UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA ---
“ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN BIODIGESTOR PARA LA GENERACIÓN ELÉCTRICA EN PICHANAKI”
--- TESIS
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO ELECTRICISTA
Apellidos y Nombres:
Antonio Acuña, Oswaldo Máximo
HUANCAYO-PERU
2010
ASESOR:
Msc. Ing. JORGE CAIRO HURTADO
Dedicatoria:
A MIS PADRES
INTRODUCCIÓN
La energía eléctrica es un factor fundamental para el desarrollo económico, pero los modelos energéticos se basan normalmente en recursos "no renovables".
Además de fuentes de energía de seres humanos y de animales de trabajo, hay muchas clases de energía renovable por ejemplo: energía hidráulica, energía del viento, radiación solar o biomasa (con pirolisis y la gasificación). Durante el curso de este siglo el consumo de energía del mundo por habitante ha aumentado. Hoy, los países industrializados, con el 32% de la población del mundo, consumen el 82% de la energía del planeta. En promedio, una persona de un país industrializado consume 20 veces más energía que una persona en África. Está claro que el "modelo del desarrollo económico" es el que conduce al consumo de energía.
Las primeras menciones sobre biogás se remontan al 1600 identificados por varios científicos como un gas proveniente de la descomposición de la materia orgánica.
En el año 1890 se construye el primer biodigestor a escala real en la India y ya en 1896 en Exeter, Inglaterra, las lámparas de alumbrado público eran alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos cloacales de la ciudad.
Tras las guerras mundiales comienza a difundirse en Europa las llamadas fábricas productoras de biogás cuyo producto se empleaba en tractores y automóviles de la época. En todo el mundo se difunden los denominados tanques Imhoff para el tratamiento de aguas cloacales colectivas. El gas producido se lo utilizó para el funcionamiento de las propias plantas, en vehículos municipales y en algunas ciudades se lo llegó a inyectar en la red de gas comunal.
La acumulación de las excretas del ganado y de aves de corral fue considerada como oportunidad de reciclar este material como alimentación para el ganado rumiante y existía incluso tentativas de realizarlo con las excretas de los cerdos de alimentación intensiva. Sin embargo, en todos estos casos el valor alimenticio del abono era principalmente una reflexión del desperdicio de los alimentos, que es casi inevitable cuando los sistemas intensivos de autoalimentador se practican.
Í N D I C E ASESOR
AGRADECIMIENTOS RESUMEN
INDICE
INTRODUCCION
CAPITULO 1
FUNDAMENTOS RELEVANTES
1.1 Planteamiento del problema 15
1.1.1 Variables Dependientes 16
1.1.2 Variables independientes 16
1.1.3 Formulación del problema 16
1.2 Justificación del tema 16
1.3 Objetivos de la investigación 16
1.3.1 Objetivo general 16
1.3.2 Objetivos particulares 17
1.4 Marco teórico 17
1.5 Formulación de la hipótesis 20
1.6 Método de investigación 20
CAPITULO 2
CONCEPTOS BASICOS RELEVANTES
2.1 Concepto de bioenergía 22
2.2 Concepto de biomasa 23
2.2.1 Factores que inciden en el uso de la biomasa 26
2.2.2 Ventajas de la utilización de la biomasa 27 2.2.3 Restricciones en el uso de la biomasa 30
2.2.4 Fuentes de biomasa 32
2.2.4.1 Biomasa natural 33
2.2.4.2 Biomasa residual 36
2.2.5 La biomasa como un almacén de energía solar 47
2.2.6 Eficiencia de conversión 48
2.3 Biocombustibles 50
2.3.1Aplicaciones energéticas de los biocombustibles 52 2.3.2 Caracterización de los biocombustibles 54
2.3.2.1 Características físicas 54
2.3.2.2 Características químicas 54
2.3.2.3 Características energéticas 55
2.3.3 Poderes caloríficos 56
CAPITULO 3
PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES GASEOSOS A PARTIR DE LA BIOMASA
3.1 Introducción 63
3.2 Componentes principales del biogás 64
3.2.1 Elementos y sustancias que lo conforman 65 3.2.1.1 Los compuestos orgánicos de silicio 66 3.3 Obtención del biogás por digestión anaerobia 67
3.4 Bioquímica de la digestión anaerobia 68
3.5 Producción de biogás en función del sustrato 71
3.5.1 Hidratos de carbono 71
3.5.2 Proteínas 72
3.5.3 Lípidos 72
3.6 Tecnologías de la digestión anaerobia 74
3.7 Biodigestores 75
3.8 Tipos de biodigestores 76
3.8.1 Digestores discontinuos 77
3.8.2 Digestores continuos 77
3.8.2.1 Mezcla completa 78
3.8.2.2 Flojo – pistón 79
3.8.2.3 Contacto 80
3.8.2.4 Lecho expandido de lodos 81
3.8.2.5 Filtros anaerobios 81
3.8.2.6 Lecho fluidizado o lecho expandido 83
3.9 Parámetros en el diseño de un digestor 83
3.10 Producción de electricidad a partir de biocombustibles líquidos o 86 gaseosos
CAPITULO 4
DISEÑO Y ASPECTO TÉCNICO – ECONÓMICO DE LA PLANTA DE BIOGÁS
4.1 Introducción 89
4.2 Ubicación geográfica y características agro climáticas 89
4.3 Aspecto técnico 90
4.4 Materia prima existentes 93
4.5 Biodigestores 95
4.5.1 Cálculo del biodigestor utilizado 98
4.6 Conducción del biogás 101
4.7 Reservorio 101
4.8 Cargas 102
4.8.1 Motores generadores 102
4.9 Medidor de consumo de combustible 104
4.10 Filtro para la captación del sulfuro de hidrógeno en el biogás 104
4.11 Evaluación económica 106
Conclusiones y Recomendaciones Bibliografía
Anexos
RESUMEN
La aplicación del biogas en el área rural ha sido muy importante dentro de ella se pueden diferenciar dos campos claramente distintos. En el primero, el objetivo buscado es dar energía, sanidad y fertilizantes orgánicos a los agricultores de zonas marginales o al productor medio de los países con sectores rurales de muy bajos ingresos y difícil acceso a las fuentes convencionales de energía y la segunda mantener el equilibrio eclógico.
Como en el caso de los residuales del beneficio húmedo del café en la provincia provocan 9 impactos potenciales en nuestras cuencas hidrográficas con afectaciones en el 64% de las mismas, lo que se traduce en enfermedades de transmisión hídrica y la afectación de suelos y ecosistemas acuáticos. Es por ello que el uso del biogás sería una buena alternativa para mantener el equilibrio ecológico, el biogás obtenido en el orden de 0,3- 0,36 m3 / kg DQO removido permite la reducción del consumo de portadores energéticos convencionales en todas las despulpadoras y también la disminución de enfermedades de transmisión hídrica por el tratamiento del residual.
La tecnología del biogás presenta características propias que hacen más complejo su análisis pues no sólo interviene en este caso el aspecto energético sino que también existe un importante impacto de difícil evaluación en sanidad, fertilización, mejoramiento de suelos, alimentación de animales y mejoramiento de las condiciones de vida. Esto se debe fundamentalmente a que además de la producción de gas combustible el sustrato utilizado sufre un transformación a través del proceso fermentativo anaeróbico.
Desde el punto de vista de la inversión inicial la diversidad de modelos, sistemas y escalas empleadas de acuerdo al tipo de clima, sustrato, eficiencia requerida y disponibilidad de recursos técnicos y económicos no permiten una evaluación generalizada debiéndose realizar los estudios en forma particular.
Por los motivos enumerados precedentemente la evaluación de proyectos que involucren al biogás requerirán un estudio particular a nivel microeconómico en una primera etapa.
CONCLUSIONES
1. El uso de los biodigestores en zonas rurales, podría contribuir a la reducción de los problemas de contaminación de las aguas residuales por excretas, evitar la tala de árboles, ocasionado por la búsqueda de leña, mantener un equilibrio ambiental y mejorar la estructura del suelo. La aplicación del efluente producido por el biodigestor (abono orgánico o bioabono), aumenta la fertilidad del suelo permitiendo así el aumento de la producción de las plantas cultivadas, incluyendo las forrajeras.
2. Las características naturales de generación del biogás hacen que este sea un gas naturalmente húmedo y que en las cañerías se almacene un porcentaje húmedo, esta humedad no siempre es conveniente ya que disminuye las calorías por m3, produce oxidación de materiales y además obstruye cañerías, por lo que es conveniente su eliminación. Una forma de hacerlo es mediante filtros de silicato.
3. La instalación de los biodigestores plásticos se puede ajustar a las necesidades del productor y a las capacidades de la unidad de producción.
Sus costos oscilan 150 dólares (para 3 metros de longitud) y 350 dólares (para nueve metros de longitud) en dependencia de la localidad. En el primer caso, se necesitan al menos de 5 cerdos y/o tres bovinos como mínimo para que el biodigestor funcione a plena capacidad. La mezcla de ambos tipos de estiércol (bovino y porcino) es la deseable, dado que es en ese medio donde las bacterias trabajan de manera óptima.
4. En el sector rural la mayoría de las plantas en todas las escalas son sistemas de tanques de flujo pasantes con menor o mayor intensidad de
mezclado .Equipados por una bomba instalada externamente el cual absorbe el liquido de la parte inferior del tanque y expulsarlo con el fin de destruir o prevenir la formación de costra.
5. En el uso de los biodigestores, independientemente del sistema usado, se deberá siempre tener cuidado que la alimentación se realice en el menor tiempo posible, puesto que en dicho intervalo disminuirá la producción de biogás, como consecuencia de una incipiente descomposición aeróbica.
RECOMENDACIONES
1. A pesar que son previsibles cambios tecnológicos de importancia en biogás en los próximos años (particularmente reducción de los costos de inversión inicial y aumento de la confiabilidad) es posible y necesario definir y describir las zonas, regiones o sectores desde el punto de vista social, económico y físico donde esta tecnología pueda tener éxito (o donde sea mínima lo posibilidad de fracaso).
2. La información actualmente disponible sobre la viabilidad, operatividad y eficiencia de las plantas de biogás a nivel rural es altamente confiable, de allí la imperiosa necesidad de contar con mas unidades demostrativas (casos reales) convenientemente monitoreadas para definir los parámetros fundamentales que permitan realizar los estudios económicos.
3. La cantidad de capital necesario para la instalación de las plantas es en la mayoría de los casos un obstáculo insalvable para la población rural. Por esto se deben realizar esfuerzos en desarrollar sistemas baratos así como de proveer a los interesados créditos u otras formas de financiación, sería como una forma de inversión del estado peruano para reducir gastos futuros con la importación de fertilizantes y derivados de petróleo.
4. A fin de reducir el volumen de almacenaje necesario se puede comprimir el gas y almacenarlo a presiones medias (0,5 a 1,5 bar) y altas hasta 300 bar. Este tipo de almacenamiento demanda un gasto extra de energía para comprimir el gas y además se lo debe purificar extrayendo el vapor de agua, el dióxido de carbono y el ácido sulfídrico.
5. El biogás que sale del digestor está saturado de vapor de agua, a medida que se enfría el vapor se condesa en las cañerías y si no se lo evacua adecuadamente pueden bloquearse los conductos con agua. Por esta razón las cañerías de distribución deben ser instaladas con una pendiente mínima del 1% hacia un recipiente denominado trampa de agua donde ésta se almacena y se extrae.
BIBLIOGRAFÍA
1. BORROTO BERMÚDEZ, A. ET.AL., 1999. Energización de comunidades rurales ambientalmente sostenible. Universidad de Cienfuegos. Ediciones LTDA Colombia.
2. CAMPOS AVELLA, J. C. 1999. La Eficiencia Energética en la Gestión empresarial.
3. ZELAYA, E. Y SOMARRIBA, E. 2000 Plantas de Biogás. Diseño, construcción y operación, Instituto de Investigaciones Tecnológicas, Editora Guadalupe.
4. CHARA, J.; PEDRAZA, G. 2002. Biodigestores plásticos de flujo continuo:
Investigación y transferencia en países tropicales. Fundación Vida
5. YOUNG,M.A.TRATAMIENTO. 1990 anaerobio de aguas residuales de beneficio de café en Mexico.
6. CHACON,G ; FERNANDEZ ,J.L. 1998 Capacidad de la pulpa de café para la producción de biogas .Turrialba vol. 34 , numero 2 , trimestre Abril - Junio.Costa Rica .
7. CIPAV 1995. Biodigestor plástico de flujo continuo, generador de gas y bioabono a partir de aguas servidas. Cali. Colombia.
8. GABRIEL MONCAYO RIVERO. 2008 . Biodigestores, dimensionamiento, diseño y construcción de biodigestores y plantas de biogás. Edición Aqualimpia Beratende Ingenieure
9. JOSÉ DE JUANA “Energías Renovables para el desarrollo En Áreas Rurales” . Edición Paraninfo 2006
10. LUCIO DIAZ GRANDI “Generación de gas mediante descomposición de residuos orgánicos”. Apuntes de curso 2005
Anexo 1
Anexo 2
Diagrama de un Biodigestor
CAPITULO 1
FUNDAMENTOS RELEVANTES 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El proceso de producción de los desechos orgánicos en la hacienda es de gran escala, primero por la existencia de ganado vacuno, animales domésticos como gallinas, conejos y además también la existencia de desechos provenientes del café procesado y restos de árboles y sin olvidar de todo el desecho que produce cada habitante de la hacienda que alcanza el numero de 10 personas.
La digestión anaeróbica comprende una compleja serie de reacciones de digestión y fermentación que llevan a cabo diferentes especies bacterianas, en condiciones anóxicas y que constituyen un proceso biológico que se basa en la transformación a través de reacciones químicas de los desechos orgánicos a un gas que conocemos con el nombre de biogás.
Mi intensión es aprovechar los desechos orgánicos generados en la hacienda y mediante el uso de biodigestores, producir biogás con características funcionales que no afecte las características operativas y la vida útil del sistema y sus partes que la conforman. Después de obtener el biogás necesario determinaré los componentes que emplearé para cubrir
las necesidades energéticas de la hacienda a través del consumo del biogás producido por los biodigestores para transformarlos en electricidad.
1.1.1 VARIABLES DEPENDIENTES
o Características de los desechos orgánicos producidos en la hacienda
1.1.2 VARIABLES INDEPENDIENTES o Poder calorífico
o Energía eléctrica
1.1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
- Como puedo resolver eficientemente los problemas de contaminación y necesidad energética en la hacienda Nieva, buscando siempre una ventaja económica.
1.2 JUSTIFICACIÓN DEL TEMA
La necesidad de realizar esta tesis se basa en ofrecer una alternativa para aprovechar el volumen de los desechos orgánicos generados en la hacienda remediando los problemas de contaminación y necesidad energética, puesto que el deseo del dueño de la hacienda es construir el biodigestor en base al resultado de esta tesis.
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.3.1 OBJETIVO GENERAL
- Diseñar un sistema de digestión anaeróbico con desechos orgánicos de la hacienda para la generación de energía por medio del biogás.
1.3.2 OBJETIVOS PARTICULARES
- Caracterizar los desechos orgánicos provenientes de la Hacienda - Obtener los parámetros de operación del proceso que maximice
la eficiencia del sistema 1.4 MARCO TEÓRICO
Según el autor Sosa Cáceres Roberto en su tesis de maestría menciona que el uso de la biomasa aporta beneficios que son no sólo energéticos, sino que su transformación se convierte en beneficiosa y necesaria para el entorno. Es un sistema idóneo de eliminación de residuos, con la subsiguiente mejora del ambiente rural, urbano e industrial. Puede ser además, un modo de equilibrar determinados excedentes agrícolas. En el sector agropecuario y específicamente en las haciendas donde se maneja ganadería y agricultura extensiva, la opción del uso del biofertilizante generado por los biodigestores permite responder a una demanda de la sociedad, de esta forma se es más respetuoso del medio ambiente, y en particular se promueve la reducción de posibles fuentes de contaminación.
“El biogás es el gas producido durante el proceso de fermentación anaerobia (sin presencia de oxígeno) de la fracción orgánica de los residuos. Está compuesto principalmente por Metano (CH4) y Dióxido de Carbono (CO2), además de otros gases en cantidades menores.” Es como Gabriel Moncayo define al biogás.
Entonces bien sabemos que cuando los desechos orgánicos inician el proceso químico de fermentación (pudrimiento), liberan una cantidad de gases llamados biogás. Podemos afirmar que con tecnologías apropiadas,
el biogás se puede transformar en otros tipos de energía, como calor, electricidad o energía mecánica.
Mediante la lectura de diferentes artículos y experiencias en otros países sabemos que a pequeña y mediana escala, el biogás ha sido utilizado en la mayor parte de los casos para cocinar en combustión directa en estufas simples. Sin embargo, también puede ser utilizado para iluminación, para calefacción y como reemplazo de la gasolina o el combustible diesel en motores de combustión interna.
La utilización de los biodigestores además de permitir la producción de biogás ofrece enormes ventajas para la transformación de desechos:
- Mejora la capacidad fertilizante del estiércol. Todos los nutrientes tales como nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio así como los elementos menores son conservados en el efluente. En el caso del nitrógeno, buena parte del mismo, presente en el estiércol en forma de macromoléculas es convertido a formas más simples como amonio (NH4+), las cuales pueden ser aprovechadas directamente por la planta. Debe notarse que en los casos en que el estiércol es secado al medio ambiente, se pierde alrededor de un 50% del nitrógeno (Hohlfeld y Sasse 1986).
- El efluente es mucho menos oloroso que el afluente.
- Control de patógenos.
- Control de malos olores
- El efluente puede ser utilizado como alimento para peces, en lagos o estanques artificiales, además de la lombricultura.
Para las aplicaciones de generación eléctrica por medio de biogás, se alimenta el motor de combustión interna con biogás, que esta conectado a un generador. Estos motores pueden consumir GLP, gasolina o diesel.
Los motores a gas mecánicamente son idénticos a los motores de combustión a gasolina, la diferencia radica en la admisión del combustible.
En los motores a gas, esta admisión se realiza por medio de una válvula que regula la presión con la que se inyecta el gas licuado directamente en el carburador.
Las modificaciones que se deben realizar a este motor para utilizarlo en la generación de electricidad a partir del consumo de biogás, es modificar levemente la presión de inyección del gas, para que se ajuste a las condiciones del biogás. El porcentaje de sustitución de biogás por gas GLP es del 100%. Así, se puede realizar una conexión de la tubería de biogás al sistema, de modo que el equipo pueda operar con ambos combustibles.
Por el tipo de sistema de alimentación, estas adaptaciones no permiten una regulación automática de la mezcla y la carga, por lo que el ajuste del motor se debe de realizar de forma manual desde la válvula de control del biogás, colocada en la línea de admisión.
Se recomienda que las cargas aplicadas sean constantes, para evitar los problemas de regulación del motor y por tanto una ineficiente calidad de la energía suministrado por el generador. Para el caso de cargas variables el flujo de gas hacia el motor se debe regular por medio de un sistema de control especialmente diseñado, que garantice el flujo del gas al motor
para responder a las diferentes demandas de potencia generados por las cargas aplicadas.
El motor a gasolina puede ser operado con biogás realizándole una simple adaptación, que consiste en colocar entre el filtro del aire y el carburador una “T” por donde se suministra el gas al sistema.
1.5 FORMULACION DE LA HIPOTESIS
o El uso de biodigestores resolverá el problema de contaminación y necesidad energética de la hacienda.
o Las características y cantidades de los desechos orgánicos producidos en la hacienda producirá biogás para abastecer el consumo energético de la hacienda.
o La elección del lugar, aspectos constructivos y funcionales del biodigestor influyen en la producción del biogás.
1.6 METODO DE INVESTIGACIÓN
La metodología que se va utilizar en el desarrollo de este proyecto es el método deductivo, partiendo de lo general a lo particular. Se utilizan técnicas de análisis que permiten obtener elementos para la solución de problemas y para el estudio de caso.
Dentro de las actividades se realizarán:
· Recopilación de información.
· Visitas Campo.
· Entrevistas a expertos.
De lo dicho anteriormente se tendrá como Fuentes secundarias textos, documentos, revistas, Internet y como fuentes primarias las entrevistas a los expertos y la experimentación
En cuanto a la secuencia lógica puedo referirme a la estructura tentativa del índice (líneas abajo); donde se puede notar que el desarrollo de la tesis va partir con la definición de los conceptos generales, análisis de los parámetros de diseño, ubicación del lugar de construcción del biodigestor, seguidamente se desarrollarán pruebas de campo con motores diesel y gasolina..
CAPITULO 2
CONCEPTOS BÁSICOS RELEVANTES 2.1 CONCEPTO DE BIOENERGIA1:
La bioenergía es un término general derivado de la obtención de energía de materiales tales como la madera, paja o residuos de animales, y cuya antigüedad es escasa, en contraste con los combustibles fósiles. Los materiales citados pueden ser quemados directamente para producir energía o calor, pero también pueden ser convertidos en biocombustibles.
El carbón vegetal y el biodiesel, por ejemplo son biocombustibles obtenidos a partir de la madera y de las semillas de las plantas respectivamente.
Toda materia viva de la tierra forma la biomasa, existe en una delgada capa de la superficie que se llama biosfera, y representa solo una minúscula fracción de la masa total de la tierra, pero en términos humanos es un enorme almacén de energía. Más significativamente es un almacén que es abastecida continuamente por un flujo de energía procedente del sol, mediante un proceso llamado fotosíntesis. Aunque solo una pequeña fracción de la energía solar alcance la tierra anualmente una parte de ella
1 BORROTO BERMÚDEZ, A. ET.AL., 1999. Energización de comunidades rurales ambientalmente sostenible. Pags. 12 -15
es captada por la materia orgánica que existe sobre la tierra, su volumen es, sin embargo equivalente a casi siete veces el consumo de energía primaria en todo el mundo.
2.2 CONCEPTO DE BIOMASA2:
La biomasa, sustancia orgánica renovable de origen animal o vegetal, era la fuente energética más importante para la humanidad y en ella se basaba la actividad manufacturera hasta el inicio de la revolución industrial.
Existe una experiencia común que indica que existen unos materiales que se quemarán, mientras otros no lo hacen, que es lo que sucede con la madera, por ejemplo, lo que hace se comporte como un combustible mientras que la arena no lo hace.
Sabemos bastante acerca de la composición de los combustibles comunes para ser capaces de predecir los productos resultantes. Consideremos, por ejemplo, el metano un biocombustible y también el principal componente del gas natural. Cada molécula de metano consta de un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno: CH4. El oxigeno es un gas diatómico, con moléculas que constan de dos átomos, de forma que en las combustiones completas cada molécula de metano reacciona con dos moléculas de oxígeno:
4 2 2 2 2 2
CH O CO H O Energía
La energía liberada en este proceso es la diferencia entre la energía química del combustible original y el oxígeno, y la energía química del resultante bióxido de carbono y del agua. En la práctica, es usual referirse
2 BORROTO BERMÚDEZ, A. ET.AL., 1999. Energización de comunidades rurales ambientalmente sostenible. Pags. 23 -24
a ello como contenido energético (contenido calorífico) del combustible, el metano en este caso.
La reacción mostrada anteriormente indica alguna de las propiedades esenciales del quemado de cualquier combustible común: un compuesto contiene carbono e hidrógeno (hidrocarburo), e interactúa con el oxígeno del aire para producir dióxido de carbono y agua, este último usualmente en forma de agua o vapor. Si conocemos la composición del combustible y de las masas relativas de los elementos químicos, podemos predecir cuánto dióxido de carbono se producirá en el quemado de una determinada cantidad de combustible.
Los combustibles fósiles son el resultado de cientos de millones de años de lento cambio geológico actuando sobre una planta o animal, son ejemplos de ello los hidrocarburos que constan casi enteramente de carbono e hidrógeno.
La mayor parte de los biocombustibles se derivan de la biomasa viva o de la muerta recientemente, contienen también significativas cantidades de oxígeno, las moléculas de los materiales biológicos son muchos más grandes y complejos que el metano, pero se puede tipificar la combustión considerando el caso relativamente simple de la glucosa, un azúcar cuya fórmula química es C6H12O6.
6 12 6 6 2 6 2 6 2
C H O O CO H O Energía
Bajo la denominación genérica de biomasa se incluye un conjunto muy heterogéneo de materias, tanto por su origen como por su naturaleza.
Atendiendo el origen es posible diferenciar, desde un punto de vista ecológico, biomasa de distintos ordenes:
Biomasa primaria. Es la materia orgánica formada directamente por los seres fotosintéticos (algas, plantas verdes y demás seres autótrofos). Este grupo comprende toda la biomasa vegetal, incluidos los residuos agrícolas (paja o restos de podas) y forestales (leñas).
Biomasa secundaria. Es la producida por los seres heterótrofos que utilizan en su nutrición la biomasa primaria. Este tipo de biomasa implica una transformación biológica de la biomasa primaria para formar un nuevo tipo de biomasa de naturaleza distinta a la inicial.
Un ejemplo sería la carne o las deyecciones debidas a los animales herbívoros.
Biomasa terciaria. Es la producida por los seres que se alimentan de biomasa secundaria, como sería el caso de la carne de los animales carnívoros, que se alimentan de herbívoros.
En el ámbito de la terminología, es interesante también precisar que, en general, se utiliza el término de biocombustible de una forma genérica) para designar a los productos de la biomasa que se emplean para Fines energéticos. Sin embargo, en la mayoría de los países de Europa se suele matizar más y se reserva el término para los productos, energéticos de origen biológico que se van a utilizar en aplicaciones térmicas (calor o electricidad),) principalmente combustibles sólidos; en cambio, se aplica el de biocarburante a los productos que se utilizan en motores térmicos (de
explosión o de combustión interna). También se suele emplear una terminología que hace referencia al estado físico del combustible; así, los biocombustibles sólidos, que se utilizan básicamente para fines térmicos, y los biocombustibles líquidos, que son los biocarburantes para automoción.
Figura 2.1 La biomasa3
2.2.1 FACTORES QUE INCIDEN EN EL USO DE LA BIOMASA Existen una serie de factores que condicionan el consumo de biomasa y que hacen que éste varíe de unos a otros, tanto cuantitativamente como en el aprovechamiento de la energía final.
Estos factores se pueden dividir en tres grupos:
- Factores geográficos: Inciden directamente sobre las características climáticas del país condicionando, por tanto, las
3 BORROTO BERMÚDEZ, A. ET.AL., 1999. Energización de comunidades rurales ambientalmente sostenible. Pag. 27
necesidades térmicas que se pueden cubrir con combustibles biomásicos.
- Factores energéticos: Dependiendo de los precios y características del mercado de la energía en cada momento, se ha de decidir si es o no rentable el aprovechamiento de la biomasa como alternativa energética en sus diversas aplicaciones.
- Disponibilidad del recurso: Hace referencia a la posibilidad de acceso al recurso y la garantía de su existencia. Estos factores son los más importantes ya que inciden directamente tanto en el consumo energético de biomasa como en sus otras posibles aplicaciones.
2.2.2 VENTAJAS DE LA UTILIZACIÓN DE LA BIOMASA4
Ventajas medioambientales
- La biomasa es una fuente renovable de energía y su uso no contribuye al calentamiento global. De hecho, produce una reducción los niveles atmosféricos del bióxido de carbono, como actúa como recipiente y el carbón del suelo puede aumentar.
- Los combustibles de biomasa tienen un contenido insignificante de azufre y por lo tanto no contribuyen a las emisiones de dióxido de azufre que causan la lluvia ácida.
La combustión de la biomasa produce generalmente menos ceniza que la combustión del carbón, y la ceniza producida
4 BORROTO BERMÚDEZ, A. ET.AL., 1999. Energización de comunidades rurales ambientalmente sostenible. Pags. 34 -35
se puede utilizar como complemento del suelo en granjas para reciclar compuestos tales como fósforo y potasio.
- La conversión de residuos agrícolas, de la silvicultura, y la basura sólida municipal para la producción energética es un uso eficaz de los residuos que a su vez reduce significativamente el problema de la disposición de basura, particularmente en áreas municipales.
Ventajas sociales
- Crea puestos de trabajo locales en las zonas de producción
%- consumo, en mayor proporción por unidad energética que las energías fósiles.
- Los cultivos energéticos contribuyen a fijar la población rural al evitar la pérdida de empleo, sobre todo si se realizan en tierras abandonadas para la producción de ali- mentos. Además, no solo proporcionan puestos de trabajo directos en el sector agrícola, sino también en el de las industrias auxiliares de este sector.
Ventajas estratégicas
- Disminuye la dependencia energética del exterior.
- Al ser una producción energética de tipo disperso, se reduce el riesgo de la concentración energética en unos pocos puntos y se aminoran considerablemente los costes del transporte de la energía.
- Evita dependencia del exterior al no requerirse tecnologías complejas.
En algunos casos, estas evidentes ventajas pueden resultar un inconveniente para el desarrollo de este tipo de energías, ya que al no ser posible su monopolización, es menor el interés de muchas de las grandes empresas energéticas, que preferirían ejercer el mayor control posible sobre el sector. Es evidente que, cuando exista este riesgo, la administración pública debe estar por encima de este tipo de intereses, promoviendo disposiciones que motiven el desarrollo de este tipo de recurso que beneficia al país en su conjunto y a muchos ciudadanos en particular. Se tienen ejemplos de este tipo de actuaciones en algunos países europeos donde se incentiva económicamente la producción de energía eléctrica con biomasa (caso de Italia, por ejemplo) o se fomenta su utilización mediante ventajas fiscales.
Ventajas económicas
- Ahorro de divisas por reducción de importaciones de combustibles.
- Ahorro de subvenciones por desempleo.
- Aumento de ingresos fiscales por los trabajadores implicados en los procesos de producción de la materia prima y de la transformación de esta en energía, así como por el impuesto sobre el valor añadido de las empresas auxiliares.
- El coste actual de la unidad energética de algunos biocombustibles los hace ya competitivos con los tradicionales de origen fósil, sin contar las ventajas externas a los costes privativos.
2.2.3 RESTRICCIONES EN EL USO DE LA BIOMASA
- En naturaleza, la biomasa tiene relativamente baja densidad de energía y su transporte aumenta los costes y reduce la producción energética neta. La biomasa tiene una densidad a granel baja (grandes volúmenes son necesarios en comparación con los combustibles fósiles), lo que hace el transporte y su administración difíciles y costosos. La clave para superar este inconveniente está en localizar el proceso de conversión de energía cerca de una fuente concentrada de biomasa, tal como una serrería, un molino de azúcar o un molino de pulpa.
- La combustión incompleta de la leña produce partículas de materia orgánica, el monóxido de carbono y otros gases orgánicos. Si se utiliza la combustión de alta temperatura, se producen los óxidos del nitrógeno. En una escala doméstica más pequeña, el impacto en la salud de la contaminación atmosférica dentro de edificios es un problema significativo en los países en vías de desarrollo, en donde la leña se quema ineficazmente en fuegos abiertos para cocinar y la calefacción de ambientes.
- Existe la posibilidad que el uso extensivo de bosques naturales cause la tala de árboles y escasez localizada de leña, con
ramificaciones ecológicas y sociales serias. Esto está ocurriendo actualmente en Nepal, partes de la India, Sudamérica y en África sub Sahara. La conversión de bosques en tierras agrícolas y áreas urbanas es una importante causa de la tala de árboles. Además, en muchos países asiáticos gran parte del combustible de la madera usado con propósitos de energía provienen de áreas indígenas boscosas.
- Hay un conflicto potencial por el uso de los recursos de la tierra y del agua para la producción de energía de biomasa y otras aplicaciones, tales como producción de alimentos y de fibras. Sin embargo, el uso de técnicas modernas de producción agrícola representa que hay suficiente tierra disponible para todas las aplicaciones, incluso en regiones densamente pobladas como Europa.
- Algunos usos de la biomasa no son completamente competitivos en esta etapa. En la producción de electricidad por ejemplo, hay fuerte competencia de las nuevas plantas de gas natural, altamente eficientes. Sin embargo, la economía de la producción energética de biomasa está mejorando, y la preocupación cada vez mayor por las emisiones de gas de invernadero está haciendo a la energía de biomasa más atractiva.
- La producción y el proceso de la biomasa pueden implicar un consumo de energía significativa, tales como combustible para los vehículos y los fertilizantes agrícolas, dando por resultado un
balance energético reducido para el uso de la biomasa. En el proceso de la biomasa se necesitan reducir al mínimo el consumo de combustibles fósiles, y maximizan la conversión de basura y recuperación de energía.
- A menudo existen restricciones políticas e institucionales al uso de biomasa, tales como políticas energéticas, impuestos y subsidios que animan el uso de combustibles fósiles. Los costos de la energía no reflejan a menudo las ventajas ambientales de la biomasa o de otros recursos energéticos renovables.
VENTAJAS INCONVENIENTES
Energía renovable Dispersión
Aprovechamiento completo Producción estacional
No requiere nuevas tecnologías Baja densidad energética
Reduce el deterioro medioambiental Necesidad de acondicionamiento o transformación para su utilización
Proporciona puestos de trabajo
Ahorra divisas y disminuye la dependencia energética del exterior
Costos de recolección, transporte y almacenamiento
Tabla 2.1 Resumen de las ventajas e inconvenientes que presenta la biomasa como energía renovable.
2.2.4 FUENTES DE BIOMASA
Como fuentes de biomasa para la obtención de energía se pueden considerar:
1. La biomasa natural que se produce espontáneamente en las tierras no cultivadas (bosques, matorrales, herbazales, etc.) y que el hombre ha utilizado tradicionalmente para satisfacer sus necesidades acalóricas (leñas).
2. Los residuos producidos en las explotaciones agrícolas, forestales o ganaderas, así como los residuos de origen orgánico generados en las industrias y en los núcleos urbanos.
3. Los excedentes de cosechas agrícolas
4. La biomasa producida expresamente para fines energéticos mediante cultivos específicos (agroenergética).
A continuación se describen las características y posibilidades de cada una de estas fuentes de suministro de biomasa.
2.2.4.1 BIOMASA NATURAL
Es la que se produce en la naturaleza sin la intervención humana, por ejemplo, en bosques, matorrales, herbazales, etc.
Este tipo de biomasa no parece el más adecuado para su aprovechamiento energético masivo, ya que podría originar una rápida degradación de los ecosistemas naturales. En principio, debería ser respetado como tal formando una reserva biológica natural, aunque se podrían aprovechar los residuos de las partes muertas o, en los casos de intervención humana, los restos de podas y aclareos, pero siempre respetando al máximo el equilibrio y la estabilidad de los ecosistemas. Este tipo de aprovechamiento evitaría además posibles incendios.
La biomasa natural constituye actualmente la base del consumo energético de los pueblos en vías de desarrollo (tabla 2.2) y, a medida que aumenta su demografía y su demanda de energía, también lo hace la presión que se ejerce sobre los ecosistemas
naturales. Ello llega en ocasiones a un consumo por encima de sus posibilidades productivas, lo que conduce inexorablemente a situaciones de desertización.
País
Consumo anual de biomasa Per cápita
CJ(=109 J)
% sobre consumo total
de energía AMÉRICA LATINA
Brasil 11.85 33
Colombia 18.30 42
Guatemala 13.05 72
México 5.10 9
Nicaragua 13.95 61
Perú 15.00 46
AFRICA
Egipto 7.8 28
Kenia 19.8 86
Mozambique 15.9 94
Nigeria 23.2 82
Ruanda 24.0 97
Tanzania 42.6 97
Zambia 14.1 63
Zaire 11.8 86
ASIA
China 8.8 88
India 11.2 57
Nepal 10.6 97
Pakistán 12.9 60
Tailandia 24.1 21
Filipinas 15.7 66
OCEANIA
Islas Fiji 18.7 62
CONJUNTO PVD 34 38
CONJUNTO PI 206 2.8
MUNDO 76 14.6
Tabla 2.2 Uso de la biomasa como fuente energética en algunos países en vias de desarrollo (UNESCO 1996)
(“Energizacion de comunidades rurales ambientalmente sostenible”. Pags. 78 – 79)
Para satisfacer las lógicas aspiraciones de los países en vías de desarrollo en cuanto a una demanda creciente de energía, sería necesario establecer programas específicos para el desarrollo del uso de energías renovables, principalmente biomasa de origen residual o de plantaciones energéticas, que les podría llevar a un nivel de confort análogo al de los países desarrollados basándose en una producción sostenible dentro de un sistema disperso de producción energética. Tal modelo sería completamente distinto al seguido hasta ahora por los países desarrollados. En la tabla 2.3 se muestran la productividad y la biomasa existentes en los diferentes macroecosistemas de la biosfera.
Ecosistemas
Superficie 108 ha
(%)
Productividad anual
Biomasa existente Media
t/ha
Total 109 t
Media t/ha
Tota 109 t
Océanos 361 (70,8) 1,5 55,0 0,1 4
Bosques 57 (11,2) 14,0 79,9 298,2 1,700
Prados y estepas Y
24 (4,7) 7,9 18,9 30,8 74
Cultivos agrícolas 0
14 (2.7) 6,5 9,1 10,0 14
Desiertos y tundras 50 (9,8) 0,6 2,8 3,7 18.5 Aguas continentales 4 (0,8) 11,3 4,5 75,0 30
TOTAL 510 (100) 3,34 170,2 36,1 1840.5
Tabla 2.35 Estimación de la productividad media y de la biomasa existente en los diferentes macro ecosistemas de la biosfera
(“Energización de comunidades rurales ambientalmente sostenible”.
Pag. 90)
5 BORROTO BERMÚDEZ, A. ET.AL., 1999. Energización de comunidades rurales ambientalmente sostenible. Pag. 90
2.2.4.2 BIOMASA RESIDUAL
Es la que se genera en cualquier tipo de actividad humana en que se utilice materia orgánica, principalmente en los procesos productivos de los sectores agrícola, forestal o ganadero, así como en los núcleos urbanos (residuos sólidos y aguas resi- duales, principalmente). La utilización de este tipo de biomasa ofrece, en principio, perspectivas atrayentes aunque limitadas, siendo en general más importante la descontaminación que se produce al eliminar estos residuos que la energía que se puede generar con su aprovechamiento. En muchos casos, sin embargo, a escala local las instalaciones que aprovechan sus propios residuos, tales como granjas, industrias papeleras, serrerías o depuradoras urbanas, pueden ser autosuficientes desde el punto de vista energético.
Entre las ventajas que ofrece la biomasa residual para su uso con finalidad energética cabe destacar:
- Se reduce la contaminación y el deterioro del medio ambiente producido por su acumulación, a la vez que los riesgos de incendio, principalmente.
- Los costes de producción son reducidos ya que, normalmente, se cargan al producto principal; el coste de recogida es el más importante cuando esta labor no hubiera de realizarse necesariamente.
- Reduce el espacio ocupado normalmente por la acumulación de los residuos (vertederos, estercoleros, etc.).
- En muchos casos, la biomasa residual se encuentra concentrada en lugares determinados, por lo que los gastos de transporte, si se utiliza cerca del sitio de acumulación, son muy bajos.
Residuos agrícolas y de las agroindustrias
Los residuos agrícolas de utilización energéticos están constituidos por los restos de cosechas, de cultivos herbáceos, principalmente la paja de los cereales y los restos de podas de los árboles frutales o de cultivos leñosos extensivos, tales como la vid o el olivo. Dependiendo de los cultivos específicos de cada país, pueden utilizarse sus residuos siempre que tengan buenas características energéticas como, por ejemplo, los residuos de algunos cultivos industriales (algodón girasol, entre otros).
El valor calórico de estos residuos depende mucho de su contenido en humedad. Para la biomasa vegetal seca, con bajo contenido en Grasa, el poder calorífico superior se sitúa al rededor de las 4.000 kcal/kg.
La estimación de la cantidad de biomasa residual producida por un cultivo va a depender de la productividad del cultivo en cada zona determinada. Lo más normal es aplicar a la producción de valor comercial un coeficiente que indique la
cantidad de residuo generado por unidad de peso del producto comercial. En la tabla 2.4 se expresan los coeficientes indicativos sobre la producción de residuos por los principales cultivos; herbáceos, y en la tabla 2.4, los relativos a los principales árboles frutales y cultivos leñosos.
Tipo de cultivo Producción de residuo Cereales
- Trigo - Cebada - Avena - Centeno - Arroz
- Maíz de secano - Maíz de regadío - Sorgo
Forraje verde Patata
Remolacha Girasol Soya
Algodón (fibra) Colza
1,2 1,3 1,4 1,4 1,5 1,35 1,45 1,7 0,2 0,2 0,3 2,0 1,5
1.5 (1,8 incluidas raíces) 3,0
Tabla 2.4 Producción de residuos en los principales cultivos herbáceos. Los valores expresan los kilogramos de residuo que se obtienen por kilogramos de producto con su humedad natural en el momento de la cosecha.
(“Energización de comunidades rurales ambientalmente sostenible”. Pag. 102)
Entre los principales inconvenientes que presentan los residuos agrícolas como fuente de energía cabe citar:
- Falta de seguridad en el abastecimiento regular y en el precio. En ocasiones, existen usos alternativos que pueden valorizar el residuo de diferente manera de unos años a otros. Por ejemplo, la paja de cereales tiene un uso
alternativo para la alimentación del ganado, pero su precio sube considerablemente en años de sequía cuando los pastos naturales escasean.
- Producción dispersa, siendo necesarios la recolección y el transporte.
- Producción estacional.
Los residuos derivados de las industrias agrícolas (agroindustrias) tienen la ventaja para su aprovechamiento de que se producen en una cuantía y con una cadencia previsible según la producción de la industria y, además, se encuentran concentrados al final de la cadena evacuadora. Entre las industrias que pueden generar mayor cantidad de residuos cabe citar las de conservas vegetales, almazaras, bodegas y destilerías, frutos secos, arroz, azúcar y alcohol de caña, etc.
Tipo de cultivo Madera de poda (t/ha años)
Cítricos 1,6
Frutales de pepita 4,8 Frutales de hueso 4,6
Frutos secos 0,8
Viñedo 3,5
Olivar 0,7
Tabla 2.5 Estimación de la producción de residuos en los principales cultivos leñosos como consecuencia de las podas.
Los valores expresan las t/ha que se obtendrían en una plantación regular de edad media (a mitad de su ciclo productivo) (“Energización de comunidades rurales ambientalmente sostenible”. Pag. 103)
Cuando el contenido acuoso de los residuos es elevado, se precisa un proceso de deshidratación previa para su utilización energética por vía de la incineración, o bien el empleo de procesos de digestión anaerobia en los que se produce biogás (mezcla de metano y CO2) con un contenido energético medio de 5.500 kcal/m3 y una producción media de 0,33 m3 por cada kg de materia sólida tratada.
Si el residuo es seco, como en el caso de las cáscaras de frutos secos o la cascarilla de arroz, se puede utilizar la combustión directa para obtener energía como forma más sencilla de su aprovechamiento y eliminación.
Si el residuo tiene una cierta cantidad de humedad, como es el caso del bagazo de la caña de azúcar o el orujo de las industrias aceiteras o de vinificación, también se puede utilizar para generación de electricidad, empleándose el calor residual para el proceso de la industria y para el secado parcial del residuo.
Residuos forestales
Comprende los residuos de los tratamientos silvícolas y los de la corta y elaboración de la madera. En los tratamientos silvícolas, que se suelen dar cada 10 años en las masas forestales de climas templados, el residuo generado se puede estimar en unas 15 toneladas por cada ha, lo que da una media de 1,5 tonelada por cada ha y año. De este residuo, un tercio es
utilizado en la industria de la madera, por lo que el residuo que queda realmente es el equivalente a 1 t/ha•año
Entre los residuos de corta y tratamientos hay que distinguir las ramas, hojas, tocones, raíces y cortezas. La proporción de estos elementos es muy variable de unas especies a otra y además, depende en gran medida de la edad de la plantación. Según valores medios internacionales para varias especies en una edad óptima de corta, la distribución media de las diferentes partes de un árbol podría ser: tronco, 6%, ramas 6%; hojas 3%, y tocones 14%.Dentro de la producción de ramas hay que considerar las que tienen un diámetro mayor de 7,5 cm., que se pueden utilizar para fabricar tableros de aglomerado, mientras que las de menor diámetro suelen quedar como residuos.
En las serrerías de madera industrial para la fabricación de tableros de la madera en rollo que llega del monte libre de ramas, se considera que solo una tercera parte del peso se utiliza en los tableros para carpintería. De los dos tercios restantes, uno está constituido por los costeros, con aprovechamiento en industrias papeleras o de tableros aglomerados o en albañilería, y el otro por residuos tales como cortezas, serrín, virutas y puntas.
En las industrias papeleras se suelen utilizar los residuos sólidos (cortezas, ramas finas, virutas y serrines) para generar la electricidad y el calor necesario para el proceso, y las lejías
negras procedentes de la deslignificación de la madera también se utilizan para la obtención de energía en calderas especiales tras sufrir una eliminación parcial del agua.
Otras industrias derivadas de los productos forestales que pueden recuperar la energía de los residuos son las industrias de puertas y muebles y la industria corchera.
Residuos ganaderos
El estiércol producido por la ganadería y los animales domésticos ha sido tradicionalmente empleado como fertilizante de los cultivos. Esta función sigue desarrollándose en los sistemas de ganadería extensiva en que el ganado pasta en el campo, una actividad cada vez más escasa en los países desarrollados. Las técnicas modernas de producción ganadera se basan en la estabulación de los animales, lo que produce una acumulación considerable de los residuos generados por estos, que hay que eliminar para poder continuar con la actividad ganadera. Si el ganadero posee además una explotación agrícola de suficiente superficie, lo normal es que utilice el estiércol para fertilizar los campos de su explotación, pero si la actividad ganadera es independiente de la agrícola, surge el problema de la necesidad de eliminar los residuos producidos.
Solamente en este caso está justificado, desde un punto de vista económico, el tratamiento de los residuos generados en las explotaciones ganaderas.
De los diferentes tipos de explotaciones ganaderas, las más problemáticas en cuanto a la eliminación de los residuos producidos son las de animales que producen deyecciones con elevado contenido en humedad, como son las de bovino, porcino y aves (gallinas). Las deyecciones sólidas, como las producidas por el ganado ovino y caprino o los conejos, no presentan grandes problemas para su eliminación, ya que pueden comercializarse fácilmente como fertilizante. En la tabla 2.6 se indica la producción media de estiércol por kg de peso vivo de animal y el contenido en materia seca de las deyecciones.
Los residuos sólidos formados por la mezcla de las deyecciones y el material de la cama del ganado se denominan estiércoles, mientras que los residuos líquidos que incluyen las deyecciones y el agua de limpieza y arrastre se suelen conocer en castellano como “purines”. Los estiércoles se utilizan básicamente como fertilizantes, pero los purines constituyen el verdadero problema cuando no se pueden utilizar como abono de los campos de cultivo.
La utilización energética más generalizada de los residuos ganaderos es la digestión anaerobia, que produce biogás. En general, el proceso no se justifica exclusivamente como fuente de producción energética; sin embargo, se recurre a él por la necesidad de depurar los purines, constituyendo la energía
producida un aporte económico que rebaja los costes del proceso de depuración.
Tipo de ganado
Producción de estiércol (kg/kg de peso
vivo al año)
Materia seca (%)
Bovino 20 9,9
Ovino 19 23,0
Caprino 18 23,0
Porcino 20 7,3
Equino 19 13,6
Aves 18 15,0
Conejos 18 33,5
Tabla 2.6 Producción media anual de estiércol por distintos tipos de animales domésticos. (“Energizacion de comunidades rurales ambientalmente sostenible”. Pag. 110) Los mataderos dan origen a unos efluentes de composición muy variada, ya que tienen trozos de carne, pelos, pezuñas, grasa, sangre, excrementos sólidos y líquidos y el contenido de las panzas. Algunos de estos productos, como la sangre, pueden ser recuperados como materias primas para la obtención de otros productos tales como albúmina, heparina, harina de sangre o suero. También la grasa se puede recuperar para diversos usos, entre ellos la fabricación de jabones.
Residuos urbanos
Dentro de los residuos urbanos hay que considerar los residuos sólidos urbanos (RSU), normalmente denominados basuras urbanas, y las aguas residuales o residuos líquidos, que son evacuados de los núcleos urbanos a través de las alcantarillas.
Los RSU tienen una composición muy heterogénea y variable que depende de múltiples factores, entre ellos el tipo de clima, la época del año y el nivel económico y los hábitos alimenticios de los habitantes. Concretamente, se pueden establecer las siguientes tendencias:
- Cuanto mayor es el nivel de vida de una población, más residuos genera.
- La generación de residuos es muy superior en las zonas urbanas que en las rurales.
- Cuanto menor es el tamaño del núcleo de población menor es la producción de residuos por habitante.
- La producción de residuos en la misma población es menor en verano que en invierno
- Existen variaciones de producción según el día de la semana.
- Los periodos de vacaciones influyen notablemente en la cantidad y calidad de los residuos producidos.
- Los hábitos que impone el progreso y el grado de aceptación de estos hábitos, como pueda ser el empleo de envases desechables.
- El tipo de gestión municipal de los residuos: separación en origen, puntos limpios de recogida selectiva o mezcla total.
Dentro de la heterogeneidad que se da en la producción de este tipo de residuos, en la tabla 2.7 se recoge una producción
media según el número de habitantes para una población de clima templado, mientras que en la 2.8 se ofrece una orientación sobre la composición media de los mismos.
Sobre la utilización energética de los RSU, la técnica más normal es la producción de electricidad mediante incineración de la fracción orgánica tras un proceso de separación de las fracciones metálicas, vidrios y materiales inertes. También se puede utilizar para fines energéticos el gas que se produce en los vertederos.
Las aguas residuales generadas en los núcleos urbanos poseen una cierta cantidad de materia orgánica fermentable, pero tienen el inconveniente de que dicha materia orgánica se encuentra muy diluida, por cuanto que en esta agua van los residuos del metabolismo humano (orina y heces), junto con el agua de arrastre y limpieza doméstica y, generalmente, también el agua de lluvia recogida por las alcantarillas. Cada individuo genera por término medio unos 400 g diarios de materia orgánica (expresado en base seca) en un volumen acuoso de 200 a 300 litros.
El proceso de depuración de las aguas residuales consiste en separar o eliminar la materia orgánica del agua para poder verter esta agua libre de contaminación orgánica, a los cauces fluviales. El residuo sólido resultante (fangos) puede ser tratado por vía anaerobia para producción de biogás o secado para usos
como humus, o bien para ser incinerado en plantas de producción de electricidad. La obtención de energía con este tipo de productos nunca es un objetivo directo, sino uno de los componentes del sistema de eliminación del residuo que reduce los costes del proceso.
Tipo de núcleo urbano (habitaciones)
Producción de residuos sólidos urbanos Totales
kg/hab día
Fermentables
% kg/hab, día
Menos de 20.000 0,55 68 0,374
Entre 20.000 y 100.000 0,65 68 0,442
Entre 100.000 y 1.000.000 0,75 50 0,375
Más de 1.000.000 0,90 50 0,450
Tabla 2.7 Estimación de los residuos sólidos urbanos generados por habitante y día en función del tipo de núcleo urbano. (“Energizacion de comunidades rurales ambientalmente sostenible”. Pag. 119)
Componente Proporción
%
Contenido en agua
%
PCI kcal/kg
Metales 2,6 — —
Papel y cartón 13,0 10 3.500
Vidrio 2,0 — —
Plásticos 2,6 0,2 7.800
Restos orgánicos 64,9 50 2.600
Otros materiales 14,9 10 —
Valor medio — 35,3 3060
Tabla 2.8 Composición media de los residuos sólidos urbanos de un núcleo de población superior a los 100.000 habitantes. PCI: poder calorífico inferior. (“Energizacion de comunidades rurales ambientalmente sostenible”. Pag. 120)
2.2.5 LA BIOMASA COMO UN ALMACEN DE ENERGIA SOLAR En la descomposición natural, los materiales de las plantas interactúan con el oxígeno para producir dióxido de carbono y agua, igual que en la combustión. Pero la naturaleza del proceso no se
detiene aquí, la energía solar completa el ciclo, creando de nuevo combustible y oxigeno. El mecanismo se conoce como fotosíntesis, en el cual las plantas toman el dióxido de carbono y el agua de su alrededor y la usan como energía desde la luz del sol para convertirla en azúcares, raíces, celulosa, etc., el cual forma la materia vegetal.
Las propiedades esenciales del proceso las podemos representar por:
2 2 6 12 6 2
6CO 6H Oenergía luminosa C H O 6O
La fotosíntesis es claramente dependiente de la luz y de la disponibilidad del dióxido de carbono, pero la disponibilidad de la luz es muy variable, y demasiada luz para el CO2 disponible puede producir daños en el sistema fotosintético.
2.2.6 EFICIENCIAS DE CONVERSIÓN:
Al contrario de las energías extraídas de la naturaleza (carbón;
petróleo), la energía derivada de la biomasa es renovable indefinidamente. Al contrario de las energías eólica y solar, la de la biomasa es fácil de almacenar. En cambio, opera con enormes volúmenes combustibles que hacen su transporte oneroso y constituyen un argumento en favor de una utilización local y sobre todo rural. Su rendimiento, expresado en relación a la energía solar incidente sobre las mismas superficies, es muy débil (0,5 % a 4 %, contra 10 % a 30 % para las pilas solares fotovoltaicas), pero las superficies terrestres y acuáticas, de que pueden disponer no tienen comparación con las que pueden cubrir, por ejemplo, los captadores solares.
Energía Solar
Fotosíntesis
Biomasa Acondicionamiento
Materia Prima
Proceso
Mecánicos Termoquímicos Biotecnológicos Extractivos
Astillado Trituración Compactación
Pirólisis Gasificación Fermentación Digestión anaerobia
Extracción fisico - quimica
Productos
Leñas Astillas Briquetas Serrín
Carbón aceites
Gas de gasógeno
Etanol Varios
Biogás CO2 CH4
Aceites Esteres Hidrocarburos
Aplicaciones Calefacción Electricidad
Calefacción Electricidad Transporte Industria Química
Calefacción Electricidad Transporte Industria Química
Transporte Industria Química
Calefacción Electricidad
Transporte Industria Química
Tabla 2.9 Posibilidad de la obtención de la energía a través del uso de la biomasa (“Energizacion de comunidades rurales ambientalmente sostenible”. Pag. 122)
El rendimiento, las Toneladas de biomasa producida por hectárea y año, es tan importante para los cultivos energéticos como para los de alimentos a lo que estamos quizás más acostumbrados. El rendimiento depende de muchos factores: localización, clima, tiempo, naturaleza del suelo, disponibilidad del agua, nutrientes, etc., y la elección de la planta. Incluso limitándonos a los cultivos energéticos, encontramos que con las masas de las plantas secadas al
aire, la producción anual sobre una superficie de una hectárea puede llegar a ser tan pequeña como un millón de tonelada, o en circunstancias favorables como 30. En términos de energía, esto representa un rango que va desde 15GJ (giga joule) a 300 GJ por hectárea y año. Es fácil ver que estos rendimientos implican una extremadamente baja eficiencia de conversión.
¿Por qué es la eficiencia de conversión de energía solar a biomasa tan baja? El primer hecho significativo es que la mayor parte de la energía solar es inefectiva; es decir, en ocasiones, pierde la planta o bien llega en la estación equivocada, o entrega mas energía que las que las hojas superiores pueden absorber, pero demasiado poca para las hojas inferiores que no pueden aprovecharla, o no existe suficiente agua o nutrientes en la planta para aprovechar la energía solar que la alcanza. El resto de las pérdidas son específicas de la interacción entre la planta y la luz del sol. Una hoja al igual que ocurre con el ojo humano sólo responde a una parte del espectro de la luz solar.
2.3 BIOCOMBUSTIBLES
Con la denominación de combustible se hace referencia comúnmente a cualquier sustancia que, en contacto con el oxígeno del aire y a partir de una determinada temperatura, arde y produce energía. En principio, pueden establecerse dos tipos de combustibles según su naturaleza: los combustibles fósiles, constituidos por el carbón, el petróleo o gas natural y sus derivados, y los biocombustibles, que son los que proceden de la
