Energía de la biomasa

La biomasa es la cantidad de materia viva producida en un área determinada de la superficie terrestre, o por organismos de un tipo específico. Es la energía contenida en la materia orgánica, que producen las plantas y los animales. La que genera los animales es biomasa animal y las de las plantas biomasa vegetal.

La más amplia definición de biomasa sería considerar como tal a toda la materia orgánica de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformación natural o artificial. En esta definición se recogen varios tipos de materiales, cada uno con una relevancia energética propia. Estos son:

¾ Residuos forestales y agrícolas ¾ Residuos biodegradables ¾ Residuos sólidos urbanos

Con la ayuda de la radiación del sol las plantas y la atmósfera entran dentro del ciclo del carbono. Las plantas absorben CO2 del aire y el agua. Con la energía recibida del sol forman sus propias células: la biomasa. Cuando se usa la biomasa como combustible se libera energía a través de la oxidación del carbono y el ciclo se cierra.

El poder calorífico de la biomasa depende principalmente de su composición química y el contenido de humedad. La composición química depende del tipo de planta. La humedad se debe disminuir a una cantidad mínima para el máximo aprovechamiento.

La biomasa se puede utilizar en una combustión directa (después del secado) o indirecta a través de la gasificación (secado, destilación, reducción, gasificación). La gasificación significa un aumento en complejidad para conseguir el combustible pero después el transporte y el uso resultan mucho más fáciles.

Los combustibles fósiles son derivados de materiales biológicos; sólo que han sido alterados muy profundamente y no forman parte del ciclo carbono actual. Debido a esto y a su horizonte de reformación no se puede hablar en su caso de una energía renovable.

Los residuos forestales, agrícolas y, en general todos son los subproductos con un origen biológico constituyen lo que se denomina biomasa. A partir de ella, y mediante diversos procesos, se puede conseguir un aprovechamiento energético, bien quemando directamente los residuos para producir calor o transformándola en combustible para su mejor transporte y almacenamiento. Constituye la energía renovable más consumida en nuestro país, ya que se trata de un recurso muy abundante en la naturaleza. Por otro lado, fue la más utilizada por el ser humano hasta la aparición de los combustibles fósiles; de hecho, en el Tercer Mundo es prácticamente la fuente principal de energía primaria.

Los combustibles derivados de la biomasa abarcan varias formas diferentes, entre ellas los combustibles de alcohol, el estiércol y la leña.

La tecnología actual se orienta a la generación de combustibles y a la comercialización de la electricidad producida a partir de la biomasa, por lo que ésta comienza a ser rentable. Se están empleando plantas de crecimiento rápido, como cardo, sorgo, colza o el girasol y, además de combustible se obtienen alcohol y aceites vegetales.

Su impacto medioambiental es mínimo en el caso de los cultivos para producción de biomasa. Si bien su combustión emite CO2, durante el crecimiento de la planta ésta absorbe, con lo que el balance global de emisión es cero. La biomasa se puede clasificar de la siguiente forma:

¾ Biomasa natural: es la que se produce en la naturaleza sin la intervención humana. Son, por ejemplo, los bosques.

¾ Biomasa residual: es la que genera cualquier actividad humana, principalmente en los procesos agrícolas, ganaderos y los del propio hombre, tal como, basuras y aguas residuales. En esta definición quedan excluidas del término de biomasa todos los productos agrícolas que sirven de alimentación al hombre y a los animales domésticos, así como los combustibles fósiles; estos últimos por derivar de materiales biológicos, pero que a través de transformaciones se han alterado muy profundamente su naturaleza. Son los cultivos energéticos.

¾ Biomasa producida: es la cultivada con el propósito de obtener biomasa transformable en combustible, en vez de producir alimentos, como la caña de azúcar en Brasil, orientada a la producción de etanol para carburante, o en Sichuan, en China, donde se obtiene gas a partir de estiércol.

La energía derivada de la biomasa es renovable indefinidamente, fácil de almacenar,

utilización local y sobre todo rural. Su rendimiento, expresado con relación a la energía solar incidente sobre las mismas superficies, es muy débil, pero las superficies terrestres y acuáticas, de que pueden disponer no tienen comparación con las que pueden cubrir, por ejemplo, los captadores solares.

La composición de la biomasa

La naturaleza de la biomasa es muy variada, ya que depende de la propia fuente, pudiendo ser animal o vegetal, pero generalmente se puede decir que se compone de hidratos de carbono, lípidos y prótidos. Siendo la biomasa vegetal la que se compone mayoritariamente de hidratos de carbono y la animal de lípidos y prótidos.

La utilización con fines energéticos de la biomasa requiere de su adecuación para utilizarla en los sistemas convencionales. Estos procesos pueden ser:

¾ Físicos: son procesos que actúan mecánicamente sobre la biomasa y están asociados a las fases primarias de transformación, dentro de lo que puede denominarse fase de acondicionamiento, como, triturado, astillado, compactado e incluso secado.

¾ Químicos: son los procesos relacionados con la digestión química, generalmente mediante hidrólisis, pirolisis y gasificación.

¾ Biológicos: son los llevados a cabo por la acción directa de microorganismos o de sus enzimas, generalmente llamado fermentación. Son procesos relacionados con la producción de ácidos orgánicos, alcoholes, cetonas y polímeros.

¾ Termoquímicos: están basados en la transformación química de la biomasa, al someterla a altas temperaturas (300ºC - 1500ºC). Cuando se calienta la biomasa se produce un proceso de secado y evaporación de sus componentes volátiles, seguido de reacciones de descomposición de sus moléculas, seguidas por reacciones en la que los productos resultantes de la primera fase reaccionan entre sí y con los componentes de la atmósfera en la que tenga lugar la reacción, de esta forma se consiguen los productos finales. Según el control de las condiciones del proceso se consiguen productos finales diferentes, lo que da lugar a los tres procesos principales de la conversión termoquímica de la biomasa:

¾ Combustión: Se produce en una atmósfera oxidante, de aire u oxígeno, obteniendo cuando es completa, dióxido de carbono, agua y sales minerales (cenizas), obteniendo calor en forma de gases calientes.

¾ Gasificación: Es una combustión incompleta de la biomasa a una temperatura de entre 600ºC a 1500ºC en una atmósfera pobre de oxígeno, en la que la cantidad disponible de este compuesto está por debajo del punto estequiométrico, es decir, el mínimo necesario para que se produzca la reacción de combustión. En este caso se obtiene principalmente un gas combustible formado por monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno y metano. ¾ Pirolisis: Es el proceso en la descomposición térmica de la biomasa en ausencia total de

oxígeno.

En procesos lentos y temperaturas de 300ºC a 500ºC el producto obtenido es carbón vegetal, mientras que en procesos rápidos (segundos) y temperaturas entre 800ºC a 1200ºC se obtienen mezclas de compuestos orgánicos de aspectos aceitosos y de bajo pH, denominados aceites de pirolisis. Se pueden obtener combustibles:

¾ Sólidos: leña, astillas, carbón vegetal.

¾ Líquidos: biocarburantes, aceites, aldehídos, alcoholes, cetonas, ácidos orgánicos... ¾ Gaseosos: biogás, hidrógeno.

Utilización de la biomasa

La parte de la biomasa que se aprovecha para usos energéticos corresponde a:

¾ Residuos agrícolas y resumidos ganaderos: Estos constituyen otra fuente importante de bioenergía, aunque no siempre sea razonable darles este tipo de utilidad. En España sólo parece recomendable el uso a tal fin de la paja de los cereales en los casos en que el retirarla del campo no afecte apreciablemente a la fertilidad del suelo, y de las deyecciones y camas del ganado cuando el no utilizarlas sistemáticamente como estiércol no perjudique las productividades agrícolas.

¾ Residuos forestales: La única biomasa explotada actualmente para fines energéticos es la de los bosques.

¾ Cultivos energéticos: es muy discutida la conveniencia de los cultivos o plantaciones con fines energéticos, no sólo por su rentabilidad en sí mismos, sino también por la competencia que ejercerían con la producción de alimentos y otros productos necesarios (madera, etc.). Las dudas aumentan en el caso de las regiones templadas, donde la asimilación fotosintética es inferior a la que se produce en zonas tropicales. No obstante, el problema de la competencia entre los cultivos clásicos y los cultivos energéticos no se plantearía en el caso de otro tipo de cultivo energético: los cultivos acuáticos.

Los residuos sólidos urbanos (RSU), constituyen una realidad que día tras día se presenta en todas y cada una de las entidades de población. Actualmente en España los RSU tienen cuatro tipos de tratamientos: vertido, compostaje, incineración y reciclado. Desde el punto de vista energético la única posibilidad es la incineración, tal y como se está dando en algunas centrales españolas. Los principales factores que han dado lugar a este problema son:

¾ El rápido crecimiento demográfico.

¾ La concentración de la población en centros urbanos.

¾ La utilización de bienes materiales de rápido envejecimiento.

¾ El uso de envases sin retorno, fabricados con materiales poco o nada degradables. El destino final de estos residuos en España, es el siguiente: vertido 76%, compostaje 19%, incineración 4.5%, reciclado 0.5%. A la hora de valorar los aspectos medioambientales de la incineración, debe realizarse necesariamente en referencia a la alternativa evitada. En todos los casos posibles métodos de eliminación de los RSU, si son ejecutados de forma incompleta o incorrecta, pueden conducir a una situación de impacto negativo sobre el entorno.

El vertido puede producir contaminación hidrológica y la incineración contaminación atmosférica. Respecto al vertido de líquidos, el funcionamiento de la planta conduce a la producción de aguas con distintos orígenes: aguas sanitarias, aguas del apagado de escorias, de la preparación de la lechada de cal para el lavado de gases y de la regeneración de las resinas de desmineralización del agua de alimentación, aguas de purgas de calderas y aguas fluviales y de limpieza. Respecto a la contaminación atmosférica, se valora por los componentes contaminantes presentes (órgano-clorados, CO y metales pesados en los humos).

Métodos biológicos:

La fermentación alcohólica es una técnica empleada desde muy antiguo con los azúcares, que puede utilizarse también con la celulosa y el almidón, a condición de realizar una hidrólisis previa (en medio ácido) de estas dos sustancias. Pero la destilación, que permite obtener alcohol etílico prácticamente anhídrido, es una operación muy costosa en energía. En estas condiciones, la transformación de la biomasa en etanol y después la utilización de este alcohol en motores de explosión, tiene un balance energético global dudoso. A pesar de esta reserva, ciertos países (Brasil, E.U.A.) tienen importantes proyectos de producción de etanol a partir le biomasa con un objetivo energético (propulsión de vehículos; cuando el alcohol es puro o mezclado con gasolina, el carburante recibe el nombre de gasohol).

La fermentación metánica es la digestión anaerobia de la biomasa por bacterias. Es idónea para la transformación de la biomasa húmeda (más del 75 % de humedad relativa). En los fermentadores, o digestores, la celulosa es esencialmente la sustancia que se degrada en un gas, que contiene alrededor de 60 % de metano y 40 % de gas carbónico. El problema principal consiste en la necesidad de calentar el equipo, para mantenerlo a la temperatura óptima de 30-35 ºC. No obstante, el empleo de digestores es un camino prometedor hacia la autonomía energética de las explotaciones agrícolas, por recuperación de las deyecciones y camas del ganado. Además, es una técnica de gran interés para los países en vías de desarrollo. Así, millones de digestores ya son utilizados por familias campesinas chinas.

Ventajas de la biomasa

La repercusión en el Medio Ambiente presenta las siguientes ventajas: ¾ Favorece la regeneración natural de la masa principal

¾ Facilita la reforestación artificial ¾ Posibilita el crecimiento del arbolado ¾ Mejora la calidad del arbolado

¾ Disminuye enormemente el peligro de plagas ¾ Facilita el resto de las operaciones selvícolas ¾ Mejora el estado de las cuencas torrenciales

¾ Incrementa la capacidad de aprovechamiento ganadero ¾ Facilita los movimientos por el monte

¾ Incrementa el hábitat de cierta fauna silvestre ¾ Mejora estéticamente el monte

¾ Aumenta la capacidad de acogida recreativa ¾ Disminuye el peligro de incendios forestales

Inconvenientes de la biomasa

En el caso de la biomasa natural, la demanda actual excede el ritmo de regeneración de los bosques, lo cual influye directamente en el incremento del efecto invernadero.

Futuro

En la actualidad se está produciendo un aumento considerable de los cultivos energéticos, como el sorgo.

Energía a partir del Etanol

Es un alcohol primario formado por la fermentación de la glucosa de ciertos vegetales (como la remolacha, el sorgo dulce los cereales) que puede utilizarse como carburante.

Su origen agrícola lo hace menos contaminante que los combustibles tradiciones, ya que emite menos compuestos orgánicos e hidrocarburos que la gasolina

El principal inconveniente, según los responsables de Transportes del instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía (IDEA), reside en su bajo poder calorífico.

Futuro:

Para sustituir a la gasolina, hay que realizar importantes cambios en los motores requisito que augura mayor éxito a sus derivados- el ETBE y el MTBE-, ya que éstos pueden mezclarse con gasolina sin necesidad de modificar los motores.

Energía Bioaceites y biodiésel

Son aceites vegetales sometidos a procesos químicos u obtenidos mediante el prensado mecánico de las semillas de las plantas oleaginosas. Son renovables, ya que proceden de los cultivos, pero la materia prima es cara.

Futuro:

El bioaceite perderá fuerza a favor del biodiésel (que está tratado), ya que éste puede mezclarse o sustituir al gasoil.

La energía de la basura

Las basuras que reciben el nombre de residuos sólidos urbanos, pueden ser aprovechadas como recurso energético. Su combustión en incineradoras puede proporcionar energía. También se puede obtener gas metano que se puede utilizar como combustible.

Con la incineración de los residuos (el proceso más utilizado hoy en día) se recupera la energía térmica de su combustión, que se transforma en electricidad.

Ventajas:

Su tratamiento presupone el vertido controlado de los residuos y su reciclado. Por otra parte, según el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, la incineración disminuye la necesidad de vertederos hasta en un 90%.

Inconvenientes:

Greenpeace rechaza la incineración, ya que agravia los problemas del medio ambiente debido a que los compuestos que genera su combustión son de gran toxicidad, y apuesta por la transformación de la materia orgánica de estos residuos en compost.

Futuro:

Pese a que los costes de eliminación hoy en día son muy elevados y su rentabilidad es escasa, según el Ministerio de Industria, la magnitud de la basura urbana en todo el mundo hace de su tratamiento una necesidad prioritaria para todos los gobiernos.