Introducción a las Fuentes Renovables de Energìa Biomasa

Presentación del tema: "Introducción a las Fuentes Renovables de Energìa Biomasa"— Transcripción de la presentación:

1 Introducción a las Fuentes Renovables de Energìa Biomasa
Dr. Roberto Best y Brown CIE-UNAM Agosto 2006

2 Aspectos Básicos Definiciones: Biomasa es según la FAO:
“el conjunto de plantas terrestres y acuáticas, junto con sus derivados, subproductos y residuos producidos en su transformación”

3 BIOMASA Definición: “Toda materia viviente del planeta tierra”
“La biomasa, sustancia orgánica renovable de origen animal o vegetal” Biosfera, capa delicada que representa una fracción insignificante de la masa total de la tierra”

4 Biosfera Es la zona de la tierra donde se desarrolla la vida. Comprende la parte inferior de la atmósfera (troposfera), la hidrosfera (agua sólida, liquida y gaseosa) y la litosfera o suelo

5 El ciclo bioenergético a a escala local

6 El ciclo del carbono a escala local

7 INTRODUCCION BIOMASA ES TODA LA MATERIA VIVA EN LA SUPERFICIE EXTERNA DELGADA DE LA TIERRA LLAMADA BIOSFERA PUEDE VERSE COMO UN ENORME ALMACEN DE ENERGIA QUE SE RENUEVA CONTINUAMENTE CICLO IDEAL DEL CO2 ENERGIA SOLAR desechos Planta de biogás Composta CO2 ENERGIA TRANSPORTE, TERMICA Y ELECTRICA

8 Biomasa El término Biomasa se refiere a toda la materia orgánica generada por los procesos biológicos de los cinco reinos (vegetal, animal, fungi protista y monera) La biomasa representa únicamente una pequeña fracción de la masa total de la tierra, pero en términos humanos es una enorme almacenador de energía aprovechable. La biomasa es un recurso muy variado y complejo debido a su interacción con los sistemas terrestres y acuático con los nutrientes y las personas, sus principales características físicas y químicas son función directa de las condiciones ambientales que se desarrolla. Durante muchos años, la biomasa, como fuente energética, estuvo considerada como un energético de los pobres, sin embargo, en los últimos años gracias al desarrollo tecnológico y las ventajas que representa sobre los combustibles tradicionales ésta se ha convertido en una fuente renovable de energía con mayor posibilidades en el futuro. Entre las mayores ventajas de la biomasa sobre los combustibles tradicionales destacan: Es un recurso abundante y utilizándolo de forma renovable se garantiza su sustentabilidad Se espera que al convertirse en un combustible moderno, sus costos de producción sean competitivos Las plantaciones energéticas pueden contribuir a la restauración de las tierras degradadas, y con esto, se evitarían las emisiones de CO2.

9 UNA VISION DEL ORIGEN DE LA REVOLUCION INDUSTRIAL
DE LA MADERA AL CARBON ILUMINACION HASTA FINALES DEL SIGLO XVII LA BIOMASA (MADERA) ERA LA PRINCIPAL FUENTE DE ENERGIA CALENTAMIENTO PRODUCCION DE METALES CARBON DE MADERA UNA VISION DEL ORIGEN DE LA REVOLUCION INDUSTRIAL CRECIMIENTO DE LA POBLACION INCREMENTO EN EL PRECIO DE LA MADERA USO DE CARBON MINERAL (MAS ECONOMICO) PRIMERAS MAQUINAS CAVADO DE MINAS PROFUN-DAS (REQUIERE BOMBEO AGUA DE FLOTACION) AGOTAMIENTO DEL CARBON MINERAL SUPERFICIAL

10 Estado actual de los biocombustibles
En el siglo XXI se verá el proceso inverso, del carbón a la madera? Pueden los biocombustibles sustituir completamente a los combustibles fósiles? Los datos disponibles indican que teóricamente es posible

11 Recursos disponibles de biomasa
Obtener una estimación real de la contribución mundial de los variados recursos energéticos de biomasaes una tarea compleja. No existen compañías globales haciendo estudios y reportes. Los datos de la IEA consideran la aportación anual de biomasa tradicional en el rango de 40 – 60 EJ. La “nueva biomasa” contribuye con alrededor de 9 EJ.

12 Recursos disponibles de biomasa
De lo que no hay duda es que la biomasa en un gran proveedor de energía en la mayor parte del mundo. Representa la tercera parte del total de la energía primaria consumida en los países en desarrollo (hasta el 90% en los más pobres), 20% en China y 40% en la India

13 CONTRIBUCIÓN ACTUAL DE LA BIOMASA A LA ENERGÍA PRIMARIA

14 CONTRIBUCIÓN ACTUAL DE LA BIOMASA A LA ENERGÍA PRIMARIA

15 CONTRIBUCIÓN ACTUAL DE LA BIOMASA A LA ENERGÍA PRIMARIA

16 POTENCIAL DE OBTENCION DE ENERGIA A PARTIR DE BIOMASA vs CONSUMOS ACTUALES
POTENCIAL DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA POR BIOMASA TERRESTRE 3,000 EJ/año CONSUMO TOTAL DE TODAS LAS FORMAS DE ENERGIA 451 EJ/año 750 % >

17 Escenario posible hasta el 2050 de uso mundial de energía primaria
Futuro de la energía en el mundo Escenario posible hasta el 2050 de uso mundial de energía primaria GBPM = miles de millones de barriles de petróleo mexicano equivalente Fuente: Shell International Limited, 1998

18 Potencial de la Biomasa en Europa

19 Energía en México

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22 Potencial de la Biomasa en Europa

23 Potencial de la Biomasa en Europa

24 Contribución de la bioenergía como porcentaje de total de energía consumida

25 Evolución del consumo y previsiones
2. SITUACIÓN EN ESPAÑA 2.2. Área de biomasa Evolución del consumo y previsiones Nota: en la actualidad se encuentra en estudio la evolución de los datos referentes al consumo de biomasa en usos térmicos

26 Fuentes de Materia Orgánica
Bioenergía Fuentes de Materia Orgánica Potencial de la Biomasa en México: 4550 PJ/año En el 2004 el consumo energético de México fue de 6050 PJ

27 LA BIOMASA COMO COMBUSTIBLE
OXIDACION RAPIDA DE UN MATERIAL EN EL OXIGENO DEL AIRE CON DESPRENDIMIENTO DE LUZ Y CALOR COMBUSTION Ejemplo: Metano BIOMASA Celulosa Azúcares (Carbohidratos) Almidones Proteínas Combustión de Carbohidratos

28 LA BIOMASA COMO FUENTE DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR
Carbón Hidrógeno Oxígeno Nitrógeno PRINCIPALES CONSTITUYENTES DE LA MATERIA VIVA Procesos naturales de descomposición y Cadenas alimenticias AEROBIAS CIERRE DE CICLO CO2 H2O FOTOSINTESIS: Proceso inverso a la combustión o descomposición que ocurre en forma natural en las plantas verdes DE ESTA FORMA EL CRECIMIENTO DE LA MATERIA VIVA EN LA BIOSFERA PUEDE VERSE COMO UNA FORMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR

29 Eficiencia de conversión de la biomasa

30 EFICIENCIA DE CONVERSION DE ENERGIA SOLAR EN BIOMASA
EN TERMINOS ENERGETICOS, NO TODA LA RADIACION INCIDENTE EN UNA PLANTA VERDE ES CONVERTIDA EN ENERGIA UTILIZABLE Ejemplo: Una hectárea de tierra en una zona con Irradiancia de 1000 kWh/m2 año 1000 kWh equiv. 3.6 GJ y 1 ha equiv. 10,000 m ,000 GJ Solo 12% se recibe durante el periodo de crecimiento 4,320 GJ 50% de ésta fotosintéticamente activa ,160 GJ 85.% capturada por las hojas ,836 GJ 21% de ésta=energia almacenada GJ 40% de ésta = se pierde GJ Se convierte en follaje solo GJ SOLO 0.5% DE LA RADIACION TOTAL RECIBIDA SE CONVIERTE EN FOLLAJE 10 TONELADAS DE BIOMASA (BASE SECA) / hectárea año

31 FUENTES DE BIOMASA RESIDUOS AGRICOLAS BIOMASA RESIDUOS DE GANADERIA
RESIDUOS DE COSECHAS RESIDUOS DE MADERA EXCEDENTES DE PRODUCCION RESIDUOS AGRICOLAS RESIDUOS DE GANADERIA CULTIVOS ENERGETICOS MADERA CAÑA DE AZUCAR MAIZ, SORGO BIOMASA RESIDUOS DE CULTIVOS TROPICALES BAGASO DE CAÑA CASCARILLA DE ARROZ CASCARA DE COCO DESECHOS SOLIDOS ORGANICOS RESIDUOS SOLIDOS MUNICIPALES RESIDUOS COMERCIALES E INDUSTRIALES

32 Tipos de biomasa (CIRCE)

33 Tipos de Biomasa (CIRCE)
Biomasa Natural: Es la que se produce espontáneamente sin níngún tipo de intervención humana. Los recursos generados en las podas naturales de los bosques constituyen un ejemplo de este tipo de biomasa. La utilización de estos recursos requiere de la gestión de adquisición y transporte hasta la empresa lo que puede provocar que su uso sea inviable económicamente.

34 Tipos de Biomasa (CIRCE)
Biomasa Residual Seca: se incluyen en este grupo los subproductos sólidos no utilizados en las actividades agrícolas, en las forestales y en los procesos de las industrias agroalimentarias y de transformación de la madera, y que por tanto son considerados residuos. Este es el grupo que en la actualidad presenta un mayor interés desde el punto de vista del aprovechamiento industrial. Algunos ejemplos son la cáscara de almendra, el orujillo, las podas de frutales, el aserrín, etc.

35 Tipos de Biomasa (CIRCE)
Biomasa residual húmeda: Son los vertidos denominados biodegradables: las aguas residuales urbanas e industriales y los residuos ganaderos (principalmente purines)

36 Tipos de Biomasa (CIRCE)
Cultivos energéticos: son los cultivos realizados con la única finalidad de producir biomasa transformable en combustible. Algunos ejemplos son el cardo (cyanara cardunculus), el girasol cuando se destina a la producción de biocarburantes, el miscanto, etc.

37 Tipos de Biomasa (CIRCE)
Biocarburantes: aunque su origen se encuentra en la transformación tanto de la biomasa residual húmeda (por ejemplo reciclado de aceites) como de la biomasa residual seca rica en azúcares (trigo, maíz, etc.) o en cultivos energéticos (colza, girasol, pataca, etc.), por sus especiales características y usos finales este tipo de biomasa exige una clasificación distinta a las anteriores.

38 Contenido energético promedio de los combustibles
Contenido energético promedio de combustibles Combustible Contenido energético GJ/ton GJ/m3 Madera (verde, 60% humedad) Madera (sec. al aire 2o% hum.) Madera (sec. en horno 0% hum.) Carbón vegetal Papel (periódico) Estiércol (seco) Pasto (recién cortado) Paja (recién cosechada) Residuos caña de azúcar Basura doméstica Basura comercial Petróleo Carbón mineral Gas natural * * * Indica que depende del tipo específico de material

39 Emisiones de CO2 de los combustibles
Contenido Energético GJ/tonelada CO2 liberado kg/ GJ Carbón 30 80 Petróleo 42 70 Gas Natural 55 50 Madera secada al aire 15 80* Notar que la composición del carbón, la madera y en menor proporción el petróleo puede variar grandemente *Si la madera se produce en forma sustentable y la combustión es completa, la emisión de CO2 en su ciclo de vida será cercano a cero

40 Recursos Bio-energéticos
Cultivos Energéticos

41 Cultivos Energéticos Rotatorios Forestales
Permite producir grandes volúmenes de biomasa Se cultivan árboles de rápido crecimiento y rebrote desde el tocón Se hacen plantaciones muy densas, 10,000 plantas por hectárea,, con separación entre filas de 2 m. y 0.5 m. entre plantas, suficiente para la entrada de maquinaria. Se cortan después de varios años de (2 a 5). Las raíces permanecen intactas apareciendo nuevos brotes en la primavera . Después de 2 a 3 años se vuelve a cortar dando el doble o triple de biomasa que en el primer corte. El proceso se repite de 3 a 5 veces dependiendo del tipo de planta, hasta que se requiera sembrar nuevas plantas.

42 Cultivos Energéticos Rotatorios Forestales

43 Cultivos energéticos rotatorios herbáceos

44 Cultivos energéticos forestales
Sauce como cultivo energético Estos sauces cultivados en el SUNY ESF Genetics Field Station en Tully, New York se han desarrollado como cultivos energéticos. Los árboles tienen tres años de crecimiento, el tocón tiene cuatro. La plantación fue podada después del primer año.

45 Cultivos energéticos forestales
Chopos de Virginia (Cottonwood) Se investigan en USA para usarse en la producción de etanol. Actulamente se cultivan ya para la industria de la pulpa y el papel. Útiles también para restaurar suelos.

46 Cultivos energéticos forestales
Chopos Estos chopos tienen menos de dos años, se cultivan en forma intensiva como producto agrícola.

47 Cultivos energéticos forestales
Árboles de Eucalipto cultivados por la industria eléctrica con biomasa Eucaliptos cultivados con irrigación por Simpson Timber como cultivo energético en Corning, California. Wright, Lynn - Oak Ridge National Lab

48 Cultivos Energéticos Forestales
Producción de astillas de madera Máquina astilladora cortando árboles de eucalipto y máquina apiladora de astillas.

49 Cultivos energéticos agícolas
Sorgo Dulce Se utiliza para producir etanol en Brazil, China y USA Mismo equipo que la caña de azucar Dos cosechas por año Menor requerimiento de agua que la caña Se estan desarrollando hibridos para el clima templado europeo

50 Cultivos energéticos agrícolas
Cosechando pasto aguja No requiere de nueva tecnología para cosechar y embalar

51 Cultivos energéticos agrícolas
Pasto aguja o varilla (Switchgrass) Se cosecha con equipo y técnicas convencionales, se utiliza como forrraje

52 Cultivos Agrícolas Cultivos energéticos:
Son los cultivos realizados con la única finalidad de producir biomasa transfornmable en combustible. Agunos ejemplos son el cardo (cyanara cardunculus), el girasol cuando se destina a la producción de biocarburantes, el miscanto, etc.

53 Restos de cultivos agrícolas
Bagazo Residuo de la caña de azucar Ya se utiliza como energético en los ingenios azucareros (vapor y electricidad) Se utiliza solo por medio año, se busca combinar con otros cultivos energéticos Posibilidad: bagazo para producir etanol

54 Restos de cultivos agrícolas
Cascarilla de arroz El residuo agrícola más abundante 1/5 del peso seco del arroz Su textura lo hace apropiado para la gasificación problema: contiene mucho silicio (cenizas) ya se usa en Indonesia, China , Mali.

55 Restos de explotaciones ganaderas
Estiércol animal Puede ser una fuente importante de gases de invernadero, (10% de las emisiones de metano en USA) los deschos líquidos de granjas son una fuente de contaminacion de agua Control ambiental Induce a invertir en digestión anaeróbica para control de residuos

56 Restos de explotaciones ganaderas
Estiércol animal(Cont) productos: biogás +efluentes que se utilizan como fertilizantes Se puede sacar energía a estiercol con poco contenido de agua por combustión directa Gallinacea (estiércol de pollo + paja) 9-15 GJ ton cerca de 80 MWe en el Reino Unido con gallinacea

57 Restos de actividades humanas Residuos Sólidos Urbanos (RSU)
Una familia eurpoea produce una tonelada de RSU al año Contenido energético de 9 GJ / tonelada en principio representa 1/10 de su consumo energético En la práctica no se alcanza por impedimentos tecnológicos y sociales.

58 Restos de actividades humanas Estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARS)
Un proceso de depuración es la digestión a anaeróbica de los lodos El gas producido se utiliza para generar la energía eléctrica requierida en la planta y generar calor que se requiere para mantener el proceso cerca de los 37ºC

59 Restos de Tratamientos Silvícolas. Podas
Restos de Tratamientos Silvícolas.Podas, desbroces, clareos, claras, y restos de cortas finales. Sobre todo de especies forestales.

60 Restos de industrias forestales.
Industria de primera transformación de la madera: Restos de aserraderos, en fábricas de tablero aglomerado, pasta de papel, astillas, corteza, tablas defectuosas

61 METODOS DE EXTRACCION DE ENERGIA EN FUNCION DE LA FUENTE DE BIOMASA
RESIDUOS AGRICOLAS RESIDUOS DE GANADERIA RESIDUOS DE CULTIVOS TROPICALES DESECHOS SOLIDOS ORGANICOS CULTIVOS ENERGETICOS COMBUSTION DIRECTA GASIFICACION DIGESTION ANAEROBIA RELLENOS SANITARIOS FERMENTACION Y EXTRACCION Energía térmica Energía Eléctrica Gas de Síntesis ETANOL ACEITES BIOGAS BIOGAS Energía térmica Energía Eléctrica Energía térmica Energía Eléctrica Transporte Energía térmica Energía Eléctrica Transporte Transporte

62 Rutas de conversión de la bioenergía