Conferencia inaugural Alcántara 2003
ANDRÉS MELGAR BACHILLER
Dpto. Ingeniería Energética y Fluidodinámica, Universidad de Valladolid
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
LA GASIFICACIÓN DE BIOMASA COMO ALTERNATIVA ENERGÉTICA
La biomasa en el marco de la Energías Renovables
Todas las energías que habitualmente utilizamos proceden del sol incluso los combustibles fósiles proceden de la energía solar que llego a la tierra hace millones de años, cabría destacar como excepción la energía geotérmica procedente del calor que se genera en el centro de la tierra debido a reacciones nucleares y la energía de las mareas procedente de la luna.
Una forma de definir las Energías Renovables es como aquella cuyo tiempo característico de producción es menor que el de utilización, es decir al consumirla no se produce una disminución de energía almacenada. Un caso claro en el que no es así es el de los combustibles fósiles, los cuales almacenan una energía química que aprovechamos en la actualidad a un ritmo mucho mayor que el de formación de nuevos depósitos.
Se puede definir biomasa como el conjunto de materiales orgánicos, no fósiles, generados a partir de la fotosíntesis y más o menos evolucionados en la cadena biológica. Esta definición también incluye los residuos agrícolas ya que se pueden considerar sustancias evolucionadas a partir de la fotosíntesis. Cualquier explotación agrícola es una planta de producción de biomasa, aunque, a excepción de los cultivos energéticos, el objetivo de la producción es suplir una carencia alimentaria o de obtención de materia prima. Sin embargo en casi todos los casos parte de la biomasa producida no es aprovechable para su fin primario y se considera biomasa residual que es susceptible de ser aprovechada para fines energéticos.
El la actualidad el Plan de Fomento de la Energías Renovables prevé un aumento de la utilización de este tipo de energía hasta alcanzar el 12% del consumo de energía primaria en el año 2010. El Plan prevé también un gran aumento de la utilización de la biomasa y se considera que la gasificación de biomasa es una de las líneas de actuación.
La gasificación de biomasa
La gasificación consiste en la transformación de un combustible (generalmente sólido) en otro gaseoso mediante una combustión incompleta. Para realizar el proceso se mezcla el combustible con aire en una proporción determinada siempre con exceso de combustible de manera que el oxígeno del aire no es suficiente para la realizar una combustión completa. El exceso de combustible viene determinado por el dosado relativo de gasificación el cual se define como la reacción entre combustible que se quema y el que sería necesario para una combustión estequiométrica (reacción ajustada).
Los productos resultantes de la clasificación son los siguientes:
Los combustibles: el CO (monóxido de carbono el cual puede quemarse para producir CO2 liberando energía térmica) H2 (hidrogeno que al quemarse produce agua) CH4 (metano es el principal componente del gas natural) también aparecen otros hidrocarburos CnHm en pequeñas proporciones.
Los inertes: CO2 y H2O procedente de la combustión completa de una parte de la biomasa, N2 procedente del aire que se utiliza en el proceso.
Los elementos no gaseosos: cenizas procedentes de la biomasa y alquitranes que son hidrocarburos de cadena larga que se hacen líquidos o sólidos cuando el gas producido alcanza la temperatura ambiente. Los alquitranes no son deseables que se depositan en conductos y filtros ensuciándolos hasta la obturación.
Durante el proceso de gasificación la biomasa pasa por diferentes etapas a medida que se calienta y posteriormente reacciona con el aire:
Secado, donde la biomasa pierde el agua que tiene, la proporción de agua que tiene la biomasa puede ser muy variable pudiendo llegar a ser mas de la mitad de la masa, generalmente no conviene que supere el 20% de la masa total ya que absorbe calor para evaporarla, si la proporción de agua es la adecuada esta se descompone en H2 y O2, este ultimo se combina con el carbono produciendo CO.
Pirolisis: en este proceso la biomasa pierde los hidrocarburos que la componen evaporándose igual que el agua, estos hidrocarburos suelen suponer alrededor de la mitad de la masa de la biomasa, cuando la biomasa se piroliza queda como sólido el carbono fijo en lo que habitualmente conocemos como carbón vegetal.
Oxidación: este proceso es una combustión que produce el calor que mantiene la reacción fundamentalmente son los volátiles los que reaccionan.
Reducción: en este proceso el CO2 producido en la oxidación reacciona con el carbono fijo produciendo CO, esta reacción es endotérmica, es decir absorbe el calor que se ha producido en la oxidación.
Hay que decir en este punto que en el proceso de gasificación no se pretende obtener energía térmica, aunque esta es necesaria para producir la reacción de reducción, lo ideal sería que el gas producido saliese del gasificador a la temperatura más baja posible, de hecho en muchos casos la energía térmica de los productos se utiliza para precalentar la biomasa que se va a introducir en el gasificador.
La temperatura a la que se produce el proceso junto con el dosado de gasificación determinan la composición del gas producido.
Los gasificadores mas utilizados para el aprovechamiento del gas en un motor de combustión interna son los de lecho fijo y corrientes descendentes, en ellos la biomasa es introducida por la parte superior del gasificador y el aire se introduce a una altura determinada, la entrada de aire determina la zona de oxidación, por encima de ella están las zonas de secado y pirólisis y por debajo la de reducción, en la parte inferior está la recogida de cenizas.
Existen diferentes configuraciones de este tipo de gasificadores, lo más habitual es hacerlos en doble tubo a fin de que los gases salgan rodeando a la diferentes zonas de reacción a fin de precalentar la biomasa durante el proceso de secado y pirólisis.
La evolución de las variables de funcionamiento mas importantes en el proceso de gasificación es así: La evolución de las temperaturas en las zonas de oxidación y reducción, las oscilaciones que se observan en estas temperaturas son debidas a la agitación del lecho para evitar un excesivo apelmazamiento, también se pueden ver las temperaturas en las zonas de secado y pirolisis, evidentemente mucho más bajas. Otras variables son la concentración de CO en los gases producidos y el caudal de gas producido (qm).
En el motor de combustión interna alternativo es donde se realiza la combustión final del gas con el aire en proporción estequiométrica, es en este momento donde se libera la mayoría de la energía térmica almacenada en la biomasa, del orden del 75% y se transforma en trabajo para mover un alternador (producción de electricidad) o cualquier otra aplicación (bombeo de agua, etc...)
El proceso de combustión se inicia con una chispa eléctrica y después se propaga por toda la cámara mediante un frente de llama que la recorre. La velocidad a la que se propaga el frente de llama depende del tipo de combustible en la figura se ven diferentes velocidades en función del tipo de combustible, por ejemplo la gasolina es más rápida que el gas pobre y la velocidad de combustión del gas pobre depende del dosado de gasificación que exista en el gasificador.
Para conseguir que el motor funcione correctamente es necesario modificar el instante en el que salta la chispa eléctrica a fin de que el proceso de combustión este centrado con el momento en que el volumen de la cámara de combustión es menor (el pistón esté en su posición más alta).
Por otro lado el motor que funciona con gas pobre produce menos trabajo que funcionando con gasolina, esto es debido a que el gas pobre tiene componentes que ocupan volumen pero no aportan calor en el proceso de combustión (CO2 N2) y esto hace que la energía térmica que se libere en el mismo volumen sea menor y por lo tanto al final el trabajo que se obtiene también lo es. Esto no quiere decir que el rendimiento del motor funcionando con gas pobre sea peor, la relación entre el trabajo obtenido y la energía aportada es similar pero se necesita un motor ligeramente mas grande (un 30% mayor) para obtener la misma potencia.
Sin embargo al liberarse menos energía las temperaturas en la cámara de combustión son más bajas y esto hace que se produzcan menos óxidos de nitrógeno que es uno de los contaminantes más importantes en los motores de combustión interna alternativos. Las emisiones de CO son muy similares. En las figuras siguientes se ve como son las emisiones en función de la relación aire combustible con la que funciona el motor para los diferentes combustibles gasolina, metano y gas pobre. Generalmente la relación aire combustible esta en el dosado estequiométrico Fr=1 o valores inferiores hasta Fr=0.6. En cualquier circunstancia las emisiones del motor funcionando con gas pobre son similares o inferiores que la del motor funcionando con gasolina o metano.
Conclusiones
La gasificación de biomasa es una de las tecnologías más prometedoras para el aprovechamiento energético de biomasa residual. Se prevé que tendrá gran importancia dentro de las actuaciones del Plan de Fomento de la Energías Renovables.
El proceso de gasificación consiste en la transformación de un combustible en otro gaseoso más adecuado para utilizar en diferentes procesos.
Existen diferentes tecnologías de gasificación, pero todas ellas se basan en realizar un proceso de combustión con exceso de combustible a fin de favorecer la formación de CO y H2 los cuales son los principales componentes del nuevo combustible.
Es posible utilizar el gas obtenido en el proceso de gasificación como combustible en un motor de combustión interna alternativo, para ello hay que modificar el instante en que se inicia la combustión. El motor tiene un rendimiento similar pero una potencia menor ya que el combustible ocupa más espacio en el motor. Las emisiones de óxidos de nitrógeno son menores y las de CO son similares a las del motor funcionando con gasolina.
