biomasa presentación.f.corvalán 23 06 2012

Biomasa:Conversión y Productos (Parte II)

Profesor: Fernando Corvalan QuirozIngeniero Civil Químico (PUCV, 1979)

Dr.- Ingenieur (RWTH Aachen, Alemania, 1986)

Universidad de Santiago de ChileFacultad de Ingeniería

Diplomado en Energía y Desarrollo SustentableJunio 23 de 2012

En primer lugar pido excusas• Ya que todo los que trate de transmitirles

durante estas horas de hoy, es hecho desde la perspectiva de un ingeniero de procesos (químico), y por lo tanto puede ser muy sesgado

• Sin embargo, ninguno de nosotros puede salir de su piel

• Yo a medida que envejezco, me doy cuenta de la dureza de la capa de educación materialista que recibí en mi juventud

Tópicos

• Introducción• Caracterización de Biomasa• Biocombustibles

Historia

• 1898: Rudolph Diesel, aceite de maní• 1900-1920: aceites vegetales hasta

aparición del “diesel 2”• 1908: Henry Ford, auto a etanol• Hasta que en los años 40 se imponen

los derivados del petróleo

Formas de Biomasa en la Naturaleza

Formas típicas de biomasa y su tasa de crecimiento a

nivel mundial (estado a 1981)

Formas de Biomasa % MM Toneladas/año

Celulosa 65 100

Hemicelulosa 17 27

Lignina 17 27

Almidón 1,05

Azúcar 0,1

Grasas

Proteínas

Color

1 (juntos en

total)

0,13 en total

Total 100 155,28

Caracterización de BiomasaSegún el compuesto o grupo de compuestos preponderantes en

la biomasa vegetal: HIDRATOS DE CARBONO

• Biomasa lignocelulósica: aquella donde predominan las celulosas de hemicelulosa, holocelulosa y lignina.

• Biomasa amilácea: aquella en que los hidratos de carbono predominantes se encuentran en forma de polisacáridos de reserva tales como almidón o inulina.

• Biomasa azucarada: aquella cuyo principal componente hidrocarbonado está constituido por azúcares, ya sean monosacáridos (glucosa o fructuosa principalmente) o disacáridos tales como la sacarosa.

• Biomasa energética: incluye los materiales de origen biológico que o pueden ser empleados con fines alimenticios o

industriales.

Celulosa

• La mas abundante sustancia orgánica• Es un polisacarido, compuesto de

cadenas de glucosa pura (C6H10O5), lasque se mantienen unidas por medioenlaces de puentes de hidrógeno

• Es insoluble en agua y solventesorgánicos

• Se hidrata en presencia de ácidos y bases

Hemicelulosa

• Las plantas tipo madera se componende alrededor de un 20% a un 40% de hemicelulosa– Esta es también un polisacarido,

compuesto no solamente de glucosa pura, sino también de otros tipos de azúcar(azúcares C5 y C6)

Lignina• Representa alrededor del 30% de las plantas

tipo madera• Su intervención en la matriz de celulosa

provoca la transformación de las células de las plantas en algo parecido a la madera

• Es soluble en soda y bisulfito de calcio• Es insoluble en agua• Impide el ataque químico y enzimático de la

celulosa

Almidón• Es también un polisacárido: con enlaces más

débiles que celulosa y hemicelulosa• Se entiende por azúcar por el contrario a

monómeros de azúcar, que se encuentran en forma pura en la caña de azúcar u otras plantas azucaradas– Debido a los enlaces más débiles, se prestan el

almidón y azúcar para una separación química o enzimática menos laboriosa

Órdenes de Magnitud de Influencia

• Comparadas con la celulosa, la hemicelulosa y la lignina aportan pocoa la biomasa– El almidón (1050 MM t/a), azúcar (100 MM

t/a), así como grasas, proteinas y colorantes (130 MMt/a), constituyen sóloaproximadamente un 1% de la producciónmundial de biomasa

El último grito de la moda: Biorefinerías

• Concepto de biorefinería: análogo a una refinería de petróleo, convirtiendo distintos tipos de biomasa a un variado espectro de productos biobasados:– electricidad, combustibles, compuestos

químicos intermedios y productos de consumo.

Tipos de Biorefinerías: 3• 1ª Generación: Sin flexibilidad de funcionamiento,

como por ejemplo, una planta de etanol en base a molienda seca.

• 2ª Generación: Capacidad para producir una gran variedad de productos finales, dependiendo de la demanda existente, como por ejemplo, la tecnología de molienda húmeda.

• 3ª Generación: Aun no desarrolladas, y emplearán biomasa agrícola o forestal para producir una multiplicidad de corrientes producto, como seria por ejemplo etanol para combustibles, químicos y plásticos.

Caracterización: poder calorífico• Poderes caloríficos (energía liberada en la

combustión de 1 kg de combustible. Puede ser: Superior o PCS, inferior o PCI. Además se deben tomar en cuenta:– 1) Poder comburivoro: aire necesario para la combustión

completa de 1 kg de combustible– 2) Poder fumígeno: humos generados durante la

combustión completa de 1 kg de combustible– 3) Temperatura de combustión (alcanzada en los humos

producidos)– 4) Eficiencia de la combustión: depende de:

• a) Grado de combustión total• b) Contenido de humedad• c) Exceso de aire usado

PODER CALORIFICO SUPERIOR (PCS):

• Energía total producida por la combustión en un calorímetro a volumen constante y donde el agua vaporizada se encuentra en estado liquido al efectuar la medición. – La determinación se lleva a cabo a 30 ºC

PODER CALORIFICO INFERIOR (PCI):

• Resulta de restar del PCS el calor latente de vaporización de agua formada en la combustión y arrastrada por los humos en un proceso de combustión a presión constante.– Si no se especifica lo contrario, se

entiende que el PCI se refiere a materia seca.

– Si no se especifica lo contrario se entiende referido a materia seca (0% humedad).

Fórmulas de Cálculo

• A partir de los datos del contenido en C, H, O, y S de los combustibles (expresados en kg de elemento /kg de combustible) se puede establecer el PCS y el PCI según las formulas generales:– PCS (kcal/kg) = 8.100C+34.100(H-

O/8)+2.500S– PCI (kcal/kg) = PCS-665(9xH)

Relación entre la razón atómica O/C y H/C para distintos tipos de combustibles fósiles comparados con biomasa

0.40 0.2 0.80.6

0.2

0.4

1.0

1.2

1.4

1.8

0.8

0.6

1.6

Razon atómica O/C

Madera

LigninaCelulosa

Biomasa

turba

Carbon vegetal

carbon

Antracita

Aumento del Poder Calorifico

Razón atómicaH/C

Razón de Exceso de Aire (λ)

• Se define como la razón entre la cantidad de aire de combustión disponible y la cantidad estequiométrica de aire de combustión.

Características físicas, químicas y energéticasde los biocombustibles

• Físicas– Estado físico (s,l,g)– Densidad o volúmen específico– Densidad aparente (masa a volúmen total, incluye

el volúmen de aire contenido). Se aplica a combustibles sólidos y gaseosos

– Contenido de humedad (% sobre peso húmedo)– Viscosidad (líquidos)– Granulometria (triturados o pulverizados)

Características químicas

• Composición centesimal en losprincipales elementos:– Carburantes (C e H, principalmente)– Comburentes (O)– Productores de contaminación (N,S,

principalmente)– Metales alcalinos (Na y K, principalmente) – Contenido de cenizas (% sobre el peso

seco del combustible)

Normativas de análisis estándares

• Análisis inmediato:– Incluye carbono volátil, carbono fijo y

cenizas (%’s en base seca)• Carbono volátil : fracción que se gasifica

inicialmente (material celulosico)• Carbono fijo : fracción de lignina que queda

mayoritariamente en los carbones(carbonización)

Determinación de los parámetros

• Volátiles (vol): muestra se somete a 950 ºC durante 45 minutos en una muflacon el crisol tapado (Norma ASTM D 1762-64)

• Cenizas (Cen): muestra (aprox. 2 g)sesomete a 815 ºC durante 5 horas en crisol abierto

• Carbono fijo (Cf ): diferencia a 100 de cenizas y volátiles

Otros elementos

• Análisis elemental: Comprende lasdeterminaciones de C, H, S, O y Cloruros

• Caracterización de las cenizas: se determinan los siguientes compuestos:– En ppm: Ag, As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, La, Li,

Mo, Nb, Ni, Pb, Sn, Sr, V, W, Zn– En %: Al2O3, CaO, Fe2O3, K2O, MgO,

MnO, Na2O, P2O5, SiO2,TiO2

21/06/2012 [email protected] 25

Plantas Térmicas: ejemplo Ciclo Rankine

1. 30 MW-1.200 MW

2. Eficiencias: hasta 40%

3. Para: carbón, GN, Residuos, biomasa, Fuel Oil Nº2, etc


Ciclo Combinado con Gasificación Integrada: IGCC

1. Hasta 335 MW (carbón); 6 MW para biomasa2. Eficiencia: 46 % (carbón), 33% (biomasa)3. Para: Carbón, Biomasa y residuos pesados de petróleo


Lecho Fluidizado Atmosférico :AFBC1. Hasta 300 MW2. Eficiencias hasta 38%3. Para (principalmente): carbón y biomasa


Lecho Fluidizado Presurizado :PFBC1. Hasta 350 MW2. Eficiencias hasta 43 %3. Para (principalmente): carbón y biomasa

Emisión de Contaminantes por combustible


Combustible SOx NOx térmico NOx combustible CO CO2 COV´s Partículas TóxicoscarbónGNFuel‐Oil N°2Fuel‐Oil N°6BiomasaResiduos PesadosFactor condicionante 1 2 3 4 4 4 5 51: Contenido de Azufre en el Combustible2:Diseño de Quemadores3: Contenido de Nitrógeno en el Combustible4: características de la Combustión5: Contenido de cenizas y otros elementos

Combustible por tecnologíaCombustible Turbina

a gasCiclo Stig

Turbina a vapor

CC motores IGCC AFBC PFBC

Carbón No No Si No No Si Si SiGN Si Si Si Si Si No No NoF-O N°2 Si Si Si Si Si No No NoF-O N°6 No No Si No Si No No NoBiomasa No No Si No No Si Si SiAceites pesados

No No Si No No Si No No


Puntos de Emisión de Contaminantes:


Tipos de Tecnología: 3 tipos• Termoquímicas: usan altas temperaturas

para convertir biomasa como materia prima a energía, típicamente en forma de electricidad y calor.

• Bioquímicas: emplean agentes biológicos para convertir biomasa en energía, generalmente en forma de combustibles líquidos y gaseosos.

• Químicas: se ayudan de agentes químicos para convertir biomasa en energía, generalmente en forma de combustibles líquidos.

Situación del estado de arte• 9 tecnologías• 2 bien consolidadas:

– Combustión– Digestión anaerobia

• En Chile (con ayuda de la GTZ) se han llevado a cabo estudios orientados a:– Quema de leña– Biogas a partir de desechos

• Y su uso en cogeneración

A continuación

• Les presento la diapositiva más importante de esta presentación:

– Aquella que resume todo, absolutamente todo

– Es decir lo que todos andamos buscando a veces

Restos OrgánicosRestos orgánicos secundarios

Residuos de CosechasPlantas Energéticas

Cosecha, Acopio y Materialización

Preparación (Prensado, secado, Humectado, mezclado, etc)

Transporte (Camión, Tractor,Correa transportadora, barco, etc.)

Almacenamiento (estanques,Silos, etc.)

Conversión Termo-Química

ConversiónFísico-Química

ConversiónBio-Química

Carbonización Gasificación Pirolisis Prensado/ Extracción

Esterificación

FermentaciónAlcohólica

DigestiónAnaeróbica

DigestiónAeróbica

Carbón Gas Aceite de Pirolisis

Aceite Vegetal

Metilester

Etanol Biogas

Combustiblesólido

Combustiblegaseoso

Combustibleliquido

CombustiónCalorEnergía eléctrica (fuel cell) Energía Térmica

Trabajo MecánicoConversión Térmica

a mecánica

Combustión de sólidos de biomasa

• Proceso de descomposición química a través del cual la biomasa se convierte al estado gaseoso en presencia de una cantidad suficiente de oxigeno (λ > 1)

Reacción de Combustión

• En ausencia de Na, K, Cl, etc:• CH1.44 O0.66 + λ 1.03 (O2 + 3.76 N2) ->

intermedios (C, CO, CO2, CmHn, etc.) -> CO2 + 0.72 H2O + (λ-1)O2+ λ3.87N2 439 kJ / kmol– donde CH1.44 O0.66 designa la

composición promedio de una biomasa típica usada para la combustión (madera, paja u otro material similar)

Pero se producen una serie de contaminantes

• Compuestos no quemados tales como CO, CxHy, alquitrán, carbón, H2, HCN, NH3, y N2O.

• Contaminantes formados por combustión completa tales como NOx(NO y NO2),CO2, y H2O.

• Cenizas y contaminantes tales como partículas de KCl, SO2, HCl, Cu, Pb, Zn, Cd, orgánicos, etc.

Procesos de Control de la Contaminación

• Medidas primarias (material particuladodurante la combustión)

• Secundarias (NOx en gas de salida).

Las famosas 3 T´s: temperatura, tiempo y turbulencia

• La combustión completa depende de:• Temperatura, tiempo de residencia y

turbulencia. – La mezcla entre gases combustibles y aire, limita

la calidad de los gases de salida, mientras que las exigencias de temperatura (alrededor de 850 ºC) y tiempos de residencia (alrededor de 0,5 s), pueden ser fácilmente logradas

– Las condiciones optimas de mezclado pueden ser alcanzados en lechos fijos en combustión en 2 etapas.

Mejoramiento del diseño de los hornos

• Puede ser abordado empleando herramientas tales como la dinámica de fluidos computacional (CFD)

• Es hoy por hoy una metodología estándar para calcular la distribución de flujo en los hornos

• Además la química de reacciones en fase gas puede ser implementada en los códigos de programación CFD.– Sin embargo, existe una necesidad de investigación en lo

que refiere a las reacciones heterogéneas durante los procesos de secado, transporte, desvolatilización y gasificación de biomasa sólida antes de la entrada a la combustión en fase gaseosa.

Tomado de la referencia 6 de apuntes

Horno comercial• 1: alimentador, 2: horno, 3: aire primario, 4: aire secundario, 5:

cámara de post combustión; 6: intercambiador de calor, 7: ciclón, 8: remoción de ceniza

Mas de ello• Donde 1: alimentador, 2: parrilla móvil, 3: aire primario, 4: aire

secundario, 5: cámara de post combustión; 6: intercambiador de calor, 7: ciclón, 8: remoción de ceniza

Etc., etc.

Vista panorámica

Tipos de hornos y condiciones de flujo











Esterificación



DigestiónAeróbica


Aceite Vegetal

Metilester

Etanol Biogas

Combustiblesólido

Combustiblegaseoso

Combustibleliquido



a mecánica

Gasificación• Gas resultante: monóxido de carbono (CO), dióxido

de carbono (CO2), hidrógeno (H2), metano (CH4), alquitrán, agua y pequeñas cantidades de hidrocarburos tales como el etano.

• Gas de bajo poder calórico (de 4 a 7 MJ/m3); si se emplea O2 se pueden alcanzar de 10 a 18 MJ/m3.

• La tecnología más empleada es, sin embargo, la que utiliza aire como agente oxidante, por razones económicas y tecnológicas.– En los gasificadores el combustible sólido se calienta por

combustión de una parte del combustible. Los gases de la combustión se reducen seguidamente pasándolos a través de un lecho de combustible a alta temperatura.

Gasificador de corriente ascendente o de tirodirecto

• La toma de aire se encuentra en el fondo y los gases salen por arriba

• Cerca de la parrilla, en el fondo, tienen lugar las reacciones de combustión, que van seguidas de reacciones de reducción algo más arriba, en el gasificador

• En la parte alta del gasificador tiene lugar el calentamiento y pirólisis de la carga, como resultado de la transferencia de calor, por convección forzada y radiación, de las zonas inferiores.

• Los alquitranes y productos volátiles producidos durante este proceso son transportados por la corriente de gas.

• Se remueven las cenizas del fondo del gasificador.

Gasificador de corriente descendente o de tiroinvertido

• el aire de primera gasificación se introduce en la zona de oxidación del gasificador o por encima de ésta.

• El gas pobre sale por el fondo del aparato de modo que el combustible y el gas se mueven en la misma dirección

• En particular, los materiales blandos y de baja densidad ocasionan problemas de circulación y una caída excesiva de presión y, el combustible sólido hay que convertirlo en gránalos o briquetas antes de utilizarlo

• formación de escoria• 350 kWe como máxima potencia

Gasificador de tiro transversal

• adaptación para el empleo de carbón vegetal.

• La gasificación del carbón vegetal produce temperaturas muy elevadas (1500°C y más) en la zona de oxidación que pueden producir problemas en los materiales

• el propio combustible (carbón vegetal) sirve de aislamiento contra estas altas temperaturas.

• puede funcionar en instalaciones inferiores a 10 kWe.

• capacidad mínima de transformación del alquitrán y la necesidad consiguiente de emplear carbón vegetal de alta calidad

Gasificador de lecho fluidizado: Uso por encima de los 500 kWe

• Se sopla aire a través de un lecho de partículas sólidas a velocidad suficiente para mantenerlas en estado de suspensión.

• Se calienta externamente el lecho y el material de alimentación se introduce tan pronto como se alcanza una temperatura suficientemente elevada.

• Las partículas del combustible se introducen al reactor, se mezclan muy rápidamente con el material del lecho y se calientan casi instantáneamente alcanzando la temperatura del lecho

• el combustible se piroliza muy rápidamente. En la fase de gas, se produce una nueva gasificación y reacciones de transformación de los alquitranes.

T Flujo de aire Concentracion del gas producido

mol %

Combustible

0C kg/kg combustible

CO H2 CO2 H2O N2 CH4 H2S

carbonAceites vegetales

PajaMadera tratadaMadera no tratada

Pasto/ plantasLodoPurin

832875659655642621600600

2.843.841.401.631.451.241.241.25

32.427.520.519.417.714.65.63.8

15.825.122.521.322.723.219.217.1

0.90.3

11.311.212.614.514.714.7

0.50.36.36.27.69.7

18.624.6

50.046.738.440.938.036.341.239.5

0.10.11.01.01.31.80.40.2

0.3000000.30.1

CONDICIONES OPTIMAS DE CONDICIONES OPTIMAS DE GASIFICACIONGASIFICACION

Análisis aproximado análisis elemental

% peso % peso orgánicos

Combustible

H2O Ceniza Fracciónorgánica

C H O N S

carbonAceites vegetales

PajaMadera tratadaMadera no tratada

Pasto / plantasLodoPurin

11.50

12.714.619.824.232.543.6

8.506.44.41.85.5

25.717.2

80.010080.981.078.470.341.839.2

78.275.448.951.550.849.750.250.2

4.911.76.06.06.16.07.16.5

13.312.943.941.342.742.734.934.6

1.500.81.20.41.35.65.2

1.700.20.10.10.21.80.9

PROPIEDADES DE PROPIEDADES DE BIOCOMBUSTIBLESBIOCOMBUSTIBLES











Esterificación



DigestiónAeróbica


Aceite Vegetal

Metilester

Etanol Biogas

Combustiblesólido

Combustiblegaseoso

Combustibleliquido



a mecánica

Pirólisis

• Proceso de oxidación parcial y controlada (quemado casi en ausencia de aire, λ = 0)), a temperatura elevada– Permite obtener como producto una

combinación variable de combustibles sólidos (carbón vegetal), líquido (efluente piroleñoso) y gaseosos (gas pobre).

Etapas de la pirólisis•Hasta los 120 ° C: una pérdida de agua y de otros productosvolátiles (deshidratación de la materia orgánica).•A los 275 °C: desoxigenación y desulfuración, por lo que seefectúa la disociación molecular de agua y dióxido de carbono, y comienza laliberación de sulfuro de hidrógeno. •Entre los 340 ° C: empieza la rotura de enlaces en compuestos alifático, por loque se da la liberación de metano y otros compuestos alifáticos ligeros.•Hasta los 380 ° C: comienza la etapa de carbonización (concentración decarbón en los residuos).•A los 400 ° C se rompen los enlaces C-N y C-O.•Entre los 400 y 600 ° C se lleva acabo la descomposición de los materialesbituminosos; generándose aceites y alquitranes como productos secundariosde la pirólisis.•A los 600 ° C se efectúa el craking del material bituminoso, generándosehidrocarburos gaseosos de cadena corta e hidrocarburos aromáticos.•Por arriba de los 600 ° C se generan los compuestos aromáticos volátiles.

Ventajas de la Pirólisis•Permite transformar a muchos procesos industrialeslineales en cíclicos•Maneja todo tipo de material orgánico con alto valor calórico•Los residuos se transforman en una fuente de energía que en una pequeña proporción mantiene el sistema, siendo el resto utilizable.• Permite tratar los lodos de las plantas de tratamiento.•Sistema cerrado: no genera emisiones•Desventaja principal: alto costo de inversión, el cual puede ser recuperable

Combustibles producidos• Aceites que resultan de condensar los vapores de la

pirólisis, con poder calorífico de 25 MJ por kg(contiene hidrocarburos aromáticos).

• Gas formado por monóxido de carbono, metano e hidrógeno, además de una gran cantidad de dióxido de carbono, con poder calorífico de 8 a 15 MJ por m3, contra 34,8 del gas natural

• Sólidos carbonosos constituidos por carbones, alquitranes y cenizas. El carbón vegetal producido tiene poco azufre, luego es ambientalmente amigable, con poder calorífico de 25 a 30 MJ por kg.

Tipos de Tecnologías de Pirólisis

• Pirólisis convencional. Se lleva a cabo con temperaturas inferiores a 500 ºC, bajas velocidades de calentamiento y tiempos de residencia de entre medio minuto y cinco minutos. Se obtienen cantidades parecidas de sólido, líquido y gas.

• Pirólisis rápida o "flash" a altas temperaturas. Se maximiza el rendimiento a gas con altas temperaturas (mayores de 700 ºC), con velocidades de calentamiento altas y cortos tiempos de residencia.

Reactor Pirolítico• El reactor pirolítico, consta de una retorta

(cámara) calentada con gas, hermética y revestida con una chaqueta aislante.

o La retorta gira lentamente y tiene una

pequeña inclinación en el sentido de alimentación hacia la descarga.

o Los residuos son alimentados a través de

un sello que abre intermitentemente y son sometidos a la temperatura requerida en una atmósfera deficiente o libre de oxígeno.











Esterificación



DigestiónAeróbica


Aceite Vegetal

Metilester

Etanol Biogas

Combustiblesólido

Combustiblegaseoso

Combustibleliquido



a mecánica

Biodiesel

• Según la definición de American Standardsfor Testing and Materials):

• ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales y que se emplean en:– motores de ignición de comprensión (motores

diesel)– calderas de calefacción

Historia del Biodiesel• 1900 Rudolf Diesel: Aceite de mani• 1920 Shay: Aceite de palma • 2ª Guerra Mundial: Aceites vegetales • Crisis del petróleo

(1973-1979): Aceites vegetales • 1980: Dilución de aceite en gasóleo, Mezcla

de aceite y disolvente, Pirólisis del aceite

• Situación actual: Procesos de transesteriferificación catalítica de aceites vegetales

Prensado / Extracción/Biodiesel

• Se somete el aceite a un proceso de transesterificacion (hidrólisis de losenlaces ester de los trigliceridos)– En el proceso se libera glicerina– Las cadenas de los ácidos grasos

reaccionan con un alcohol, formando el biodiesel

Proceso

• Se usa un catalizador (KOH)– Genera como residuo glicerina

• A partir de 1,05 t de aceite con 0,11 t de metanol se pueden obtener 1 t de ester metílico(biodiesel) para dar un residuo de 0,1 t de glicerina y 0,023 t de ácidos grasos

• La glicerina, es un subproducto que puede venderse a las fábricas de jabón.

Reacción química

Producción de Biodiesel

Ventajas del biodiesel• Es un combustible ecológico de origen renovable • Es seguro, fácil para transportarlo y almacenarlo.• Es biodegradable como el azúcar• ES 10 veces menos tóxico que la sal de cocina• Tiene un punto de inflamación aproximadamente

de 150 ° C, comparado al diesel su punto de inflamación es 50 ° C.

• Su uso reduce aproximadamente en 80% las emisiones de anhídrido carbónico y un 100% las de dióxido de azufre

Continuación• Disminuye en 90% la cantidad de hidrocarburos

totales no quemados y entre el 75%- 90% en los hidrocarburos aromáticos.

• El uso de biodiesel puede extender la vida de los motores por que posee mejor calidad lubricante que el diesel.

• Los derrames en las aguas de ríos y mares son menos contaminantes que otros combustibles.

• Los olores de la combustión son aromas de palomitas de maíz o papas fritas.

• En diversos estudios realizados, se demostró que el biodiesel reduce en un 90% el riesgo de contraer cáncer.

Desventajas del Biodiesel• A bajas temperaturas puede llegar a

solidificarse y producir obstrucciones en los conductos.

• Por sus propiedades solventes, puede ablandar y degradar ciertos materiales como el caucho natural y la espuma de poliuretano. Se tiene que cambiar algunas mangueras del motor antes de usar el biodiesel (vehículos antiguos).

• Produce un mayor consumo en los vehículos debido a que tiene menos poder calorífico y tarda más tiempo en combustionar.

Principales productoresa nivel mundial

Producción mundial de biodiesel (1991 a 2005)

La producción se ha cuadruplicado,mientras que la producción de bioetanolsolo creció al doble y la de petróleo creció un 7%

Biodiesel:• Se obtiene a partir

de:– Aceite comestible en

desuso (aceite recocido)

– Aceites vegetales (“rapeseed”) colza, canola o raps) (Chile)

– Girasol(oleaginosasen EU)

– Soya(Argentina)– Palmera africana

(Brasil)6/21/2012 76

ERNC y tercer mundo• ERNC (Energías Renovables No

Convencionales, en Chile)• ¿Qué tipo de energía: fotovoltaica, eólica,

Hidrógeno, o biomasa?• Respuesta lógica: para pequeños villorios en

zonas tropicales, indudablemente, biomasa (si es posible), en forma de por ejemplo, biodiesel, fabricado a partir de aceites vegetales

6/21/2012 77

Ya es tiempo de introducir ejemplos de la ECONOMÍA AZUL

• 2004: Centro de Investigación Ambiental “Las Gaviotas”, inauguró la primera planta de producción de biodiesel, a partir de aceite de palma (de una zona tropical)

• La productividad posible de obtener por hectárea por año es muy superior a la que se alcanza en zonas templadas donde se ha estudiado en detalle(Europa, Japón y USA) 6/21/2012 78

segunda ventaja:

• El proceso de extracción de aceites es mucho más sencillo:– A menudo es suficiente llevar a cabo una

filtración, comparado con la necesidad de esterificar de zonas templadas y remover la glicerina para prevenir el congelamiento en el invierno, para lo cual se usan sustancias tóxicas (metanol, soda cáustica)

6/21/2012 79

Además (otras ventajas):• Las plantas tropicales tienden a producir

aceites vegetales, cuyas características de combustión son MUY superiores a los tipos de diesel usados en el hemisferio norte (tanto biodiesel o fósiles)

• Además el biodiesel tropical es rico en oxígeno.

• Luego esto: se mejora la combustión y se reduce la formación de particulado en un 85%

6/21/2012 80

y por supuesto no hay que olvidar que:

• El biodiesel es neutro en carbono, ya que es un combustible renovable– Su quema no contribuye al cambio

climático, y:• Por el contrario:

– Debido a que la cosecha anual de frutas es la única que se usa para obtener energía, el resto de los árboles continúan fijando carbono

6/21/2012 81

La gran innovación es otra:

• Las Gaviotas reconvirtieron 8000 ha nuevamente en selva tropical– El experimento fue conducido en la región

de Vichada, bordeando el río Orinoco en el lado este de Colombia

– Tomando un poco más de 2 décadas el equipo liderado por Paolo Lugari, demostró que es posible transformar totalmente la ecología de una región

6/21/2012 82

En concreto:• Simbiosis entre pino

caribeño (PinusCaribbea) y hongos micorriticos (Pisolithustinctorius) convirtieron la sabana en bosque, por medio de:

• El monocultivo reacondicionó el suelo, la hidrología y el microclima, seguida por

• Acción de las fuerzas naturales para crear un bosque de gran diversidad

6/21/2012 83

Resultados:• De las 1.100

especies de palmas originales, 100 han mostrado ya ser adecuadas para la producción de biodiesel

• Un total de 250 se han dejado crecer sin problemas

6/21/2012 84

Que orgullosos deben estar

6/21/2012 85Ingenieros colombianos y americanos (Colorado)

Paolo Lugari

Tractores a Biodiesel:

6/21/2012 86











Esterificación



DigestiónAeróbica


Aceite Vegetal

Metilester

Etanol Biogas

Combustiblesólido

Combustiblegaseoso

Combustibleliquido



a mecánica

Etanol:

• Biocombustible más usado hoy en día• Se puede elaborar:• mediante fermentación de productos

azucarados (caña de azúcar y remolacha)– De granos de cereales (trigo, cebada,

maíz) previa hidrólisis o transformación de azúcares fermentables del almidón contenido en ello

– De papas6/21/2012 88

Uso:• Sustituye la gasolina,

ya sea como único combustible o en mezclas, las que dependen del tipo de clima (más favorable en climas cálidos)– Etanol puro: motores

especiales– Mezclas: no requiere

cambios en vehículos, pero debe ser deshidratado6/21/2012 89

Fermentación Alcohólica

• Es un proceso de descomposición bioquímica directo:– Un material que contiene glucosa, se

descompone químicamente en presencia de oxigeno usando enzimas (catalizadores orgánicos) para formar etanol y dióxido de carbono

Materias primas y proceso• Las materias primas que tienen azúcares

fáciles de extraer y transformar– (semillas de cereal y de maíz, tubérculos, caña de

azúcar, materias celulósicas y hemicelulósicas(paja, madera), etc)

• Mediante la fermentación de las materias azucaradas de los vegetales se obtiene bioetanol, (C2H5OH)– Se utiliza en los motores de encendido por

chispa, mezclado con la gasolina o como único combustible

Usos del bioetanol

• Son:1. la fabricación del ETBE,2. mezcla directa con gasolina,3. como combustible principal en los motores de gasolina o4. mezcla directa con diesel.

En relación al índice de octanos

• El aditivo que se añade a la gasolina para aumentar el índice de octanos es el metil terciario buril éter, MTBE, que se obtiene del metanol. – Es un producto derivado del gas natural o del carbón, un

líquido tóxico que inicia la evaporación a temperaturas moderadas, a partir de 34 ºC.

• bioetanol en forma de ETBE. Cumple mejor tal objetivo por razones físicas de mezcla y produce menos contaminación residual que el MTBE.– Es la mejor vía para introducir la biomasa en el suministro

de combustibles de automoción. Puede alcanzarse con ella hasta el 5% del consumo de gasolinas.

Ventajas del Bioetanol• Las ventajas de usar el bioetanol son:

1. Mejora del índice de octanos2. Mayor calor de vaporización3. Temperatura de llama menor, consiguiéndose una menor pérdida

de calor por radiación4. Mayor volumen de gases en la combustión, lo que significa una

mayor presión y una mayor energía mecánica producida.

5. Velocidad de llama mayor, esto se traduce en un desarrollo más eficiente del par del motor.

6. Mejora la biodegradabilidad de la gasolina.

7. Reduce el número de compuestos aromáticos en la gasolina, y por lo tanto, reduce las emisiones de benceno a la atmósfera.

Desventajas

• Eleva la presión de vapor (esto se produce en la mezcla directa)

• Tiene afinidad por el agua.

producción de bioetanol a partir de cereales con el método de molienda seca

Formación de etanol mediante el método de molienda húmeda

hidrólisis ácida para la producción de Bioetanol











Esterificación



DigestiónAeróbica


Aceite Vegetal

Metilester

Etanol Biogas

Combustiblesólido

Combustiblegaseoso

Combustibleliquido



a mecánica

Etapas de la fermentación bacteriana

Biodigestor: modelo hindúPosee cámara flotanteque recoge los gases

Produce 0,5 a 1 m3

de biogas por volumende reactor por día

Alcanza una máximaeficiencia de 50 % en 15 a 20 días

Biodigestor: modelo chino

Produce 0,15 a 0,2 m3

por m3 por día

Alcanza una máximaeficiencia de 50 % en 30 a 60 días

Digestores de lecho fijo: Filtros anaerobios

• Esquema • Impide el arrastre de biomasamediante un lecho inerte, sobreel cual se fijan losmicrorganismos

• Los soportes son de plástico, silicatos ,entre otros, con superficie específica entre 100 a 200 m2/m3

• Adecuado para aguas con cargas contaminantes de 10 a 20 g de DQO/L y relativamentepocos sólidos en suspensión(200 a 300 g/m3), con tiemposde retención de 0,5 a 3 días. La velocidad de ascensión del afluente debe ser baja (de 0,01 a 0,1 m/h)

MANTO

afluentecrudo

líquido sobren.

lodo descartado

gas

Digestores de lecho expandido o fluidizado

• esquema • Bacterias adheridas a partículasinertes (arenas, plásticos,etc)

• Expansión del lecho del 20%: expandido, del 100%:fluidizado

• Superficie específica: 1000 a 4000 m2/m3

• Afluentes con elevadas cargasde contaminación (10 a 40 g DQO/L, con sólidos en suspension entre 20 a 100 g/m3

, tiempos de residencia entre0,3 a 1 día y velocidades de ascension de líquido entre 2 a 10 m/h en el lecho expandido y de 6 a 20 m/h en el lechofluidizado

efluente

LECHO EXPANDIDOO FLUIDIF.

afluente

gas

Digestores de manto de lodos : UASB

• Esquema • Upflow anaerobic sludge blanket

• Los lodos (biomasa) floculan y coagulan sin necesidad de soporte

• El gas producido mantiene la biomasa en suspensión

• Se usa para DQO entre 10 a 20 g/L, con baja concentración de sólidos (20 a100 g/m3)

• Tiempos de retención es de 1 a 2 días

• Se usa para efluentes con materias fácilmente digeribles

CAPA DE LODO

efluente

MANTO DE LODO

afluente

gas

Eficiencia de degradación anaeróbica

• Para un poder calorífico de biogas de 4.500 a 6.300 kcal/m3 y combustión completa se puede:– Hacer funcionar una máquina de 2 hp por 2 horas– Proveer 1,25 kWh de electricidad– Permitir cocinar 3 comidas para 3 personas– Proporcionar 6 horas de luz equivalente a una

ampolleta de 60 W– Refrigerar de 1 m3 por 1 hora– Incubar un 1 m3 por 0,5 horas

Eliminación de CO2

• La forma más sencilla de eliminar el CO2 consiste en absorber el gas en agua. – Sin embargo requiere mucha agua (489 L

para absorber 1 m3 de biogas (35% de CO2)

Mejor sería• es mejor absorber en solución alcalina como NaOH,

Ca(OH)2 y KOH– 2 NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O– Na2CO3 + CO2 + H2O↔2NaHCO3 ↓

la cal apagada es más barata y disponible en la mayor parte de las localidades:Ca(OH)2 + CO2→CaCO3 ↓ + H2OUna mezcla de 1 kg de cal apagada en 1 m3 de aguabasta para remover casi 3 L de CO2 o 86 L de biogas (35% CO2)

Eliminación de H2S• El Na2CO3 puede ser usado para eliminar el

ácido sulfídrico (H2S), partiendo de la base de que el tiempo de contacto es lo suficientemente largo para que ocurra la reacción:

H2S + Na2CO3 → NaHS + NaHCO3 ↓

Digestor anaeróbico

VG

V

Membranas

Tratamiento anaeróbico

Oxidación química

Oxidación con aire húmedoAdsorción

Oxidación Reducción

Adsorción con carbón

Resinas poliméricas

Desorción con aire o vapor de

agua

Precipitación

Filtración

Biofiltración

Sorción

Oxidación

Intercambio Iónico Osmosis Inversa

DescargaReciclo o

Tratamiento

Metales Pesados Químicos Orgánicos Volátiles: Orgánicos, Amoniaco

Ril de proceso

Tratamiento de riles al Interior de la industria

Estrategia general deTratamiento de riles

Potencial combustible que se daña: Planta el Trebal







Com

bustiblesólido





Esterificación



DigestiónAeróbica

Carbón Gas Aceitede Pirolisis

Aceite Vegetal Metilester

Etanol Biogas

Combustiblesólido

Combustiblegaseoso

Combustibleliquido

CombustiónCalorEnergía eléctrica (Fuel cell) Energía Térmica


a mecánica

Combustión

CalorEnergía TérmicaTrabajo Mecánico

Conversión Térmicaa mecánica

Eólica Hidroeléctrica Química Térmica Nuclear

Fósiles Biomasa

Tipos Energías

Geotérmica Solar

Energía Eléctrica

Fin de la Presentación

Gracias por su atención

Universidad de Santiago de ChileFacultad de Ingeniería

Diplomado en Energía y Desarrollo Sustentable

biomasa presentación.f.corvalán 23 06 2012

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