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Introduccin a las tecnologas de aprovechamiento de biomasa

Fecha de Publicación: 4/5/2015

Resumen

La biomasa representa la nica fuente disponible de materiales, productos de valor aadido y combustibles basados en carbono de origen renovable. En general, las transformaciones de la biomasa suponen un balance energtico neutro en CO2 , a la vez que favorecen la diversificacin energtica, evitan el abandono de tierras y contribuyen al buen estado y sostenimiento de la masa forestal, con escaso impacto ambiental asociado.

En este trabajo se presenta de manera esquemtica un panorama de las distintas opciones de aprovechamiento de la biomasa, que pueden clasificarse en: tranformaciones biolgicas, qumicas, mecnicas y termoqumicas. En funcin de los productos finales deseados (combustibles, calor y electricidad, productos qumicos), se presentan diversas opciones de tratamiento de biomasa hmeda o seca, posibles pretratamientos y condiciones de operacin habituales. Entre las diversas opciones, se hace especial nfasis en los procesos termoqumicos de transformacin de materiales biomsicos (pirlisis, gasificacin y combustin), actividad en la que el Grupo de Procesos Termoqumicos del Instituto de Investigacin en Ingeniera de Aragn (I3A), perteneciente a la Universidad de Zaragoza, posee una dilatada experiencia investigadora de ms de 30 aos.


1. Definicin y tipos de biomasa.

En su segunda acepcin en el Diccionario de la Real Academia de la Lengua Espaola (DRAE), biomasa se define como materia orgnica originada en un proceso biolgico, espontneo o provocado, utilizable como fuente de energa [1]. Como complemento de esta definicin, podra decirse que la biomasa es energa solar almacenada mediante fotosntesis, y podra incluirse asimismo la posibilidad de usar dicha biomasa tambin como materia prima para la produccin de una amplia variedad de productos.

En efecto, la transformacin de la biomasa resulta tecnolgicamente relevante, pero no slo para la produccin de energa (que puede producirse de forma sostenible por otros medios renovables: solar, elica, geotrmica); sino porque de hecho, la biomasa es la nica fuente renovable disponible de forma masiva para la produccin de productos, materiales y combustibles basados en carbono.

La composicin de la biomasa vara de forma relativamente amplia, segn su procedencia. De forma general, puede decirse que est constituida (en base seca, porcentaje en masa) por carbono (45-52%), hidrgeno (4-7%) y oxgeno (42-50%), con cantidades menores de nitrgeno y azufre. En cuanto a su composicin inmediata, contiene una gran cantidad de materia voltil (70-80%), y entre un 0.5-5% de cenizas, siendo el resto carbono fijo. La humedad contenida en la biomasa vara mucho, pudiendo llegar hasta el 50% del peso total. En cuanto a su poder calorifco inferior, suele estar en torno a 15-22 MJ/kg.

En lo que se refiere a los tipos de biomasa, estos se encuentran resumidos en la Tabla 1, atendiendo a dos criterios de clasificacin distintos: procedencia y composicin. sta ltima resulta especialmente relevante a la hora de proponer la tecnologa de conversin ms adecuada para una biomasa concreta. Asimismo, el grado de humedad de la materia prima resulta tambin determinante, como se ver a continuacin.


2. Tecnologas de conversin de la biomasa.

Las tecnologas de conversin de biomasa pueden agruparse en cuatro grupos principales:
- Conversin biolgica (fermentacin, digestin anaerobia, hidrlisis enzimtica, compostaje)
- Conversin mecnica (prensado, extraccin, produccin de pellets, composites)
- Conversin qumica (industria papelera, transesterificacin)
- Conversin termoqumica (torrefaccin, carbonizacin, pirlisis, gasificacin, combustin).

Como se acaba de comentar, la tecnologa ms adecuada para la conversin de un tipo concreto de biomasa depende fundamentalmente de su composicin y grado de humedad, y por supuesto, del producto final deseado. En la Figura 1 se muestra una sinopsis de las diferentes opciones disponibles [3].

Entre las tecnologas de conversin biolgica, destaca la digestin anaerobia, proceso ampliamente utilizado en la lnea de fangos dentro del tratamiento de aguas residuales y en vertederos. Mediante este proceso, tambin llamado biometanizacin, se obtiene una mezcla de gases con alto contenido en metano, si bien el gas producto contiene tambin otros compuestos no deseados como H2 S o NH3 . La fermentacin de azcares es igualmente una realidad a gran escala, como muestra el caso de la produccin de bioetanol a partir de azcar de caa en Brasil. Otras biomasas tales como almidn de maz o paja de cereal son tambin potencialmente adecuadas para la produccin de bioetanol, mediante fermentacin o hidrlisis enzimtica.

Biomasa


Biomasa

Con respecto a las tecnologas de conversin qumica, y al margen de la industria papelera, cabe destacar la transesterificacin de triglicridos usando alcoholes de cadena corta (metanol o etanol) y con catalizadores bsicos, que ha permitido en los ltimos aos la produccin a gran escala de biodisel. El proceso reduce la viscosidad del aceite o grasa de partida, obtenindose una mezcla de steres alqulicos, glicerina, glicridos no reaccionados y catalizador. El proceso es relativamente sencillo y escalable, siendo lo ms complicado cumplir las especificaciones tcnicas requeridas para este combustible elaborado a partir de ciertas materias primas, como aceites usados.


3. Procesos termoqumicos

A continuacin se exponen con mayor grado de detalle dos de las diferentes tecnologas existentes para el tratamiento termoqumico de la biomasa: pirlisis y gasificacin.

La torrefaccin es ms bien un pretratamiento previo a la combustin. Mediante un calentamiento de la biomasa a temperaturas de entre 200 y 300C en atmsfera libre de oxgeno, la biomasa se seca completamente y pierde su estructura fibrosa, siendo mucho ms fcil su molienda. Adems, la densidad energtica del material aumenta con respecto a la biomasa de partida, puesto que a pesar de sufrir sta una prdida de masa de hasta el 30%, alrededor del 90% del contenido energtico de la biomasa original puede conservarse en el material torrefactado. De esta forma se facilita su transporte.

Pirlisis es el trmino genrico con el que se denomina el calentamiento de un material biomsico en ausencia total de oxgeno u otros agentes oxidantes (debe hacerse notar que la torrefaccin, mencionada en el prrafo anterior, es un proceso de pirlisis a bajas temperaturas). Como consecuencia de este calentamiento a temperaturas moderadas (generalmente hasta un mximo de unos 600C), se produce la descomposicin trmica de la biomasa y la obtencin de tres fracciones principales de producto: slido, lquido y gas. Es interesante destacar que el control de las condiciones de operacin, fundamentalmente de la temperatura final y la velocidad de calentamiento, permite dirigir el proceso a la obtencin prioritaria de uno de estos tres productos, si bien la formacin de los otros dos ocurre inevitablemente (aunque en menor medida). La pirlisis es un proceso endotrmico, y la energa para poder llevarla a cabo suele proprocionarse mediante la combustin parcial o total de alguna de las fracciones de producto generadas en el proceso y/o de la materia prima de partida.

El producto slido de la pirlisis se maximiza a bajas velocidades de calentamiento de la biomasa, temperaturas moderadas y altos tiempos de residencia de los vapores de pirlisis [4], siendo el ejemplo clsico la produccin de carbn vegetal en las tradicionales carboneras. El carbn vegetal puede usarse directamente como combustible, aunque en los ltimos aos se est investigando como alternativa el uso de este material como enmienda orgnica (en este caso, al slido se le suele denominar biochar). Bajo ciertas condiciones, la productividad agrcola del suelo mejora con la aplicacin de biochar, a la vez que se mejora la capacidad de intercambio catinico y de retencin de humedad. Otro efecto no menos importante es la captura efectiva de carbono, al ser este elemento captado por la planta por va fotosinttica y quedar tras la pirlisis almacenado en el suelo durante largos perodos de tiempo [5]. Por ltimo, la fraccin slida de la pirlisis puede ser usada como agente reductor en la industria metalrgica o para la produccin de carbn activo. Si la pirlisis se realiza a altas velocidades de calentamiento, se favorece la produccin de fraccin lquida de producto. Tpicamente, el proceso se lleva a cabo en reactores de lecho fluidizado a unos 500C, empleando tiempos de residencia de los vapores en el reactor del orden de 2 s para evitar reacciones secundarias de craqueo de productos condensables [6]. Otros reactores menos frecuentes que el lecho fluidizado son los de cono rotatorio, ablativos, auger o de tornillo, spouted bed, o mediante microondas. La fraccin lquida resultante de la pirolisis rpida contiene una amplia variedad de compuestos orgnicos, y puede sustituir total o parcialmente como combustible lquido al fuel-oil en calderas; existen experiencias tambin de combustin en motores y turbinas [7]. Sin embargo, se degrada fcilmente al ser almacenado a temperatura ambiente, su contenido en agua es alto y su poder calorfico relativamente bajo, por lo que actualmente se est explorando el empleo de catalizadores, directamente durante el proceso de pirlisis o como etapa posterior para la mejora de sus propiedades como combustible. Por otro lado, la extraccin de compuestos qumicos de inters parece ser otra opcin viable para la valorizacin parcial del bio-oil [8]. Entre los compuestos que pueden extraerse pueden destacarse los fenoles, oxigenados (levoglucosano entre ellos) y cidos orgnicos. A partir de estos compuestos existen potencialmente una gran cantidad de rutas de sntesis de compuestos qumicos valiosos.

La gasificacin tiene como objetivo la obtencin de una fraccin mayoritaria de gas combustible, mediante una serie de reacciones que ocurren a temperaturas superiores a las de pirlisis en presencia de un agente gasificante (aire, oxgeno puro y/o vapor de agua). En definitiva, se trata de una oxidacin parcial de la biomasa usando nicamente un 25-30% del oxgeno estequiomtrico para la combustin total de la misma. El proceso de gasificacin puede tener carcter autotrmico o requerir, como la pirlisis, de aportes suplementarios de energa para llevarse a cabo. Si bien se maximiza el rendimiento a productos gaseosos, se producen tambin una fraccin slida (constituida en gran parte por el contenido en cenizas original de la biomasa y una pequela cantidad de carbono no convertido), y una fraccin lquida condensable. Esta ltima se conoce genricamente con el nombre de alquitranes (tars) y representa un importante problema operacional en la mayora de las instalaciones de gasificacin por su tendencia a condensar en vlvulas y conducciones, creando atascos y dificultades a la hora de quemar el gas producto [9]. Resulta por tanto de la mayor importancia minimizar la generacin de estos alquitranes mediante medidas primarias -seleccin cuidadosa de las condiciones de operacin, empleo de catalizadores- o secundarias -craqueo trmico o cataltico de los alquitranes en fase gas, o sistemas eficientes de reocgida de condensados-.

Biomasa

Los componentes principales del gas de gasificacin son monxido de carbono e hidrgeno, que pueden ir acompaados por nitrgeno (si el agente gasificante es aire), vapor de agua, CO2 , CH4 y, en menor medida, otros hidrocarburos y H2 S. Tanto el tipo de reactor de gasificacin como las condiciones de operacin (temperatura y agente gasificante) tienen un importante impacto en su composicin. En la Tabla 2 puede apreciarse la influencia del agente gasificante en la composicin del gas y su poder calorfico.

Como resultado, puede obtenerse un gas apto para su combustin en turbinas, motores de combustin interna o calderas, o bien el llamado gas de sntesis, adecuado para su transformacin en diversos productos y combustibles lquidos.

El tipo de reactor empleado, adems de influir en la composicin y calidad del gas de gasificacin, viene determinado por las caractersticas de la biomasa a gasificar: tamao de partcula, humedad y composicin. La Figura 2 muestra un esquema de los principales reactores de gasificacin empleados a gran escala para la produccin de gas de sntesis [10]. Otros reactores, como los de lecho mvil downdraft y updraft, se emplean a pequea escala, usando aire como agente gasificante para la obtencin de gas combustible y su uso en motores o calderas para la produccin de electricidad y/o calor.

La posibilidad de obtener gas de sntesis resulta particularmente interesante de cara a la obtencin de combustibles lquidos mediante tratamientos catalticos posteriores. Es el caso de la sntesis Fischer-Tropsch, que puede conducir a la obtencin de disel o gasolinas, o la sntesis de metanol y toda una serie de derivados de este compuesto; o de la reaccin Water-gas shift para la obtencin de hidrgeno purificado.

En conclusin, puede afirmarse que las diversas tecnologas existentes para el aprovechamiento de la biomasa, y en especial las vas termoqumicas, ofrecen una inigualable versatilidad hacia la obtencin de una enorme serie de productos valiosos y combustibles a partir de una materia prima renovable y ubicua como es la biomasa.

Biomasa


4. Bibliografa

[1] Diccionario de la lengua espaola (22 Ed.). Versin online. [consulta 28-04-2014]. Disponible en: http://buscon. rae.es/drae/srv/search?val=biomasa
[2] Garca D, Rezeau A. Introduccin al aprovechamiento energtico de biocombustibles slidos. In: Sebastin F, Garca-Galindo D, Rezeau A Eds. Energa de la Biomasa (vol.1). Prensas Universitarias de Zaragoza 2010 p.27-73.
[3] Knezevic D. Hydrothermal conversion of biomass. University of Twente, Tesis Doctoral, 2009.
[4] Antal Jr MJ, Grnli M. The Art, Science, and Technology of Charcoal Production. INDUSTRIAL ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH 2003;42: 1619-1640.
[5] Woolf D, Amonette J, Alayne Street-Perrot F, Lehmann J. Sustainable biochar to mitigate global climate change. NATURE COMMUNICATIONS 2010;1:1-9.
[6] Bridgwater AV. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. BIOMASS AND BIOENERGY 2012;38:68-94.
[7] Chiaramonti D, Oasmaa A, Solantausta Y. Power generation using fast pyrolysis liquids from biomass. RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS 2007;11: 1056-1086.
[8] Wei Y, Lei H, Wang L, Zhu L, Zhang X, Liu Y, Chen S, Ahring B. LiquidLiquid Extraction of Biomass Pyrolysis Bio-oil. ENERGY AND FUELS 2014;28(2):1207-1212.
[9] Milne TA, Evans RJ, Abatzoglou N. Biomass Gasifier tars: their nature, formation and conversion. Informe NREL/TP-570-25357. [consulta 28-04-2014]. Disponible en: http://www.nrel.gov/docs/fy99osti/25357.pdf
[10] brego J, Bimbela F, Gil-Lalaguna N, Garca L, Snchez JL. Biomass to liquids: an overview. In: Serrano-Ruiz JC Eds. Production of liquid hydrocarbon fuels from biomass. CRC Press 2014 p.22-49


Por: J. Arauzo, F.Bimbela, J.brego, J.L.Snchez, A.Gonzalo
Fuente: www.gecarbon.org/listnl.asp