Universidad de Verano de Adeje 2003

Alternativas al modelo energético de Canarias:Microcentrales eléctricas y energías renovables

Valorización energética de residuos

y energía de la biomasa

Dr. Francisco Jarabo

Julio 2003

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Valorización energética de residuosy energía de la biomasa

Índice

• La biomasa residual

• Definiciones• Tipos de residuos• Gestión de residuos• Ejemplo de valorización energética

• Procesos de valorización energética: Clasificación • Esquema

• Extracción directa y procesos químicos• Lípidos• El biogasóleo

• Procesos termoquímicos

• Combustión • Condiciones

• Gasificación• Condiciones• Esquema de procesos

• Pirólisis • Condiciones

• Procesos bioquímicos

• Fermentación alcohólica

• Fuentes de biomasa• Condiciones• Esquema• El etanol

• Digestión anaerobia• Condiciones• Esquema• El biogás

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Definiciones

Biomasa: Materia viva formada a partir de la luz solar, que se almacena en forma de energía química.

Residuo: Materia resultante de procesos de producción, transformación o consumo, que se destina al abandono.

Residuos orgánicos = Biomasa residual

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Tipos de residuos

Sector Actividad Residuos Ejemplos

Primario Agraria

Agrícolas

Pajas de cereales

Ramas de frutales y viñedos

Tallos de cultivos textiles y oleaginosos

Forestales

Tratamientos selvícolas(ramas, hojas, tocones, raíces)

Elaboración de madera(cortezas, virutas, serrín)

Ganaderos Deyecciones de animales estabulados(purines, estiércol)

Secundario Transformación Industriales(agrarios)

Conservas vegetales

Producción de aceites y vinos

Comercialización de frutos secos

Terciario Consumo UrbanosResiduos sólidos urbanos

Aguas residuales

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Gestión de residuos: Conjunto de operaciones que se lleva a cabo para reducir al mínimo el impacto de los residuos sobre el medio ambiente.

Fases de la gestión de residuos

1ª Fase 2ª Fase Sólidos Liquidos

Recogida Bruta / Selectiva Saneamiento

Transporte Recolección / Compactación Alcantarillado

Tratamiento

Eliminación

Vertido controlado Directa

Incineración Indirecta

Dilución

Aprovechamiento

Reciclado Agua

Abono Abono

Energía Energía

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Ejemplo de valorización energética

Producción de residuos orgánicos: 2 Tm/(hab·año)

Poder energético: 9.000 kW·h/(hab·año)

Consumo eléctrico anual: 1.000 kW·h/(hab·año)

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Índice

• La biomasa residual

• Definiciones• Tipos de residuos• Gestión de residuos• Ejemplo de valorización energética

• Procesos de valorización energética: Clasificación • Esquema

• Extracción directa y procesos químicos• Lípidos• El biogasóleo

• Procesos termoquímicos

• Combustión • Condiciones

• Gasificación• Condiciones• Esquema de procesos

• Pirólisis • Condiciones

• Procesos bioquímicos

• Fermentación alcohólica

• Fuentes de biomasa• Condiciones• Esquema• El etanol

• Digestión anaerobia• Condiciones• Esquema• El biogás

< > Esquema

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Índice

• La biomasa residual

• Definiciones• Tipos de residuos• Gestión de residuos• Ejemplo de valorización energética

• Procesos de valorización energética: Clasificación • Esquema

• Extracción directa y procesos químicos• Lípidos• El biogasóleo

• Procesos termoquímicos

• Combustión • Condiciones

• Gasificación• Condiciones• Esquema de procesos

• Pirólisis • Condiciones

• Procesos bioquímicos

• Fermentación alcohólica

• Fuentes de biomasa• Condiciones• Esquema• El etanol

• Digestión anaerobia• Condiciones• Esquema• El biogás

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Extracción directa y procesos químicos

Semillas de plantas oleaginosas: Aceites (lípidos o triglicéridos)

Reacciones de los lípidos

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Obtención de biogasóleo

Transesterificación: Lípido + Metanol • Glicerina + Biogasóleo

Características del biogasóleo: Muy similares al gasóleoSustituible en motores diesel

Comportamiento de los combustibles

Propiedad Aceites vegetales Ésteres metílicos Gasóleo

Densidad a 20ºC (kg/l) 0,91 - 0,93 0,86 - 0,88 0,84

Viscosidad a 40ºC (cSt) 25 - 35 3,5 - 4,5 3,0 - 4,5

Índice de cetano 30 - 40 49 - 55 48 - 51

Poder calorífico inferior (MJ/l) 32 - 35 32 - 34 36

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Valorización energética de residuosy energía de la biomasa

Índice

• La biomasa residual

• Definiciones• Tipos de residuos• Gestión de residuos• Ejemplo de valorización energética

• Procesos de valorización energética: Clasificación • Esquema

• Extracción directa y procesos químicos• Lípidos• El biogasóleo

• Procesos termoquímicos

• Combustión • Condiciones

• Gasificación• Condiciones• Esquema de procesos

• Pirólisis • Condiciones

• Procesos bioquímicos

• Fermentación alcohólica

• Fuentes de biomasa• Condiciones• Esquema• El etanol

• Digestión anaerobia• Condiciones• Esquema• El biogás

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Condiciones de la combustión

Reacción: Biomasa + Oxígeno (exceso) •Dióxido de Carbono + Agua + Cenizas + Calor

Oxígeno: 20 - 40% superior al teórico (exceso)

Temperatura: 600 - 1.300 ºC

Características del combustible: • Físicas: Densidad, tamaño, humedad• Químicas: Bajo contenido en azufre• Térmicas: Dependen de las físicas y las químicas

Equipos: • Horno: Reacción• Caldera: Recuperación de calor• Generador: Obtención de electricidad

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Condiciones de la gasificación

Reacción: Biomasa + Oxígeno (defecto) •Monóxido de Carbono + Dióxido de Carbono + Hidrógeno + Metano

Oxígeno: 10 - 50% del teórico (defecto)

Temperatura: 700 - 1.000 ºC

Características del combustible: Humedad inferior al 20%

Características del comburente: Aire (Oxígeno + Nitrógeno)Oxígeno

< > Procesos de gasificación: Esquema

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Condiciones de la pirólisis

Reacción: Biomasa + Calor •Gases + Líquidos + Sólidos

Oxígeno: Ausencia

Temperatura: 275 - 450 ºC

Variantes del proceso:

Licuefacción:• Adición de gas reductor y catalizadores• Altas presiones (100 - 300 atm)• Mayor proporción de combustibles líquidos

Gasificación por plasma:• Uso de arco eléctrico (4.000 ºC)• Descomposición completa:

• Gas de síntesis• Cenizas inertes

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• La biomasa residual

• Definiciones• Tipos de residuos• Gestión de residuos• Ejemplo de valorización energética

• Procesos de valorización energética: Clasificación • Esquema

• Extracción directa y procesos químicos• Lípidos• El biogasóleo

• Procesos termoquímicos

• Combustión • Condiciones

• Gasificación• Condiciones• Esquema de procesos

• Pirólisis • Condiciones

• Procesos bioquímicos

• Fermentación alcohólica

• Fuentes de biomasa• Condiciones• Esquema• El etanol

• Digestión anaerobia• Condiciones• Esquema• El biogás

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Etanol: Fuentes de biomasa(Hidratos de carbono fermentables)

Residuo Pretratamiento Ejemplo

Azucarado NingunoCaña de azúcar

Remolacha

Amiláceo Hidrólisis enzimáticaCereales

Tubérculos

Celulósico Hidrólisis químicaPajas

Pulpas

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Condiciones de la fermentación alcohólica

Reacción: Glucosa + Levaduras • Etanol + Dióxido de Carbono

Rendimiento: 45% en peso

Temperatura: 27 - 32 ºC

Acidez: 4 • pH • 5

Azúcares: Concentraciones superiores al 22% inhiben el crecimiento celular.

Etanol: Concentraciones superiores al 14% destruyen las levaduras.

< > Fermentación alcohólica: Esquema

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Propiedad del etanol Relación con la gasolina

Poder calorífico: Menor: • Menor potencia• Mayor consumo

Índice de octano: Mayor: • Mayor relación de compresión• Mayor aceleración

Calor de vaporización: Mayor: • Peor arranque• Mayor rendimiento

Punto de ebullición: Único: • Peor arranque

Modificaciones del motor de gasolina (para su uso exclusivo con etanol de 96%)

Aumento de la relación de compresión • Recalibrado del carburador• Calentamiento del aire de entrada al carburador• Modificación del sistema de encendido• Uso de bujías especiales

Utilización en motores de gasolina

Gasohol: 90% gasolina10% etanol ANHIDRO

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Condiciones de la digestión anaerobia

Reacción: Biomasa + Bacterias (hidrolíticas, acidogénicas, metanogénicas) •Metano + Dióxido de Carbono (+ Sulfuro de Hidrógeno)

Rendimiento: 0,3 - 0,6 Nm3 gas/kg SV50 - 80% Metano

Temperatura: 5 - 40 ºC (rango mesofílico): 35 ºC40 - 65 ºC (rango termofílico)

Acidez: 6,6 • pH • 7,6

Sólidos: Concentraciones superiores al 10% dificultan el acceso de las bacterias al alimento.

Nutrientes:

CarbonoNitrógenoFósforoAzufreSales minerales

Tóxicos:

AmoníacoSales minerales en excesoPesticidasAzufreDetergentes

< > Digestión anaerobia: Esquema

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Aplicaciones del biogás

Combustión directa: CocinaAlumbrado

Combustión interna: ElectricidadCalor residual

Algunas equivalencias energéticas

1 m3 Biogás70% Metano(25 MJ)

0,66 m3 gas natural

0,22 m3 butano

0,81 l gasolina

0,70 l gasóleo

1,20 l etanol

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• La biomasa residual

• Definiciones• Tipos de residuos• Gestión de residuos• Ejemplo de valorización energética

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• Extracción directa y procesos químicos• Lípidos• El biogasóleo

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• Digestión anaerobia• Condiciones• Esquema• El biogás

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1983

2003: Veinte años después,

no conocemos la respuesta,

pero tenemos más preguntas.

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1983

2003: Veinte años después,

no conocemos la respuesta,

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Si la Naturaleza es la respuesta,

¿cuál era la pregunta?

J. Wagensberg (2002)

Algo más en: http://fjarabo.quimica.ull.es