22_27_GenBiomasa_(I-2006)-1206

IntroduccinLa biomasa, sustancia orgnica renovable

de origen animal o vegetal, era la fuente ener-gtica ms importante para la humanidad yen ella se basaba la actividad manufacturerahasta el inicio de la revolucin industrial. En laactualidad se est estudiando la viabilidad desu utilizacin para la generacin de energaelctrica en plantas que utilicen como com-bustible materia vegetal plantada exclusiva-mente para este fin en lo que se denominancultivos energticos, o bien la generacin apartir de residuos de materia vegetal de losbosques o de uso industrial.

El Plan de Fomento de las Energas Reno-vables (IDAE, 2000) contempla como objeti-vo a conseguir para el ao 2010 un aumentoconsiderable de la energa procedente de labiomasa. La Tabla 1 presenta estas previsiones(en una de las hiptesis consideradas) paraese ao. Segn esta tabla, se emplearan tantoresiduos forestales como agrcolas y tambin

se utilizaran cultivos energticos (sin especificarqu tipo de cultivos son).

Sin embargo, las previsiones del desapa-recido Plan de Fomento no estn siendocumplidas hasta la actualidad (noviembre2005). Los motivos de este incumplimientoson varios y entre ellos podemos citar lafalta de ayudas econmicas.

Generacin de energa elctricacon biomasa leosa procedente decultivos energticos

Los cultivos energticos herbceos y le-osos se conocen como cultivos de rotacincorta, si bien el trmino rotacin es una tra-duccin de expresiones inglesas como ShortRotation Coppice (SRC) que en Espaa nodebe ser empleada, ya que el concepto derotacin es distinto. Estos cultivos que enEspaa, cuando se aplican para producir com-bustibles se denominan cultivos energticos,emplean especies leosas.

Generacin de energaelctrica con biomasa amedio y largo plazo

Francisco Marcos Martn

Doctor Ingeniero de Montes. Profesor

titular de la ETSI Montes de Madrid.

Premio Extraordinario de Doctorado

por la Universidad Politcnica de

Madrid.

22 anales de mecnica y electricidad / enero-febrero 2006

Comentarios a:

[email protected]

22_27_GenBiomasa 2/3/06 17:04 Pgina 22

Los cultivos energticos leosos han sidoestudiados especialmente en Estados Unidos,Canad, Europa, Sudamrica y Japn. Su obje-tivo es la produccin de biomasa en grandescantidades y, actualmente, se valoran tambinde forma importante como fijadores de CO2.Un uso interesante que se est planteandoen el sistema energtico, en los ltimos aoses la produccin de celulosa y lignina destina-da a la obtencin de bioetanol, bien para usoen motores de ciclo Otto (como combusti-ble o transformado en ETBE como antideto-nante), bien para uso en pilas de combustiblede etanol, estudios que se estn llevando acabo en diversos centros de investigacin(CIEMAT, Universidad Politcnica de Madrid,Abengoa y otras instituciones ms).

Estos estudios tratan de obtener la mayorcantidad de energa de la regin cultivada, ypara ello se prueban diferentes especies ve-getales como pinos, chopos, sauces, pltanoso eucaliptos, adems de diferentes densida-des de plantacin, composiciones qumicas,ciclos de nutrientes y dosis de riego.

A modo de ejemplo, se describir un es-tudio del chopo realizado en Cabrerizos(Salamanca) por un equipo de investigado-res espaoles.

El marco de plantacin empleado es de0,33 m x 0,9 m (para permitir el trabajo en-tre calles de una motoazada) y las densidadesde plantacin, por tanto, son muy altas, porencima de los 33.000 pies por hectrea. El ci-clo previsto se compondr de ocho aos, yaque es cada ocho aos cuando se retira eltocn y se vuelve a plantar.

Las labores selvcolas efectuadas han sido:laboreo (para preparar el terreno), nivelacindel terreno (no siempre es precisa, perosiempre es aconsejable), aadido de estircoly/o de abono nitrogenado (puede ser susti-tuido por lodos de estaciones depuradorasde aguas residuales, pero respetando la le-gislacin vigente, sin aadir ms metalespesados y nitrgeno de los que admite lalegislacin y aconseja la prudencia), labor(enterrado del estircol o del lodo), comprade plantas, plantacin, preparacin de riegos,riegos, tratamientos fitosanitarios, gastosde conservacin de la parcela, reposicin demarras y escardas.

Se realiza escarda los dos aos con mulamecnica. Tambin se realiza poda manualtipo ordeo el primer ao para eliminar ho-jas y facilitar el crecimiento en altura, fijarCO2 e incorporar antes la biomasa de lashojas al suelo. Se abona con abono nitroge-

nado; la cantidad en funcin del tipo desuelo.

En el caso de plantaciones energticas dealta densidad (ms de 5.000 rboles/ha) laspodas no son necesarias todos los aos. En laTabla 2 se recogen las actividades del ciclocompleto (propuesta).

En las parcelas experimentales el riego seha realizado por aspersin y en la zona con-siderada el riego no es factor limitante. Pen-sando en su uso industrial, se recomienda elriego por goteo para abaratar gastos deagua. Dependiendo del lugar, el fotoperiodo,la evapotranspiracin, el suelo y las caracte-rsticas geogrficas (pendiente, distancia al lu-gar de bombeo), as se determinarn en cadacaso particular las dosis y el sistema de riego.

Con estas densidades de plantacin se ob-tienen las mayores productividades a los dosaos, superando las veinte toneladas de mate-ria seca por hectrea y ao, si se corta a losdos aos.A los tres y cuatro aos se obtienenvalores menores en la productividad (porhectrea y ao), debido a que el crecimientoes menor por la alta densidad de plantacin.En el segundo turno las productividades sonmayores porque las races son ms profundas.

Generacin de energa elctricacon biomasa leosa residual

La biomasa leosa residual engloba resi-duos del monte y residuos de industriasforestales de primera o de segunda trans-formacin. Ejemplos de centrales que

Generacin de energa elctrica con biomasa a medio y largo plazo 23

Produccin Tep %

Residuos forestales (150.000 ha/a x 3 tep/ha) 450.000 7,5

Residuos agrcolas leosos (875.000 ha x 1,5 t/ha x 0,26 tep/t) 350.000 5,83

Residuos agrcolas herbceos (1.350.000 ha x 3,6t/ha x 0,28 tep/t) 1.350.000 22,50

Residuos industrias forestales y agrcolas 500.000 8,33

Cultivos energticos 3.350.000 55,84

Total 6.000.000 100,00

Tabla 1. Previsiones energticas 1999-2010, por origen y aplicacin de la biomasa

Fuente: IDAE

Ao Plantacin RiegoPoda tipo Tratamientos

Corta Destoconadoordeo fitosanitarios

0 Preparacin del terreno (laboreo y nivelacin)

1 2, 4 y 6 3, 5 y 7

8

Tabla 2.Actividades de ciclo completo


emplean este tipo de residuos en Espaason las ubicadas en Allariz (Orense) y enVillacaas (Toledo); otra central de este tipoest ubicada en Mortagua (Portugal). Anali-zaremos por separado estos diferentes ti-pos de residuos.

Los residuos de monte

El aprovechamiento energtico de los resi-duos leosos del monte se puede justificar,sobre todo, desde el punto de vista ambiental,ya que estos residuos si son abandonadosen el mismo pueden provocar el inicio y lapropagacin de incendios forestales y facilitarla entrada y difusin de plagas y ataques dehongos e insectos xilfagos, algunos de loscuales slo viven en material seco y/o muerto.

Este tipo de aprovechamientos tambinpresenta algunos aspectos sociales importan-tes como son la creacin de empleo (directoe indirecto) en zonas de economa deprimi-da. En estas zonas, la fijacin de la poblacinrural se plantea como una condicin indis-pensable para la obtencin de un desarrollorural sostenible.

Sin embargo, y por motivos ambientales, laretirada de estos residuos ha de ser controla-da ya que puede afectar de forma negativa ala estructura fsica del suelo, a la composicinqumica del mismo o al correcto desarrollode la vida de la fauna forestal (algunos insec-tos, aves y mamferos especialmente). Desdeel punto de vista qumico, el impacto ambien-tal es menor si slo se retiran troncos, tron-quitos y ramas, es decir, biomasa compuestapor madera y corteza, ya que la madera ape-nas contiene oligoelementos del suelo. Sinembargo, muy distinto es el caso de retirar

hojas, flores, frutos y semillas que contienenelementos nutrientes del suelo.

Debido a la ausencia de azufre y nitrgenoen su composicin, la madera de los bosquesespaoles es un biocombustible slido de ca-lidad, ya que su combustin apenas produceSO2, ClH y NOx, si bien ste ltimo puedeproducirse por una combustin defectuosadonde el nitrgeno procede del aire, no delas leas o astillas.

Otro inconveniente del aprovechamientode este tipo de residuos es la dificultad deevaluar su cantidad y su coste. Factores quepermitan evaluar la cantidad de residuosque se pueden obtener de un terreno sonlos siguientes: La pendiente del terreno. La rugosidad del terreno. La resistencia del terreno. La densidad de vas de saca. La disponibilidad de maquinaria. Los factores de densidad de la masa fores-tal de la que se extraen los residuos (nmerode pies por hectrea). Los factores legales (restricciones legales porser lugar de caza, recreo, espacio protegido, ).

La aplicacin de esta metodologa a lugaresconcretos proporcionar los resultados ade-cuados, tomando valores propios para cadasituacin particular.

Si difcil es evaluar la cantidad, ms difcil sehace calcular el coste. Adems los residuosdel monte se encuentran dispersos, lo queencarece su aprovechamiento pues su densi-dad es baja.

Como conclusin, podemos sealar que lacuestin del aprovechamiento de los resi-duos forestales de monte debe ser una deci-sin ms cercana a la poltica forestal que a lapoltica energtica, ya que los montes, enEspaa, son portadores de unos bienes ex-trnsecos (calidad de aire y agua, persistenciadel suelo fr til, descanso espiritual,) novalorados directamente de forma econmicapero que forman parte ineludible del desarro-llo y bienestar social. Si el aprovechamientode estos residuos contribuye a su revaloriza-cin, bienvenido sea.

Los residuos de las industrias forestalesde primera transformacin

Hemos visto que uno de los problemas delos residuos del monte es la dispersin en sulocalizacin, lo que encarece su determina-cin y su coste. Este problema, sin embargo,no aparece en los residuos de las industriasforestales de primera transformacin. Reciben



esta denominacin aquellas industrias fores-tales que trabajan con materia prima proce-dente del monte (rboles sin ser procesa-dos). El ejemplo ms tpico de este tipo deindustria es la serrera, aunque tambin pue-de serlo una fbrica de cajones, una fbricade parquet o tarima flotante, las fbricas dechapa de madera por desenrollo, las fbricasde pasta de papel que procesan directamenteel rbol del monte y algunas ms.

En estos residuos se incluyen el serrn, la vi-rutilla, las virutas, las astillas y los costeros. Loscosteros contienen corteza y el resto. Si alobtenerse la madera ha sufrido un procesode lijado, pueden contener ridos que dismi-nuyen su poder calorfico y producen ms ce-nizas a la hora de la combustin.

Otro problema es la alta humedad y la difi-cultad de secado que presenta un tipo muypar ticular de estos residuos como es elserrn. Este tipo de residuos tiene dos grandesventajas: est concentrado y su composicinqumica es favorable tanto desde el punto devista del poder calorfico como de la combus-tin. Sin embargo, presenta el inconveniente deque es un residuo muy valorado en el mercadopues tiene otros usos, distintos de la genera-cin de bioelectricidad, como son: Usos industriales: las astillas se emplean enla industria de la pasta y del tablero. Usos ganaderos: el serrn se emplea comocama de ganado (vacuno, avcola). Otros usos energticos:

Las virutillas, virutas, astillas y costerospara produccin de calor. Los costeros para produccin de carbnvegetal. Todos ellos: triturados (si es necesario),secados (si es necesario) y compactadospueden ser empleados para obtencin depelets y briquetas.

Usos en jardinera: la corteza, por ejemplo,se emplea para aadirla al csped evitandoque as crezcan y se desarrollen malas hierbas.

A pesar de estos inconvenientes, en pasescomo Chile, donde son muy abundantes estetipo de recursos, se han instalado centralestrmicas que utilizan este tipo de residuoscomo materia prima. En Espaa, este tipo deresiduos son abundantes en las zonas foresta-les y son empleados con fines energticos ycon fines no energticos.

En cuanto a la rentabilidad, supuesto un pre-cio (puesto en el parque de almacenamientode la central a una humedad del 20% en basehmeda) igual o inferior a los 2,7 cntimos de

euro, una potencia de la central trmica de 8,5MW elctricos y garantizado el suministro enla vida til de la central, este tipo de residuo esapto para su uso en la central trmica. En casocontrario la inversin no es rentable.

Los resultados de un estudio realizados enel ao 2003 en una Comunidad Autnomaespaola empleando residuo de industria fo-restal de primera transformacin y realizandola combustin en parrilla mvil sin pretrata-miento, se recogen en la Tabla 3.

Una forma de optimizar el rendimiento delproceso de generacin de energa elctrica apartir de este tipo de residuos es su transfor-macin en tamao. Haciendo que tenganmenos de 2 mm se consigue su empleo deforma parecida a los combustibles lquidos, esdecir, mediante sistemas de inyeccin. Esteproceso presenta inconvenientes si el polvocombustible est hmedo y puede obturarlos conductos por los que se mueve. Ade-ms, el coste de triturado aumenta los costesfijos. Como ventaja de este proceso se sealaque, al aumentar la superficie especfica (rela-cin superficie/volumen) el biocombustibleslido aumenta su potencia calorfica (medidaen W/kg) o, lo que es lo mismo, su rapidez decombustin, y tambin se puede aumentar elrendimiento trmico de la instalacin en un2%. Este proceso es rentable cuando: La potencia elctrica instalada es mayor. El precio del kWh de la energa elctricaproducida es alto.

Los residuos de las industrias forestalesde segunda transformacin

Se incluyen en industrias forestales desegunda transformacin aquellas que proce-san materia prima que ha pasado ya poruna industria forestal de primera transforma-cin. Es decir, procesan madera elaborada


Horas al ao: 7.000 PCI = 14,212 MJ/kg = 3.400 kcal/kg (*)

Potencia MW elctricos Rendimiento* (%) Energa (kJ) Biomasa (t)

2 23 5,04E+10 15.418,69

3 25 7,56E+10 21.277,79

4 26 1,01E+11 27.279,22

5 27 1,26E+11 32.836,10

6 27 1,51E+11 39.403,32

7 28 1,76E+11 44.328,74

8 29 2,02E+11 48.914,47

9 30 2,27E+11 53.194,48

Tabla 3. Biomasa forestal de industria forestal de primera transformacinnecesaria para una central trmica

Fuente: IDAE


(dimensionada). Se incluyen todas aquellasindustrias que compran astillas de otra in-dustria, chapas, chapones, tablones, table-ros de fibras, tableros de partculas, tableroscontrachapados,

Este tipo de residuos, a diferencia de losdos anteriores, presenta cierto problema queno debe olvidarse, como es su posible conte-nido en azufre, nitrgeno y cloro, procedentede las colas, aditivos, chapones plsticos yotros materiales con los que se fabrican lostableros de fibras, de partculas o de chapacontrachapada. Como se ha sealado, estosmateriales disminuyen el poder calorfico a lavez que aumentan los problemas de la com-bustin al emitir gases nocivos para la atms-fera.

Al margen de este problema, este tipo de resi-duos se comportan como los residuos deindustrias forestales de primera transformacin.

En la Tabla 4, como resumen de lo anterior,se clasifican los residuos forestales segn suorigen y las principales caractersticas fsicas yqumicas que influyen en su comportamientoenergtico.

Generacin de energa elctricacon cultivos energticos debiomasa herbcea

La generacin de energa elctrica utilizan-do como combustible biomasa herbcea,como ocurre con la leosa, tambin puedehacerse empleando cultivos de biomasa obien empleando residuos de los cultivos tra-dicionales agrcolas.

Teniendo en cuenta la futura situacin de laagricultura espaola donde en el horizontedel ao 2010 se plantea la desaparicin de laactual Poltica Agraria Comunitaria (PAC), el

posible encarecimiento de los precios delpetrleo y la poltica ambiental comunitaria,es de esperar que en un futuro cercano (cuatroo cinco aos) la actividad agraria se derive, enuna cier ta par te, hacia la produccin decombustibles slidos o lquidos.

Estos cultivos han sido estudiados por di-versos investigadores per tenecientes a laDivisin de Biomasa de la antigua Junta deEnerga Nuclear, hoy Centro de InvestigacionesEnergticas, Medio Ambientales y Tecnolgi-cas (CIEMAT).

Los estudios ms recientes se han centra-do fundamentalmente en el empleo de dosespecies: la pataca (Helianthus tuberosus L.) yel cardo (Cynara cardunculus L.). La primera, lapataca, es una planta de regado, rstica yresistente al fro. Es una de las mejores candi-datas para ocupar las tierras de regado co-mo alternativa a la remolacha. Sus tubrculos,en el suelo, son capaces de resistir fuertes he-ladas, como le ocurre a la remolacha, aunquetienen el inconveniente de tener muy pocaresistencia a la desecacin cuando quedanexpuestos al aire.

Con el cultivo de la pataca, en Espaa, llegana obtenerse 60-80 toneladas de tubrculospor hectrea y ao y de 8 a 10 toneladas demateria seca de tallos. Los tubrculos tienenun contenido en hidratos de carbono fcil-mente hidrolizables (inulina principalmente)del orden del 17-18%, siendo la proporcinde materia seca total del 20-22% (Fernn-dez, 1999).

El cardo, sin embargo, es una especie pe-renne (vive ms de un ao) gracias a sus r-ganos subterrneos, siendo su ciclo de pro-duccin de biomasa area anual. Posee unsistema radicular que le permite obtener


Tipo de residuo Caractersticas

Fsicas Qumicas Fsico-qumicas

Forma, tamao Densidad Composicin Poderes Potencia

qumica calorficos calorfica

Residuos de monte

Residuos de industrias forestales

RIF de 1 transformacin

RIF de 2 transformacin

Tabla 4. Residuos forestales y sus caractersticas fsicas y qumicas

Heterognea,grande

Homognea,homogneo

Homognea,pequeo

Variable.Ms alto en frondosas (excepto

salicceas)

Variable

Variable

Apenas tienen N y S

Apenastienen N y S

Pueden tener N y S

Variable, ms alto en conferas







agua y nutrientes de zonas profundas. A di-ferencia del chopo antes sealado, el cardono precisa de riego, por tratarse de un cultivode secano, con lo que su coste de manteni-miento es menor. Esta especie presenta gran-des ventajas y podra emplearse en las zonasabandonadas o en las zonas de retirada.

Generacin de energa elctricacon residuos de biomasa herbcea

Los residuos de biomasa herbcea para ob-tener energa elctrica que consideraremosson los procedentes de los cultivos agrcolastradicionales (trigo, cebada, avena, centeno,).

En diferentes pases del Centro de Europaexisten varias instalaciones que queman paja decereales nicamente o paja de cereales mezcla-da con otras biomasas (normalmente astillas).

En Espaa disponemos de una central depaja de cereales que tiene instalada la empre-sa EHN (Empresa Hidroelctrica Navarra) enSangesa (Navarra).

Debido a las caractersticas de la biomasa,antes de realizar una inversin en una centralelctrica que emplee este tipo de residuos,es aconsejable realizar dos tipos de anlisis:suministro de materia prima y potencia ins-talada.

Anlisis de suministro de materia prima

Este tipo de anlisis debe considerar aspec-tos intrnsecos de la materia prima como sonsu cantidad y calidad (tamao de la paca,densidad, humedad y poder calorfico). Porotro lado, los residuos se generan en unapoca concreta del ao y hay que almacenar-los para su uso durante todo el ao. Debidoa que ocupan mucho volumen y al peligro deincendios, las pajeras se sitan alejadas de lacentral.

Tambin debe estudiar con detalle la ubica-cin de las pajeras y la distancia media detransporte y prever posibles incendios acci-dentales o provocados de las pajeras que sedejan en campo.

Adems, como es lgico, ha de considerarel precio de la materia prima, teniendo encuenta que en los aos secos el precio de lapaja es ms caro.

Anlisis econmico en funcin de lapotencia instalada

Realizando estudios de VAN (Valor Actuali-zado Neto),TIR (Tasa Interna de Retorno) ypayback o Tiempo de Retorno de la Inver-sin, en este tipo de anlisis influyen las si-guientes variables:

Tipo de instalacin que incluye: Sistema de pretratamiento (si se realiza)del biocombustible slido. Sistema de produccin de calor (com-bustin en parrilla fija, parrilla mvil, le-cho fluido de tipo, gasificador de tipo,)que a su vez fijar el rendimiento de lainstalacin.

Costes de la inversin (variables con la po-tencia). Costes del biocombustible. Precio de venta del kWh de energa elc-trica producida.

Generacin de energa elctricacon residuos de la industriaalimenticia

Entre los residuos de la industria alimenticiacabe destacar todos los residuos originadosen las fbricas de aceite de oliva, de la indus-tria de zumos, de la industria de caf, de alca-chofa, las cscaras de almendra, pin o ave-llana o los residuos de la industria arroceradonde el residuo es la cscara de arroz. Estetipo de residuos es muy variable en su tama-o, forma, humedad, densidad, composicinqumica y poder calorfico y, por tanto, su ca-racterizacin energtica hay que hacerla indi-vidualmente.

En la generacin de energa elctrica pode-mos citar, como ejemplo, el caso de la centraltrmica que ECYR (Endesa Cogeneracin yRenovables) y Aceites Pina tienen en Villartade San Juan (Ciudad Real) y que emplea al-perujo como biocombustible.



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