

Proceso

Alistamiento

Producción

Residuos agrícolas y forestales, residuos industriales, residuos urbanos, residuos ganaderos

Almacenamiento (silos, terrenos, etc)

Transporte

Recolección

Preparación: (clasificación, secado, molienda, compactación, etc)

Procesos de transformación energética

Energía final

Etapas para el aprovechamiento de la biomasa residual como fuente de energía


Composición estructural de la biomasaComponentes mayoritarios:Celulosa: Componente mayoritario (40 – 50 %) que constituye la base estructural de las células vegetales. Polímero formado por moléculas de glucosa. Hemicelulosa: Presente en proporciones de 20 a 40 %. Compuesta por diferentes azúcares formando cadenas cortas y ramificadas. Algunos azúcares: pentosas (xilosa, arabinosa), hexosas (glucosa, manosa y galactosa), ácidos hexurónicos (ácido glucorónico, metilglucorónico y galacturónico) y deoxihexosas (ramnosa y fucosa).Lignina: Polímero aromático. Presente en proporciones de 5 a 30 %. Proporciona rigidez a la pared celular, asegura protección contra agentes atmosféricos, humedad y el ataque de microorganismos.


U.S Department of Energy Genome Programs image gallery, http://genomics.energy.gov

N. Mosier, C. Wyman, B. Dale, R. Elander, Y. Y. Lee, M. Holtzapple and M. Ladisch, Bioresour. Technol., 2005, 96, 673

Proporciones:Tabla 4 pg. 44Mc.Kendry 2002.

Composición estructural de la biomasa


Componentes minoritarios:Extractivos: Componentes orgánicos de bajo peso molecular. Se pueden extraer de la madera por lavado con agua o con solventes orgánicos. Su función en la célula vegetal es la de brindar protección exterior y reserva de nutrientes.

Cenizas: Fracción inorgánica del material formadas por sales inorgánicas de calcio, potasio, sodio, magnesio y sílice.

Composición estructural de la biomasa


Caracterización de la biomasa

Caracterización estructural

Caracterización química

Caracterización energética

Caracterización física

Análisis próximo (inmediato)

Análisis último (elemental)

Análisis elemental de cenizas

Poder calorífico

Densidad

Tamaño y forma

Durabilidad mecánica

Temperatura fusión de ceniza

Contenido de celulosa, hemicelulosa y lignina



Materia Orgánic

a

Ceniza

Lignina (25 %)

Celulosa (35 %)

Extractivos (15 %)

Hemicelulosa (25%)

c (50-65%)

h (3-6%)

n (1-3%)

s (máx 1%)o (35-45%)

Análisis Último

Contenido de Agua (1)

Contenido de Cenizas (2)

Materia Volatil (3)

w

a

M.V.

5-15 %

1-6 %

75-95 %

Análisis Próximo



Biomasa Carbón (Antracita)

Carbón (Bituminoso)

Humedad / % 5 – 15 < 3 5 – 10

Cenizabs/ % 1 – 6 9,5 7,2

Materia colátilcbs / %

75 – 95 < 5 10 - 30

Análisis próximo


Caracterización de la biomasaAnálisis último

Biomasa Carbón (Antracita)

c / % 50 - 65 75 - 85

h / % 3 – 6 1,5 – 3,5

n / % 1 - 3 0,5 – 1,0

o / % 35 - 45 5,5 – 9,0

s / % < 1 Máx 10

Valores en base seca y libre de ceniza


Diagrama de van Krevelen

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

NH C/N

NO C/N

Celulosa

MaderaLignito

Turba

Petróleo

Hulla

Antracita

Carbón mineral

Carbón mineral lignítico

Cuesco de PalmaCascarilla de Café

Bagazo de caña

Fibra de Palma


Normatividad para la realización de pruebas de caracterización de combustibles sólidos

Prueba DIN ASTM

Carbón y Coque

Biomasa Carbón y Coque

Biomasa Madera

Humedad 51718 EN 14774-3

D3173 --- E871

Ceniza 51719 EN 14775 D3174 E1755 D1102

Materia Volátil

51720 EN 15148 D3175 --- E872

Poder Calorífico

51900 EN 14918 D5865 --- E711



Poder calorífico

PCS/ MJ/kg PCI/ MJ/kg

Cuesco de palma de aceite

22,5* 21,1

Fibra de palma de aceite

18,4 17,1

Cascarilla Café 18,7 17,5

Bagazo de caña 17,9 16,9

Antracita 29,4

* Valor determinado experimentalmente

3. Procesos de transformación de biomasa para su uso como fuente de

energía


Procesos de transformación de la biomasa residual para uso como fuente de energía

Biomasa Residual

Procesos bioquímicos

Procesos termoquímicos

Procesos fisicoquímicos

Procesamiento secundario

Bioetanol Biodiesel

Diesel renovable Gasolina BTL

Bioaceites

Biobutanol

Biojet

Diesel HDRD Diesel BTL

Biogás

Gas de síntesis

Biocarbón


Procesos de Transformación Termoquímicos

Pirólisis

Gasificación

Licuefacción

Sólido

Líquido

Gas

Procesamiento secundario

Gasolina BTL

Bioaceites

Biojet

Diesel BTL

Gas

BiocarbónB

iom

asa

Combustión

Energía Térmica

Energía Mecánica

Biocrudo


Gas producido

Lecho Fijo

Gas barrido u oxidación

Biomasa

Producto sólido

Lecho Móvil

Gas producido

Biomasa



Lecho Fluidizado

Gas producido

Biomasa

Reactores utilizados en la transformación termoquímica de biomasa


Gasificador de biomasa con unidad de generación eléctrica acoplada

www.agtgasification.com


Horno rotatorio para gasificación de pepas de aceituna

ICASA - España


Pirólisis en lecho fluidizado

IEA Bioenergy. Task 34 Pyrolysis


Sistema de combustión de biomasa


www.dynamotive.com

Planta de Generación de Electricidad con Gasificación Integrada de BiomasaEnergía Natural de Móra, SL (España)

•Potencia Eléctrica Nominal 750 kW• Materia Prima- Cáscaras de almendras:1 kg/kWh

- Orujillo: 1kg/1.2kWh

- Pepas de Aceituna y Astillas de Madera

• Agente Gasificador: Aire


www.energuia.com

Diagrama de flujo de Planta de Generación de Electricidad con Gasificación Integrada de Biomasa


www.mhkw-kassel.de

Planta Térmica operada con Basuras


www.mhkw-kassel.de

Diagrama de flujo de Planta Térmica Operada con Basuras

40 MWe

80 MWt

Consumo 20 t/h de

Basura


Fermentación alcohólica

Descomposición anaeróbica

Descomposición aeróbica

Etanol

Biogas

Bio

ma

sa

Procesos de Transformación Bioquímicos

CombustiónEnergía Térmica

Energía Mecánica



Patzek, T.W. Thermodynamics of the Corn-Ethanol Biofuel Cycle. Critical Reviews in Plant Sciences, 23 (6):519-567 (2004)


Planta de producción de etanol a partir de caña de azúcar

www.incauca.com

Fermentadores

Columnas de destilación

Caña de Azúcar Incauca

300.000 l/día

http://www.incauca.com/





Planta de producción de etanol a partir de caña de azúcar

Deshidratación con tamices moleculares

99,5 % Etanol





Etanol puro: compuesto de etanol hidratado, a 95,5 %.

Mezcla con la gasolina, compuesta del 22% de etanol anhidro a 99,6 % con el objetivo de aumento del octanaje de la gasolina; automoviles de combustilbe flexible



Source: Timilsina, G.; Energy 36 (2011) 2055 - 2069

Producción mundial de bioetanol



Prensado

Extracción

Aceite

Bio

ma

sa

Transesterificación

Biodiesel

Procesos de Transformación Fisicoquímicos

CombustiónEnergía Térmica

Energía Mecánica

Hidrotratamiento

Diesel renovable



Source: Timilsina, G.; Energy 36 (2011) 2055 - 2069

Producción mundial de biodiesel


4. Ciclo cerrado del CO2


Ciclo cerrado del CO2

CO2

Proceso de conversión

Material Particulado (PM) CO,NOx, CH4

CO, NOx, CH4 PM

CO2

CO, NOx, CH4 PM

CO2

CO2CO, NOx, CH4 PM Grupo de Investigación en Biomasa y Optimización Térmica de Procesos - BIOT

5. Biocombustibles de primera, segunda y tercera generación


Source: Nigam, P. Progress in Energy and Combustion Science 37 (2011) 52 - 68

Biocombustibles

Primarios Secundarios

Segunda generación

Materia prima: biomasa lignocelulósica

Bioetanol o butanol por hidrólisis enzimática

Metanol, gasolina y diesel por Fischer-Tropsch, alcoholes, eter dimetílico, diesel renovable por procesos termoquímicos

Biometano por digestión anaeróbica

Primera generación

Materia prima: Semillas, granos, azúcares

Bioetanol o butanol por fermentación de almidón (trigo, cebada, maiz, papa) o azúcares (caña de azúcar, remolacha, etc)

Biodiesel por transesterificación de aceites comestibles (colza, soya, girasol, palma, coco, jatropha, aceite de cocina usado, grasas de animales, etc.)

Madera, chips de madetra, pelets, residujos animales, residuos de bosques y cultivos

Tercera generación

Materia prima: Algas, Macroalgas

Biodiesel a partir de algas

Bioetanol a partir de algas

Hidrógeno a partir de algas y microbios

6. Estados de comercialización de las principales tecnologías de producción

de biocombustibles


International Energy Agency (IEA). Technology Roadmaps Biofuel for Transport

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