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.

CONTROL PROCESO - materia prima - temperatura - tiempo de residencia - condensación - retirada del char

-

etc

PROPIEDADES DEL ACEITE - contenido en agua - separación de fases - toxicidad - contenido en solidos - acidez

-

etc

INTERACCION

PARÁMETROS A TENER EN CUENTA EN EL PROCESODE PIRÓLISIS