Dendroenergía Cátedra de Industrias de Transformación Química Curso 2015

Dendroenergía: Aprovechamiento energético de la biomasa forestal.

Biomasa La palabra BIOMASA se refiere a todos los organismos vivos, pero particularmente al uso de materia orgánica como fuente de combustible y de energía, generada a partir de los residuos producidos en la industria agrícola, forestal, plantas de tratamiento de aguas, entre otras.

Biomasa Tipos de biomasa: Biomasa primaria: Árboles. Cultivos de alimentos y forrajes. Biomasa secundaria: Residuos agrícolas, forestales y animales. Residuos industriales. Residuos urbanos.

Biomasa Ejemplos Residuos Agrícolas Residuos Forestales ™Residuos de la producción de maíz. ™ Residuos del aprovechamiento forestal. ™ Cáscara de arroz. ™ Residuos de aserraderos. Cáscara de nueces. Residuos de la industria manufacturera. Residuos de la producción de aceite de soja, girasol y oliva. ™ Residuos de empaques. ™ Bagazo y malhoja de la producción de la caña de azúcar. ™ Deshechos de parques y jardines naturales. ™ Residuos de la producción de tabaco Colecta de poda forestal

Biomasa: Potencial en Argentina La Argentina posee una gran disponibilidad de biomasa apta para ser utilizada como energía. La productividad leñosa anual sustentable de nuestro país es de 193 millones de toneladas, de las cuales 143 millones  (42.900 kilotoneladas equivalentes de petróleo - ktep al año) son físicamente accesibles y están potencialmente disponibles para usos energéticos. A estos recursos se le suman 2,7 millones de toneladas de biomasa leñosa proveniente de los subproductos de aserraderos y de plantaciones frutales, y cerca de 2,3 millones de toneladas de otros subproductos biomásicos derivados de las agroindustrias, dando un total de recursos que ascienden a 148 millones de toneladas. De estos, 124 millones de toneladas anuales proceden de fuentes potencialmente comerciales. Esto representa unas 37.200 ktep/año, equivalente a más de la mitad de la Oferta Interna de Energía Primaria del país. Fuente: Wisdom FAO.

Transformación de la Biomasa Aumenta la superficie especifica. Facilita la ignición y combustión. Homogeniza el tamaño y facilita la manipulación. Leña y Astillas Física Fragmentación Aumenta el poder calorífico. Facilita el proceso. Madera torrificada Secado Aumenta la densidad. Disminuye gastos de almacenamiento y transporte. Pellets y Briquetas Compactación o densificación: Química Procesos muy diversos, dependen de la materia prima y del biocombustible final que se desea obtener. Carbón vegetal y Gas pobre Biológica Procesos de descomposición de la biomasa, por medio de microorganismos, en un medio sin oxígeno, fermentación. Biogás

Biocombustibles Definición: Combustible de origen biológico que no se ha fosilizado. A diferencia del petróleo, los carbones minerales y el gas natural que siendo de origen biológico se han fosilizado hace cientos de miles de años. (Marcos 2001) Combustible: “Cuerpo sólido, líquido o gaseoso capaz de arder”. “Es toda materia que, mezclada con el oxígeno produce una reacción (de combustión) que desprende energía calorífica”. “Es un almacén de energía química”.

Biocombustibles El origen de los biocombustibles es la energía solar que es almacenada por algunos seres vivos en forma de biocombustibles. Una de las grandes ventajas de los biocombustibles frente a los denominados combustibles fósiles, es que los biocombustibles son renovables. Se consideran como una energía renovable destinada a suplir las carencias futuras de combustibles fósiles.

Biocombustibles Sólidos Son aquellos productos derivados de la biomasa sólida que son susceptibles de utilización directa en los procesos de conversión energética y que se obtienen a partir de la biomasa mediante transformaciones, generalmente de naturaleza física, tales como el astillado, molienda y secado, y que puede incluir etapas de densificación. Una de las fuentes de materia prima sólida para utilizar como biocombustibles son los residuos forestales.

Residuos Biomásicos Dos objetivos principales de la foresto-industria: - Optimizar los procesos productivos para reducir al mínimo el porcentaje de residuos. - Reconvertir los residuos en insumos y productos de uso valorable.

Valorización de los Residuos Biomasicos El proceso productivo foresto-industrial genera gran cantidad de residuos Residuos --> Usos energéticos (carbón, biogás, leña, chips, pellets y briquetas).

Ventajas de los Biocombustibles Utilización de recursos renovables y autóctonos. El combustible puede provenir de un adecuado manejo de los recursos existentes, o de plantaciones energéticas ad-hoc realizadas en tierras no aptas para otro fin. La obtención del recurso genera inmediatamente una fuente de trabajo. Las tecnologías involucradas para la transformación de la biomasa forestal en energía útil es muy variada, desde muy simple a más compleja.

Clasificación de los Biocombustibles SOLIDOS Fragmentación LEÑA ASTILLAS Densificado BRIQUETA PELLETS Modificado CARBÓN VEGETAL LIQUIDOS Pirólisis LIQUIDO PIROLEÑOSO Fermentación BIOETANOL Transesterificación BIODIESEL GASEOSOS Biodigestión BIOGAS

Leña Parte de los árboles o arbustos que, hechos trozos, se destinan para un fin energético. Al ser parte de un árbol o arbusto esta compuesto principalmente por madera y corteza, también con pequeñas cantidades de hojas, flores y frutos, es de forma cilindro-cónica. Como combustible se puede usar directamente o se puede transformar en astillas o carbón vegetal. Usos Combustible: Calefacción, cocinar, etc. Materia prima: Astillas, Carbón vegetal Abono: Pudrición y aporte de nutrientes al suelo

En todo el mundo, más de tres mil millones de personas dependen de los combustibles sólidos, incluida la biomasa (leña, estiércol y residuos agrícolas) y el carbón, para satisfacer sus necesidades de energía más básicas: cocinar, calentar agua y calefacción Fuente: OMS, 2007

Astilla Material orgánico procedente de la fragmentación de la biomasa forestal, formada generalmente por madera y corteza. Es de forma plana, donde predomina la longitud y el ancho sobre el espesor. El tamaño es más homogéneo que la leña, y esta determinado por la posición de la cuchilla respecto al disco o tambor astillador. Usos Combustible: Quemándose como astilla. Para la fabricación de otros biocombustibles, briquetas o pellets. Materia prima: Para la fabricación de tableros de partículas, fibras, etc. Para la fabricación de pulpas y papel.

Pellets y Briquetas Biocombustibles de origen lignocelulósico, en la mayoría de los casos, formado por la compactación de biomasa. En el proceso puede haber transformaciones químicas del material debido al calentamiento que ocurre en el interior de la peletizadora o briqueteadora. El proceso de briqueteado o peletización consiste en la compactación de la biomasa, mediante la aplicación de una gran presión con unos rodillos, sobre una matriz perforada, a través de la cual se hace pasar el material.

Pellets: Concepto Los pellets de madera pueden ser considerados como un combustible derivado de la autoaglomeración de material leñoso como resultado de una aplicación combinada de calor y alta presión en una máquina de extrusión. Es un biocombustible estandarizado, cilíndrico, hecho por la compresión de virutas, aserrín y astillas, procedentes de residuos de madera de aserraderos, industrias forestales, industrias agroforestales, industrias del parquet, molduras y puertas e incluso empresas de mobiliario de madera.

Pellets: Características Forma: Su forma siempre es cilíndrica Tamaño: Diámetro 6-10 mm, Longitud 10-30 mm. Densidad: Material más denso que la materia prima de origen, 600-700 kg/m3 Humedad: 7 – 10 % Contenido de Cenizas: <1 % Friabilidad: Resistente al golpeteo en el traslado y durante la combustión. Demanda de espacio: 1.5 m3/ton .

Pellets: Ventajas Combustible renovable Limpios y fáciles de manipular Apropiados para uso doméstico Tamaño comprimido por lo que ocupan menor espacio que otros combustibles leñosos sólidos. Mayor densidad energética Menor volumen para transportar y almacenar Tamaño y humedad constantes Su baja humedad evita que se expongan a degradación Versatilidad: pueden usarse en cocinas y calderas Bajo nivel de emisiones y cenizas Fácil de combustionar Fluye como un liquido y se puede utilizar en equipos automatizados

Pellets: Características Según Su Fuente Densidad (kg/m3) Contenido energético (MJ/kg) Cenizas (%) Aserrín 606 20.1 0.45 Corteza 676 3.7 Residuos de aprovechamiento en el bosque 552 20.8 2.6 Equivalencia energética: ~ 2 kg. de pellets por litro de gasoil o m3 de gas natural.

http://www.inti.gov.ar/ue/pdf/normativa_biocombustibles.pdf

http://www.inti.gov.ar/ue/pdf/normativa_biocombustibles.pdf

Briquetas Forma: Su forma es muy variable y depende de la máquina que se emplea en su obtención. Tamaño: Diámetro de 5 a 9 cm y longitud de 50 a 80 cm. Aspecto: Es variable y depende de la materia prima. Se procura que sea lo más similar a la madera. Densidad: Material más denso que la materia prima de origen. Humedad: 8 – 10% Friabilidad: Lo más similar a la madera posible. Composición Química Elemental: Condiciona el poder calorífico del combustible, los gases emitidos en la combustión y la composición de las cenizas.

Briquetas Usos: Dos usos principales Combustible: sobre todo para el sector doméstico (no pueden ser movidas tan fácilmente como los pellets en un establecimiento industrial). “Tacos” de madera prensada: para fabricación de pellets.

Línea De Flujo Para Producción De Pellets Y Briquetas ASERRIN ASTILLAS RECORTES Astillado Homogeneizado SECADO CRIBADO COMPACTADO ENFRIADO ENVASADO Quemado RESTOS Peletizadora Briqueteadora H>12% H<12% PELLETS BRIQUETAS

PRODUCCION: Etapas El proceso básico de producción de pellets comprende las siguientes etapas: - Secado de la materia prima si fuera necesario - Martillado o granulado de la materia prima; - Pelletizado propiamente dicho; - Enfriado y separación de partículas finas - Embalaje y almacenado.

PRODUCCION Para producir 1 ton de pellets (7-10% H), se requieren aprox.: 7 m3 estereo de aserrín (con humedad 50 – 55%) ó - 10m3 estereo de virutas (con humedad 10 – 15%)

Situación en Argentina En el país la industria de la peletización esta en sus comienzos. Existen unas pocas plantas actuales y otras en desarrollo. Lipsia (Misiones), Canale y Barroman (Córdoba), Zeni (Corrientes), Lare Bioenergy (Concordia), GPEnergy (Misiones), . La capacidad de producción de pellets en Argentina se acerca a las 100.000 toneladas anuales. En Argentina, a diferencia de los países más competitivos, gran parte de los residuos generados por la actividad foresto-industrial no tienen uso económico. Disponibilidad de 2 a 2.5 millones de toneladas de residuos que podrían destinarse a estos proyectos. La utilización de los residuos de madera fomentará el desarrollo de las economías regionales, especialmente en las cuencas foresto-industriales de menor grado de desarrollo relativo, aumentará el empleo y la rentabilidad de la cadena foresto-industrial y reducirá el impacto negativo sobre el medio ambiente al gestionar correctamente los residuos.

Conversión Química de la Madera

Procesos de Conversión de Biomasa en Energía Para el uso de los residuos lignocelulósicos podemos mencionar las siguientes alternativas, como las de mayores posibilidades de uso doméstico e industrial. Termoquímicos Combustión directa. Pirólisis. Gasificación. Licuefacción. Bioquímicos Fermentación metánica. Fermentación alcohólica.

Combustión n C + n O2 = n CO2 + Q Es una reacción química de oxidación de una sustancia combustible que reacciona con un oxidante (generalmente el oxígeno del aire). Es una reacción exotérmica, caracterizada por cambios energéticos que se manifiestan en forma de calor y luz. La estequeometría de una reacción de combustión completa del Carbono elemental y de un combustible sólido que contenga carbono e Hidrogeno es la siguiente: n C + n O2 = n CO2 + Q CmHn + (m+n/4) O2 = m CO2 + ½ n H2O + Q Donde m y n son el número de moles. Q es la cantidad de calor desarrollada en la combustión.

Combustión Directa (Quemado) Es la forma más directa de aprovechamiento de la biomasa. USOS: Doméstico: Cocción – Calefacción Industrial: Calor de procesos - Generación de energía mecánica o eléctrica. Consta de 3 etapas: 1- Secado: pierde humedad y no forma compuestos químicos nuevos. 2- Destilación y cracking en sus componente: libera gases (gas pobre). 3- Oxidación del carbono.

Pirolisis Proceso de oxidación parcial y controlado (quemado en casi ausencia de aire). Este proceso de transformación de la madera conduce, según las condiciones de operación, al rendimiento de diferentes cantidades de: Sólido: Carbón vegetal Efluentes piroleñosos Líquido: Gaseoso: Gas pobre

Pirolisis Componentes Rendimiento Carbón Vegetal 33% Liquido (Bio-Oil) Ejemplo de principales productos obtenidos a partir de pirólisis de madera: Componentes Rendimiento Carbón Vegetal 33% Liquido (Bio-Oil) 49% Gas 18%

Gasificación La gasificación es una tecnología de mas de 100 años de antigüedad. Proceso de descomposición de la materia orgánica, similar a la pirólisis, pero a mayor temperatura y/o presión, en presencia limitada de aire u oxígeno, obteniéndose como producto gas pobre (gas combustible). Ejemplo de Gases Producidos: N2 48.4% CO 16.3% CO2 13.2% O2 e Hidrocarburos 14.2% H2 7.9%

Gasificación Puede ser con: 1 – Aire. Se obtiene un gas combustible de bajo contenido energético. Se puede usar en quemadores de calderas, turbinas de gas o equipos de combustión interna. 2 – Oxígeno. Se obtiene un gas combustible de medio contenido energético. Su mejor calidad se debe a que posee menos N2. 3 – Vapor de agua y oxígeno o aire. 4 – Hidrógeno. Se obtiene un gas combustible de alto contenido energético. Puede sustituir al gas natural. Es un gas con más hidrógeno. Se puede usar como gas de síntesis para el metanol, amoníaco, gasolinas, etc.

Gasificación Planta de Gasificación de Biomasa en Presidencia La Plaza, Chaco. Posee una ubicación estratégica para esta tecnología debido a la intensa actividad de la industria maderera. El aprovechamiento de los desechos de los aserraderos permitió proyectar una planta de gasificación de 250[kW] para abastecer a una planta de pellets ya operativa (INTI).

Variedad de residuos aptos para gasificar Gasificación Variedad de residuos aptos para gasificar

Gasificación Gasificadores: Existen muchos diseños de dispositivos y sistemas de gasificación. El empleo de biomasa tiene como ventaja su bajo contenido de azufre, por lo que no favorece las lluvias ácidas. Los residuos de la gasificación de biomasa por su composición química sirven como mejoradores de tierras para cultivo (TERRA PRETA)

Gasificación

Gasificación

Licuefacción Proceso de hidrogenación directa. Las moléculas de celulosa y lignina son rotas, el oxígeno es removido y se adicionan átomos de hidrógeno. El producto de esa reacción química es una mezcla de hidrocarburos que al enfriarse se condensa en un líquido.

Fermentación Metánica Descomposición bacteriana de materia orgánica en ausencia de aire. Produce una mezcla gaseosa rica en metano (biogás). Este proceso se puede realizar a temperatura ambiente, o empleando reactores a temperaturas de 35 – 50 ºC, en los que se recupera el biogás producido para su utilización como combustible. La digestión anaerobia es una tecnología que resuelve los problemas ecológicos de los vertidos de granjas animales, no sólo sin consumo energético, sino con la posibilidad de obtención de energía, al mismo tiempo que se lleva a cabo la depuración de dichos vertidos.

Fermentación Alcohólica: Bioetanol Proceso de hidrólisis y posterior fermentación de los azúcares que se encuentran en los productos vegetales, tales como cereales, remolacha, caña de azúcar, residuos lignocelulósicos. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como combustible. El producto es alcohol etílico (etanol), también conocido como bioetanol.

Bibliografía Biomasa, Manuales sobre energías renovables. GEF - PNBU, 2002. Conversión térmica de biomasa forestal. Ogara, Mario; Grünhut , E y Bermejo, M . INTI, 1987. El carbón vegetal – propiedades y obtención. Marcos Martín, Francisco. Edición Mundi-Prensa, 1989. Los Biocombustibles. Camps Michelena, Manuel y Marcos Martín, Francisco. Edición Mundi-Prensa, 1989. Métodos simples para la fabricación de carbón vegetal. F.A.O. N 41.