LA ENERGÍA DE LA BIOMASA Introducción Vicente J. Subiela.

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1 LA ENERGÍA DE LA BIOMASA Introducción Vicente J. Subiela

2 Contenido  Conceptos básicos  Tecnologías  Situación  UE, España  El caso de Canarias  Ventajas / Limitaciones  Pensando en el futuro

3 Conceptos básicos 1  El término “biomasa”  Biología  Energía  3 BIO  Biomasa: calor / electricidad  Biogás: electricidad  Biocarburantes: transporte  Nuevos conceptos  Biocombustibles  Biocarburante, Agrocarburante  Bioenergía

4 Conceptos básicos 2  Biomasa natural  Biomasa residual  Agrícola: restos de cultivos (paja)  Forestal: restos de podas  Ganadera: estiércoles de los diferentes tipos de ganado  Actividad humana  Fracción orgánica de los RSU  Lodos de EDAR  Industrial  Industrias agroalimentarias: aceitera, vinícola, láctea…  Industrias transformadoras de la madera  Cultivos energéticos  Herbáceos: girasol, millo y otros  Leñosos: chopo, eucalipto, etc.  BIOMASA AGRUPA VARIOS RECURSOS DE ENERGÍA

5 Conceptos básicos 3 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org)

6 Conceptos básicos 4 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org) Generación de biomasa primaria: CO2 + H2O (+ sol) -> (CH2O) + O2

7 Conceptos básicos 4 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org) La cadena de la biomasa: Vegetales -> Animales -> Alimentos -> Residuos

8 Conceptos básicos 5. Ciclo del C

9 Conceptos básicos 6 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org) El mapa de la bioenergía

10 Conceptos básicos 7 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org)  Combustible  Análisis elemental (C, H, O,...)  PCI / PCS (kcal / kg)  Uso:  Biomasa + Aire -> Gases + Cenizas + Calor  Energía química -> Calor -> Trabajo  Reacciones elementales  C + ½ O2 = CO + 2.445 kcal/kg  CO + ½ O2 = CO2 + 5.640 kcal/kg  H2 + ½ O2 = H2O + 33.910 kcal/kg

11 Conceptos básicos 8 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org)

12 Conceptos básicos. RESUMEN  Fuente heterogénea  Origen: sol, a través de fotosíntesis  Aplicación: combustión  Calor  Electricidad  Transporte  Varias aplicaciones y tecnologías

13 Fte. PIRCAN Ventajas / Inconvenientes  Recurso endógeno  Uso de residuos: reducción impacto ambiental  Generación empleo  Impulso Sector Primario  Mejor combustión que fósiles  Dispersión de generación  Materia prima de varios proveedores  Mayor Logística  Almacenamiento  Inversión importante  Tecnología mejorable

14 Conceptos básicos. DEBATE  Balance nulo de CO2: SÍ / NO

15 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org) Tecnologías 1. Tecnologías 1. Proceso

16 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org)  Almacenamiento  Briquetas  D 50 – 130 mm  Pellets  D 8 – 12 mm Tecnologías 2. Tecnologías 2. Densificación

17 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org) Tecnologías 3. Tecnologías 3. Combustión

18 Tecnologías 4. Gasificación Fte. www.idae.es  Combustión parcial de residuos  Res For + Aire (defecto) -> Gases  Gases: CO2, CO, H2, CH4, N2.. (pci = 1500 - 2500 kcal/kg)

19 Tecnologías. Gasificación 2  Etapas  Pirólisis o descomposición térmica  Biomasa -> sólido (char), líquido (alquitranes) y gas  Oxidación o combustión  Reducción o gasificación  Tipos de gasificadores  Lecho móvil / Lecho fijo

20 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org)  Biomasa + calor = Gas + Aceite + Cenizas Tecnologías 5. Tecnologías 5. Pirólisis

21 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org)  Biomasa + bacterias (sin O2) = Metano  Lodos, Residuos ganaderos Tecnologías 6. Tecnologías 6. Digestión anaerobia

22 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org) Tecnologías. Tecnologías. Digestión anaerobia 2

23 Fte. www.idae.es Tecnologías. Tecnologías. Digestión anaerobia 3

24 Fte. www.idae.es Tecnologías. Tecnologías. Digestión anaerobia 4

25 Fte. www.idae.es Tecnologías. Tecnologías. Digestión anaerobia 5 Parámetros a controlar   pH, cercano a la neutralidad.   Alcalinidad, capacidad tampón y evitar la acidificación (> 1,5 g/l CaCO3)   Potencial redox < -350 mV.   Nutrientes para microorganismos.   Evitar tóxicos e inhibidores   Temperatura   Ambiente: Psicrofílico   35 ºC: mesofílico   55 ºC: termofílico   Agitación: homogeneización substrato  Tiempo de retención

26 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org)  Biomasa + bacterias (sin O2) = Etanol  Azúcares, Almidones, Celulosas Tecnologías 7. F Tecnologías 7. Fermentación alcohólica

27 Fte. Calero, Carta, Padrón. ENERGÍA (www.renovae.org)  Aceite vegetal + Metanol = Ester + Glicerina  Ester - > Bio-diesel Tecnologías 8. Tecnologías 8. Esterificación

28 Fte. Informe ITC Tecnologías 9. P Tecnologías 9. Proceso biodiesel PropiedadesAceite de Colza Éster Metílico Aceite de Colza Gasoil Densidad a 15ºC kg/l 0.9160.8830.84 Número de Cetanos 31.8 bruto 36.4 semi-refinado 49 a 52.548 a 51.5 Punto de inflamación -11864 C.F.P.P. ( * ) *+20-20-21 Viscosidad (a 20ºC cSt 77.87.54.2 P.C.S. Mj/l34.335.338.5

29 Tecnologías. P Tecnologías. Proceso biodiesel 2  El biodiesel: biocombustible líquido, producido a partir de aceites vegetales o grasas animales:  Aceite + Alcohol  Glicerina + Biodiesel Nº plantas en España: En operación: 12 En proyecto & construcción: 26 Capacidad productiva actual: 463.000 t/año. Producción estimada de aceites usados en Canarias: 12.000 t/año  Operativa: febrero de 2005.  Producción de 35.000 t/año.

30 Tecnologías. P Tecnologías. Proceso biodiesel 3  Baja toxicidad y biodegradables.  Utilización de residuos orgánicos.  Generación local de los combustibles.  Balance nulo de CO 2 : no emisión neta a atmósfera.  Alto poder de lubricación.  Menos emisiones

31 Tecnologías. P Tecnologías. Proceso biodiesel 4 Pretratamiento TransesterificaciónAlcohol/Catalizador Separación Biodiesel Glicerina

32 Tecnologías. P Tecnologías. Proceso biodiesel 5  Producción de 200 l/lote.

33 Fte. Informe ITC Tecnologías. P Tecnologías. Proceso biodiesel 6

34 Fte. Informe ITC Tecnologías 10. Tecnologías 10. Bio-gasolina PROPIEDADESGASOLINAETANOLETBE Densidad a 15ºC kg/l0.72 a 0.770.790.74 Volatilidad (tensión vapor) bar0.7 a 0.81.540.3 Índice de octanage MON RON ( * ) * 85 95 99 120 99 117 P.C.I. MJ/l32.0221.2826.64 * * MON: Índice de octanos de motores RON: Índice de octanos de investigación

35 Fte. www.appa.es Tecnologías. COSTES  Agrícolas / Forestales, 5 MW  Inversión: 1.803 €/kW  Explotación 5,42 c€/kWh  Cultivos energéticos, 5 MW  Explotación 7,11 c€/kWh  Biogás, 2MW  Inversión: 1.502 €/kW  Explotación 2,51 c€/kWh  Bioetanol, 200.000 m3/año  Inversión: 159 M€  Coste (sin B.I.): 60 c€/L  Biodiesel, 50.000 t/año  Inversión: 13 M€  Coste (sin B.I.): 74,5 c€/L

36 Fte. Informe ITC Tecnologías 11. Tecnologías 11. RESUMEN  Forestales / Agrícolas: combustión  Elevada carga orgánica + humedad: DA - > Biogás  Ganaderos, FORSU, Lodos,  Cultivos energéticos: Biocarburantes  Biodiesel  Plantas oleaginosas  Aceites vegetales usados  ETBE (“bio-gasolina”)  Muchas tecnologías implicadas

37 Fte. Informe ITC Tecnologías. Tecnologías. DEBATE  Agrocarburantes SI/NO  Competencia por el suelo con alimentos / pastos  Deforestación puede ser rentable!  Demanda de agua / fertilizantes  Regeneración natural del suelo  Desarrollo del sector agrícola  “Autoindependencia” energética

38 Fte. www.appa.es Situación 1. Consumos UE

39 Fte. www.appa.es Situación 2. RESIDUOS FORESTALES

40 Fte. www.appa.es Situación 3. RES. Agrícolas leñosos

41 Fte. www.appa.es Situación 4. RES. Agrícolas herbáceos

42 Fte. www.appa.es Situación 5. RES. Industrias

43 Fte. www.appa.es Situación 6. Cultivos energéticos

44 Fte. www.appa.es Situación. Evolución

45 Fte. www.idae.es Situación. 2004 y Plan Fomento EERR. Biomasa para electricidad: 344 MW ->2.039 MW Biomasa para co-combustión: 0 MW -> 722 MW Biomasa para calor: 3.487 ktep -> 4.070 ktep Biogás para electricidad: 141 MW -> 235 MW Biocarburantes: 228 ktep -> 2.200 ktep

46 Fte. www.idae.es Situación 2004 y Plan Fomento EERR.

47 Fte. www.idae.es Situación 2004 y Plan Fomento EERR.

48 Fte. www.idae.es Situación: DEBATE  Plan 2010 viable  Incremento Bioenergía en energía primaria / secundaria  ahorro  Apoyos suficientes?

49 Fte. Informe ITC Canarias 1. Agrícolas

50 Fte. PIRCAN Canarias 2. Forestales

51 Fte. PIRCAN Canarias 3. Ganaderos

52 Fte. PIRCAN Canarias 4. FORSU

53 Fte. PIRCAN Canarias 5. Lodos Tabla 9. Generación de lodos de depuradora Isla Producción t/año sequedad GRAN CANARIA9.63324% TENERIFE7.50029% LANZAROTE2.90022% FUERTEVENTURA1.05322% EL HIERRO [1] [1] 0- LA PALMA8.2423% LA GOMERA62633% TOTAL ISLAS29.954 [1] [1] Actualmente existen dos plantas depuradoras, pero ninguna está en operación.

54 Fte. PIRCAN Canarias 6. Resumen

55 Fte. PIRCAN Canarias 7. Resumen Tipo de tecnologíaBiomasa empleadaSituación en Canarias (Ver PIRCAN)  Digestión anaerobia: producción de biogás  Residual agrícola  Residual ganadera  Industria agroalimentaria  Lodos EDAR  Fracción orgánica de los RSU  Planta en operación de 30 kW en hotel de Fuerteventura  Instalaciones no operativas en EDAR de gran tamaño  Planta de 2 MW en Zonzamas (Lanzarote) (operativa para el 2004)  Planta en Salto del Negro (Gran Canaria) (prevista en el PIRCAN)  Posibilidades de plantas pequeñas en Gran Canaria y Tenerife para los residuos ganaderos  Producción de compost  Residual agrícola  Residual ganadera  Lodos EDAR  Fracción orgánica de los RSU  Planta prevista en Fuerteventura para 25.000 t/año  Planta prevista en Gran Canaria para 100.000 t/año  Planta prevista en Tenerife para 200.000 t/año  Planta prevista en La Gomera para 5.000 t/año  Planta prevista en La Palma para 15.000 t/año  Planta prevista en El Hierro para 2.000 t/año  Gasificación: producción de gas de síntesis  Residual forestal  Residual de industrias forestales  Lodos EDAR  Experiencia en pequeña planta piloto (10 kW?), actualmente no operativa.  Fermentación alcohólica: Producción de bioetanol  Producción de éter (derivado del bioetanol)  Cultivos energéticos  Residual agrícola  Potencial por analizar  Producción de biodiesel  Cultivos energéticos  Aceites orgánicos  Potencial por analizar  Extracción de gas de vertedero  Biogás acumulado en vertederos  Instalaciones previstas: Arico, Tenerife (2 x 670 kW), Salto del Negro y Juan Grande (Gran Canaria) y Zonzamas (Lanzarote)

56 Fte. PIRCAN Canarias 8. DEBATE  El problema del agua y del suelo  El sector primario en progresivo declive  85 % alimentos importados  Incremento de generación de residuos  Generación de biomasa residual limitada y muy dispersa  Gran dependencia energética

57 Fte. www.idae.es Futuro 1. Plan Fomento Biomasa.

58 Fte. www.idae.es Futuro 2. Plan Fomento Biogás.

59 Fte. www.idae.es Futuro 3. Plan Fomento Biocarburantes.

60 Fte. www.idae.es Futuro 4. Plan Fomento. Electricidad

61 Fte. www.idae.es Futuro 5. Plan Fomento. Medidas

62 Fte. www.idae.es Futuro 6. Innovación tecnológica Biomasa  Producción  Caracterización física y energética  Promoción cultivos energéticos  Mejora recogida y suministro  Aplicación  Mejora sistemas de manejo y alimentación  Desarrollo nuevas calderas, gasificadores, sistemas limpieza gases  Adaptación de turbinas y motores de gas  Sistemas de climatización con biomasa

63 Fte. www.idae.es Futuro 7. Innovación tecnológica Biogás  Mejora eficiencia en producción, depuración y limpieza  Sistemas de codigestión  Inyección de biogás en red de GN  Avances en instalaciones de pequeña producción de residuos  Mejoras en rendimiento de motores

64 Fte. www.idae.es Futuro 8. Biocarburantes  Producción  Mejora tec. En recogida, acondimionamiento, transporte, almacenamiento  Bioetanol: selección de nuevas variedades vegetales adecuadas  Biodiésel: búsqueda y selección de especies oleaginosas más adaptadas a las características locales  Aplicación  Producción a partir de lignocelulósicos, semillas, grasas animales  Experiencias de demostración de larga duración

65 Fte. www.idae.es Futuro. RESUMEN  Importante incrementos (reales?)  Importancia de los cultivos energéticos (38 %) (Biodiesel !)  Biogás a partir de FORSU y lodos  Muchas cuestiones técnicas por desarrollar para mejorar la producción y uso los recursos bioenergéticos

66 Fte. www.idae.es CONCLUSIONES  Gran heterogeneidad  Recursos (forestales, agrícolas, industriales, urbanos, cultivos…)  Aplicaciones (calefacción, cogeneración, electricidad, transporte)  Tecnologías (gasificación, digestión, fermentación, esterificación...)  Factores afectados (sociales, ambientales, económicos)  Muchas administraciones implicadas (MA, Agricultura…)  El problema del suministro y del almacenamiento  Costes todavía elevados  el pb de la escala  Primas insuficientes  Importancia del biodiesel y de los residuos orgánicos de origen urbano  Debate social (competencia con alimentos)

67 Fte. www.idae.es PROBLEMA 1 Una granja esta formada por 500 vacas y 1000 gallinas. Calcular: 1. La producción diaria de biogás en metros cúbicos 2. ¿Cuánta energía (en MJ) se produce diariamente? 3. Si ese biogás se quema en un motor, ¿cuánta electricidad diaria se puede producir? (Considerar un rendimiento del 18%) 4. Calcular la potencia del motor suponiendo que se emplea 16 hrs./día. 5. Si la electricidad generada se emplea en poner en marcha una desaladora de ósmosis inversa, de un consumo de 5 kWh/m3; valorar la producción diaria de agua dulce.

68 Fte. www.idae.es PROBLEMA 2 ¿Cuántos metros cuadrados de remolacha tendría que cultivar un agricultor para accionar su vehículo (con un consumo anual de gasolina de aproximadamente 2000 l) con etanol? DATOS:   Concentración de etanol en el combustible mezcla: 20%   Contenido de azúcar de la remolacha: 15 %   Cosecha: 10 t de remolachas/ha   Producción de etanol: 450 litros por cada tonelada de glucosa (azúcar)