• UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA• FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

• DEPARTAMENTO DE OPERACIONES UNITARIAS

• EXPOSICION DE PROCESOS INDUSTRIALES

• TEMA: ENERGIA RENOVABLE “BIOMASA”

• ELABORADO POR: MELISSA SOLORZANO» YANIRIS SANTANA» ADOLFO AMADOR MIDENCE» ALEXANDER MAIRENA

ENERGIA

La energía es una cualidad de los cuerpos que les permite transformarse o producir cambios en otros cuerpos. La energía puede manifestarse de muchas formas: mediante luz, calor y movimiento. Las variaciones de los estados físicos y químicos de cada cuerpo determinan cómo se manifiesta la energía. No obstante, sea cual sea la forma que adopte (eléctrica, magnética...), siempre se cumple el principio de conservación de la energía, que afirma que ésta ni se crea ni se destruye, sino que se transforma.

Introducción

La biomasa es una fuente de energía procedente de manera indirecta del sol y puede ser considerada una energía renovable siempre que se sigan unos parámetros medioambientales adecuados en su uso y explotación. La formación de biomasa a partir de la energía solar se lleva a cabo por el proceso denominado fotosíntesis vegetal que a su vez es desencadenante de la cadena biológica. Mediante la fotosíntesis las plantas que contienen clorofila, transforman el dióxido de carbono y el agua, productos minerales sin valor energético, en materiales orgánicos con alto contenido energético y a su vez sirven de alimento a otros seres vivos. La biomasa mediante estos procesos almacena a corto plazo la energía solar en forma de carbono. La energía almacenada en el proceso fotosintético puede ser posteriormente transformada en energía térmica, eléctrica o carburantes de origen vegetal.

Procesos de conversión de la biomasa

• Procesos de combustión directa: Densificación.• Procesos termoquímicos:Producción de carbón vegetal y Gasificación.• Procesos bioquímicos:Digestión anaeróbica, Combustibles alcohólicos,

Biodiesel y Gas de rellenos sanitarios.

Dependiendo de si los materiales orgánicos resultantes han sido

obtenidos a partir de la fotosíntesis o bien son resultado de la cadena

biológica se pueden distinguir dos tipos de biomasa:

Biomasa vegetal: Resultado directo de la actividad fotosintética de los

vegetales.

Biomasa animal: Se obtiene a través de la cadena biológica de los

seres vivos que se alimentan de la biomasa vegetal. Las biomasas

vegetales y animales producidas no son utilizadas por el hombre en su

totalidad lo que conlleva la generación de residuos sobrantes de la

misma. También se expulsa a la naturaleza gran parte de la biomasa

utilizada. El conjunto de los residuos orgánicos de producción o

consumo de la biomasa reciben el nombre de “biomasa residual”,

también aprovechada en la obtención de energía. Estos residuos de

biomasa fosilizados a lo largo del tiempo constituyen la “biomasa fósil”,

concepto que engloba a los denominados combustibles fósiles que

actualmente conocemos, carbón, petróleo, gas natural, etc.

Aplicación directa de la biomasa: Residuos y cultivos energeticotes la forma de uso tradicional de la biomasa en la que se obtiene energía mediante combustión directa, es decir, la biomasa se utiliza como combustible.Podemos utilizar dos tipos de fuentes de biomasa: • Los residuos • Los cultivos energéticosResiduosLa biomasa residual conformada por residuos de carácter orgánico dispone de un gran potencial para la generación de energía. Se puede producir de manera espontánea en la naturaleza o como consecuencia de la actividad del hombre, agrícola, forestal e industrial. Los residuos pueden ser clasificados en función del sector que los genera en los siguientes tipos:1) Residuos agrarios Son el resultado de la actividad agraria humana y según su origen se denominan:• Residuos agrícolas.• Residuos forestales.• Residuos ganaderos.

2) Residuos industriales Son aquellos residuos derivados de la producción industrial con posibilidades de generación de biomasa energética residual, como la industria de manufacturación maderera o agroalimentaria.3) Residuos urbanos Son residuos de carácter orgánico producidos diariamente y en grandes cantidades

en los núcleos urbanos de población pudiéndose distinguir dos formas de los mismos: • Residuos sólidos urbanos.• Aguas residuales urbanas. Cultivos energéticosLos cultivos energéticos son plantas cultivadas con el objetivo de ser aprovechadas como biomasa transformable en combustible. Es una faceta agrícola todavía en experimentación y por ello existen a día de hoy numerosos interrogantes sobre su viabilidad económica y los impactos de carácter medioambiental y social que

puede producir. Existen diversos tipos de cultivos que pueden ser utilizados con fines energéticos y que pueden ser clasificados en los siguientes grupos:• Cultivos tradicionales.• Cultivos poco frecuentes.• Cultivos acuáticos.• Cultivos de plantas productoras de combustibles líquidos.

Aplicación indirecta de la BiomasaLa biomasa también puede ser utilizada de una manera indirecta convirtiéndola, mediante una serie de técnicas de transformación, en nuevos recursos energéticos, productos industriales sustitutivos de los combustibles fósiles, aunque muchos de estos métodos de conversión se encuentran en fase de experimentación.Procesos de transformación de biomasa en energíaCada uno de los diferentes tipos de biomasa requiere diferentes técnicas de transformación pudiendo dividirse en dos grupos:

Métodos termoquímicosSe basan en la aplicación de elevadas temperaturas y se pueden distinguir dos tipos de procesos según la cantidad de oxígeno aportada en los mismos:• Combustión.• Gasificación / Pirolisis.

Métodos biológicos o bioquímicos

Diversos tipos de microorganismos contribuyen al proceso de degradación de las moléculas de materia de biomasa húmeda en compuestos simples de gran contenido energético por medio de dos tipos de técnicas:• Fermentación alcohólica: Proceso que consiste en la transformación del carbono acumulado en las plantas, como consecuencia de la energía solar, en alcohol por medio de fermentación en diferentes fases según el tipo de biomasa. La fase de coste energético más elevado es la de destilación que contribuye a que el balance energético de la técnica puede no cumplir los parámetros renovables. Los productos obtenidos son biocarburantes como el bioetanol o el biodiesel, utilizados como combustibles alternativos a los fósiles.• Fermentación metánica o digestión anaerobia:Proceso de fermentación microbiana con ausencia de oxígeno del que generando gases como el metano y el dióxido de carbono. Se utiliza principalmente para la fermentación de la biomasa húmeda del tipo de residuos ganaderos o aguas residuales urbanas, siendo el producto combustible final obtenido el biogás. Los combustibles obtenidos mediante los procesos de transformación antes citados presentan las siguientes ventajas medioambientales respecto a los combustibles convencionales: • El contenido en azufre de los gases de su combustión es escaso. • No liberan partículas en su combustión • La producción de cenizas es reducida. • Contribuyen a la conservación del ciclo del CO2.

Obtención de combustibles a partir de la biomasa

• Hay varias maneras de clasificar los distintos combustibles que pueden obtenerse a partir de la biomasa:

• Uso directo. La biomasa empleada sufre sólo transformaciones físicas antes de su combustión, caso de la madera o la paja. Puede tratarse de residuos de otros usos: poda de árboles, restos de carpintería, etc.

• Fermentación alcohólica. Se trata del mismo proceso utilizado para producir bebidas alcohólicas. Consta de una fermentación anaeróbica liderada por levaduras en las que una mezcla de azúcares y agua (mosto) se transforma en una mezcla de alcohol y agua con emisión de dióxido de carbono. Para obtener finalmente etanol es necesario un proceso de destilación en el que se elimine el agua de la mezcla.

• Transformación de ácidos grasos. Aceites vegetales y grasas animales pueden transformarse en una mezcla de hidrocarburos similar al diesel a través de un complejo proceso de esterificación, eliminación de agua, transesterificación, y destilación con metanol, al final del cual se obtiene también glicerina y jabón.

• Descomposición anaeróbica. Se trata de nuevo de un proceso liderado por bacterias específicas que permite obtener metano en forma de biogás a partir de residuos orgánicos, fundamentalmente excrementos animales. A la vez se obtiene como un subproducto abono para suelos.

Etanol

• Se obtiene de la conversión de azúcares presentes en diferentes materias primas agrícolas tales como: Caña de azúcar, maíz, papas, remolacha, sorgo, yuca, melazas, materiales celulósicos de desecho, etc.

• Se considera renovable debido a que es el resultado de la conversión de energía solar por medio de la fotosíntesis.

• Es el mismo tipo de alcohol que se encuentra en las bebidas alcohólicas.

• Es biodegradable, bajo en toxicidad y su combustión es limpia.

• Es un combustible de alto octanaje y su uso en mezclas con gasolina mejora el octanaje reemplazando el plomo, además de oxigenar la mezcla para una mejor combustión.

Los pasos básicos para la producción de bioetanol son:

• Fermentación mediante el uso de levadura (Saccharomyces Cerevisiae)

• Destilación fraccionada del mosto fermentado• Deshidratación del alcohol rectificado• Desnaturalización (opcional)

• Dado que la caña de azúcar y sus derivados contienen azúcares directamente fermentables por la levadura no se requiere pasos adicionales antes de la fermentación. Otras materias primas, como los granos, requieren uno o más pasos previos para la conversión de almidón y/o celulosa en azúcares.

Fermentación

• La producción de bioetanol puede llevarse a cabo usando jugo de caña o cualquiera de las mieles generadas durante el proceso productivo del azúcar

• Durante la fermentación el azúcar del jugo o la miel es convertida en alcohol por la acción de levaduras

• El resultado es un mosto fermentado con un contenido de alcohol de hasta 9.5%

Destilación

• Para poder utilizar el etanol como combustible debe removerse el agua. La mayor cantidad es removida en columnas de destilacion pero la pureza esta limitada a 95-96% debido a la formacion de una mezcla azeotropica que no puede separarse por destilacion fraccionada.

• Este alcohol puede utilizarse como combustible directamente pero por su poca miscibilidad en gasolina, es necesario remover el agua restante en un paso posterior llamado deshidratación.

Destilación

Al calentar el mosto fermentado en las columnas el alcohol se separa en forma de vapores por la parte superior y se recupera condensándolo. Por el fondo de la columna sale el liquido agotado conocido como vinaza.

Vapor

Mosto

Alcohol liquido

96%

Vinaza

Deshidratación

• Actualmente el método de purificación más ampliamente usado es la absorción física usando materiales especiales que retienen las moléculas de agua y permiten el paso de las moléculas de etanol mas grandes.

• Otros métodos incluyen la destilación azeotrópica usando benceno y el uso de oxido de calcio como desecante.

• El consumo de vapor en una planta de deshidratación de tamices moleculares es del orden de 0.5 kg por litro de alcohol anhidro.

• La eficiencia puede ser de hasta 99.9%.

Deshidratación

El alcohol rectificado de la destilación se vaporiza, se sobrecalienta y se hace pasar por los tamices moleculares para remover el agua. En un paso posterior el agua absorbida por el material absorbente se remueve mediante aplicación de vacío para regenerar el tamiz.

Sobrecalentador

Vaporizador

Tamices moleculares

Bioetanol a partir de caña de azúcar

• Hacer bioetanol a partir de cana de azúcar tiene el mayor potencial de energía. El contenido de energía del etanol producido es alrededor de 8 veces el requerimiento de energía para producirlo.

• El costo de producir etanol a partir de cana de azúcar es el más bajo comparado con otras materias primas como remolacha, tapioca, maíz, etc

• Los países de América Central están entre los primeros 10 con los rendimientos más altos alcanzando más de 78 toneladas por hectárea

Biodisel

• Ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales y que se emplea en los motores de ignición de compresión (motores diesel) o en calderas de calefacción.

• Es un combustible alterno que surge de la reacción de un aceite vegetal o grasa animal con metanol o etanol, en presencia de un agente catalítico. El producto es seguro para el ambiente, biodegradable, secundariamente puede obtenerse glicerina, para uso industrial en humectantes y jabones.

Biodiesel

Ventajas de los Biocombustibles

Alternativa a los combustibles derivados del petróleo.

Energía renovable.

Reducción de la importación de crudos.

Combustible no tóxico y biodegradable.

Reducción de las emisiones contaminantes.

Disminución del efecto invernadero.

BIOGAS

CARACTERISTICAS

•Gas combustible que se genera por biodegradación de la materia orgánica.•Debido a la acción de bacterias metanogénicas.•En un ambiente anaeróbico.•Esta constituido por CH4 en un 50 a un 70 % y CO2 con pequeñas cantidades de otros gases como H2, N2 y sulfuro de hidrogeno.•Con un poder calorífico entre 4500 a 5500 Kcal. por m3.•Dicha transformación se lleva a cabo a través de biodigestores

Principios de la combustión • El biogás mezclado con aire puede ser quemado en un amplio

espectro de artefactos descomponiéndose principalmente en CO2 y H2O. La combustión completa sin el exceso de aire y con oxígeno puro, puede ser representada por las siguientes ecuaciones químicas:

• CH4 + 2O2 CO2 + 2 H2O • El requerimiento de aire mínimo sería del 21% pero esta cifra debe

ser aumentada para lograr una buena combustión. • La relación aire-gas puede ser ajustada aumentando la presión del

aire, incrementando la apertura de la válvula dosificadora de gas (el biogás requiere de una apertura 2 a 3 veces mayor a la utilizada por el metano puro y modificando la geometría del paso de aire desde el exterior).

Biodigestor

• Un biodigestor de forma simple es un contenedor cerrado, hermético e impermeable dentro del cual se deposita el material orgánico a fermentar en determinada solución en agua aprovechando la digestión anaerobia (en ausencia de oxigeno) de las bacterias que ya habitan en el estiércol, para transformar este en biogás y fertilizante. El biogás puede ser empleado como combustible en las cocinas, o iluminación, y en grandes instalaciones se puede utilizar para alimentar un motor que genere electricidad. El fertilizante, llamado Biol., inicialmente se ha considerado un producto secundario, pero actualmente se esta considerando de la misma importancia, o mayor, que el biogás ya que provee a las familias campesinas de un fertilizante natural que mejora fuertemente el rendimiento de las cosechas.

Biodigestor

• El biodigestor de bajo costo consiste en aprovechar el polietileno tubular (de color negro en este caso) en capas , para disponer de una cámara de varios metros cúbicos cerrada herméticamente. Este hermetismo es esencial para que se produzcan las reacciones biológicas anaeróbicas.

• Debido a la ausencia de oxígeno en el interior de la cámara hermética, las bacterias anaerobias contenidas en el propio estiércol comienzan a digerirlo. Primeramente se produce una fase de hidrólisis y fermentación, posteriormente una acetogénesis y finalmente la metanogénesis por la cual se produce metano.

Tipo de materia prima • Las materias primas fermentables incluyen dentro de

un amplio espectro a los excrementos animales y humanos, aguas residuales orgánicas de las industrias (producción de alcohol, procesado de frutas, verduras, lácteos, carnes, alimenticias en general), restos de cosechas y basuras de diferentes tipos, como los efluentes de determinadas industrias químicas.

• El proceso microbiológico no solo requiere de fuentes de carbono y nitrógeno sino que también deben estar presentes en un cierto equilibrio sales minerales (azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, níquel y otros menores).

• En lo atinente a estiércoles animales la degradación de cada uno de ellos dependerá fundamentalmente del tipo de animal y la alimentación que hayan recibido los mismos.

• Los valores tanto de producción como de rendimiento en gas de los estiércoles presentan grandes diferencias. Esto es debido al sinnúmero de factores intervinientes que hacen muy difícil la comparación de resultados.

• Como norma se deberá tomar en cuenta sólo los promedios estadísticos de una serie prolongada de mediciones que serán confiables siempre y cuando figuren las condiciones en las cuales fueron realizadas las pruebas.

Especie Peso vivo Kg estiércol/día

% CH4

Cerdos 50 4.5-6 65-70

Vacunos 400 20-30 65

Equinos 450 12-16 65

Ovinos 45 2.5 63

Aves 1.5 0.06 60

USOS DEL BIOGAS

• Las cocinas y calentadores son fácilmente modificables, agrandando el paso del gas de los quemadores. La amplia disponibilidad de este tipo de equipos hace promisoria e interesante su utilización a gran escala.

• Las lámparas a gas tienen una muy baja eficiencia y el ambiente donde se las utilice debe estar adecuadamente ventilado para disipar el calor que generan.

• El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto a gasolina como diesel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110 lo cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica de compresión.

• La aplicación del biogás 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.

• En este caso la tecnología desarrollada ha buscado lograr digestores de mínimo costo y mantenimiento fáciles de operar pero con eficiencias pobres y bajos niveles de producción de energía.

• El segundo tipo de tecnología está dirigido al sector agrícola y agroindustrial de ingresos medios y altos. El objetivo buscado en este caso es brindar energía y solucionar graves problemas de contaminación. Los digestores de alta eficiencia desarrollados para esta aplicación tienen un mayor costo inicial y poseen sistemas que hacen más complejo su manejo y mantenimiento.

Ventajas

• Ayuda a la economía de los sectores rurales: Ya en la biomasa se basa de los residuos orgánicos vegetales que se trabajan en los sectores rurales.

• Es abundante: A diferencia de otras energías, la biomasa es abundante y puede ser muy aprovechada.

• Beneficios ambientales: Es muy buena para el medio ambiente ya que esta energía es renovable y no proporciona contaminaciones al ecosistema.

• Prometedora: Se la ve con un gran futuro ya que como mencionamos antes arriba, esta energía es abundante y a la vez no es contaminante.

• Puede solucionar: • acumulación de los desechos • contaminación por combustión incontrolada • eliminar focos infecciosos y liberar olores desagradables que

provocan los excrementos de los animales

• Del uso de estos biocombustibles:• no son tóxicos. • son biodegradables • no producen tantas las emisiones y polución • mejorara los problemas ambientales en el uso de vehículos • Del uso de sistemas modulares (biodigestor + generador eléctrico):• gran flexibilidad • bajo impacto ambiental • simplicidad con la que operan • ventajas económicas. • Tiene un campo de uso muy amplio y se puede usar igual que el gas natural. • Puede quemarse para producir calor y vapor o puede alimentar para

generar electricidad. • Produce muchos residuos lo que dificulta su uso en turbinas • Producción cara (hornos especiales) • Fácil control de la producción adecuándola a cada momento a la demanda• Producción barata • Puede quemarse para producir calor y vapor o puede alimentar

para generar electricidad

DESVENTAJAS

• La utilización energética de la biomasa presenta, debido a sus características, pequeños inconvenientes con relación a los combustibles fósiles:

•                       Los rendimientos de las calderas de biomasa son algo inferiores a los de las que usan un combustible fósil líquido o gaseoso.

•                       La biomasa posee menor densidad energética, o lo que es lo mismo, para conseguir la misma cantidad de energía es necesario utilizar más cantidad de recurso. Esto hace que los sistemas de almacenamiento sean, en general, mayores.

Los sistemas de alimentación de combustible y eliminación de cenizas son más complejos y requieren unos mayores costes de operación y mantenimiento (respecto a las que usan un combustible fósil líquido o gaseoso). No obstante, cada vez existen en el mercado sistemas más automatizados que van minimizando este inconveniente.

•                       Los canales de distribución de la biomasa no está tan desarrollados como los de los combustibles fósiles (sólo aplicable en el caso de que los recursos no sean propios).

• Muchos de estos recursos tienen elevados contenidos de humedad, lo que hace que en determinadas aplicaciones puede ser necesario un proceso previo de secado.