Energía de la Biomasa

Energía de la Biomasa
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Concepto:Conjunto de materia orgánica de origen vegetal, animal o procedente de la transformación natural o artificial que haya tenido su origen inmediato como consecuencia de un proceso biológico.

Energía de la Biomasa. Se refiere a la proveniente de las plantas, los animales y los microorganismos. Su origen final está en la energía solar, fijada por las plantas a través de la fotosíntesis, y almacenada en forma de energía bioquímica.

Reseña histórica

Las plantas transforman la energía solar en energía potencial química y la almacenan en los carbohidratos a través de la fotosíntesis. La biomasa fue la primera fuente de energía utilizada por el ser humano. Con el descubrimiento del fuego, nuestros antepasados dieron un gran paso de avance en el aprovechamiento de la energía. Pero con esto, también iniciaron paralelamente la destrucción de las masas forestales que cubrían gran parte de la superficie del planeta, fenómeno que continúa en la actualidad con la quema y la tala indiscriminada de bosques y selvas.

En las últimas décadas el uso de la biomasa como fuente de energía ha estado presente en el escenario internacional, como una atractiva y promisoria vía para producir potencia con mínimo impacto ambiental. Sin lugar a dudas, grandes potencialidades de biomasa se concentran en los residuos agroindustriales de las producciones de azúcar de caña; esto ha motivado el interés de prestigiosas instituciones científicas que hoy en día invierten cuantiosas sumas de dinero en el desarrollo de ambiciosos proyectos energéticos dedicados a la gasificación y a los ciclos combinados. Actualmente varias empresas líderes en el campo de la energía exhiben extraordinarios resultados en instalaciones demostrativas de ciclos combinados con gasificación de biomasa.

Sin embargo, los pronósticos internacionales sobre el tema proyectan crecimientos en el uso de los sistemas de combustión directa de biomasa para los países con infraestructura en desarrollo. De ahí la importancia que tiene para la mencionada industria, en esta etapa de transición, poder disponer de tecnologías que permitan alcanzar altos rendimientos en la combustión directa de los residuos agroindustriales destinados a la producción de potencia en las fabricas de azúcar.

La biomasa cañera es la forma más difundida en Cuba de obtener electricidad a partir del Sol. A escala mundial, la biomasa es responsable de 6 % de la generación de electricidad. Para 2020 se espera que la biomasa cubrirá hasta 20 % de la demanda global de energía eléctrica.

Los biocombustibles son combustibles líquidos provenientes de distintas transformaciones de la biomasa y representan un aprovechamiento de gran proyección futura. Pueden ser utilizados para impulsar los vehículos en sustitución de los derivados de los combustibles fósiles empleados en la actualidad. El etanol, obtenido a partir de la fermentación alcohólica de los monosacáridos contenidos en los jugos azucarados de la caña o la remolacha, es ampliamente utilizado en Brasil para el transporte automotor.

Formas de aprovechamiento de la biomasa

La biomasa puede aprovecharse de diversas formas, mediante los llamados procesos de conversión, y en general se quema directamente en plantas energéticas tradicionales con ciclos de vapor, como sucede desde antaño en los centrales azucareros; o en sistemas más avanzados y eficientes que emplean la gasificación en ciclos combinados, en los que se usan los gases de escape de las turbinas de gas, el cual alimenta un generador de tipo ordinario. Esta última es la vía más eficiente de aprovechamiento de la biomasa y la que tiene un futuro más prometedor.

Otra vía de obtener combustible de la biomasa es mediante la fermentación, como el biogás y la obtención de combustibles como el etanol por fermentación y el metanol por hidrólisis, así como el Biodiésel a partir de la extracción de aceites vegetales. En países como Brasil existe una vasta experiencia en la producción de etanol para su uso en los motores de combustión interna.

Entre las posibles fuentes de biomasa se encuentran los residuos agrícolas; los cultivos energéticos, como la caña energética y los bosques de eucalipto; los desechos de la industria maderera, como el aserrín; el bagazo de caña; los desechos urbanos, como cajas de embalaje, cartón, muebles rotos y papel; los residuos de madera de la construcción; y las aguas residuales urbanas.

Como desventajas comunes de la biomasa se significan su falta de uniformidad y su baja densidad, de ahí que deben producirse cerca de su lugar de utilización, ya que el empleo de transporte a largas distancias minimizaría sus ventajas. Ambas dificultades pueden eliminarse mediante la peletización o la construcción de briquetas, pero esto implicaría un incremento en el costo de explotación. Otra desventaja es su bajo valor calórico comparado con otros combustibles. Dos ejemplos concretos se verifican en la industria azucarera, donde setenta millones de toneladas de caña se convierten en siete millones de toneladas de azúcar y diecisiete y medio millones de toneladas de bagazo; y en la industria maderera es posible que hasta 75 % del árbol original termine convertido en residuos. En los bosques energéticos se cultivan árboles de rápido crecimiento, como los sauces y los eucaliptos.

Con la utilización de la biomasa, así como de cualquier tipo de energía renovable debemos hacer un análisis total del «ciclo de vida», o sea, la cadena completa, pues si en el proceso existen pasos intermedios contaminantes en la fabricación y transportación de equipos y componentes necesarios, o se emplea en algunas etapas energía no renovable, esto debe ser valorado para conocer realmente cuán limpia es esta forma de energía. Un buen ejemplo de esto es la energía hidroeléctrica que precisa de la construcción de grandes embalses que transforman completamente el ecosistema, con los trastornos que esto crea.

Los residuos biomásicos de la agroindustria azucarera son el bagazo con su médula y los residuos agrícolas cañeros (RAC).

El bagazo es el residuo lignocelulósico fibroso que se obtiene al moler la caña de azúcar, y lo conforma una masa heterogénea de partículas con un tamaño promedio de 20 mm. Se le denomina médula al tejido parenquimatoso que envuelve los haces vasculares donde se encuentra el jugo; en la industria se le denomina médula a la mezcla de partículas de este tejido con fibras de corta longitud, tierra y otras materias extrañas. Cuando se utiliza la fibra del bagazo con destino a la producción de pulpas y madera artificial es necesario enriquecer la fracción fibrosa extrayendo la mayor cantidad de médula posible.

Los residuos de la agricultura cañera (RAC) están constituidos principalmente por paja y cogollo, y pueden ser empleados en la producción de alimento animal directo, o con fines energéticos. Según algunos especialistas las cantidades disponibles de RAC a nivel mundial sobrepasan los cincuenta millones de toneladas por año, lo que representa un equivalente en petróleo que supera los diecisiete millones de toneladas.

Las dificultades para lograr el aprovechamiento de esta reserva potencial están relacionadas fundamentalmente con la recolección, los tratamientos mecánicos y químicos, la transportación, la manipulación y la conservación.

Puede ser aprovechada por combustión o por conversión térmica:

  • Energía por fermentación alcohólica: Consiste en producir alcohol a partir de materias y restos orgánicos mediante la fermentación alcohólica. Existen las técnicas para producir alcohol a partir de la caña de azúcar, la yuca, la madera y los restos celulósicos. El alcohol es considerado una de las posibilidades de sustitución de los combustibles fósiles. En el país se produce con la melaza de la caña de azúcar.
  • Energía por fermentación anaeróbica: Consiste en la producción de gas en cámaras cerradas mediante la fermentación de desechos orgánicos (excrementos, residuos orgánicos, etc.) sin la participación de oxígeno y con bacterias anaeróbicas. Las instalaciones cerradas se denominan digestores de biogás o biodigestores o plantas de biogás. El gas obtenido es una fuente económica para iluminación de viviendas, gas de cocina, calefacción, etc.
  • Energía animal: Es el uso de animales de carga para arar los campos, como también para mover trapiches y molinos. Su uso está bastante difundido en las zonas rurales (vacunos, caballos, burros, mulos)

Uso de la biomasa en las fábricas de azúcar cubanas

La factibilidad de la utilización de los residuos agrícolas cañeros (RAC), una fuente energética renovable hasta el momento poco utilizada, en lugar del habitualmente usado fuel oil, en la producción de energía para el funcionamiento de los centrales azucareros, en el proceso de obtención de azúcar, así como en refinado y producción de otros derivados. Estos recursos, específicamente RAC, permiten la producción de energía eléctrica, la cual además del abasto a la industria contribuye también de una manera importante a la red energética nacional. Además, se hace un análisis del costo de transporte de estos recursos. A todo esto se le suma el efecto positivo sobre el medio ambiente que ejercen todos estos combustibles, que permitirán hacer de Cuba uno de los destinos turísticos más importantes del Caribe y el mundo.

El impacto ambiental de los combustibles fósiles en la producción de azúcar, así como las características principales de la biomasa azucarera y residuos agrícolas cañeros (RAC), con vistas a su potencial uso como fuente de energía renovable no contaminante al medio ambiente, que permite la reserva de los escasos combustibles fósiles y naturales, además de mantener una estable producción de azúcar, la cual puede seguirse llevando a cabo, pues reporta ganancias a la economía cubana si se aprovechan al máximo todos los productos colaterales de este proceso, además de mantener la cultura azucarera cubana, caracterizada históricamente y que es símbolo de cubanía.

Partiendo de la hipótesis de que es posible usar los RAC como fuente de energía renovable, no contaminante al medio ambiente, con un nivel de eficiencia capaz de permitir el abastecimiento energético de los centrales azucareros durante la mayor parte del año en Cuba, pues la caña tiene posibilidades para sustituir los combustibles fósiles causantes de las lluvias ácidas, el efecto invernadero, entre otras consecuencias nocivas para la humanidad, y teniendo en cuenta que Cuba tiene potencial para producir gran parte de su energía a partir de la caña, siempre que se alcance un conocimiento y control sistemático de todos los aspectos que inciden sobre el empleo eficiente de estos recursos, haciendo que el pueblo cubano y el turismo que visite la Isla respiren una atmósfera más limpia a partir de una materia prima renovable.

Teniendo en cuenta el marco circunstancial previamente definido, se mostrarán algunas de las bondades de los RAC en sustitución del petróleo combustible.

El sistema de cosecha de caña de azúcar en Cuba impone características muy importantes a los RAC. La caña es cortada en más de 70 % mecanizadamente y las máquinas empleadas tienen una eficiencia de limpieza de la caña de algo más de 55 %. Esto hace que quede en el campo más de la mitad de los RAC y que hacia las estaciones de limpieza (EL) neumáticos vaya algo menos de 50 %.

En estas instalaciones los RAC son separados de la caña y se acumulan en grandes plazoletas, donde son incineradas a la atmósfera sin utilidad alguna. Por otro lado la parte de la caña que es cortada manualmente, en casi su totalidad, es enviada a los centros de acopio (CA) que son instalaciones donde la caña se pica en pequeños trozos, es limpiada neumáticamente y trasbordada a carros de ferrocarril. En estas instalaciones los RAC separados de la caña también son acumulados en grandes plazoletas e incinerados en su gran mayoría sin utilidad práctica.

Los CA y EL procesan alrededor de 680 t/día de caña y producen de 35-40 t/día de RAC. En todo el país hay unas 915 estaciones de este tipo. Partiendo de estas característica técnicas, es fácil razonar entonces que en la plazoleta de cada CA y EL se concentran e incineran entre 4 000 y 6 000 t de RAC en cada zafra.

Comparación entre los RAC y el proceso de combustión

A continuación se expresarán algunos criterios comparativos los dos residuos fibrosos de la agroindustria azucarera, el bagazo y los RAC:

  • El bagazo tiene mayor calor de combustión (para humedad = 0 %) dado sobre todo por tener los RAC mayor contenido de ceniza; sin embargo, como el bagazo se quema con cerca de 50 % de humedad y los RAC tienen un proceso de secado natural (hasta aproximadamente 20 %) los RAC entregan más energía por unidad de masa quemada.
  • Los RAC introducen más cenizas en el horno, esto incrementa los residuos que hay que extraer y acorta los períodos de limpieza, recarga los sistemas de separación de sólidos volátiles e incrementa la contaminación ambiental por material particulado.
  • En general las propiedades de los RAC son muy parecidas a las del bagazo y a muchas otras biomasas. Otra característica muy importante de los RAC es su densidad, pues esta decide extraordinariamente sobre su costo de transportación. En condiciones originales en las plataformas de los CA y EL los RAC presentan una densidad de 30 - 40 Kg /m3, con aproximadamente 40 % de humedad.

Perspectivas de empleo de los RAC como combustibles en Cuba

Las perspectivas para el incremento sostenido de los RAC como combustible en Cuba son amplias y se fundamentan en varios factores, entre ellos:

  • La necesidad de reducir el consumo de fuel oil en las refinerías de azúcar y destilerías de alcohol anexas a centrales azucareros, usando los RAC como combustible complementario. Está ampliamente demostrada la factibilidad económica y dominadas las diferentes variantes técnicas que se deben emplear.
  • El interés de muchos centrales de generar electricidad después de concluida la zafra, para lo cual necesitan como combustible no sólo el bagazo que puedan ahorrar, sino todos los RAC que puedan almacenar.
  • La decisión en el país de montar centrales termoeléctricas anexas a centrales azucareros que necesitaran un combustible complementario, que alternativamente pueden ser los RAC.
  • La diversificación de la producción azucarera, planteada como estrategia maestra de la industria azucarera para las próximas décadas, reclamará combustible adicional para el funcionamiento de diferentes producciones y los RAC pueden indiscutiblemente ser una buena alternativa. Dentro de esta diversificación concebir la industria azucarera como una industria sucro-energética es muy atractiva.

Otro elemento, que si no de inmediato en un futuro impulsará el empleo de los RAC como combustible, es su condición de biomasa renovable anual, que hace que su combustión no incremente el efecto invernadero ni las lluvias ácidas y de hecho contribuye a la preservación del medio ambiente.

En Cuba y las pequeñas islas tropicales esto es obligado por:

  • El fin de los combustibles fósiles.
  • El aumento de los precios como parte de ese proceso.
  • Los incentivos o multas por el protocolo de Kyoto o similares.
  • La necesidad de una atmósfera limpia en países que dependen del turismo.

La energía renovable es la única vía de garantizar un futuro prometedor, debido a que crea total independencia de los combustibles fósiles al garantizar la producción de electricidad (cogeneración) y con ello sustituye el petróleo, o de otro modo, la obtención de alcohol para mezclarlo con diésel y gasolina para minimizar la importación de estos insumos; téngase en cuenta que una tonelada de caña equivale a 1,2 barriles de petróleo.

Impacto ambiental. Emisiones de CO2

Un aspecto indisolublemente asociado a la energía es la contaminación ambiental que provoca, la cual constituye una de las causas de emisión de los gases del efecto invernadero (CO2, CH4, N2O, NOx, CO), que provienen en gran medida de la amplia variedad de actividades asociadas a la obtención, transformación y utilización de la energía.

Por otra parte, la crisis del petróleo de 1973 contribuyó a fomentar a escala internacional la preocupación por el uso de la energía, lo que conduce, entre otras, a las siguientes propuestas:

  • Necesidad del incremento en la productividad de los recursos, desarrollando bienes en forma sostenible o de productos ecoeficientes.
  • Empleo de la innovación industrial como parte del desarrollo sostenible.
  • Reducción en la intensidad del uso de los recursos, tomando en consideración el amplio potencial de reserva de que aún se dispone.
  • Búsqueda de nuevas fuentes de energía que permitan ampliar su número y la utilización de los combustibles a base de biomasa y celdas solares.
  • Empleo más eficiente de los portadores energéticos para la transportación.

Dentro de este panorama de indispensable incremento en la eficiencia en el uso de portadores energéticos y en la búsqueda de fuentes de energía alternativas, una de las ramas de la agricultura que resulta atractiva para este propósito es la agroindustria de la caña de azúcar atendiendo a que este cultivo brinda diversas alternativas para la obtención de energía de manera renovable y a la alta eficiencia de esta gramínea en la producción de biomasa a partir de la energía solar.

Emisiones de CO2

Las operaciones del proceso de producción de azúcar seleccionado que provocan emisiones de CO2 al medio ambiente, pueden agruparse en las categorías de impacto siguientes: las que representan un aporte neto al nivel de CO2 en la atmósfera al provenir del empleo de combustibles fósiles, como son la cosecha, transportación, fertilización y uso de plaguicidas y herbicidas, y las asociadas al proceso fabril azucarero, donde la fuente de energía es el bagazo y las emisiones de CO2 están compensadas por la fijación de éste por el cultivo.

Emisiones de CO2 en la cosecha

Una forma de cuantificar la contribución al nivel de CO2 por esta causa es determinar la cantidad de petróleo equivalente que requieren estas actividades, lo que se muestra en la tabla 2, y calcular cuánto representa en términos de emisión de CO2 la combustión del petróleo, cuya composición aproximada es: C: 85,7 %; H: 10,5 %; O: 0,92 % y S: 2,8 %. Si los índices porcentuales anteriores se dividen por el peso atómico respectivo (C: 12; H: 1; O: 16; S: 32) se obtiene la composición empírica de éste, a partir de la cual se puede establecer la siguiente ecuación de reacción, donde se aprecia que por cada kilogramo de petróleo se emiten 7,14 kg de CO2. Esto puede expresarse según la ecuación (1)

C 7,14H10,5O0,06S0,09 + 9,9O2 → 7,14CO2 + 5,25H2O+ 0,09SO3 (1)

Emisiones de CO2 durante el proceso

El proceso que emite CO2 en el esquema de producción de azúcar seleccionado es la combustión del bagazo en la caldera. Mediante un procedimiento análogo al cálculo de la combustión del petróleo se obtiene para el bagazo la siguiente ecuación:

C4.025H602.7+4,175O2 → 4,025CO2+3H2O (2)

De lo anterior se obtiene que la cantidad de CO2 emitido durante la combustión del bagazo sea de 0,885 kg de CO2 /kg de bagazo con 50 % humedad.

Balance de CO2 y energía

Una vez determinadas las cantidades de CO2 emitidas y fijadas por cada una de las actividades del esquema seleccionado, corresponde evaluar el impacto ambiental de esta alternativa para la obtención de energía renovable. Para esto se seleccionó un esquema de producción combinado y energía eléctrica cuyos resultados productivos, balance energético y de CO2 son:

  • Productos finales: azúcar 48 kg/tci y electricidad 9,8 kWh/tci.
  • Se puede obtener una cierta cantidad de combustible líquido (alcohol) de forma renovable.
  • Los residuales se utilizan como abono orgánico, lo cual elimina los residuos del proceso.
  • Existe un excedente de 240 kg de RAC/tci, que puede destinarse a la generación de energía eléctrica o para la alimentación animal. Esta última variante tiene la ventaja adicional de que la alimentación animal no compite con la humana.
  • El balance de CO2 es marcadamente ventajoso: fijación neta de 183,5 Nm3 .
  • El balance de energía de este esquema es favorable.
  • Es posible obtener por cada tonelada de caña integral una pequeña cantidad de energía eléctrica cogenerada.

Características de la obtención de energía a partir de la caña de azúcar

Para evaluar el impacto ambiental de la obtención de energía de forma renovable a partir de la caña de azúcar, puede utilizarse el siguiente conjunto de condiciones:

  • Σ residuos = 0
  • Σ energía ≈ 0
  • Σ CO2 < 0
  • Σ combustibles fósiles ≈ 0

Formación de biomasa en la caña azúcar

El nivel de fijación total de CO2 durante la formación de la biomasa cañera está dado por dos contribuciones: partes aéreas (tallos, cogollos, hojas) y raíces, en tanto su magnitud depende de la composición y del aporte a la biomasa total de la planta de cada una de las partes. Sin embargo, considerando la complejidad del proceso de fotosíntesis puede proponerse un modelo de primera aproximación para estimar la fijación de CO2, cuyas hipótesis son:

  • La composición vegetativa de la caña en términos de materia seca es: 70 % caña molible, 19 % cogollo y paja y 11 % raíces.
  • La composición de las diferentes partes de la planta se considera homogénea.

De acuerdo con los trabajos de investigación reportados , los RAC recolectados en Cuba presentan alrededor de los cuatro millones de toneladas disponibles cada año como combustible de adecuadas propiedades que podrían procesarse, de manera rentable, en varios tipos de instalaciones que existen en el país.

El modelo para estimar la cantidad de CO2 fijada por la caña de azúcar durante el proceso de biomasa permite obtener este índice en el esquema de producción seleccionado, el cual ilustra cómo el empleo de la caña de azúcar para obtener energía renovable es muy atractivo, atendiendo a que es posible alcanzar este objetivo con un balance favorable en los términos de reducción de las emisiones de CO2 al ambiente.

Puede señalarse que el uso de la biomasa como fuente de energía renovable es una alternativa viable en países del tercer mundo.

Véase también

Enlace Externo

Fuentes