ENERGÍA DE LA BIOMASA

ENERGÍA DE LA BIOMASA 1. INTRODUCCIÓN Y SITUACIÓN ACTUAL OBJETIVOS - Estudiar la evolución de la biomasa, sus orígenes y su empleo con fines energéticos. - Conocer el alcance de las posibilidades de la biomasa para la producción de energía y su situación actual en Europa y en España. - Evaluar las ventajas e inconvenientes de la biomasa como fuente energética. 1.1 Concepto de biomasa El término de biomasa, en sentido amplio, se refiere a cualquier tipo de materia orgánica que haya tenido su origen inmediato como consecuencia de un proceso biológico. Así pues, el concepto de biomasa comprende tanto a los productos de origen vegetal como a los de origen animal. El denominador común por el que ambos reciben el nombre único de biomasa es porque la materia orgánica proviene, directa o indirectamente, del proceso de fotosíntesis: por ello, la biomasa se presenta de manera periódica y no limitada en el tiempo y, por tanto, de forma renovable. Figura 1.1 La biomasa dentro del contexto de las energías renovables. Fuente: modificado a partir de la reseña bibliográfica nº 6. En la actualidad, se ha aceptado el término biomasa para denominar al grupo de productos energéticos y materias primas de tipo renovable que se originan a partir de la materia orgánica formada por vía biológica. Quedan excluídos de este concepto, los combustibles fósiles o los productos orgánicos derivados de ellos, aunque también tuvieron un origen biológico en épocas remotas. La biomasa es una de las formas de energía renovable, cuyo origen es propiamente solar. El término biomasa se utiliza también en el campo de la Ecología para expresar la materia orgánica total presente en un ecosistema determinado, y en Microbiología Industrial para referirse a la cantidad de microorganismos presentes en un fermentador o producidos en un cultivo. 1.2 Evolución de la biomasa como primera fuente de energía de la humanidad La biomasa, conjuntamente con la energía solar, han representado las únicas fuentes de energía utilizadas por el hombre durante la mayor parte de la historia de la humanidad. Antiguamente, la madera era el combustible más ampliamente utilizado para cubrir las necesidades de calor e iluminación, tanto en el ámbito doméstico como en las distintas aplicaciones industriales existentes hasta el momento. Asimismo, gran parte de las actividades realizadas por el hombre y por los animales requerían un consumo de biomasa que, posteriormente, se transformaba en trabajo muscular. Esta situación cambió a mediados del siglo pasado con la utilización masiva de los combustibles fósiles para fines energéticos, especialmente del carbón. Posteriormente, durante el segundo tercio del siglo XX, el carbón cedió su hegemonía al petróleo, como fuente de energía por excelencia. Sin embargo, incluso en nuestros días, la biomasa sigue abasteciendo a una gran parte de la demanda energética mundial, sobre todo, en los Países en Vías de Desarrollo (PVD), donde este tipo de fuente cubre cerca del 40% de la demanda energética. Según estimaciones del Banco Mundial, la biomasa es actualmente la principal fuente de energía de unos 2.250 millones de personas. No fue hasta 1973, con motivo de la crisis del petróleo, que se tomó conciencia de la necesidad de la utilización de otras fuentes de energía diferentes a los combustibles fósiles. El ritmo de producción de este tipo de combustibles y las evaluaciones de sus reservas, determinan la importancia que está teniendo, a escala mundial, la búsqueda de energías alternativas. Al igual que en otros tipos de energías renovables, la biomasa ha adquirido un papel importante como fuente energética. Se predice que la captación directa de energía solar y la fusión nuclear serán capaces de solucionar definitivamente el problema de aprovisionamiento mundial de energía. Sin embargo, el largo período de espera necesario para desarrollar la tecnología que permita su uso masivo y el interés por la diversificación energética, han hecho pensar en la utilización de otros tipos de recursos renovables. 1.3 Naturaleza de la biomasa La biomasa está compuesta principalmente por hidratos de carbono, lípidos y proteínas o prótidos, en una proporción relativamente variable, según su origen animal o vegetal. Por ejemplo, la biomasa animal, a diferencia de la vegetal, tiene un escaso contenido en hidratos de carbono, y un mayor contenido proteico y lipídico. En la biomasa vegetal, la materia orgánica está constituida en su mayoría por hidratos de carbono, principalmente en forma de compuestos lignocelulósicos o amiláceos y, en menor proporción, por lípidos y compuestos orgánicos nitrogenados (básicamente proteínas). Figura 1.2 Componentes referidos a materia seca de un tejido vegetal no especializado. Fuente: elaboración propia. Asimismo, de cada uno de los principios inmediatos, tan sólo un porcentaje de éstos será capaz de suministrar el 100% de la energía. Por ejemplo, de cada 100 gr de proteína, únicamente 55 gr proporcionarán la máxima energía posible atribuible a este componente, es decir, 4 kcal/gr ; de la misma manera, por cada 100 gr de lípidos, tan sólo 77 gr darán 9 kcal/gr y, finalmente, de cada 100 gr de carbohidratos, 97 gr suministrarán el máximo posible, es decir 4 kcal/gr. Es interesante destacar que la biomasa proteica posee un valor económico bastante mayor que la hidrocarbonada, a pesar de que el contenido calórico de ambas sea semejante. Los hidratos de carbono son los que proporcionan una mayor eficiencia energética de todos los principios inmediatos. En general, los principios inmediatos no se reparten por igual en todos los órganos de los vegetales. De esta manera, las semillas de las leguminosas son ricas en proteínas, los frutos de las especies oleaginosas en lípidos, la raíz de la remolacha azucarera en glúcidos, etc. La biomasa vegetal recibe diferentes calificativos, según el compuesto o grupo de compuestos predominantes en su constitución. En efecto, como los hidratos de carbono son los principios más abundantes en este tipo de biomasa, la clasificación se realiza atendiendo a la forma en la que se encuentran prioritariamente estos compuestos (tabla 1.1). BIOMASA VEGETAL HIDRATOS DE CARBONO EN FORMA DE: Lignocelulósica - Lignina. - Celulosas (hemicelulosa y holocelulosa). Amilácea - Polisacáridos de reserva (almidón o inulina). Azucarada - Azúcares monosacáridos (glucosa o fructosa, principalmente). - Disacáridos (sacarosa). Tabla 1.1 Clasificación de la biomasa en función de la forma en la que se encuentran prioritariamente los hidratos de carbono. No obstante, la biomasa vegetal también se puede clasificar según su contenido hídrico. De esta forma, se puede distinguir entre: a) Biomasa seca. Aquella que posee menos de un 13% de humedad. b) Biomasa semiseca o fresca. Se caracteriza por un mayor contenido de agua que la anterior (un tejido vegetal fresco puede llegar a tener un porcentaje superior al 90% de humedad). c) Biomasa oleaginosa. Es importante resaltar que algunos tipos de biomasa contienen un abundante contenido en aceite (las pipas de girasol, por ejemplo, pueden tener más de un 50% de su peso en seco). Otros grupos de plantas, conocidas como laticíferas (látex), tienen hidrocarburos y esteroles como productos específicos de su metabolismo. De todas formas, aunque la proporción relativa de los compuestos lipídicos en las plantas oleaginosas y laticíferas es superior a la normal, siempre están en una pequeña proporción con relación a la biomasa total de las plantas que los producen. 1.4 Formación de la biomasa La biomasa energética puede entenderse como el conjunto de compuestos orgánicos, de origen vegetal o animal, incluyendo todos los materiales procedentes de su transformación natural o artificial, susceptibles de ser utilizados con fines energéticos. Entre éstos se citan los residuos agrícolas y forestales, cultivos energéticos, residuos animales, residuos industriales y urbanos, etc. Figura 1.3 Proceso de generación de la biomasa. Fuente: modificado a partir de la reseña bibliográfica nº 6. La energía que se puede obtener de la biomasa proviene, en última instancia, de la luz solar. En efecto, gracias a la fotosíntesis, los organismos autótrofos combinan el carbono del CO2 atmosférico con el hidrógeno del H2O que captan del suelo. De esta reacción bioquímica se obtiene materia orgánica en forma de glúcidos (compuestos muy energéticos), y se libera oxígeno a la atmósfera. A mediados del siglo XIX se formuló la ecuación fundamental de la fotosíntesis: La materia orgánica obtenida de los procesos fotosíntéticos constituye lo que se denomina producción primaria. La producción primaria es la cantidad de materia orgánica producida por los organismos autótrofos en una unidad de área y en un período de tiempo determinado. Figura 1.4 La fotosíntesis transforma la energía solar en energía química. Fuente: elaboración propia. Por medio de este proceso bioquímico, la energía solar se convierte en energía química acumulada en diferentes compuestos orgánicos (polisacáridos, grasas), para ser incorporada y transformada por los organismos heterótrofos, incluyendo al hombre que, a su vez, la convierte mediante procedimientos artificiales para obtener bienes de consumo. Figura 1.5 Principales vías de aprovechamiento de la energía solar absorbida por una planta. Fuente: modificado a partir de la reseña bibliográfica nº 1. Desde un punto de vista de aprovechamiento energético, la biomasa se caracteriza por tener un bajo contenido en carbón, y altas concentraciones de oxígeno y compuestos volátiles. Estos últimos, formados por cadenas largas del tipo CnHm en presencia de dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrógeno, suponen alrededor de las 2/3 partes del poder calorífico de la biomasa. El poder calorífico de la biomasa depende de su naturaleza y de su grado de humedad. De esta manera, los valores de los poderes caloríficos se pueden dar en base seca o en base húmeda. En general, se puede considerar que los poderes caloríficos de la biomasa oscilan entre las 3.000 kcal/kg y las 3.500 kcal/kg para los residuos lignocelulósicos, entre 2.000 kcal/kg y 2.500 kcal/kg para los residuos urbanos, y hasta las 10.000 kcal/kg para los combustibles líquidos provenientes de cultivos energéticos. Estas características, juntamente con el bajo contenido en azufre de la biomasa, la convierten en un producto especialmente atractivo para su aprovechamiento energético. 1.5 Biomasa para fines energéticos Las moléculas orgánicas de la biomasa contienen energía acumulada en sus enlaces susceptible de ser liberada en los procesos de combustión. Tal y como se ha mencionado con anterioridad, dicha energía procede de la luz solar captada por los vegetales en el proceso fotosintético, el cual da pie a la reducción del carbono mineral y posibilita la formación de los distintos tipos de moléculas orgánicas, a través de los complejos mecanismos metabólicos de los seres vivos. La materia orgánica integrante de la biomasa puede proporcionar su energía de forma directa, por combustión, o bien a través de compuestos originados por transformación de la biomasa primaria (alcoholes e hidrocarburos), que también devuelven la energía que contienen en sus enlaces al ser oxidados, ya sea en motores de explosión o en quemadores diseñados a tal efecto. La concepción moderna de la utilización de la biomasa con fines energéticos supone la aplicación de los conocimientos científicos y técnicos que se poseen en la actualidad, para optimizar el proceso de captación y acumulación de la energía solar a través de la fotosíntesis, y el desarrollo de procedimientos, a nivel industrial, que sean capaces de transformar económicamente la biomasa en un combustible fácilmente utilizable. El empleo de la biomasa con fines energéticos necesita de un proceso previo con el fin de transformar la biomasa en la materia prima idónea para su posterior tratamiento, según sea la naturaleza final del combustible deseado. De esta forma, pueden utilizarse los siguientes tipos de procedimientos: - Mecánicos (astillado, trituración, compactación). - Termoquímicos (pirólisis y gasificación). - Biotecnológicos (microbianos o enzimáticos). - Extractivos. Para obtener los siguientes tipos de combustibles:  Sólidos: - Leña sin procesar. - Astillas. - Pellets. - Briquetas. - Triturados finos (menores de 2 mm). - Carbón vegetal.  Líquidos1: - Alcoholes. - Biohidrocarburos. - Aceites y ésteres derivados de ellos.  1 Gaseosos: - Gas de gasóleo. - Biogás. - Hidrógeno. Los biocarburantes serán objeto de dedicación exclusiva en el capítulo 5. 1.6 Posibilidades energéticas de la biomasa a nivel global De las posibilidades de la biomasa para proporcionar energía cabe destacar: 1. El contenido calórico de la biomasa, producida anualmente en toda la biosfera, gracias a los procesos de fotosíntesis, se estima en 68,08 Gtep (tabla 1.2). Esta cifra supera con creces la demanda energética de la humanidad, que según estimaciones de la Agencia Internacional de la Energía, era de 9,35 Gtep en 1995; es decir, aproximadamente 7,3 veces menor que la producida en toda la biosfera. 2. Las necesidades alimenticias anuales de una población mundial de 6.000 millones de habitantes (a razón de 6.000 kcal/día) serían 1,314 x 1016 kcal, lo que representa menos de un 2% de la producción fotosintética mundial. Queda, por tanto, un amplio margen para dedicar gran parte de la biomasa producida a la obtención de energía. 3. Las tierras cultivadas ocupan en la actualidad el 2,7% de la superficie terrestre y contribuyen a la producción de la biosfera en solamente un 5%. Una cuarta parte de la biomasa producida en las tierras cultivadas se utiliza como alimento, empleándose el resto en la fabricación de productos industriales (fibras principalmente) y en la formación de biomasa residual. ECOSISTEMA Superficie ocupada (%) BIOMASA (Gtep) Existente Producción anual Océanos 70,8 1,56 22 Bosques 11,2 680 31,96 Prados y estepas 4,7 29,6 7,56 Cultivos agrícolas 2,7 5,6 3,64 Desiertos y tundras 9,8 7,4 1,12 Aguas continentales 0,8 12,04 1,8 100% 736,2 68,08 TOTAL 1 t biomasa seca = 0,4 tep. tep: Tonelada Equivalente de Petróleo. Superficie total de la biosfera = 5,10·10 8 km2. Tabla 1.2 Estimación de la biomasa existente y de la producción anual de biomasa en los diferentes ecosistemas de la biosfera. 4. La eficiencia energética de la fotosíntesis a nivel de la biosfera total es muy baja, del orden del 0,05%. Sin embargo, a nivel de laboratorio, se ha demostrado que pueden alcanzarse porcentajes de eficiencia 100 veces superiores en las condiciones adecuadas. Es evidente que dedicando una parte del esfuerzo investigador a los estudios sobre la fotosíntesis, se podría mejorar el rendimiento de este proceso y, como consecuencia inmediata, se aumentaría la producción total de biomasa. 5. El cultivo de la tierra con fines energéticos abre nuevas perspectivas para la utilización de una gran cantidad de superficies que hoy son consideradas como marginales para los cultivos agrícolas tradicionales. De esta manera, además de revalorizar las tierras improductivas, se ayudaría a solucionar el problema de la ocupación de mano de obra precisamente en las zonas más pobres y necesitadas de puestos de trabajo. 6. La utilización de la biomasa producida con fines energéticos en los propios países consumidores eliminaría la dependencia del mercado exterior, invirtiendo en el propio país el coste de la producción de la biomasa. La principal ventaja de la utilización de una fuente de energía renovable dependiente del propio país estriba, aparte del ahorro de divisas, en la independencia del exterior en cuanto a la planificación del consumo energético. 7. Tanto el cultivo de la biomasa con fines energéticos, como los procesos de transformación de ésta en combustibles de fácil utilización por el hombre, no requieren el apoyo de nuevas tecnologías sofisticadas o pendientes de contrastar. Se trata, pura y simplemente, de aplicar (de manera lógica y racional) los conocimientos científicos y técnicos que se poseen en la actualidad, enfocándolos con un criterio energéticoeconómico y adecuados a las nuevas circunstancias. 1.7 Evolución y perspectivas de la biomasa como fuente de energía A finales de la década de 1970, la biomasa se empezó a considerar como una potencial fuente de energía. En el transcurso de estos años, han ocurrido una serie de profundos cambios en los sectores energético, agrícola y medioambiental, que han motivado que lo que entonces se vislumbraba como una posibilidad, hoy se perfile como una alternativa real para un futuro más o menos inmediato. Hasta ahora, el principal incremento en la utilización de la biomasa como fuente de energía se ha basado en la de tipo residual; sin embargo, en la actualidad, los cultivos energéticos se contemplan como una posible alternativa para solucionar, en parte, los problemas derivados de las producciones excedentarias del sector agrícola, especialmente en la Unión Europea. Durante la década de 1980, el sector agrícola estuvo caracterizado por un aumento constante en las producciones de los cultivos tradicionales, como consecuencia de una mejora continua de las técnicas de laboreo, junto con la siembra de nuevas variedades mejor adaptadas a cada zona. Concretamente, en Europa, la producción de cereales pasó de 3,77 t/ha en 1980 a 4,77 t/ha en 1990 (un incremento del 26,5%), con un crecimiento de la población europea de tan sólo un 3% ( de 318,2 a 327,7 millones de habitantes) durante ese mismo período. Esta situación llegó a originar un serio problema a causa de la producción sistemática de excedentes de productos alimenticios en algunas regiones, mientras que en otras, los incrementos de producción no se lograban con tanta facilidad. Esta tendencia al aumento de la productividad de los cultivos tradicionales se ha producido de forma general en todos los países, tanto en los desarrollados como en los que están en vías de serlo. La saturación de la demanda de los productos alimenticios y, por tanto, la generación sistemática de excedentes agrícolas, hace necesaria la búsqueda de nuevos mercados para colocar las producciones agrícolas. En este sentido, hay que pensar necesariamente en el sector energético, ya que el consumo de energía es varias veces superior al de alimentos, expresados ambos en térmicos calóricos. A nivel mundial, la relación media entre el consumo de energía per cápita y el de alimentos es de 20,5, oscilando entre los 6,7 de los PVD y los 111,1 de Canadá, donde el consumo de energía per cápita es máximo. En cuanto a las repercusiones medioambientales, los combustibles procedentes de la biomasa generada en plantaciones energéticas son inocuos a efectos de contribuir al efecto invernadero, ya que todo el CO2 producido en la "quema" de dichos combustibles ha sido previamente fijado de la atmósfera, incluso en mayor proporción, ya que no toda la biomasa formada se destina a la combustión (una gran parte de ella suele quedar inmovilizada en el suelo después de la recolección). Por este motivo, la utilización de los biocombustibles en sustitución de los combustibles fósiles puede ser una de las vías para frenar el deterioro ambiental, provocado por el incremento de anhídrido carbónico en la atmósfera. 1.8 Situación actual en la Unión Europea En el año 2000, la biomasa supuso el 54% de la contribución de las energías renovables a la producción de energía primaria de la UE con aproximadamente 47,3 Mtep. En referencia a los países productores de energía a partir de biomasa, Francia ocupó el primer lugar gracias a una política de incentivos físcales favorables, con aproximadamente un consumo de 9.800 ktep/año, lo que representó el 20,7% del total de la UE en ese año. A continuación, se situaron Suecia y Finlandia, que cuentan con unos excelentes recursos en esta materia y un gran desarrollo en los sistemas de calefacción de distrito y de aplicación industrial. España ocupó el sexto lugar con cerca de 3.600 ktep producidos, repartidos por un igual entre el sector doméstico e industrial (figura 1.6). La utilización principal de la biomasa es para usos domésticos y térmicos. En lo que concierne a los tipos de biomasa, la mayor parte de la producción de energía corresponde a los residuos de madera, con aproximadamente 20·106 tep/año. Con la situación actual, el potencial de la biomasa en forma de energía se estima en unos 135·106 tep/año, a pesar de que un cálculo más realista situaría esta cifra en aproximadamente 70·106 tep/año. Las estimaciones realizadas para el año 2010 sitúan la contribución de la biomasa en 62 Mtep, bastante menos que el objetivo acumulado1 del Libro Blanco, cifrado en 135 Mtep. En la figura 1.6 se ilustra el consumo de biomasa en la UE durante el año 2000. Figura 1.6 Consumo de biomasa en la UE, en Mtep, durante el año 2000. Fuente: modificado a partir de la reseña bibliográfica nº 5. Las previsiones apuntan hacia un crecimiento en el uso de la biomasa en los próximos años con nuevos programas de investigación y desarrollo sobre la aplicación de sistemas de pirólisis y gasificación. El aprovechamiento de la biomasa para la producción de energía ha crecido algo más de un 30% en la UE durante los últimos diez años. Teniendo en cuenta el gran beneficio medioambiental que representa la utilización de residuos sólidos urbanos (en adelante RSU), cabe destacar que actualmente existen 304 plantas de incineración2 de los RSU a gran escala en Europa, las cuales tienen una capacidad total instalada de 8.800 MW y eliminan un total de 50 millones de toneladas de residuos. El 70% de esta producción de energía se dedica a la calefacción centralizada (sobre todo en los países del norte), mientras que el 30% restante se emplea en la producción de electricidad. El número de plantas de incineración de RSU ha bajado de las 415 existentes en 1993 a las 304 actuales, debido a los siguientes factores: - Se ha llegado a la vida útil de la planta. - Muchas plantas han cerrado debido a las normas de emisiones impuestas por la Directiva de incineración de la UE de 1996 (96/61/CE de 24 de septiembre) y la Directiva 2000/76/EC relativa a la incineración de residuos. - Todas las plantas deben incorporar sistemas de recuperación de la energía producida para poder cumplir con la misma Directiva. - Desde finales de los años 80, la tendencia ha consistido en construir plantas cada vez más grandes con el fin de reducir los costes unitarios. 1 El Libro Blanco no diferencia entre las diferentes formas de biomasa. Hay que aclarar que el Libro Blanco no considera este tipo de sistema como una fuente de energía renovable. 2 1.8.1 Biogás Durante el año 2000, los 15 países de la UE produjeron 2304 ktep de biogás, lo que representa el 5% de toda la energía producida a partir de la biomasa. A este respecto, el Reino Unido es el país más avanzado con cerca de 897 ktep. Se estima que esta fuente de energía representa una producción explotable de 18 Mtep para el año 2020 y que, en la actualidad, ya se ha superado el objetivo de la Campaña de Despegue del Libro Blanco de la Comisión Europea (1.000 MW antes del año 2003). Sin embargo, para poder alcanzar el objetivo del Libro Blanco, estimado en 15 Mtep para el año 2010, será necesario un aumento del 30% anual. Este crecimiento será muy difícil de mantener, aunque es de esperar que el aprovechamiento energético del biogás producido por las instalaciones de tratamiento de residuos cobre mucha más importancia, según se vayan reforzando las mediciones ambientales sobre estas actividades. En la tabla 1.3 se ilustra la producción de biogás en la UE durante el año 2000. País Producción (ktep) País Producción (ktep) Luxemburgo 2 España 101 Grecia 2 Suecia 120 Portugal 7 Países Bajos 143 Finlandia 17 Italia 143 Irlanda 24 Francia 167 Austria 36 Alemania 525 Bélgica 48 Reino Unido 897 Dinamarca 72 España 101 Tabla 1.3 Producción de biogás en la UE durante el año 2000. Fuente: Eurobserver. 1.8.2 Biocarburantes Durante el año 2000, tan sólo hubo tres países productores de bioetanol en la UE: Francia, España y Suecia. En este sentido, Francia ocupa el primer lugar en cuanto a volumen producido con un crecimiento anual del 18% desde 1992, la mayor parte del cual se destina a ETBE. Sin embargo, en un futuro próximo se espera que España alcance el primer puesto gracias a las numerosas plantas que se encuentran en fase de construcción. En referencia a la producción de biodiesel, Francia es líder con una producción anual de 328.600 t, de las que 20.000 t se exportan a Alemania. Asimismo, se han anunciado nuevos proyectos que permitirán aumentar su producción cerca del millón de toneladas. En la tabla 1.4 se muestra la producción de biocarburantes en la UE por países durante el año 2000. Bioetanol (t) ETBE (t) Biodiesel (t) 91.000 193.000 328.600 - - 246.000 España 80.000 170.000 - Suecia 20.000 - - Italia - - 78.000 Austria - - 27.600 Bélgica - - 20.000 191.000 363.000 700.200 País Francia Alemania Total Tabla 1.4 Producción de biocarburantes en la UE por países durante el año 2000. Fuente: Eurobserver. Las tendencias actuales de aumento de producción de biocarburantes apuntan a una producción aproximada de 4,8 millones de toneladas para el año 2003, cifra que coincide con el objetivo de la Campaña de Despegue para el Libro Blanco. Sin embargo, será difícil alcanzar el objetivo del 2010 si no se aumenta la actual tasa de crecimiento; para poder suministrar el 7% del consumo de carburantes, tal y como exige el Libro Blanco, será necesario alcanzar una producción anual de 17 millones de toneladas, mientras que las previsiones apuntan a una cifra de 11, 7 millones. 1.8.3 Política de la unión europea en relación al aprovechamiento de la biomasa Desde hace más de veinte años, la Comisión de la CE, a través de su Dirección General de Investigación, Ciencia y Desarrollo (DG XII), viene impulsando toda una serie de programas en relación al aprovechamiento energético de la biomasa (Bioenergy 19801984, Energy from biomass 1985-1988, JOULE 1989-1992, JOULE II 1993-1994, Thermie -vigente en la actualidad-, entre otros). Fruto de esta preocupación constante ha sido la realización de numerosas reuniones científicas y técnicas sobre esta materia, además de multitud de Conferencias Internacionales sobre esta fuente energética. El Programa AIR (Agriculture and Agroindustry Including Fisheries), lanzado conjuntamente por la DG VI (Agricultura), la DG XII (Investigación, Ciencia y Desarrollo) y la DG XIV (Pesca) de 1991 a 1994, recoge, entre otros, los temas relativos a la producción y aprovechamiento de la biomasa para fines no alimenticios. El actual Programa Marco también sigue considerando este tema. Según estimaciones publicadas por la DG XII de la Comisión de la UE, cerca de 20 millones de hectáreas de tierras de cultivo, y entre 10 y 20 millones de hectáreas de tierras marginales, podrían ser destinadas a la producción de biomasa hacia el año 2000. En este mismo trabajo se estima que el consumo actual de biomasa representa el 2,5% en el balance energético de la UE, pudiendo llegar potencialmente a un 15%. Una de las acciones más significativas emprendidas por la Comisión de la UE en materia de Agroenergía ha sido la "propuesta de Directiva" realizada en febrero de 1992 (directiva Scrivener) en la que se proponía la reducción en un 90%, como mínimo, de los impuestos especiales que gravan los carburantes de origen vegetal. Tras su revisión de febrero de 1994, dicha propuesta fue modificada en el sentido de hacer que la medida fuera voluntaria (en lugar de obligatoria), que la exención del 90% se considerase como la máxima posible, y que al cabo de 10 años de entrada en vigor de la directiva, el impuesto especial fuese el 20% del que gravaría el carburante al que reemplazase, incrementándose en un 10% cada 5 años hasta alcanzar el nivel del 50%. En la actualidad, dicha medida está pendiente de aprobación por el Consejo; no obstante, algunos países como Francia ya han tomado la iniciativa y han librado totalmente de impuestos a los biocarburantes que se producen en su territorio. 1.9 Ventajas e inconvenientes de la biomasa como fuente de energía Tal y como se ha mencionado con anterioridad, la biomasa es una vía indirecta de captación de la energía solar. Su rendimiento es muy bajo (como máximo el 1% de la energía solar incipiente); sin embargo, su interés ha crecido en los últimos años por las diversas ventajas que presenta respecto de la captación directa de energía solar:  Las inversiones necesarias (laboreo, simientes, etc.) son mucho menores que las requeridas por la captación física.    La captación biológica es una técnica menos elitista. Esto permite una independencia científica para mucho países. Asimismo, al poderse adaptar a instalaciones a pequeña escala, permite también la independencia energética en centros consumidores, tales como agricultores, ganaderos, etc. La producción de biomasa es adaptable a todos los climas y suelos: por ello, es útil para todos los países. La generación de residuos urbanos e industriales se ha incrementado mucho en los últimos años, de tal manera que su gestión y tratamiento suponen uno de los principales problemas ambientales de nuestra sociedad. La producción de energía a partir de estos residuos permite evitar ciertos problemas medioambientales, y constituye una opción limpia y efectiva para su eliminación. Sin embargo, hay que tener en cuenta también algunos inconvenientes que presenta la biomasa como fuente de energía:    El principal obstáculo que presenta su utilización es su vinculación directa hacia el campo de la alimentación y ésta, a escala mundial, es deficitaria. Si unimos a esto el hecho de que las zonas de producción y de consumo de alimentos tienden a desequilibrarse, los razonamientos de orden ético deberían poner en duda ciertos programas. La comercialización de varios tipos de biomasa entra en competencia directa con otros mercados, además del alimenticio, que también deben ser considerados. Finalmente, otro inconveniente que se presenta frecuentemente en trabajos sobre este tema es el de la correcta evaluación económica de los productos obtenidos de la biomasa. Puntos a destacar 1.- Se define la biomasa como el grupo de productos energéticos y materias primas de tipo renovable originados a partir la materia orgánica formada por vía biológica. 2.- La biomasa se compone de hidratos de carbono, lípidos y proteínas, en una proporción variable, según su origen vegetal o animal. 3.- Entre la biomasa susceptible de ser aprovechada energéticamente cabe citar los residuos agícolas y forestales, cultivos energéticos, residuos animales, RSU, etc. 4.- La fotosíntesis es el mecanismo fundamental, por el que los organismos autótrofos como las plantas producen oxígeno y materia orgánica que, posteriormente, será aprovechada por los organismos heterótrofos. 5.- La utilización de la biomasa con fines energéticos necesita de un proceso previo antes de su utilización como combustible en los sistemas convencionales. Estos procedimientos pueden ser mecánicos, temoquímicos, biotecnológicos y extractivos. 6.- El cultivo de la tierra con fines energéticos supone revalorizar gran cantidad de superficies marginales para los cultivos agrícolas tradicionales. 7.- La utilización de los biocombustibles en sustitución de los combustibles fósiles puede significar una de las vías para frenar el deterioro ambiental. 8.- La biomasa se utiliza principalmente en la UE para fines domésticos y térmicos. 9.- Existen una serie de programas en relación al aprovechamiento energético de la biomasa, destinados a potenciar su producción dentro del marco de la UE, merced a incentivos fiscales y explotación de tierras marginales. 10.- En España, el principal consumo de biomasa es para fines domésticos, siendo la combustión la principal vía de utilización. 11.- La biomasa presenta una serie de ventajas en su aprovechamiento como fuente energética, tales como una mayor independencia energética respecto del exterior, su adpatación a todo tipo de suelos y climas, la eliminación de RSU, etc.; sin embargo, también presenta algunos inconvenientes relacionados sobre todo por su competencia directa con el mercado agroalimentario. 2. TIPOS DE BIOMASA OBJETIVOS - Conocer las principales formas de clasificación de la biomasa. 2.1 Clasificación de la biomasa atendiendo a su origen En función de su origen, una de las posibles clasificaciones que pueden realizarse de la biomasa es la siguiente:  Biomasa natural.  Biomasa residual.  Cultivos energéticos.  Otras formas de biomasa. 2.1.1 Biomasa natural Se considera biomasa natural a aquella que se produce en los ecosistemas naturales sin la intervención humana, por ejemplo, en bosques, matorrales, herbazales, etc. Si bien este recurso ha sido tradicionalmente explotado, este tipo de biomasa no parece ser la más adecuada para su aprovechamiento energético masivo, ya que podría originar una rápida degradación de los ecosistemas naturales. Una explotación intensiva de este recurso (como ocurre en ciertas zonas del tercer mundo o en áreas con problemas de superpoblación) conduce a daños que pueden resultar irreparables. Figura 2.1 Biomasa de origen natural. De esta manera, en principio, debería ser respetada como tal, formando una reserva biológica natural. Sin embargo, se podrían aprovechar los residuos de las partes muertas o, en los casos de intervención humana, los restos de podas y aclareos, lo que evitaría posibles incendios, pero siempre respetando al máximo el equilibrio y la estabilidad de los ecosistemas. Únicamente se puede aceptar una intervención humana siempre que se ejerza una presión menor que la capacidad de regeneración del ecosistema (como ha ocurrido históricamente con las leñas obtenidas de los bosques). A pesar de ello, este tipo de biomasa es actualmente una fuente energética de gran importancia en ciertas zonas rurales y en los países en vías de desarrollo. 2.1.2 Biomasa residual En la práctica, en cualquier actividad humana se genera una cierta cantidad de residuos o subproductos. La biomasa residual engloba a todos aquellos residuos o subproductos producidos de forma antropogénica. De esta forma, los principales materiales de este tipo utilizables como biomasa con fines energéticos pueden tener orígenes muy diversos:  Agrícolas.  Forestales.  Procedentes de las explotaciones ganaderas (estiércol).  Derivados de las industrias agroalimentarias.  Propios de las industrias forestales de transformación de la madera. Otros materiales que quedan incluidos dentro de este grupo son los denominados residuos biodegradables, correspondientes a:  Efluentes ganaderos.  Efluentes de aguas residuales.  Lodos de depuradoras, etc. Asimismo, también se contemplan en esta clasificación una parte de los denominados Residuos Sólidos Urbanos o RSU (correspondiente a los restos de alimentos, plásticos, papel, etc.). Figura 2.2 Composición de los residuos sólidos urbanos en España. 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, puede hacer autosuficiente desde el punto de vista energético, a las instalaciones que aprovechan sus propios residuos, tales como granjas, industrias papeleras, serrerías o depuradoras urbanas. 2.1.3 Cultivos energéticos Los cultivos energéticos corresponden a aquellos que se realizan con el fin exclusivo de obtener materiales destinados a su aprovechamiento energético. Las características de este tipo de cultivos son: - Su alta producción por unidad de superficie y año. - La limitación de los cuidados al cultivo. Tal y como se verá en el capítulo 4, las especies dedicadas a producir biomasa con fines energéticos pueden ser de tipo herbáceo o leñoso, en competencia con las especies utilizadas en cultivos agrícolas tradicionales o en aprovechamientos silvícolas clásicos. Los cultivos susceptibles de ser utilizados como productores de energía deben de estar seleccionados de acuerdo con la premisa general de obtener de forma rentable la máxima cantidad posible de energía neta compatible con las condiciones edafoclimáticas de cada zona. Esto implica que el balance energético de la producción sea positivo respecto a la energía tradicional empleada en las operaciones de cultivo, recolección y preparación del biocombustible. Los cultivos energéticos, realizados con la finalidad de producir biomasa transformable en combustible (en lugar de producir alimentos, como ha sido la actividad tradicional de la agricultura) son ya realidad en algunos países, principalmente en Brasil y Estados Unidos, que enfocan la producción de caña de azúcar y maíz, respectivamente, a la obtención de etanol para carburante de automoción. En Europa, también se está avanzando en esta actividad en los últimos años, siendo los ésteres derivados de los aceites de colza, los biocarburantes que mayor desarrollo tienen de todos los que se pueden obtener de las producciones agrícolas. 2.1.4 Otras formas de biomasa En este apartado quedan incluidos gran variedad de compuestos, aunque en general carecen de la importancia que tienen el resto de los materiales contemplados en los apartados anteriores. Entre estos, se pueden destacar: - Los excedentes agrícolas. - Los recursos que se producen de forma puntual en el tiempo. Por ejemplo, los correspondientes a materiales de derribo, restos procedentes de actividades no energéticas (desmontes, excavaciones...), que pueden ser utilizados también con fines energéticos. Finalmente, en una especie de cajón de sastre, es necesario recordar otros materiales, tales como la cera de abeja de las velas o las grasas animales en candiles y quinqués, que se han utilizado como fuente energética en aplicaciones específicas. 2.2 Clasificación de la biomasa según su viabilidad energética Otra manera de clasificar la biomasa es en función de su viablidad como fuente energética, la cual se verá condicionada por las diferencias tecnológicas y económicas resultantes a la hora de evaluar las diversas variedades existentes. En este caso, se pueden establecer tres categorías diferentes de biomasa: residuos, cultivos energéticos terrestres y, finalmente, cultivos energéticos acuáticos. 2.2.1 residuos Como ya se ha comentado anteriormente, en cualquier actividad humana se genera una cierta cantidad de residuos o subproductos. Dichos materiales se caracterizan por su valor económico positivo, negativo o nulo: - Positivo: el residuo tiene otra valoración posible distinta de la energética (por ejemplo, en el caso de la paja). - Nulo: no existen utilizaciones alternativas, como ocurre en el caso de los residuos forestales. - Negativo: las propiedades contaminantes o higiénicas exigen su depuración. Este es el caso, entre otros, de los efluentes de aguas residuales, los efluentes ganaderos, los RSU, etc. En el caso de estudiar la posibilidad de utilizar residuos para la producción de energía, se deben tener en cuenta las características y condicionantes siguientes: - Varios tipos de residuos juegan un papel importante en la agricultura como aporte de nutrientes tanto inorgánicos (NPK), como orgánicos (ácidos húmicos). La utilización energética de los residuos debe prever la sustitución de este cometido. - La producción de la mayor parte de los residuos no es constante en todas las épocas del año. Además, algunos de ellos son inestables y exigen una transformación inmediata sin posibilidad de almacenamiento. - La rentabilidad del aprovechamiento de los residuos está fuertemente condicionada por los costes de recogida y transporte hasta la instalación de transformación. Estos costes dependen, a su vez, de la densidad de producción (dispersión) y de la densidad energética del propio residuo (relación del contenido energético en función del volumen o la masa, según cuál sea el factor limitante). - El contenido de humedad determinará el tipo de tratamiento más adecuado. En el caso de los residuos secos, éstos se adaptan mejor a procesos termoquímicos; en cambio, en el caso de las biomasas húmedas, son preferibles los tratamientos bioquímicos. Los principales residuos susceptibles de aprovechamiento energético son los siguientes:  Residuos urbanos.  Residuos agrícolas y forestales.  Residuos de explotaciones ganaderas.  Residuos de industrias agroalimentarias (IAA). 2.2.1.1 Residuos urbanos Los residuos urbanos comprenden los RSU y los lodos de depuración. La gran ventaja para su aprovechamiento energético es su buena regularidad (en cantidad y composición), así como su concentración de aprovisionamiento. Además, la necesidad de tratarlos viene regida por su capacidad contaminante y, por tanto, la valorización energética es una de las vías para su eliminación. El tratamiento que parece ser el más aceptado en la actualidad es la combustión total para producir calor (o electricidad vía vapor de agua). Se realizan también ensayos de gasificación y licuefacción, pero el desarrollo de la tecnología está mucho menos desarrollada. Se admite que del 1% al 2% de las necesidades energéticas de un país desarrollado pueden ser cubiertas gracias a la combustión de los RSU. Otra de las modalidades que entra cada vez más en competencia con la valorización energética es la recuperación de algunos constituyentes. En el caso de metales magnéticos y vidrio, su eliminación es necesaria para los tratamientos de combustión o similares; no obstante, el papel, que también se recupera, supone una parte muy importante del contenido energético de los residuos urbanos. Asimismo, los estudios sobre el tema prevén también la recuperación de los plásticos en un futuro no muy lejano. Figura 2.3 Gestión integral de los residuos sólidos urbanos. 2.2.1.2 Residuos agrícolas y forestales A este grupo corresponden, entre otros, la paja, el bagazo de maíz, las ramas y las cortezas de los árboles. En la figura 2.4 se presenta una distribución aproximada de la explotación de la biomasa de los árboles. Al utilizar sólo los troncos de los árboles, y si descontamos la corteza y el serrín producido en su manipulación, se tiene que el aprovechamiento es inferior al 50% del total de la biomasa del árbol. Figura 2.4 Distribución porcentual aproximada de la biomasa total de los árboles. El carácter seco de estos residuos aconseja las vías termoquímicas para su tratamiento. Su débil densidad energética y de producción encarece el transporte a grandes instalaciones de transformación. En general, la combustión en pequeños locales para la producción de calor es la utilización más rentable. Sin embargo, para grandes explotaciones, la gasificación y la licuefacción pueden llegar a ser ventajosas. 2.2.1.3 Residuos de explotaciones ganaderas Los residuos de las explotaciones ganaderas comprenden, principalmente, todos los tipos de estiércol. La recuperación de estos residuos puede considerarse factible en un 30%. En la tabla 2.1 se presentan los datos de producción en España para los cuatro grupos principales. Especie Tabla 2.1 (tm/año) % Bovino 39.800 60,2 Porcino 17.700 22,2 Ovino y caprinos 9.800 14,8 Aves 1.850 2,8 Producción anual de estiércol en España. Fuente: Facultad de Ciencias Químicas de San Sebastián, Universidad del País Vasco. Las principales características del estiércol son su carácter húmedo y su alto contenido en nutrientes para la agricultura: por ello, se aconseja la biometanización1 como proceso más adecuado para recuperar su contenido energético, ya que los lodos producidos mantienen intacto el poder nutriente de los residuos tratados. Asimismo, otra de las ventajas de la biometanización del estiércol es que necesita poca inversión y puede adaptarse perfectamente a pequeñas explotaciones. 2.2.1.4 Residuos de las industrias agroalimentarias (IAA) Este tipo de residuos tiende a aumentar con el grado de desarrollo de la sociedad. Al igual que los residuos de explotaciones ganaderas, son de naturaleza húmeda y, por lo tanto, se adaptan bien a la biometanización. El alto contenido en proteínas de algunos de estos residuos (por ejemplo, en las fábricas de queso) hace que su recuperación sea interesante para la alimentación animal. 1 La biometanización es un proceso de conversión de la biomasa en energía, basado en un proceso de digestión anaerobia. Se tratará más extensamente en el capítulo 6. 2.2.2 cultivos energéticos terrestres Se consideran cultivos energéticos terrestres aquellos que, teniendo como fin primordial la producción de energía, se plantan sobre tierra. Distinguiremos dentro de él dos apartados: la silvicultura y la agricultura. 2.2.2.1 La silvicultura El 50% de la producción mundial de madera se utiliza como materia prima para la construcción, y para la fabricación de mobiliario y papel. El resto se quema directamente para producir energía. Sin embargo, en los países del Tercer Mundo, el porcentaje de madera quemada puede llegar a un 95%. Las superficies boscosas del mundo disminuyen a un ritmo de 12 millones de hectáreas por año. En el año 2000, se calcula que habrá de un 5% a 20% menos de bosques, en tanto que las necesidades no energéticas de la madera doblarán las que había en el año 1985. De todos estos datos, se deduce que la silvicultura clásica no puede ser considerada como una fuente de energía. Por el contrario, habrá que pensar en sustituir gran parte de la madera actualmente quemada por otras fuentes de energía para satisfacer las necesidades del hombre. No obstante, existe una silvicultura diferente, desarrollada con el objetivo de optimizar la producción de biomasa con fines energéticos: los cultivos de rotación corta (CRC). Éstos utilizan la propiedad que tienen ciertos árboles de reproducirse a partir del tocón que queda tras la tala (álamo, eucaliptus, chopo, sauce, etc.), o bien a partir de las raíces (aliso, etc.). Figura 2.5 Ejemplo de chopo como cultivo de rotación corta (CRC). La tala produce la maduración de las yemas situadas por debajo del corte. Estas yemas, desde el principio de la primavera, utilizan los azúcares almacenados en las raíces para desarrollarse rápidamente. Esta técnica implica la tala de la madera relativamente joven y la utilización de todas las partes situadas por encima del corte (tronco, ramas, hojas, corteza, etc.) en lugar de utilizar únicamente el tronco, como en la silvicultura clásica. Este sistema tiene la ventaja de poder producir biomasa en invierno, lo que es imposible en otros cultivos anuales, y podría asegurar la alimentación en continuo de una instalación de transformación. El rendimiento máximo actualmente alcanzado para una producción a gran escala es de 6-9 toneladas de materia seca por hectárea y año (tms/ha·año). En este sentido, un proyecto sueco prevé una producción de 20 tms/ha·año para el año 2015, mientras que el proyecto francés ALTER, menos optimista, estima producir 12 tms/ha·año para el año 2050. La limitación más importante de esta técnica la constituyen los terrenos de cultivo. En efecto, se estima que una explotación rentable de este tipo necesita de 10.000 a 20.000 ha en unas condiciones climáticas y edáficas relativamente exigentes (como son 600 mm anuales de precipitación, terreno agrícola y no más del 30% de pendiente): en definitiva, la localización de estos terrenos compite directamente con las plantaciones agrícolas clásicas. Las investigaciones actualmente en desarrollo se dirigen hacia dos vertientes: - Mejora de las especies, con el fin de aumentar los rendimientos y la adaptación a diferentes tipos de suelos y climas. - Fabricación de maquinaria específica para este tipo de cultivos. A pesar de las limitaciones anteriormente citadas, varios países se han lanzado en ambiciosos programas de desarrollo. Cabe citar a Irlanda, que prevé la sustitución de las tuberas (fuente clásica de aprovisionamiento de energía) de este país, que están a punto de agotarse, por CRC. Otros países seriamente interesados en esta técnica son Suecia y Francia. Por último, cabría citar el bosque bajo (matojos, arbustos, etc.), que supone una gran reserva de biomasa en muchos países y que no se utiliza actualmente. Por ejemplo, en Francia existen 5 millones de hectáreas que en una explotación racional podrían producir de 0,5 a 5 t/ha·año. Otra vía de utilización propuesta sería cortar la actual vegetación y sustituirla por CRC. Las principales objeciones que presentan estas soluciones son de orden ecológico, pues el monte bajo supone, para muchos países industrializados, uno de los ecosistemas relativamente salvajes. 2.2.2.2 La agricultura Los diferentes tipos de cultivos susceptibles de un posible aprovechamiento energético pueden clasificarse en: - Cultivos fermentables. Producen etanol por fermentación de los azúcares. - Cereales: maíz, trigo, cebada, sorgo, etc. - Tubérculos: patata, pataca, tupinambo. - Raíces y plantas azucareras: remolacha, sorgo azucarero, caña de azúcar, etc. - Material celulósico: tallo de maíz, caña de provenza, caña común, etc. - Cultivos oleaginosos. Tal y como se verá más adelante, ciertos motores diesel pueden funcionar con aceites de origen vegetal. Se puede citar el girasol, la colza, etc. - Biomasa productora de hidrocarburos. Pueden obtenerse hidrocarburos (tipo triteopeno) directamente del látex de ciertas plantas (euphorbias). 2.2.3 Cultivos energéticos acuáticos La gran limitación de este tipo de cultivos proviene de la baja concentración de nutrientes de las aguas marinas. Dentro de estos tipos de cultivos hay que considerar, además de las superficies marinas, la posibilidad de utilizar superficies de agua continentales, tanto naturales (lagos, lagunas, etc.) como artificiales. La idea general de todas las explotaciones acuáticas es la de integrar la producción de biomasa y su transformación en combustible dentro de la misma explotación. El proceso más adaptado es la biometanización y, en consecuencia, los combustibles producidos son el metano o el metanol. Otra característica de la biomasa acuática es el alto contenido proteico (susceptible de utilizaciones nutritivas) y de productos de interés como materias primas (farmacológicas, cosmética, etc.). 2.2.3.1 Explotaciones marinas Se prevé la implantación de grandes granjas marítimas para el cultivo de algas y su transformación "in situ" a biogás. Los estudios económicos realizados demuestran la necesidad de explotar superficies de 40.000 ha como mínimo para obtener rentabilidad. Existe, en la actualidad, una granja experimental en la costa californiana. Se produce principalmente metano, sales utilizables como abono en tierra y residuos reciclables como nutrientes del propio cultivo de algas. 2.2.3.2 Explotaciones sobre tierra Constituyen los llamados MLC (Mariculture on land). Son mucho más abordables desde el punto de vista de realización técnica que las explotaciones marinas. Asimismo, una característica importante es la utilización de terrenos actualmente no empleados por la agricultura (sobre todo litorales marinos). Otra gran ventaja es la posibilidad de utilizar aguas residuales como fuentes de nutrientes, presentando el proceso un alto poder descontaminante. Entre las diferentes especies estudiadas, la más interesante en la actualidad es el jacinto de agua, debido a su alto poder descontaminante. Permite ser cultivado en condiciones muy variadas y su producción por hectárea y año puede llegar a 154 t. En ensayos ya realizados se ha demostrado que una laguna de 1 ha en crecimiento rápido puede absorber el nitrógeno y el fósforo producidos por 800 habitantes, siendo fijados, además, contaminantes como metales pesados, fenoles o pesticidas, de forma que el agua tratada puede ser utilizada en piscicultura. Figura 2.6 Jacinto de agua (Eichhornia crassipes). Por otro lado, los rendimientos energéticos de la explotación conjunta producción-transformación son excelentes: si el producto final es metano, se obtiene 18 veces la inversión energética, y se reduce a 9 veces si se trata de metanol. Un caso particular digno de mención es el del Botryoccocus braunii. Se trata de un alga unicelular de agua dulce que tiene la propiedad de producir y acumular hasta un 80% de su peso en hidrocarburos. Dichos hidrocarburos se pueden extraer en gran parte por simple tratamiento mecánico. Los resultados, a escala de laboratorio, son muy esperanzadores. Puntos a destacar 1.- La biomasa se puede clasificar de formas diferentes, atendiendo a su origen o según su viabilidad energética. 2.- En los ecosistemas naturales (bosque, matorrales, herbazales) se produce la denominada biomasa natural, cuyo origen no está determinado por las actividades humanas. 3.- La biomasa residual se genera de forma antropogénica en explotaciones agrícolas, forestales, ganaderas, RSU, etc. 4.- Los cultivos energéticos se realizan exclusivamente con el fin de obtener materiales destinados a su aprovechamiento energético. Normalmente, estan constituidos por especies de tipo herbáceo y leñoso. 5.- Por regla general, los RSU se "queman" para producir calor o electricidad (valorización energética). Sin embargo, también es interesante la recuperación y el reciclaje de estos productos (valorización material). 6.- Dentro de los cultivos energéticos terrestres se puede distinguir la silvicultura, que tiene que ver con el manejo y gestión de los bosques; y la agricultura, productora de los biocarburantes. 7.- Los cultivos de rotación corta constituyen un caso particular de silvicultura, en la que se utilizan especies de ciclo reproductivo rápido, como los sauces, chopos, robinias, etc., para su aprovechamiento energético tras su tala. 8.- Los cultivos energéticos acuáticos pueden desarrollarse en áreas marítimas, gracias al cultivo de algas para su posterior conversión a biogás, o merced a explotaciones sobre tierra firme. 3. BIOMASA RESIDUAL OBJETIVOS - Estudiar las características de las diferentes formas de biomasa residual. - Conocer las aplicaciones, procedencias y gestión del biogás en su empleo como combustible. 3.1 Introducción De todos es sabido el nivel alarmante que está alcanzando la generación de residuos, producto de la actividad humana. Esta preocupante situación ha despertado la conciencia de la sociedad hacia uno de los problemas que, de no ser gestionado de forma correcta, puede derivar en graves riesgos medioambientales y perjuicios a la salud humana. Las causas que han incrementado este problema podrían fundamentarse en el crecimiento demográfico e industrial y la concentración de la población en las grandes ciudades. En épocas anteriores, los residuos no planteaban problemas de contaminación y, mediante procesos de autodepuración, la propia naturaleza se encargaba de integrarlos, de nuevo, en el medio natural. Actualmente, los residuos generados son tan numerosos y se presentan tan concentradamente, que la capacidad de autodepuración no es suficiente y hay que aplicar distintas técnicas de tratamiento. Por otro lado, hay que destacar los esfuerzos realizados durante los últimos años para desarrollar tratamientos que aprovechen al máximo las posibilidades de los residuos, sin centrarse exclusivamente en su desaparición. 3.2 Clasificación de la biomasa residual La biomasa residual comprende todos aquellos residuos o subproductos generados fruto de la actividad humana. La tabla 3.1 ilustra una posible clasificación de la biomasa residual desde el punto de vista del aprovechamiento energético. BIOMASA RESIDUAL · Forestal · Agrícola · Industrias forestales Biomasa residual seca · Industrias agrícolas · Residuos Sólidos Urbanos · Residuos ganaderos Biomasa residual húmeda · Residuos agroindustriales · Aguas residuales Tabla 3.1 Clasificación de la biomasa residual desde el punto de vista del aprovechamiento energético. 3.2.1 Biomasa residual seca Tal y como se ha comentado en el apartado anterior, la biomasa residual seca engloba, por un lado, los residuos forestales, agrícolas, y sus industrias; y, por otro lado, los RSU. 3.2.1.1 Residuos forestales Bajo la denominación de residuos forestales se agrupan todos aquellos que normalmente se generan en el desarrollo de actividades propias de estos sectores. De esta forma, los residuos de origen forestal pueden clasificarse en: - Residuos procedentes de tratamientos silvícolas. Surgen como consecuencia de las actividades de explotación forestal, y de la necesidad de realizar trabajos de mantenimiento y mejora de los bosques y masas forestales mediante podas, limpieza de matorrales, etc. Estos trabajos generan unos residuos (leñas, ramas y matojos), que deben ser retirados, pues constituyen un factor de riesgo muy importante en la propagación de plagas e incendios forestales. Una parte importante de los residuos generados en estas labores es quemado "in situ" por falta de una política adecuada de aprovechamiento, o bien por las dificultades inherentes a su extracción del monte. Dados los elevados costes que acarrea la realización de estos trabajos, la posibilidad del aprovechamiento energético de los residuos retirados puede suponer un ingreso que facilite la realización de este tipo de actividades, por otro lado, tan beneficiosas para el monte. Aún así, cabe destacar que en la situación energética actual, los precios de la energía no son suficientes para cubrir los costes que generaría la realización de estos trabajos con fines exclusivamente energéticos. - Residuos procedentes de la corta de pies maderables. Se generan en la limpieza de los pies maderables, y constituyen cerca de la tercera parte del árbol. Según el diagrama de Yung, de un árbol medio se obtiene: - Raberón (5%) - Ramas (15%) - Fusta maderable (60%) - Tocones y raíces (20%) De momento, la utilización de tocones y raíces es muy restringida, por lo que únicamente se considera como biomasa forestal residual, el raberón y las ramas. Se debe tener en cuenta que una parte de las ramas de diámetro superior a 7,5 cm se utiliza en las industrias de fabricación de tableros o conglomerados. Tal y como sucedía en el caso anterior, si no se retiran a tiempo, se convierten en un factor de alto riesgo. El hecho de que estos residuos se generen dentro de una actividad comercial puede permitir su recogida, mejorando sus posibilidades de utilización en el campo energético. Adicionalmente, el volumen de los residuos generados es variable en función de las características de los materiales requeridos por las industrias, al poder suministrarse la madera descortezada, cortada, astillada, etc. Ambos grupos de residuos se generan por necesidades directamente forestales; sin embargo, hasta el momento, son materiales que no tienen una calidad suficiente para otras aplicaciones que no sean las propiamente energéticas. No se catalogan como residuos forestales los combustibles provenientes del aprovechamiento tradicional de masas forestales, que suministran leñas para consumo doméstico o de pequeñas industrias, y que son una buena parte de la biomasa utilizada hoy día. Recurso Residuos forestales Proceso generador Residuos Destino Tratamientos silvícolas (entresacas, clareos, podas). Pies no maderables, ramas, matorrales... Combustibles. Cortas de pies maderables. Copas, ramas, raberón... Combustibles. Industrias de la madera. Tabla 3.2 Origen, procesos, y tipos de residuos y subproductos forestales. 3.2.1.2 Residuos agrícolas Los residuos agrícolas más importantes pueden clasificarse en dos grupos: residuos de podas de cultivos leñosos y residuos de cultivos herbáceos. Residuos de podas de cultivos leñosos En este grupo se incluyen la leña de poda de los olivos, vides y árboles frutales como almendros, naranjos, manzanos, etc. Los olivos precisan de podas bioanuales, que generan leñas (de diámetro superior a 7 cm) aprovechadas como combustible doméstico. Producen también ramas o ramones, que generalmente son amontonados e incinerados en el campo sin sacarles ningún provecho; puntualmente, sin embargo, se emplean para alimentación animal. Los viñedos se podan anualmente, y los sarmientos se emplean, de forma ocasional, como combustible doméstico. Las podas de árboles frutales son incineradas en el campo. Si el tamaño de las ramas es lo suficientemente grande, se utilizan también como combustible doméstico. Residuos de cultivos herbáceos A este grupo pertenecen los residuos de cultivos de interés industrial, textil u oleólico (algodón, tabaco, girasol, remolacha, etc.) y los residuos de los cereales, tanto de invierno como de primavera (trigo, cebada, avena, centeno, arroz, maíz, sorgo, etc.). Al igual que los residuos de podas, éstos tienen carácter estacional y es preciso, en general, retirarlos del campo. En muchos casos se procede a su eliminación sobre el propio terreno "in situ", aunque también se utilizan para la alimentación y cuidado animal (piensos y camas). La utilización de las pajas del cereal de grano es muy variable, según las diferentes regiones. En el caso de los cereales de invierno (trigo, cebada, centeno, etc.) se generan como residuos las pajas que, en ciertas ocasiones, quedan en el campo y no son empleadas. De los cereales de primavera cabe destacar el maíz, que genera el zuro1, empleado alternativamente en la alimentación animal y como combustible, y el cañote (tallo). Los cultivos herbáceos industriales incluirían plantas muy diversas (tabaco, algodón, remolacha, girasol, etc.). De todos ellos, únicamente las plantas oleaginosas pueden tener un interés energético aunque, en la realidad, parte de sus residuos quedan en el campo tras la recolección. Figura 3.1 El zuro del maíz puede emplearse como combustible o en el campo de la alimentación animal. La característica común de todos estos residuos agrícolas es su estacionalidad. Al tratarse de residuos procedentes de procesos agrícolas, su generación es puntual; es decir, se generan en un intervalo corto de tiempo. Asimismo, excepto en algunos casos, deben ser retirados del campo también en un intervalo corto de tiempo para evitar posibles plagas o incendios y no interferir en otras actividades agrícolas. Esta característica hace más compleja su utilización para fines energéticos a gran escala, ya que se requerirían sistemas de manipulación o almacenamiento que permitieran la utilización de los sistemas de modo continuo. Recurso Proceso generador Residuos Destino Podas de cultivos leñosos. Restos de podas, ramas, ramones. Combustibles. Alimentación animal. Restos de cultivos herbáceos industriales (algodón, tabaco, oleaginosas,...). Plantas verdes, tallos y otros restos. Alimentación animal. Combustibles. Fertilizantes. Cereales de invierno (trigo, cebada,...). Pajas. Alimentación animal. Camas de ganado. Combustibles. Cereales de primavera (maíz, sorgo,...). Tallos, zuros, cascarillas. Combustibles. Alimentación animal. Residuos agrícolas Tabla 3.3 Origen, procesos, y tipos de residuos y subproductos agrícolas. 3.2.1.3 Residuos de industrias forestales Los residuos de este apartado se pueden agrupar en dos grupos, en función del tipo de transformación que se realiza en la madera: - Residuos procedentes de la industria de primera transformación de la madera (aserraderos, fábricas de tableros, fábricas de pasta de papel, etc.). - Residuos procedentes de la industria de segunda transformación de la madera (carpintería, fábricas de muebles, embalajes, etc.). Cabe destacar que todas las actividades industriales del sector de la madera generan residuos susceptibles de ser empleados como combustibles. Aún así, el destino final del residuo (combustible, vertido o materia prima) viene determinado, principalmente, por la cantidad de residuos generados por cada establecimiento o bien por la distribución geográfica de las factorías. De esta manera, cuando un establecimiento genera un gran volumen de restos de madera, o varios de ellos se concentran en un área determinada, los residuos son recogidos y aprovechados como materias primas en otras industrias del ramo. En el caso contrario, suelen ser empleados como combustibles para uso doméstico o industrial en las zonas circundantes. Figura 3.2 Troncos de madera apilados para su empleo en las industrias de transformación. De todos los establecimientos del sector de la madera, los más importantes por la cantidad de residuos o subproductos generados son las industrias de primera y segunda transformación de la madera. Industria de primera transformación de la madera a) Aserraderos. En estos establecimientos se generan: - Serrines. Suponen hasta el 15% de la madera procesada. Según su calidad y características, se emplean como materia prima o combustible. Ocasionalmente, también pueden utilizarse para la limpieza o cama para el ganado. - Costeros y recortes. Al igual que en el caso anterior, constituyen aproximadamente un 15% de la madera procesada. Previa molienda, son empleados como materia prima en otras industrias forestales (papel, fábricas de tableros, etc.), o bien como combustible. - Cortezas. Constituyen un 10% del volumen total. Sin embargo, esta proporción varía enormemente en función de la clase de madera procesada. Su destino más habitual es el empleo como combustible. b) Fabricación de productos de corcho. Dentro de la industria del corcho, el proceso que mayor cantidad de residuos genera es la fabricación de tapones. Los residuos derivados del proceso de fabricación se emplean en otras industrias del corcho (aglomerados, forros, aislantes), excepto el polvo del corcho. Este residuo, en general, constituye el único desecho importante y se vierte o se emplea como combustible. Los procesos de elaboración de productos de corcho tienen un consumo térmico, que se suple gracias a los propios residuos y, en muchos casos, con otras biomasas de origen vegetal. c) Fabricación de pasta de papel. Las industrias de este sector presentan importantes consumos térmicos, que son cubiertos en gran parte a partir de residuos generados en los propios establecimientos. Los combustibles más empleados son las cortezas, serrines y las lejías negras. Las lejías negras o licores negros representan en este sector una parte muy importante del consumo y, en su combustión, se combinan la necesidad de recuperación de las materias primas minerales contenidas en el licor negro, y el aprovechamiento energético del proceso para la generación de vapor y agua caliente para la fabricación. Dado el gran tamaño de la mayoría de estas industrias y el importante volumen de materiales disponibles para su aplicación energética, en la mayoría de los casos el aprovechamiento de los mismos incluye la generación eléctrica, mediante turbinas de vapor en sistemas de cogeneración. Industria de segunda transformación de la madera - Fabricación de productos elaborados de madera. Estos establecimientos generan diversos tipos de residuos derivados de los procesos de fabricación Los residuos más usuales son serrines, recortes, polvo de lijado, centros de desenrollo, chapas de mala calidad, etc. Estos residuos se emplean nuevamente como materia prima, o bien como combustibles en la propia industria. En dichos establecimientos pueden existir importantes necesidades energéticas térmicas en prensas, secaderos y calefacción, lo que da sentido a la utilización de los residuos como combustibles. Origen Residuos de industrias forestales Tabla 3.4 Proceso generador Residuos Destino Aserraderos. Serrines, virutas, costeros, cortezas. Industrias de la madera. Combustibles. Productos semielaborados de madera. Serrines, astillas, virutas, curros, recortes, cortezas. Industrias de la madera. Camas de ganado. Combustibles. Productos de corcho. Panas de baja calidad. Otras industrias del Polvo de corcho. corcho. Corcho negro. Combustibles. Fabricación de muebles de madera. Serrines, virutas, recortes. Industrias de la madera. Combustibles. Fabricación de piezas de tornería, molduras, y otros. Serrines, virutas. Industrias de la madera. Camas de ganado. Combustibles. Fabricación de pasta y papel. Cortezas, serrines, licores negros, lodos de depuradora. Combustibles. Generación de biogás. Origen, procesos, y tipos de residuos y subproductos (industrias forestales). 3.2.1.4 Residuos de industrias agrícolas y agroalimentarias La mayor parte de los subproductos generados por las industrias agrícolas y agroalimentarias no deben tener la consideración de residuos, ya que en muchas ocasiones son realmente materias primas que encuentran su aplicación en otras industrias. De dichas aplicaciones, merecen destacarse por su importancia cuantitativa: - La fabricación de aceite de oliva. Como subproducto se genera el orujo graso, que raramente se emplea como combustible, y los alpechines, líquidos de gran poder contaminante. La modificación de los sistemas de producción del aceite de oliva, mediante la introducción de sistemas de prensa continua, ha generado un nuevo tipo de residuo, denominado alperujo, y que resulta de la asociación del orujo graso y de los alpechines. - La extracción de aceite de orujo de aceituna. El aceite contenido en el orujo graso, proveniente de las almazaras, se extrae mediante disolventes, quedando como residuo el orujillo. Este compuesto se emplea como combustible en la propia factoría y, tradicionalmente, en cerámicas y almazaras. También puede emplearse como abono o para la fabricación de carbones. Residuos procedentes del refino, como las oleínas, se destinan a la alimentación animal. En el caso de que la materia prima que llega a la extractora sea alperujo, puede obtenerse aceite de oliva directamente por centrifugación, además de por los métodos anteriormente mencionados, una vez realizado el secado del alperujo. Las posibilidades de aplicación energética de los residuos obtenidos por esta vía son algo más complejas a causa de las características del material, empleándose instalaciones de aprovechamiento térmico, basadas en sistemas de combustión en hogares de lecho fluidizado. - La extracción de aceites de semillas. En este área tiene mayor interés el aceite de semilla de girasol, tanto por la cantidad de aceite procesado, como por la posibilidad de obtener un residuo: la cáscara, que puede quedar incorporada en la torta de la que se extrae el aceite y que presenta gran interés para la alimentación animal, o bien ser empleada directamente como combustible, según los precios de mercado, tanto en el propio establecimiento como en otras industrias. - La elaboración de frutos secos. Las cáscaras de piñón, almendra, avellana, etc., suelen tener aprovechamiento energético directo en el sector industrial y también en el sector doméstico. Algunos residuos (cáscaras de almendra) pueden ser empleados como materia prima en la elaboración de ciertos productos químicos. - Las industrias vinícolas. La mayor parte de los subproductos (orujos, lías, vinos de segunda prensa) se destinan a las alcoholeras. Sólo los raspones procedentes del despalillado pueden llegar a emplearse como combustible. - La elaboración de alcoholes etílicos. En las plantas alcoholeras se aprovechan los residuos de las industrias vínicas, obteniéndose alcohol, o cuando las circunstancias del mercado son favorables, aceite de granilla. Del hueso de la uva (granilla) se extrae aceite y se genera orujillo, empleado como combustible. Las pieles (hollejos) pueden ser destinadas a la alimentación animal. También es posible la obtención de biogás a partir de los residuos líquidos. El residuo sólido conjunto, denominado orujo desalcoholizado, tiene aplicaciones energéticas en las propias industrias, siendo un combustible especialmente apto dada su baja humedad. Figura 3.3 Las cáscaras de los piñones encuentran su utilidad en aplicaciones energéticas dentro de los sectores doméstico e industrial. - La industria conservera. En general, todos los residuos, tanto animales como vegetales se destinan a la elaboración de piensos, a excepción de los huesos de los frutos, que se emplean para la extracción de aceites y esencias, o bien como combustible doméstico, y ciertos residuos animales, que incluidos en los efluentes de los establecimientos, se emplean en los procesos de generación de biogás. - La fabricación de cerveza y malta. Los residuos principales son el bagazo, aprovechado para la alimentación animal o la obtención de biogás, y los lodos de depuración, aprovechables también para este último fin. Origen Residuos de industrias agrícolas y agroalimentarias Proceso generador Residuos Destino Fabricación de aceite de oliva. Orujo graso, alpechines, alperujo. Extracción de aceites. Extracción de aceites de orujo. Orujillo, oleínas. Combustibles. Alimentación animal. Extracción de aceites de semillas. Cáscaras, tortas agotadas. Alimentación animal. Combustibles. Sacrificio de ganado. Sebos, recortes de piel. Materia prima. Otras industrias. Preparación de arroz. Cascarilla, cilindro. Combustibles. Alimentación animal. Fabricación de azúcar. Melazas, bagazos, lodos de depuradora, pulpa agotada. Alimentación animal. Generación de biogás. Elaboración de frutos secos. Cáscaras, pieles. Combustibles. Extracción de aceites y esencias. Industria vinícola. Raspones, orujos, lias, vinazas. Destilación de alcohol. Combustibles. Fabricación de alcoholes etílicos. Granilla, hollejo, orujillo, vinazas. Alimentación animal. Generación de biogás. Tabla 3.5 Fabricación de conservas animales. Residuos frescos. Materias primas. Otras industrias. Generación de biogás. Fabricación de conservas vegetales. Residuos frescos, huesos, semillas, pieles. Materias primas, otras industrias, alimentación animal, extracción aceites y esencias, combustibles. Elaboración de cerveza y malta. Bagazo, lodos de depuración. Alimentación animal. Generación de biogás. Industria del café. Marros, cascarilla. Combustibles. Preparación del algodón. Semillas, restos de desmontado. Alimentación animal. Combustibles. Origen, procesos, y tipos de residuos y subproductos (industrias agrícolas y agroalimentarias). 3.2.1.5 Residuos sólidos urbanos Los residuos sólidos urbanos se definen como aquellos materiales que se generan en las actividades de producción, transformación y consumo, dentro de los núcleos de población, y que no poseen valor económico. Es decir, se producen como consecuencia de actividades tales como: - Domiciliarias. - Comerciales y de servicios. - Limpieza viaria, zonas verdes y recreativas. - Abandono de animales muertos, muebles, enseres y vehículos. - Industriales y de la construcción, así como las agrícolas y ganaderas, que se producen en las zonas clasificadas con arreglo a la ley del suelo, como las urbanas y urbanizables. La generación de este tipo de residuos alcanza en la actualidad cantidades tan importantes, que si no fueran gestionados adecuadamente se convertirían en un problema de primera magnitud. La valorización de este tipo de biomasa residual puede seguir dos caminos diferentes: material y energética. La primera, está basada en la recuperación directa de ciertos componentes que aparecen de forma constante en los residuos; y la valorización energética, se fundamenta en el aprovechamiento de su energía interna, por transformación en otra fuente de energía. Procedencia de los RSU Considerando los distintos orígenes de generación, dentro del núcleo urbano, los residuos presentan características diferentes. De este modo, se pueden distinguir: a) Residuos domiciliarios: 1 - Residuos procedentes de la vivienda. Representan la parte más importante de los residuos domiciliarios y son, en general, los que más se asocian con la idea generalizada de RSU. - Residuos procedentes de la limpieza viaria. Su recogida suele ser independiente de los residuos domiciliarios. - Residuos procedentes de establecimientos industriales y comerciales. Aquí se considera la fracción asimilable a urbanos. b) Residuos voluminosos. Son materiales de desecho de origen doméstico que, por su forma, volumen o peso, son difíciles de ser recogidos y/o transportados por los servicios de recogida convencionales. Por ejemplo, muebles, colchones, electrodomésticos, etc. c) Residuos comerciales. Están constituidos por los residuos propios de la actividad de los diferentes circuitos de distribución de bienes y de consumo (residuos orgánicos de mercado, etc.). d) Residuos sanitarios. Proceden de clínicas, hospitales, ambulatorios, laboratorios de análisis clínicos y establecimientos similares. Pueden, a su vez, subdividirse en residuos sanitarios asimilables a urbanos, que representan aproximadamente el 75% y los desechos específicos que provienen de curas, quirófanos, etc., y que representan el 25% restante. Éstos últimos se caracterizan por la presencia de gérmenes patógenos y de restos de medicamentos diversos, por lo que deben seguir otro tipo de tratamientos. e) Residuos de construcciones y demoliciones. Tienen su origen en obras, reparaciones, etc. Principalmente, están compuestos de escombros, ladrillos y maderas. Constituye la parte de la mazorca que queda tras desgranarla. 3.2.2 Biomasa residual húmeda Se entiende por biomasa residual húmeda aquella que aparece de forma indeseada, como resultado de una actividad humana, y que debido a la naturaleza orgánica y contenido en agua, es susceptible de ser tratada mediante un proceso biológico. La biomasa residual húmeda se puede identificar con las aguas residuales de tipo orgánico, teniendo en cuenta algunas excepciones en las que la concentración en sólidos es muy elevada, impidiendo que pueda ser transportada como un líquido, por ejemplo, en el caso de los estiércoles. La característica más importante de esta biomasa es su carácter residual y, por tanto, la carencia de valor en las circunstancias en que se genera, siendo necesaria su eliminación para evitar el deterioro del medio. Dentro del conjunto de toda la biomasa, la de tipo residual húmeda presenta las siguientes ventajas: - No existen costes de producción. - Su utilización evita o mitiga la contaminación. - Se genera de forma concentrada. Si bien en el contexto energético global sus posibilidades son modestas, de forma puntual en la propia fuente generadora del residuo, su utilización puede llegar a suponer un importante ahorro energético. Los procesos biológicos de aprovechamiento más significativos del potencial energético de la biomasa residual húmeda son: - Digestión anaerobia. - Compostaje y producción de enmiendas agrarias. - Obtención de proteína (SCP). - Alimentación animal. - Desarrollo de cultivos (jacinto de agua, lenteja de agua). De todos estos tratamientos, la digestión anaerobia y el compostaje son los más empleados, encontrándose desarrollados a escala comercial. Asimismo, es necesario destacar que estos procesos no se llevan a cabo con fines energéticos, sino medioambientales. La digestión anaerobia se aplica, fundamentalmente, a residuos líquidos y, de forma más esporádica, a residuos sólidos, pues éstos son más apropiados para compostaje. La biomasa residual húmeda se puede dividir en tres categorías, en función de su origen:    Agropecuario. Constituyen los residuos originados en explotaciones ganaderas, que incluyen los restos de animales vivos (heces, desechos), y que pueden ser tratados en pequeñas plantas asociadas a las explotaciones donde se generan, o bien centralizar su tratamiento en grandes instalaciones que proporcionen servicio a comarcas enteras. Industrial. En este grupo se engloban los residuos originados en diversas actividades de la industria y que, por tanto, son de tipologías muy diferentes. Por ejemplo, las industrias agroalimentarias destacan por la importancia y diversidad de sus residuos (almazaras, papeleras, lácteas, etc.). Urbano. Dentro de este apartado se tienen las aguas y lodos residuales, originados en los núcleos de población y en las plantas de depuradoras, respectivamente. 3.2.2.1 Residuos ganaderos Los residuos ganaderos son aquellos que se generan en las explotaciones intensivas. Este tipo de desechos debe ser especialmente controlado por el volumen que suponen, sin embargo, la manera localizada y concentrada en que se producen, hace más fácil su necesaria eliminación y más factible su posible aprovechamiento. Sólidos: ORGÁNICOS estiércol piensos caducados excedentes de forrajes Pastosos: gallinaza Líquidos: purines Animales muertos. Asimilables a municipales. INORGÁNICOS Tóxicos y peligrosos. Otros. Tabla 3.6 Tipos de residuos ganaderos. El empleo tradicional de estos residuos ha sido como fertilizante de las tierras de labor durante años. No obstante, esta situación ha ido cambiando recientemente, debido a la aplicación cada vez más extendida de los fertilizantes inorgánicos y de la separación entre agricultura y ganadería, para convertirse en actividades intensivas. Este hecho ha llevado a la ruptura del equilibrio entre ambas y, en consecuencia, a la generación de grandes cantidades de residuos, por lo que es necesario un sistema de eliminación de los mismos para evitar el deterioro del medio. La biomasa residual de origen ganadero está básicamente circunscrita a las explotaciones porcinas y vacunas. Algunas ganaderías como la ovina no se suelen tomar en consideración, bien sea por tratarse de explotaciones extensivas o porque el volumen de residuos que originan no es muy elevado. En estas explotaciones perdura todavía un cierto equilibrio con la agricultura, lo cual evita la producción de focos contaminantes. Especie Censo (x106) Peso medio (kg) Peso total (x106) (kg) Bovinos 5 350 1750 Ovinos 19,2 30 576 Porcinos 4 60 744 Gallinas 54 1,2 64,8 Tabla 3.7 Características diferenciales de las ganaderías españolas. Tipología y características de los residuos ganaderos Los residuos ganaderos pueden tomar un aspecto sólido o líquido, según su naturaleza. De esta forma, los residuos sólidos presentan las siguientes características: - Se denominan, de forma general, estiércol. - Están formados por mezclas de deyecciones y camas de ganado. - Las ganaderías bovina y ovina son las principales generadoras de estiércol. - La recuperación puede considerarse factible entre un 30% y un 40%. Y de los residuos líquidos se puede decir: - Incluyen deyecciones y aguas de lavado. - Se suelen identificar con el purín, aunque para algunos autores, este término excluye las aguas de lavado. - El purín se asocia generalmente con las explotaciones porcinas, si bien en las granjas de vacuno existen también estos residuos. Las características medias de los distintos residuos se comparan en la tabla 3.8. Parámetro Bovino Ovino Porcino Aviar Sólidos totales (%) 14 25 5 15 Sólidos volátiles (%) 10 18 3 10 Nitrógeno mg/l) 5 8 5 13 Fósforo (mg/l) 2 8 2 10 Potasio (mg/l) 3 10 3 7 DBO15 (mg/l) 30 33 30 70 1 Mide la cantidad de oxígeno necesario para oxidar la materia orgánica biodegradable presente en el agua residual al cabo de 5 días. Tabla 3.8 Composición media de los residuos ganaderos. Debe tenerse en cuenta que todos los valores bibliográficos son orientativos, ya que las características reales de los residuos dependen, no sólo de las especies ganaderas, sino también de las operaciones de explotación, ya que éstas pueden diferir de unas a otras en aspectos tales como el volumen de agua de lavado utilizado, la alimentación, el empleo de productos sanitarios, los desinfectantes, etc. Aprovechamiento de los residuos ganaderos Tal y como se ha mencionado con anterioridad, los procesos biológicos de aprovechamiento del potencial energético de la biomasa residual húmeda, a escala comercial, más significativos son la digestión anaerobia y el compostaje. De forma general, se puede establecer que los residuos líquidos se transforman mediante el proceso de digestión anaerobia en continuo, dando lugar a la generación de biogás, mientras que el estiércol se utiliza en agricultura mediante la producción de compost, o bien son digeridos anaeróbicamente en procesos discontinuos. Como datos orientativos, en la tabla 3.9 se comparan las producciones medias de biogás de las distintas especies ganaderas. Ganado Residuo Materia orgánica Biogás (l/día) (kg/día) (m3/kg·mat. org.) 1 vaca 50 4,8 0,27 1 cerdo 10 0,35 0,4 1 cabra/oveja 40 3 0,25 100 gallinas ponedoras 7 4 0,25 Tabla 3.9 Producción de biogás en función de la materia orgánica del residuo. 3.2.2.2 Residuos industriales La biomasa residual de origen industrial se identifica habitualmente con las aguas residuales de origen agroalimentario que, para su depuración, se someten a procesos biológicos. Existen, además, otros vertidos industriales, tales como los procedentes de las factorías de papel e industrias farmacéuticas que, según el tipo de proceso industrial que los genere, pueden también ser tratados biológicamente. Los procesos biológicos para el tratamiento de estas aguas residuales, que se caracterizan por su elevado contenido en materia orgánica, pueden ser agrupados en dos grandes categorías: anaerobios y aerobios. En general, se podría decir que, para aguas con elevada carga orgánica se emplean sistemas anaerobios, y para aguas no muy contaminadas, sistemas aerobios. En la práctica, suele emplearse una combinación de ambas técnicas, ya que son complementarias. La utilización de los sistemas anaerobios conlleva un aprovechamiento energético de los residuos, debido a la generación de metano que tiene lugar en el proceso, gas combustible que puede ser aprovechado energéticamente. Características de las aguas residuales de diversas industrias  Papeleras. Las industrias papeleras generan diferentes efluentes en el proceso de fabricación del papel. Además, las características de este tipo de aguas residuales son muy diversas, dependiendo de la materia prima empleada, así como del tratamiento aplicado para producir la pasta. Figura 3.4 Circuito que sigue el agua en una fábrica de papel. Asimismo, existen diferencias de contaminación importantes, sobre todo si se utilizan o no técnicas de blanqueo. En efecto, el efluente del blanqueo con cloro es el más contaminante, debido a su contenido en carga orgánica (organoclorados, fundamentalmente) y toxicidad.  Almazaras. La industria de la extracción del aceite de oliva origina un vertido denominado alpechín, que se identifica con el agua de vegetación de la aceituna. El alpechín constituye entre el 40-45% del fruto, presentando su composición los siguientes valores medios: - Sólidos totales 17% - Sólidos volátiles 14% - pH 4,5-5 - DQO 80.000 mg/l - DBO5 60.000 mg/l Estos valores varían según los autores y dependen básicamente del proceso seguido en la molturación de la aceituna. De los datos expuestos anteriormente, se deduce el elevado poder contaminante del alpechín que, en términos de producción, es de 60-70 g DBO5/litro de aceite. Asimismo, la acidez de este residuo y la presencia en él de compuestos polifenólicos, que en general son inhibidores biológicos, hace que sea un vertido de difícil degradación.  Destilerías. Las aguas residuales generadas en las destilerías reciben el nombre de vinazas, y sus características dependen del tipo de licor a destilar: vino o melazas de caña de azúcar. - Destilerías de vino. En este caso, el alcohol vínico se puede obtener a partir de: - Vinos de mala calidad o excedentes. - Fermentado de pellejo y granilla. - Fermentado de los poros del vino. Según el producto inicial, los vertidos varían entre 5 y 50 litros de vinaza por litro de alcohol destilado. Las vinazas son ácidas y poseen una temperatura superior a los 50ºC. La concentración de DQO oscila alrededor de los 40.000 mg/l. - Destilerías de melazas de caña de azúcar o remolacha. La cantidad de vinaza que se genera oscila entre 10 y 15 litros de vinaza por litro de alcohol destilado. La carga orgánica es superior a las vínicas, con una DQO de 60.000 mg/l.  Cerveceras. En la industria cervecera se originan aguas residuales procedentes de la cocción, germinación, envasado, etc., que son las más cargadas de contaminantes, y aguas procedentes del enfriamiento y condensación, que aportan altos volúmenes poco contaminantes. Las características de estos vertidos dependen del proceso de fabricación empleado. A continuación, se dan las características medias de estas aguas residuales: - Sólidos totales 500-1000 mg/l - pH 7-9,5 - DQO 4.000-5.000 mg/l - DBO5 2.000-3.000 mg/l  Azucareras. Los vertidos de las azucareras de remolacha proceden, fundamentalmente, del transporte y lavado de la remolacha, y de la condensación de vapores. A lo largo de la campaña remolachera, las aguas se van enriqueciendo en materia orgánica hasta alcanzar valores de 5.000 mg/l de DBO5 y 8.000 mg/l de DQO. Los vertidos tienen carácter estacional, ya que las fábricas trabajan durante cuatro meses al año.  Lácteas. Las aguas residuales de las industrias lácteas pueden proceder de plantas embotelladoras o de aquellas que realizan algún tipo de transformación (mantequilla, queso, etc.). De todas ellas, las que presentan un mayor interés para su aprovechamiento son las fábricas de queso, puesto que suponen los vertidos más concentrados. En la industria quesera, es práctica común la recuperación de la lactosa de los vertidos y su posterior utilización como aditivo alimentario. Cuando esta recuperación no se realiza, el suero de quesería constituye un vertido muy apropiado para ser transformado mediante digestión anaerobia, obteniéndose elevadas producciones de metano. Cuando no existe recuperación de lactosa, dicho suero presenta una concentración de la DQO comprendida entre 50.00070.000 mg/l.  Fábricas de levadura. Las aguas residuales de este tipo de industrias presentan la siguiente composición media: - Sólidos totales 1.000 mg/l - pH 5,7 - DQO 15.000-20.000 mg/l - DBO5 12.000-14.000 mg/l  Industrias conserveras. - Frutas y legumbres. Las aguas residuales proceden del lavado de las materias primas y del procesado de las mismas. Se suelen generar grandes caudales, ya que los consumos de estas industrias son elevados. Materias primas pH Sólidos DBO5 Sólidos en suspensión disueltos (mg/l) (mg/l) (mg/l) Tomates 4,9 1.150 450 2.500 Guisantes 4,7 2.710 300 6.000 Espinacas 7 280 580 1.700 Remolacha roja 6 1.500 1600 5.800 Melocotones 7,6 1.400 600 3.000 Albaricoques 7,6 200 260 1.800 Tabla 3.10 Composición de los vertidos de la industria conservera para distintas materias primas. - Pescado. Las aguas residuales generadas por estas industrias proceden del lavado de materias primas, lavado de equipos, descongelados, desangrado, cocederos y esterilización. De todas ellas, las aguas procedentes de cocederos son las que presentan una mayor carga de DQO (50.000 mg/l) y contenido en sólidos en suspensión (2.700 mg/l), aunque son las que aportan un menor volumen al vertido total, del orden de un 4%. Tienen, además, un pH levemente ácido y se vierten a una temperatura de 90ºC. Estos vertidos presentan, como característica particular, un elevado contenido en cloruros. A lo largo de todo el proceso, se van generando las diferentes corrientes que se vierten a distintas horas del día, aportando cada una de ellas una carga orgánica variable. Este hecho supone que las características del vertido global se verán afectadas por las corrientes que se estén vertiendo en cada momento. En la práctica, lo que suele hacerse es una segregación de los diferentes vertidos, tratando las aguas de los cocederos de manera independiente al resto. - Mataderos. Originan un efluente muy variado en su composición y concentración, no solamente de un día para otro, sino incluso, a lo largo del mismo día, en función de la operación desarrollada en el matadero. Las aguas residuales contienen sangre, trozos de carne, pelos, uñas, grasa, excrementos y contenido de panzas. La sangre, al igual que las grasas, se recupera para obtener una serie de subproductos como albúmina, harina de sangre o suero. Una vez separados los sólidos voluminosos, las aguas tienen la siguiente composición media: - Sólidos totales 4.000 mg/l - Sólidos volátiles 2.000 mg/l - pH 2.500 mg/l - DQO 1.000 mg/l - DBO5 250 mg/l 3.2.2.3 Aguas residuales urbanas Las aguas residuales originadas en los núcleos urbanos son, fundamentalmente, de origen doméstico, existiendo en algunos casos aportes industriales. El volumen de aguas residuales generado por una población se estima en función de la dotación de agua por habitante y día, que depende del grado de desarrollo del país y del tamaño de la ciudad. En España, la dotación media oscila entre 200 y 400 litros de agua por habitante y día. Los parámetros que caracterizan un agua residual urbana son la DBO 5 y los sólidos en suspensión. Por término medio se generan 70 g de DBO 5 por habitante y día, y 90 g de sólidos suspendidos, también por habitante y día. Estos valores, junto con la dotación de agua, permiten estimar el volumen y concentración del vertido de una población, conocido el número de habitantes. Figura 3.5 Proceso de depuración de aguas residuales urbanas de la ciudad de LLeida. La concentración media de DBO5 oscila entre 150-400 mg/l y los sólidos suspendidos suponen alrededor de 200-300 mg/l. Por tratarse de vertidos diluidos con un bajo contenido en materia orgánica, los procesos que se aplican a estas aguas tienen exclusivamente una finalidad depurativa y no de aprovechamiento. Sin embargo, en el proceso de depuración de las aguas urbanas, se originan unos lodos con alta concentración en materia orgánica que, habitualmente, se someten a un proceso de digestión anaerobia para la obtención de metano. La cantidad de lodo generada es del orden del 1% del caudal de agua tratada. El parámetro más utilizado en su caracterización es el porcentaje de sólidos totales, que oscila entre el 2 y 8%, de los cuales entre un 60 y 80% son volátiles. 3.3 El biogás El biogás es un combustible que se obtiene por transformación de los residuos biológicos degradables, basado en el proceso de fermentación anaerobia. Residuos biodegradables Proceso generador Residuos Destino Residuos de animales vivos. Yacijas, purines, estiércoles... Abonos. Generación de biogás. Residuos de animales muertos. Sangre, huesos, sebos, pellejos... Otras ind. alimetarias. Alimentación animal. Generación de biogás. Depuración de efluentes urbanos, y de industrias agrícolas y forestales. Lodos de depuradora. Aguas residuales urbanas. Combustibles. Generación de biogás. Tabla 3.11 Origen, procesos, y tipos de residuos y subproductos biodegradables. Los residuos biodegradables pueden tener orígenes y características muy variables, aunque todos se caracterizan por poseer un muy alto contenido en humedad. Los aspectos a tener en cuenta a la hora de evaluar las distintas posibilidades del biogás son: - La generación del biogás como subproducto en instalaciones con fines no energéticos, sino medioambientales. En este tipo de instalaciones, la actividad energética forma parte del conjunto de los procesos, y el biogás se puede generar como subproducto en diferentes fases de los tratamientos realizados. Por esta razón, las posibilidades de obtención de biogás y de su aprovechamiento, están siempre en función de las condiciones de trabajo de las instalaciones no energéticas. - La relación que existe entre la energía que se introduce en el proceso y la realmente aprovechada oscila entre un 20% y un 35%. Ocasionalmente, se puede tener la posibilidad de habilitar instalaciones destinadas a la incineración de los residuos desecados, producidos en el tratamiento, y mejorar así los rendimientos energéticos (incineración de lodos de depuradora). 3.3.1 Origen y tratamiento del biogás El biogás puede originarse en dos tipos de actividades bien diferenciadas: - Biogás de vertedero. - Biogás procedente de tratamiento de efluentes. 3.3.1.1 Biogás de vertedero En un vertedero controlado, el biogás se genera a partir de la descomposición de la materia orgánica contenida en los RSU enterrados. La gestión del biogás se efectúa para: - Evitar los problemas derivados de la difusión del metano dentro del vertedero, con el consiguiente peligro de explosiones o autocombustiones. - Llevar a cabo una extracción controlada, necesaria a causa de los peligros que entrañan para el medio ambiente atmosférico las emisiones de metano. En la tabla 3.12 se pueden ver los compuestos gaseosos mayoritarios producidos en un vertedero, y que forman parte del biogás. Tal y como se observa, el metano y el dióxido de carbono constituyen los principales gases procedentes de la descomposición anaerobia de los componentes biodegradables de los RSU. Componente Metano Dióxido de carbono Nitrógeno Oxígeno Sulfuros, disulfuros,, mercaptanos, etc Amoníaco Hidrógeno Monóxido de carbono Constituyentes en cantidades traza Característica Temperatura Densidad específica Contenido en humedad Poder calorífico superior, kcal/m 3 1 % (base volumen seco)1 45-60 40-60 2-5 0,1-1,0 0-1,0 0,1-1,0 0-0,2 0-0,2 0,01-0,6 Valor 37-67ºC 1,02-1,06 Saturado 890-1.223 La distribución porcentual exacta variará según la antigüedad del vertedero. Tabla 3.12 Compuestos gaseosos mayoritarios producidos en un vertedero controlado. Si se analiza la generación de biogás en un período, se observa como la producción y composición del mismo varía con el paso del tiempo: - En la primera fase se produce un ajuste inicial en la que los componentes orgánicos biodegradables sufren una descomposición microbiana en condiciones aerobias mientras son depositados en el vertedero, y durante los primeros días de depósito. - En la segunda fase comienza a disminuir el oxígeno y, por tanto, a desarrollarse las condiciones anaerobias. Al mismo tiempo, se reduce la concentración de nitrato y de sulfato al actuar como receptores de electrones. - La tercera fase constituye la fase ácida, y es donde se acelera la actividad microbiana, dando lugar a cantidades importantes de anhídrido carbónico y a pequeñas cantidades de gas de hidrógeno. - La siguiente fase corresponde a la de fermentación del metano. En esta etapa, los microorganismos anaerobios producen como resultado de su actividad metano y anhídrido carbónico, predominantemente. - La fase de maduración del vertedero se produce después de la conversión del material inorgánico biodegradable en metano y anhídrido carbónico. En esta etapa disminuye significativamente la producción de biogás, puesto que ya se han descompuesto la mayoría de las fracciones biodegradables, quedando tan sólo las fracciones de degradación lenta (hasta 50 años o más) como la goma, los textiles o la madera. Figura 3.6 Variación de la composición de los gases a lo largo del tiempo en un depósito controlado de RSU. Fuente: reseña bibliográfica nº 8. A pesar de que el biogás puede emerger a la atmósfera de forma natural, es imprescindible darle una salida controlada, pues existe el peligro de que se acumule en espacios cerrados y exista un inminente peligro de explosión (a concentraciones entre el 5% y el 15% es explosivo). Con este fin, se construye en el vertedero un sistema de pozos de captación de biogás. Estas instalaciones tienen una doble utilización: en primer lugar, limpian los vertederos y, en segundo lugar, se trata este gas adecuadamente para que sea liberado a la atmósfera sin ningún peligro de contaminación (desgasificación pasiva) o se recoge para transformarlo en energía (desgasificación activa). Tal y como se puede observar en la figura 3.7, en la desgasificación pasiva, los dispositivos están formados por unos pozos de grava, cuyo diámetro está comprendido entre los 20 cm y 1 metro, donde se recoge el biogás y se traspasa a unas tuberías de plástico, que lo transportan hasta la torre de evacuación de gases. Es allí donde se lleva a cabo el proceso de desodorización de los gases mediante un filtro de carbón activo. En este caso, se ha ilustrado el ejemplo de un dispositivo de recogida de biogás vertical. También hay que reseñar que existen dispositivos basados en el mismo funcionamiento, pero que poseen tuberías de recolección del gas de forma horizontal. Figura 3.7 Dispositivo de recogida, desodorización y evacuación de los gases producidos en un vertedero controlado (desgasificación pasiva). Además de la emisión del biogás a la atmósfera, también existe la opción de recuperar su energía para otros usos (desgasificación activa). En este caso, el gas extraído pasa a las estaciones de regulación y medida. A partir de ahí, se extraen los condensados a través de un centrifugado, ya que el gran contenido en humedad del biogás entorpecería el proceso de recuperación energética. Por último, el biogás pasa a unos grupos generadores que transforman este gas en energía eléctrica y térmica. Dichos grupos generadores funcionan con una mezcla de biogás y de gas natural. Una vez obtenida la energía eléctrica, ésta se transfiere a la red eléctrica general. Dependiendo de la dimensión del vertedero, estas instalaciones se pueden amortizar en un período comprendido entre los 2 y los 3 años. Figura 3.8 Esquema de una estación de recuperación de energía, a partir del biogás producido en un vertedero. De esta forma, el biogás de vertedero puede ser utilizado como combustible para la generación de: - Energía eléctrica, a partir de motores alternativos, con la posibilidad de aprovechar, además, la energía térmica de los gases de combustión y de refrigeración de los motores (cogeneración). - Energía térmica para satisfacer el consumo de distintos equipos existentes en los vertederos para el tratamiento o incineración de diferentes tipos de residuos. - En determinados casos se ha planteado la posibilidad de suministrar este gas a establecimientos próximos con el fin de satisfacer las necesidades energéticas, dándose incluso el caso de introducirlo en las redes de distribución del gas canalizado para su uso generalizado. 3.3.1.2 Biogás procedente de tratamiento de efluentes Uno de los principales problemas con que se encuentran las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales Urbanas (EDAR) son los costes de mantenimiento y explotación. Se ha visto que, independientemente de los costes de construcción, los costes de mantenimiento pueden superar a los de explotación. Las plantas de tratamiento de aguas residuales son importantes consumidoras de energía eléctrica, pero al mismo tiempo, producen fangos orgánicos que constituyen una fuente energética susceptible de ser aprovechada. De esta manera, el biogás procedente de la digestión anaerobia de los fangos tratados en una depuradora presenta una mayor diversidad en su composición que el de vertedero, atendiendo sobre todo a las características del propio efluente. La degradación, en estas condiciones, de la materia orgánica presente en los fangos se verifica en varias etapas, y se produce gracias a la acción de dos tipos diferentes de bacterias: acetogénicas y metanogénicas (figura 3.9). Figura 3.9 Diagrama de las etapas de la digestión anaeróbica de fangos tratados en una depuradora. Fuente: reseña bibliográfica nº 10. Así, las principales etapas en la formación del biogás son las siguientes: - Hidrólisis. En esta fase se verifica la rotura de las cadenas de polímeros, generándose azúcares simples, aminoácidos y ácidos grasos. - Fase de fermentación. Se producen alcoholes y ácidos orgánicos de cadena más larga. - Acetogénesis. Transforma los ácidos en acetatos, hidrógeno y dióxido de carbono. - Metanogénesis. En esta etapa se descompone el ácido acético, se realiza la absorción del hidrógeno y se genera el metano. Esta fase es la que controla la velocidad del proceso y, por lo tanto, el tiempo de retención hidráulica o la capacidad de tratamiento, medido en caudal de efluente por unidad de tiempo. Por otro lado, algunos de los parámetros más importantes que deben definirse para las instalaciones de aprovechamiento de este compuesto son: - El régimen de temperaturas en el que opere la instalación, que puede ser mesofílico (entre 35ºC-40ºC) o termofílico (entre 50ºC-60ºC). La temperatura del proceso condiciona la velocidad del mismo. Adicionalmente, cabe la posibilidad de utilizar el propio biogás generado como fuente de energía para el calentamiento de los reactores. - El pH de los efluentes, que debe estar comprendido entre 6,2 y 8, para los procesos que se verifican habitualmente en este tipo de plantas. - Una relación C/N de 30/1. - El tiempo de retención hidráulica, pues a la hora de diseñar las instalaciones debe tenerse en cuenta que la capacidad de los reactores es el producto entre el caudal diario y el tiempo de retención: por ejemplo, para un caudal del efluente de 20 m3/dia y un tiempo de retención de 10 días, la capacidad del reactor debe ser de 200 m 3. Para los procesos más habituales en el ámbito industrial, estos tiempos oscilan entre 10 y 20 días. - La presencia de sustancias tóxicas en los efluentes (metales pesados, aceites de automoción, gasóleo, etc.) influye negativamente en el proceso, pudiendo llegar a paralizarlo, con lo que se haría necesario realizar una nueva siembra de elementos bacterianos. - La presencia de nutrientes en los efluentes, tales como P, K, etc., también inciden en las condiciones del proceso. Todos estos parámetros, así como la definición de la calidad de las aguas, una vez realizado su tratamiento, hacen necesario un estudio detallado para cada caso, siendo extraordinariamente difícil aplicar las mismas soluciones en instalaciones distintas. Los tipos de digestores que se pueden utilizar son los siguientes: - Discontinuo convencional. Resulta el más sencillo, aunque carece de control del proceso y tiene tiempos de retención elevados. - Mezcla completa. Este sistema está provisto de mecanismos de mezcla para homogeneización y sistemas de calefacción. Admite mayores cargas que los reactores discontinuos y, asimismo, presenta menores tiempos de retención. - Contacto. En este digestor se produce una realimentación de los lodos decantados con el fin de conseguir una mejora en la flora bacteriana, aumentando las posibilidades de producción energética. Este tipo de dispositivo es adecuado para residuos de baja concentración. - Filtro anaerobio. Este reactor se halla provisto de un filtro, realizado con materiales inertes, en el que se retienen los microorganismos responsables del proceso de digestión. Figura 3.10 Sistemas anaerobios de mezcla completa con y sin recirculación del fango. Estos dispositivos constituyen los tipos básicos de reactores, existiendo la posibilidad de realizar combinaciones entre ellos, e incluso, de realizar diseños específicos (siempre basados en los principios anteriormente mencionados) para aplicaciones concretas, como puede ser la compartimentación o zonificación del reactor 3.3.2 Aspectos económicos de la producción de biogás Tal y como se ha mencionado con anterioridad, la producción del biogás se realiza dentro de otras actividades cuyos principales objetivos no son propiamente energéticos; es decir, los criterios económicos de las instalaciones no están basados en los aspectos de energía, que sean de aplicación para el conjunto de las instalaciones. Aún así, en el momento de considerar la posibilidad producir biogás, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: - El incremento en las inversiones de una planta de tratamiento, que pueda imputarse al aprovechamiento energético, no supera el 20% de las mismas en la mayoría de los casos. - Los ingresos que se producen en la planta pueden proceder de otras actividades no relacionadas con la energía, por lo que la actividad energética es un complemento a los ingresos de la planta, pudiendo mejorar la rentabilidad de la misma o contribuyendo a reducir sus costes de explotación o mantenimiento. - Para el caso de plantas de biogás con posibilidades de exportar a la red los excedentes eléctricos producidos, es de aplicación lo que se expone en el Real Decreto 2818/1998, relativo a la generación eléctrica con biomasa y otros tipos de energías renovables. Puntos a destacar 1.- La producción de biomasa residual alcanza en la actualidad niveles alarmantes: por ello, se hace imprescindible una gestión correcta de los residuos, potenciando su valorización y minimización. 2.- La biomasa residual se puede clasificar en seca (forestal, agrícola, e industrias relacionadas) o húmeda (efluentes ganaderos, agroindustriales y aguas residuales). 3.- Los residuos procedentes de tratamientos silvícolas como leñas, ramas y matojos deben ser retirados con el objeto de evitar la propagación de plagas e incendios. Sin embargo, en la mayoría de los casos no se realiza un aprovechamiento energético de estos materiales. 4.- Los residuos de las industrias forestales de tratamiento de la madera pueden ser aprovechados como materias primas en otras empresas del ramo, o bien en forma de combustible para uso doméstico o industrial. 5.- Los RSU tienen diferentes orígenes de generación dentro del núcleo urbano: domiciliarios, voluminosos, comerciales, sanitarios (asimilables a urbanos), y los procedentes de construcciones y demoliciones. 6.- La biomasa residual húmeda (purines, aguas residuales de industrias y urbanas), por su contenido orgánico y de agua, puede ser tratada de forma biológica para su aprovechamiento. 7.- Los principales tratamientos que recibe la biomasa residual húmeda son la digestión anaerobia y el compostaje. La primera se aplica a residuos líquidos para la producción de biogás, mientras que el compostaje, se emplea para el acondicionamiento y enmienda del terreno. 8.- Las aguas residuales de origen industrial pueden ser tratadas por procedimientos aeróbicos o anaeróbicos, aunque es preferible utilizar estos últimos para efluentes con alta carga contaminante. 9.- Un agua residual urbana se caracteriza por la DBO5 y su contenido en sólidos en suspensión. 10.- El biogás, compuesto básicamente por metano, procede de los procesos de digestión anaerobia originados en los vertederos y tratamiento de efluentes residuales. Su producción a partir de los fangos de depuradora en el digestor consta de diversas etapas: hidrólisis, acetogénesis y metanogénesis. 4. CULTIVOS 4.1 Evolución de la agricultura A lo largo de la historia, las especies vegetales de interés agrícola han sido seleccionadas, según sus posibilidades de producir alimentos de forma rentable. Este hecho ha significado que solamente unas pocas especies de plantas superiores -entre las más de 250.000 existentes-, hayan podido ser objeto de la agricultura extensiva. Se calcula que el hombre ha cultivado unas 3.000 especies para fines alimenticios, de las que solamente unas 150, lo han sido a escala comercial. Hoy en día, puede decirse que la alimentación de la humanidad está basada en unos 20 cultivos diferentes, de los que 3 de ellos solamente (trigo, arroz y maíz) ocupan el 34,3% de la superficie agrícola mundial, y producen el 42% (en peso) de la totalidad de alimentos que se obtienen anualmente. En los últimos años, la agricultura mundial -especialmente la europea- se ha caracterizado por un incremento constante en las producciones de los cultivos anuales destinados a la alimentación, de tal forma que se han venido generando sistemáticamente excedentes de productos alimentarios, lo que ha supuesto un grave problema para la economía de la UE. Este hecho ha originado que en la nueva PAC (Política Agraria Común) se fomente e incentive el abandono de las tierras de cultivo para los productos alimentarios tradicionales, y se potencien las utilizaciones alternativas de dichas tierras. Figura 4.1 La situación excedentaria de productos alimenticios supone un gran problema económico para la UE. El excedente de productos alimenticios, junto con la modificación de los hábitos alimentarios, el abandono de la población del ámbito rural, la apertura de los mercados internacionales, etc., nos ha llevado a una situación en la que hay una gran disponibilidad de superficie agrícola (anteriormente cultivada) en desuso. 4.2 Cultivos Energéticos Los cultivos energéticos son aquellos cultivos agrícolas o forestales, realizados con fines de aprovechamiento puramente energético. Las especies dedicadas a producir biomasa con motivaciones energéticas pueden ser de tipo herbáceo o leñoso y, en ocasiones, pueden coincidir con especies utilizadas en cultivos agrícolas tradicionales o en aprovechamientos silvícolas clásicos, pero en general, la fitotecnia y el manejo de las plantaciones variará sensiblemente respecto a los planteamientos clásicos. En consecuencia, los cultivos destinados a producir biomasa con fines energéticos deben tener unas características y cumplir unas condiciones que les diferencien fundamentalmente de los cultivos alimentarios. Estas diferencias vendrán motivadas por los distintos objetivos que se pretendan conseguir con ambos tipos de cultivos. 4.2.1 características y Diferencias de los cultivos energéticos respecto de los tradicionales Los cultivos energéticos deben cumplir dos condiciones fundamentales: - Desde el punto de vista energético, se plantea la necesidad de ofrecer un balance energético positivo. Con este fin, se deben producir elevados rendimientos en biomasa cosechable, y con un mínimo de inputs energéticos (labores, riegos, abonos...). Consecuentemente, los cultivos energéticos deben estar enfocados hacia grandes producciones por unidad de superficie en cortos períodos de tiempo, con el fin de compensar el menor valor añadido de los usos energéticos frente a los alimentarios y por unidad de producto. - Desde el punto de vista económico, se plantea la necesidad de obtener un balance económico positivo. Para que la producción sea económicamente rentable, deben alcanzarse elevados rendimientos en biomasa con bajos costes en la producción, recolección, almacenamiento y procesado para su transformación. En cuanto a las principales diferencias existentes con los cultivos alimentarios, cabe destacar: - En los cultivos energéticos se considera como producto toda la biomasa recolectable, mientras que en los cultivos tradicionales suele tener valor comercial únicamente una parte determinada (por ejemplo, las semillas, los frutos o los tubérculos), siendo el resto de la biomasa cosechada, de tipo residual con escaso o nulo interés económico. - Los cultivos energéticos se valoran fundamentalmente por el contenido calórico del producto cosechado, mientras que los cultivos tradicionales tienen otra escala de valoración en la que influyen muy directamente las características químicas y organolépticas del producto. Por este motivo, las especies que se cultiven en las "plantaciones de energía" deben ser distintas a las cultivadas tradicionalmente, ya que éstas han sido seleccionadas fundamentalmente por las características alimenticias de su biomasa, en lugar de hacerlo por sus posibilidades energéticas. Muchas de las especies que hoy están consideradas como malas hierbas, incluso las tóxicas o nocivas, pueden pasar a ocupar un primer plano como productoras de biomasa energética. - De entre las plantas silvestres que rinden elevadas producciones de biomasa, existen algunas especies adaptadas a vivir en zonas áridas por haber desarrollado un sistema radicular potente y un metabolismo específico que les posibilita vivir en condiciones mucho más drásticas que las plantas cultivadas de forma tradicional. Por esta razón, muchas de las tierras que hoy están consideradas como marginales, podrían ser cultivadas con fines energéticos siempre que se eligieran las especies adecuadas. - La implantación de los centros de transformación de la biomasa cerca de los campos de cultivos energéticos posibilitaría la reutilización de los nutrientes minerales que quedan como residuo del proceso de producción de combustible, ya que podrían ser devueltos al terreno con un bajo coste. Este tipo de reciclado de nutrientes no puede ser realizado normalmente en los cultivos tradicionales, pues la producción suele ser exportada y consumida lejos del centro productivo, lo que imposibilita la recuperación de los elementos minerales y, por tanto, es preciso reponer la fertilidad del suelo mediante abonos sintéticos, que representan inputs energéticos considerables. Cultivos energéticos Cultivos tradicionales Producto - Se considera como producto toda la biomasa recolectable. - El producto suele ser una parte determinada de la biomasa recolectada (por ejemplo, las semillas, los frutos o los tubérculos). Especies - Se escogen en función de sus posibilidades energéticas, es decir, de su contenido calórico. - Se escogen principalemente por sus características químicas y organolépticas. Muchas especies que hoy están consideradas como malas hierbas, incluso las tóxicas o nocivas, pueden pasar a ocupar el primer plano como productoras de biomasa energética. Tierras - Cualquier tipo de tierra en la que sea cultivable alguna especie de la que poder sacar energía. - Tierras en las que puedan subsistir las especies para el consumo humano. Nutrientes minerales - Recuperados y utilizados al tener lugar el proceso de transformación cerca de los campos de cultivo. Tabla 4.1 - No son recuperables y, por tanto, se utilizan abonos sintéticos para recuperar la fertilidad del suelo. Diferencias entre los cultivos energéticos y los tradicionales. Otra característica importante de los cultivos energéticos son los beneficios medioambientales que supone su empleo, siempre que se planteen de un modo razonable: - Evitan el abandono de tierras, impidiendo o limitando la degradación de los suelos, que podría conducir a la desertificación de los mismos y, además, puede contribuir a frenar el despoblamiento de extensas áreas rurales. - Contribuyen a la reducción de los impactos ambientales, derivados de la explotación energética de otros recursos (como los combustibles fósiles), ya que los cultivos energéticos son una fuente de tipo renovable con escaso impacto ambiental en sus diferentes fases de utilización. 4.3 Aplicaciones de los cultivos energéticos De forma general, los cultivos energéticos se destinan principalmente a: - La producción de calor. - La producción de electricidad. - La producción de biocarburantes. Las dos primeras aplicaciones son comunes a otros tipos de biomasa (aplicaciones térmicas y eléctricas), sin embargo, su gran interés radica en lo que se refiere a la producción de biocombustibles líquidos para el transporte. Una de las grandes ventajas de los cultivos energéticos frente a otros tipos de biomasa es el hecho de provenir de una plantación, con unas condiciones determinadas de antemano, y con unas posibilidades de comercialización similares a otros productos agrícolas, aunque siempre a una escala mucho menor. En el caso de las aplicaciones de cultivos energéticos vinculadas a las plantas de aprovechamiento, la posibilidad de la utilización del producto para la producción eléctrica o térmica, hace innecesaria la creación de redes de mercado, al existir (sobre todo para el caso de generación eléctrica) diversas reglamentaciones que regulan la venta de energía producida a las compañías distribuidoras o a los usuarios. Por esta razón, aunque cabe la posibilidad de comercializar la biomasa procedente de los cultivos energéticos como otros combustibles, dada la situación actual del mercado, se considera como una alternativa más favorable la asociación de cultivos energéticos a plantas de producción de electricidad y/o calor. 4.4 Tipos de cultivos energéticos Teniendo en cuenta las posibles aplicaciones de los cultivos energéticos, éstos pueden separarse en dos grandes grupos que, a su vez, pueden subdividirse en otras dos categorías: - Cultivos destinados a su aplicación energética con las menores modificaciones posibles (normalmente aplicados en sistemas de combustión), y que engloba a los productos agrícolas o forestales destinados a la producción de materiales lignocelulósicos. Se contemplan dentro de este grupo: - Los cultivos leñosos o forestales de rotación corta. - Los cultivos herbáceos. - Cultivos destinados a la producción de los denominados biocombustibles1. Se dividen en dos grupos: - Los cultivos amiláceos/azucarados, para la producción de etanol. - Los cultivos oleaginosos, para la producción de biodiesel. En este capítulo nos centraremos principalmente en el primer grupo, es decir, en los cultivos energéticos destinados a la producción de materiales lignocelulósicos. 1 La elaboración de biocombustibles tendrá un tratamiento íntegro en el siguiente capítulo, a la hora de hablar de los biocarburantes. 4.4.1 Cultivos forestales de rotación corta Los cultivos forestales de rotación corta o CFRC1 son un tipo especial de plantaciones de especies arbóreas, dedicadas a la producción masiva de biomasa. La técnica aplicada consiste en la corta de los árboles en turnos muy breves -para los estándares habituales de las aplicaciones forestales-, que oscilan de 2 a 5 años, dejando rebrotar a las cepas para repetir la operación al finalizar otro ciclo. Este tipo de cultivos no es en absoluto novedoso, ya que se viene realizando a lo largo de la historia, tanto para destinos energéticos en los tallares (plantaciones de chopos para la producción de leñas o mimbreras), como fines no energéticos en las plantaciones de sauce para la obtención de mimbres. Figura 4.2 Ejemplo de un sauce como cultivo forestal de rotación corta. Teniendo en cuenta los objetivos que se persiguen con este tipo de cultivos, la puesta en marcha de una plantación de estas características requiere de las siguientes premisas: - Laboreo previo a la fase de plantación. Con esta actividad se persiguen los siguientes objetivos: - Mejorar las condiciones de crecimiento del cultivo. - Controlar la aparición de malas hierbas, sobre todo en las primeras fases del cultivo. - Mejorar las condiciones del suelo previamente a la plantación de las estaquillas. - Producción de las estaquillas. Las estaquillas son porciones de brotes de un año, con un diámetro comprendido entre 1 cm y 3 cm, y una longitud aproximada de 20 cm. Se obtienen en vivero, o bien a partir de la propia plantación, pero siempre del clon seleccionado para realizar el cultivo. Normalmente, no se suelen plantear problemas de abastecimiento de estaquillas, pero en el caso de las plantaciones asociadas a centrales de producción eléctrica (de varios miles de hectáreas), es necesario asegurarse el suministro de estos brotes, antes del inicio de la plantación. - Definición del marco de plantación. El marco de plantación determina la densidad de plantas que se pueden acoger, y debe ser optimizado para permitir la máxima producción de biomasa posible. Las densidades mayores que se barajan son de hasta 10.000 plantas/ha (equivalente a 1 planta/m en un espacio de 2 m x 0,5 m), descendiendo hasta las 2.500 plantas/ha (en marcos de 2 m x 2 m). Parece evidente que a mayor densidad de plantación, se produciría una mayor producción de biomasa; sin embargo, en la práctica, este parámetro viene determinado también en función de otros factores: - La fuerza de los rebrotes. - La competencia entre las propias plantas. - Los índices de ocupación del suelo, que inciden negativamente, según aumenta la densidad de la plantación, y más como en el caso que nos ocupa, en el que las raíces de las cepas permanecen durante todo el período de vida de la plantación. - El modo de explotación de la plantación (maquinaria a emplear, necesidades de acceso, grosor máximo utilizable por las cortadoras o astillados, etc.). - Las características geográficas del emplazamiento. En función de la especie elegida y de la climatología, puede resultar interesante orientar las líneas de mayor espaciamiento para obtener el máximo de radiación solar, siempre que dicha orientación no suponga un conflicto con la topografía. - Las inversiones para la puesta en marcha de la explotación, ya que densidades superiores suponen tambien gastos iniciales mayores. - Definición del turno de corta. Se define como turno de corta, al tiempo que transcurre entre dos cortas sucesivas. Este parámetro debe quedar definido antes de prever las explotaciones, ya que el ritmo de plantación de los cultivos es el que controla la puesta en marcha de la central de producción eléctrica y, en definitiva, su funcionamiento. No obstante, en ciertos casos, puede resultar recomendable una cierta flexibilidad en el turno de corta, para hacer frente a demandas o excedentes puntuales en la disponibilidad de la biomasa. El criterio a seguir siempre es el de la máxima producción, observando que turnos muy cortos agotan la capacidad de rebrote de las cepas, y por el contrario, turnos muy largos pueden llegar a asfixiarlas por una excesiva acumulación de biomasa. 4.4.1.1 Requisitos y condiciones de emplazamiento Por otro lado, este tipo de cultivos (en especial, los clones) debe cumplir una serie de requisitos: - Facilidad para enraizar de estaquilla. Los cultivos se realizan a partir de las estaquillas. Si por cualquier motivo se plantea la necesidad de sustituir las estaquillas defectuosas, los costes del cultivo se dispararían. - Rápido crecimiento inicial. Un rápido crecimiento inicial mejora el rendimiento de la estaquilla desde el primer año. - Alta capacidad de producción de biomasa. Los ingresos del cultivo provienen de la venta de los materiales producidos, es decir, de la cantidad de biomasa generada. - Alta capacidad de rebrote y larga duración de las cepas. De esta manera, se reducen los costes de plantación, consiguiendo el mayor número posible de cortas en condiciones de máxima productividad. - Resistencia a enfermedades y plagas. Una buena resistencia a enfermedades y plagas reduce las necesidades de cuidados de los cultivos. - Máxima adecuación a las características edafoclimáticas. Es importante elegir la especie adecuada al clima y al suelo, con el fin de reducir las necesidades agronómicas y de riegos. Y en cuanto a las condiciones de emplazamiento: - Los terrenos han de estar situados a altitudes inferiores a los 1.200 m. - Los suelos deben ser ligeros y frescos, no excesivamente ácidos ni calizos (pH entre 6 y 7,5), pero tampoco demasiado pedregosos. - Preferentemente, deben ser zonas de regadío, ya que el conjunto de las precipitaciones y los riegos debe alcanzar los 3.000 m 3/Ha. Aunque parezca excesivo, hay que recordar que las necesidades de otros tipos de cultivos extensivos, como el maíz o las patatas, superan los 5.000 m3/Ha. Adicionalmente, existe la posibilidad de utilizar aguas no aptas para el riego de productos destinados a la alimentación. Los riegos se realizan únicamente en los meses más secos (de junio a septiembre), espaciados entre 15 días y un mes, en función de las necesidades del cultivo. - En el caso de cultivos destinados a realizar el suministro de biomasa a una central eléctrica de 10 MWe de potencia, será necesario disponer de una superficie de 3.000 Ha alrededor de la central térmica. Dentro del ámbito puramente energético, se han llevado a cabo multitud de experiencias con especies y clones distintos, existiendo una bibliografía muy extensa sobre las mismas. En el entorno de la UE se están realizando ya plantaciones industriales asociadas a centrales de producción eléctrica, o bien para suministro de astillas con fines energéticos en plantas de calefacción centralizada. La mayoría de estas plantaciones corresponden a distintos tipos de sauces, que son especialmente adecuados para los climas de los países del Norte de Europa, pioneros en este tipo de actividades. Tabla 4.2 Especie Producción (t·s./ha·año) Eucalipto 10-15 Chopo 12-20 Sauce 8-15 Robinia 6-15 Coníferas 5-6 Ailanto 6-15 Acacia 4-12 Plátano 8-20 Producciones de cultivos forestales de rotación corta. Fuente: "Energía de la biomasa". IDAE. Los acondicionamientos edafoclimáticos de España son muy variables de unas regiones a otras, por lo que a priori no debe descartarse ninguna de las especies que pueden utilizarse para llevar a cabo CFRC. A continuación, se destacan algunas de las especies de mayor potencial en nuestro país: - Robinia (Robinia pseudoacacia). Su principal ventaja reside en la capacidad que tiene de soportar el clima mediterráneo, con escasas precipitaciones, y su adaptación a los suelos de secano. Además, contribuye a mejorar las condiciones edáficas. - Ailanto. Al igual que la Robinia, es resistente a las condiciones climatológicas de la mayoría de los secanos de la península. - Eucalipto. Su gran ventaja radica en el profundo conocimiento que se tiene sobre sus técnicas de producción. - Chopo. Como en el caso del eucalipto, se posee una dilatada experiencia y conocimiento en cuanto a sus modos de cultivo. Asimismo, es característica de esta especie sus grandes posibilidades de aplicación en cuanto a superficie disponible, a pesar de que en la mayoría de los casos, debe asociarse a superficies de regadío. En referencia a los factores económicos que afectan a los cultivos forestales de rotación, se pueden destacar los siguientes: - La rentabilidad de los cultivos de rotación es inferior a la de otro tipo de plantaciones: por ello, los CFRC se plantean como opciones alternativas o para terrenos marginales. - Debe asegurarse la disponibilidad del suelo durante toda la vida útil de la plantación, con el fin de mejorar los rendimientos económicos, ya que como se ha mencionado anteriormente, el proceso de plantación de las estaquillas es el que mayor incidencia tiene en cuanto a las actividades agrícolas. - La rentabilidad económica de los CFRC es mayor que la de los cultivos forestales ordinarios, al contemplar plazos de tiempo mucho más cortos, logrando así varios rendimientos económicos en pocos años; a diferencia de un único rendimiento a largo plazo, como ocurre con los cultivos forestales convencionales. De una forma general, pueden extraerse los siguientes criterios o conclusiones: 1 - La plantación podría realizarse con densidades inferiores a las 5.000 plantas por hectárea, sin pérdidas en la producción. - En función del tamaño de la explotación, puede considerarse necesaria la adquisición de maquinaria específica para la realización de las labores agrícolas, especialmente en lo que se refiere a las tareas de corta y astillado. Para el caso de pequeñas explotaciones, en las que trabaje directamente el propio agricultor, puede ser interesante la utilización de su propia maquinaria, aún a costa de requerir una mayor intensidad de mano de obra. - Los turnos que podrían considerarse más adecuados rondarían los cuatro años. - La corta se realiza desde el principio del otoño hasta la aparición de las primeras yemas en las cepas. Este largo período de tiempo de recolección permite operar a las centrales y a los agricultores con una mayor flexibilidad. Además, durante esta época del año, la ocupación de la mano de obra en el campo es reducida, por lo que la incidencia de los CFRC en este aspecto es tremendamente positiva. - Las producciones esperables en este tipo de cultivos, y para las condiciones establecidas, se sitúan entorno a las 20 t de materia seca por ha/año. Sin embargo, la variación de estas condiciones, principalmente en lo que afecta a la disponibilidad de recursos hídricos, estimados en unas necesidades de 3.000 m3 /ha, afecta a las producciones finales de biomasa. La limitación de las posibilidades de riego puede reducir de tal modo la producción de biomasa en la plantación hasta el punto de hacerla inviable, ya que existe una relación directa entre el agua disponible y la producción de material. Para unas condiciones medias, con limitaciones en cuanto a las posibilidades de riego, las producciones pueden caer por debajo de las 10-12 t/ha. - La duración de la plantación puede establecerse como mínimo en 12 años, es decir, tres cortas. No obstante, en la mayoría de los casos puede pensarse en plazos sensiblemente mayores. En inglés, Short Rotation Forestry Crops (SRF). 4.4.2 Cultivos herbáceos Además de los cultivos forestales de rotación corta, existen cultivos herbáceos que, por alguna de sus características, son especialmente interesantes con vistas a su utilización como cultivos energéticos. Dentro de éstos pueden encontrarse: - Cultivos que en principio podrían considerarse como convencionales. Por ejemplo, cultivos agrícolas tradicionales, cuyos productos se destinan a fines energéticos, en lugar de alimentarios (caña de azúcar, maíz, sorgo dulce, pataca, patata, remolacha, etc.). - Cultivos específicos de producción de biomasa entre los que se encuentran el miscanto, la cynara, la caña de Provenza o la euforba, entre otros muchos. En este segundo grupo, por la incidencia que puede tener en España, dadas las características climáticas más habituales, se destaca la Cynara cardunculus, conocida también como cardo lleno o alcuacil, que puede considerarse especialmente adaptada a este tipo de condiciones. 4.4.2.1 Cultivo energético de la Cynara cardunculus El cultivo energético de la Cynara está basado en variedades de la especie Cynara Cardunculus, de tipo rústico perenne, capaces de experimentar un importante desarrollo vegetativo, incluso en las condiciones más adversas. Este cardo es una especie adaptada a tierras de secano, que puede sembrarse en las superficies que quedan libres tras la retirada de los cereales de invierno (trigo, cebada), y que aprovecha de un modo eficiente los recursos hídricos disponibles en el suelo. Las posibilidades actuales de cultivo de la Cynara se basan en sistemas de producción agrícolas, totalmente mecanizados. Al tratarse de un cultivo perenne (de 10 a 15 años) se reducen los costes de plantación, mejorando de este modo la rentabilidad económica para su explotación. Figura 4.3 Cynara cardunculus. Otra importante ventaja que se obtiene es la posibilidad de conseguir dos cosechas al año: la primera, a realizar en invierno, puede alcanzar en ciclos sucesivos las 40 tm de materia verde, con la posibilidad de su empleo en la alimentación animal o como fuente energética (una vez desecada). La segunda, en condiciones óptimas, produce entre 15 y 20 t/ha de biomasa con fines combustibles, y entre 1.000 kg y 2.500 kg de semilla rica en aceite, susceptible de ser empleada en la producción de biocarburantes, destinando a la alimentación animal los subproductos resultantes. Los costes de producción, incluyendo todas las labores de subsolado, aboneo, gradeo, siembra, entresaca, siega y aplicación de herbicidas e insecticidas, son los equivalentes a cualquier otra actividad agrícola. Frente a dichos costes, la producción de más de 30 tm/año de biomasa puede suponer unos ingresos considerables, ya que ésta puede retribuirse siempre por encima de 1 céntimo de euro/kg. Además, las posibilidades de utilización de la semilla mejoran todavía más el rendimiento económico del cultivo. Puntos a destacar 1.- Tradicionalmente, la política agraria de la UE se ha basado en un incremento constante de las producciones anuales de los cultivos, lo que ha dado pie a situaciones excedentarias y, en consecuencia, al desarrollo de programas para la utilización alternativa de las tierras de labor. 2.- Los cúltivos energéticos, que pueden ser de tipo herbáceo o leñoso, deben cumplir unas condiciones que los diferencien de las plantaciones agrícolas tradicionales desde un punto de vista energético y económico. 3.- Las aplicaciones de los cultivos energéticos son: la producción de calor, electricidad y, especialmente, la fabricación de biocarburantes líquidos para el transporte. 4.- En este contexto, tienen gran profusión los cultivos forestales de rotación corta para la generación de biomasa a gran escala. 5.- Los cultivos forestales de rotación corta requieren de unas ciertas premisas previas a su plantación: laboreo, producción de estaquillas, definición del marco de plantación y, finalmente, definición del turno de corta. Asimismo, este tipo de cultivos debe cumplir unas condiciones de adaptación, de emplazamiento y de tipo económico. 6.- Dentro de los cultivos herbáceos, también pueden considerarse de interés algunas plantaciones agrícolas tradicionales (caña de azúcar, maíz, sorgo,...) y, en especial, el cardo lleno o alcuacil (Cynara cardunculus). 5. BIOCARBURANTES OBJETIVOS - Conocer el proceso de síntesis y las diferentes aplicaciones de los bioalcoholes como combustible de automoción. - Aprender las diversas tipologías y características de los bioaceites a la hora de su utilización en los motores diesel. 5.1 Introducción La producción y uso de combustibles líquidos derivados de la biomasa en el sector del transporte constituyen, tras la generación de calor y electricidad, la mayor aplicación comercial de este recurso renovable. Dada su utilización principal, se suele denominar a los productos involucrados con el nombre genérico de biocarburantes, término que será empleado indistintamente con el de biocombustibles líquidos para designar a los mismos. Se conoce como biocarburantes al conjunto de combustibles líquidos provenientes de distintas transformaciones de la biomasa, que pueden utilizarse como combustibles en aplicaciones diversas: - Combustión para la producción de calor aplicable a la calefacción urbana, a procesos industriales o a la generación de electricidad. - La carburación en motores térmicos, tanto de explosión como de combustión interna. - El empleo de biocombustibles para ser utilizados en turbinas de gas para la producción de electricidad (actualmente en desarrollo). Los biocarburantes son un tipo muy específico de biomasa, cuya aplicación a gran escala es un fenómeno relativamente reciente, a pesar de que hayan existido importantes experiencias previas en distintas épocas y países. Todavía hoy y previsiblemente en un futuro próximo, la cantidad de energía que aportarán los biocarburantes en el conjunto de las aplicaciones energéticas de la biomasa será relativamente pequeña; sin embargo, su calidad como combustible y las importantes implicaciones sociales y medioambientales que se derivan de su utilización dotan de una especial importancia a esta alternativa. Actualmente, la producción mundial de biocarburantes puede estimarse en unos 20.000 millones de litros anuales, que corresponden mayoritariamente a bioetanol. Este producto es, con diferencia, el biocombustible más comercializado. Brasil y los EE.UU. producen y consumen, conjuntamente, alrededor del 80% del bioetanol empleado como carburante. Tal y como se ha mencionado con anterioridad, el momento actual de los biocarburantes está relacionado con la situación política del sector agrario, afectado por la denominada nueva Política Agraria y otras reglamentaciones, relativas a la producción y comercialización de productos agrícolas (GATT, Acuerdos de Blair House). La producción de materias primas para su empleo en biocarburantes surge como necesidad para mantener productivas (con la consiguiente generación de ingresos) las tierras retiradas de la producción agroalimentaria. 5.1.1 Ventajas e inconvenientes de la utilización y producción de biocarburantes Las principales ventajas de la utilización y producción de los biocarburantes son: - En las escalas actualmente previstas (utilización de cultivos procedentes de tierras de retirada o cultivos marginales), no se producen alteraciones significativas en los mercados energéticos. Es decir, una elevada incidencia en el ámbito agrícola tiene relativamente pequeñas consecuencias en el mercado energético. - La introducción de ciertos tipos de carburantes dentro del mercado de los combustibles convencionales no requiere la realización de infraestructuras, al poderse utilizar las ya existentes. En el caso de ser necesarias modificaciones en dichas infraestructuras, éstas son siempre de pequeño alcance. - Los biocarburantes presentan importantes ventajas medioambientales frente a los combustibles fósiles convencionales. - Al tratarse de un recurso energético local, se mejoran las posibilidades de autoabastecimiento energético. - La utilización de los biocarburantes supone la introducción de una fuente energética renovable (la biomasa) en un sector como el de los transportes, extraordinariamente dependiente de los combustibles fósiles. Sin embargo, y pese a las indudables ventajas que plantea la producción y utilización de los biocarburantes, éstos cuentan con un inconveniente que en la práctica puede limitar todas sus posibilidades de aplicación: - Los costes económicos que puede representar esta alternativa son muy superiores a los asociados a los combustibles fósiles convencionales. La solución pasa por conseguir para los biocarburantes exenciones fiscales de impuestos especiales que gravan a los combustibles para la automoción, ya que actualmente estos impuestos suponen más de la mitad del precio de los combustibles fósiles. En este caso, los precios de venta de los biocarburantes se encontrarían en el entorno de la competitividad. 5.1.2 Tipos de biocarburantes En el estado de desarrollo e implantación comercial actuales, el campo de los biocarburantes está dividido en dos grandes categorías de compuestos: a) Bioalcoholes. Comprenden aquellos alcoholes originados a partir de biomasa. A este grupo pertenecen el metanol, bioetanol y el etiltercbutileter (ETBE). - Metanol [CH3(OH)]1. También denominado alcohol metílico, se obtiene de forma tradicional por destilación de la madera, aunque actualmente se produce a partir del gas natural o derivados del petróleo. El metanol ofrece unas grandes propiedades como combustible, tanto como aditivo para gasolinas en distintas proporciones de mezcla, como carburante para motores de altas prestaciones (aviones, vehículos de competición, etc.). Una variante del metanol es el MTBE (metiltercbutileter), que resulta un compuesto derivado etérico del metanol, generalmente de origen fósil, utilizado profusamente como aditivo oxigenado en las gasolinas sin plomo. - Bioetanol o etanol [CH3-CH2(OH)]. También denominado alcohol etílico, se obtiene a partir de la fermentación alcohólica de los monosacáridos. - Etiltercbutileter (ETBE). Constituye un derivado del etanol, también utilizado como combustible de motores en mezclas con la gasolina, obtenido mediante reacción del alcohol etílico con el isobuteno. b) Bioaceites. Se engloban en esta categoría los aceites vegetales y sus ésteres derivados. - Aceites vegetales. Son ácidos grasos de cadena larga, que se extraen por diversos procedimientos físicos a partir de semillas, frutos u otras partes de las plantas oleaginosas. - Ésteres de aceites vegetales. Su obtención se lleva a cabo mediante la reacción de transesterificación, por la que los ácidos grasos de los aceites reaccionan con un alcohol -metanol, en los procesos comerciales-, para dar lugar a los alquilésteres derivados. La producción industrial de biocarburantes se lleva a cabo comercialmente mediante los procesos y tecnologías utilizados por industrias agroalimentarias (alcoholeras, azucareras, feculeras y de extracción de aceites) y de productos químicos (glicerineras petroquímicas). En determinados casos, sin embargo, es posible la introducción de modificaciones en las condiciones operativas de los mismos con el fin de lograr una reducción de costes y energía, y unos productos finales de una calidad más adecuada para su empleo como combustibles. 1 Debido a que la producción de metanol con fines energéticos a partir de la biomasa ha sido abandonada, no se profundizará en su estudio. 5.1.3 Materias primas agrícolas Las materias primas empleadas por la industria para la obtención de los biocombustibles líquidos estudiados provienen de cultivos dedicados específicamente a este fin, o bien son excedentes de cosechas agrícolas o residuos de la industria azucarera. Un detalle significativo es la utilización de especies agrícolas "convencionales", como el trigo, la cebada, el girasol o la colza, con fines energéticos. Este hecho puede resultar contradictorio a la vista de los requisitos que deben cumplir los cultivos energéticos, según se puso de manifiesto en el capítulo anterior. Las principales ventajas que conllevaría la utilización de las especies anteriormente mencionadas serían: - Se trata de especies cuyas técnicas de cultivo son profundamente conocidas por los agricultores. - Es especialmente interesante la posibilidad de destinar los medios de producción (tractores, implementos agrícolas, etc.) en igualdad de condiciones que en las explotaciones destinadas a fines alimentarios, pudiéndose además simultanear ambas actividades durante la fase de explotación. Figura 5.1 El aceite de girasol puede emplearse como sustituto de los combustibles fósiles en los motores diesel. - Este tipo de cultivos se plantea como alternativa a la no-producción; por lo tanto, aunque su rentabilidad económica de cara al ciclo agrícola sea pequeña, siempre será mayor que la ausencia total de ingresos. Para el caso de explotaciones en las que sea el propio agricultor quien realice las labores, supone un incremento de su tiempo de ocupación y, por lo tanto, de sus ingresos. 5.1.4 Utilización de los biocombustibles Tal y como se ha comentado con anterioridad, el principal campo de utilización de los bioaceites y bioalcoholes es como combustible para vehículos, en sustitución de los productos petrolíferos habituales en el sector del transporte, tanto como únicos productos, o bien formando parte de mezclas. Otra posible aplicación, que también está siendo estudiada para estos productos, es su empleo como combustible en motores fijos y turbinas para la generación eléctrica, si bien en este campo su competitividad con los productos fósiles es todavía menor que en la aplicación estudiada. 5.2 Bioalcoholes 5.2.1 Reacciones y rendimientos globales de formación del bioetanol y del ETBE Las reacción de obtención de bioetanol y las cantidades estequiómetricas que intervienen se muestran en la reacción [5.1]: En realidad, en la producción de bioetanol, el rendimiento obtenido en los diferentes procesos es inferior al teórico, debido a que una pequeña parte de los azúcares es utilizada por los microorganismos que intervienen en la reacción para su crecimiento. En cuanto al ETBE, en la reacción [5.2] se muestra que para la obtención de 1 kg de este biocombustible se precisan, aproximadamente, 0,45 kg de etanol. En cualquier caso, los rendimientos de los productos finales dependerán, dentro de ciertos límites, de las condiciones impuestas en los diversos procesos comerciales. 5.2.2 Producción de bioetanol La producción industrial de bioetanol se lleva a cabo a partir de: - Compuestos azucarados, como el mosto de la uva, la remolacha o la caña de azúcar. El etanol también se puede obtener por medio de melazas o jarabes, productos residuales de la fabricación del azúcar, y que contienen entre un 50-55% de azúcares fermentables. - Productos amiláceos originados por la hidrólisis del almidón, como las patatas, la pataca, la cassava y, sobre todo, los granos de cereales (maíz en los Estados Unidos y trigo en la UE). En un futuro, existe la posibilidad -hoy todavía en desarrollo- de producir bioetanol a partir de: - Biomasa lignocelulósica, a través de la fermentación de los hidrolizados ácidos o enzimáticos de materias primas, como los residuos agrícolas y forestales, de mucho menor coste que las anteriores. En el panorama actual relacionado con el ámbito agrícola de la U.E., los cultivos de mayor interés son los cereales y la remolacha. Por ejemplo, los condicionantes agronómicos del cultivo de la remolacha (características del suelo, costes de producción) y otros factores propios del proceso de producción de etanol a partir de la remolacha (posibilidades de almacenaje, generación de residuos) hacen que para el caso de España la mayoría de las iniciativas se inclinen hacia los cereales como materia prima para la obtención del etanol. 5.2.3 Procesos de obtención de bioalcoholes 5.2.3.1 Producción de bioetanol La producción del etanol a partir de cereales incluye procesos tanto físicos como biológicos. Genéricamente, la producción de bioetanol a partir de las materias primas antes citadas comprende: i. Fase de pretratamiento de las materias primas (a veces incluye una hidrólisis). ii. Etapa de fermentación. iii. Destilación del alcohol contenido en los fermentados. Figura 5.2 Diagrama de procesos de producción del etanol. Fuente: modificado a partir de la reseña bibliográfica nº 6. Como residuo líquido, resultante de la destilación de los fermentados, se obtienen las denominadas vinazas, que contienen los microorganismos, ya muertos por calor, producidos durante la fermentación. Las vinazas deben ser sometidas a un proceso de depuración previo a su vertido, con el fin de reducir convenientemente su alta DBO. Esta operación puede llevarse a cabo mediante procesos aerobios o bien por digestión anaerobia, de la que se obtiene biogás, producto cuya utilización energética sirve para mejorar el balance energético de la producción de biocarburantes. A menudo, el tratamiento de las vinazas consiste en una concentración de las mismas hasta un 55-60% de sólidos y su utilización para alimentación animal, con lo que se aprovechan las vitaminas y nutrientes solubles no fermentables contenidos en las materias primas, así como los de las propias levaduras de fermentación. Este proceso es más común en el caso de las vinazas obtenidas en la producción de bioetanol a partir de cereales vía seca, debido a su alto grado en nutrientes y vitaminas. Los procesos industriales para la obtención de bioetanol son diversos y dependen fundamentalmente del tipo de materia prima elegida: biomasas azucaradas o productos amiláceos y granos de cereales. En el caso de biomasas azucaradas, con azúcares solubles y directamente fermentables, el proceso consiste, de forma general, en: 1. Extracción con agua caliente de los azúcares solubles. Si la materia prima está constituida de caña de azúcar, los tallos se muelen inicialmente, separando el jugo rico en azúcares solubles, de la parte lignocelulósica que, posteriormente, se lava con agua caliente y se prensa para agotar los azúcares. El residuo sólido resultante es el denominado bagazo, que constituye alrededor de un 40-45% del peso fresco inicial de los tallos, y que puede utilizarse como material lignocelulósico para la producción de calor de proceso y electricidad. Si la materia prima está compuesta por tubérculos de la remolacha, éstos se dividen en piezas de tamaño y forma muy específicos, denominados "cosetas", que posteriormente se verán sometidos a una extracción con agua caliente a reflujo en los extractores. Esta operación es la más costosa en términos de inversión y gasto energético de todas la que componen el proceso Se obtiene como subproducto la pulpa de los tubérculos que, previamente desecada, se dedica a la alimentación animal. 2. Fermentación directa de los azúcares. 3. Destilación, para separar el etanol de las vinazas. En el caso de que la materia prima se constituya de productos amiláceos (almidón u otros poliazúcares, como la inulina) y granos de cereales, el proceso es idéntico al caso anterior, con la salvedad de que el pimer paso debe ser una hidrólisis con enzimas específicas, que rompan dichas fracciones con el fin de obtener glucosa fermentable para las levaduras. 5.2.3.2 Producción de bioetanol a partir de granos de cereales La producción del etanol genera dos co-productos de interés comercial: por un lado, los denominados DDGS (del inglés "Destilled Dried Grain Solubles"), que no son más que las vinazas, de interesante aplicación dentro del mercado de los piensos, dada su riqueza en proteína; y, por otro lado, el CO2 que se produce durante los procesos de fermentación, y que encuentra su utilidad dentro de las bebidas gaseosas como materia prima. El proceso de producción de etanol a partir de granos de cereales se realiza mediante dos procedimientos distintos: por vía húmeda y por vía seca. La ténica por vía húmeda es el método más empleado en la actualidad por la industria almidonera y de producción de fructosa. Se basa en un remojo inicial del grano dentro de una solución acuosa de SO 2 al 0,1-0,2%, lo que produce un reblandecimiento del material, que favorece la separación posterior de las distintas fracciones que componen el grano del cereal y que presentan una utilidad industrial. Además de la vinaza y del CO2, se obtienen otros subproductos de gran valor añadido, debido a su alto contenido en vitaminas del grupo B y proteínas de alta calidad (gluten), que poseen numerosas aplicaciones en cosmética, fabricación de alimentos infantiles y dietéticos, fabricación de piensos, aditivos vitamínicos y nitrogenados en procesos de fermentación industrial, etc. En la práctica, la producción de bioetanol por vía húmeda presenta diferentes inconvenientes: - Es un procedimiento complejo, con un gran número de operaciones y de subproductos finales, lo cual supone elevados costes de inversión inicial y, sobre todo, una gran sensibilidad del coste de producción del biocarburante y de los precios de los subproductos del proceso en mercados distintos al energético. - La producción masiva de bioetanol a partir de cereales podría influir muy negativamente sobre el precio actual en el mercado de dichos subproductos, como el gluten, aceite de germen, etc., lo que determinaría una reducción del beneficio por venta de subproductos y un perjuicio a las actuales industrias que los fabrican como productos principales de proceso. Por estas razones, en los Estados Unidos, país en el que ya existe una importante producción de bioetanol a partir de maíz, se está implantando cada vez más en las industrias de este sector un proceso alternativo al anterior denominado "vía seca", con el que se produce alrededor de un 40% del bioetanol destinado a combustible. El procedimiento por vía seca es una versión muy simplificada de la anterior, y consiste en llevar a cabo una molienda del grano y posterior hidrólisis de la masa total obtenida sin ningún tipo de separación o bien, a lo sumo, con una separación del gluten tras la fase de molienda. Así, la fermentación se realiza en un medio que, además de almidón hidrolizado, contiene el resto de los componentes del grano, incluida la fracción lignocelulósica (salvado) y otros insolubles. El proceso carece de los inconvenientes citados anteriormente pues, en general, como único producto residual se obtienen las vinazas de destilación que, previa desecación, pueden utilizarse para la elaboración de piensos, ya que poseen un alto contenido en proteína (al menos un 27% en las vinazas procedentes del maíz), aceites esenciales y vitaminas. En cualquier caso, la conveniencia de uno u otro proceso vendrá dada por factores tales como el tamaño y producción de la planta, el precio posible de venta de los subproductos, etc. 5.2.3.3 Proceso de producción del ETBE La obtención del ETBE se realiza en instalaciones petroquímicas anejas o próximas a refinerías de petróleo en las que se obtiene el isobuteno como subproducto. El proceso se lleva a cabo a 8-10 atm de presión y a unos 220-250ºC, utilizándose catalizadores metálicos. El proceso descrito de obtención de ETBE es totalmente análogo al utilizado por la industria petroquímica en la fabricación del MTBE (metiltercbutileter), aditivo ya utilizado en la gasolina sin plomo, pudiéndose de hecho, producir ambos productos en la misma planta petroquímica, introduciendo únicamente adaptaciones de poca importancia que exigen una inversión relativa muy pequeña. 5.2.4 Aplicaciones de los bioalcoholes Las aplicaciones que encuentran los bioalcoholes (etanol y ETBE) dentro del campo de los biocarburantes son de dos tipos: - Empleados como único combustible, tanto en motores diesel (eso sí, profundamente modificados) como de gasolina (en este caso requieren un grado de reforma mucho menor, siendo, a veces, innecesaria). - Utilizado en mezclas, en forma de aditivos. 5.2.4.1 Utilización de bioalcoholes como unico combustible Bioetanol El etanol, como único combustible, posee unas excelentes propiedades utilizado en motores con ciclo Otto, principalmente. Asimismo, se caracteriza por su alto índice de octano y su elevado calor latente de vaporización. Estas características le permiten trabajar con un índice de compresión del motor más alto que en el caso de las gasolinas. Este hecho redunda en una mayor eficiencia del motor de etanol, que contrarresta parcialmente, en cuanto a consumo, los efectos producidos por el inferior poder calorífico del biocombustible. De esta manera, a pesar de poseer un poder calorífico un 35% inferior al de los combustibles fósiles, el consumo de un motor específicamente diseñado con etanol es tan sólo un 10-15% superior a uno de gasolina, supuestas iguales las prestaciones de ambos. Sin embargo, entre las características más desfavorables del uso del etanol puro como combustible figuran: - Problemas con determinados tipos de carrocerías sensibles al etanol. - Miscibilidad del etanol en agua, lo que significa que en presencia de agua se deshace la disolución etanol-gasolina. - Su alta volatilidad ocasiona una mayor peligrosidad en el manejo del biocarburante. - Su elevado punto de autoignición, mucho mayor que el de la gasolina, determina problemas de arranque en frío, que obliga a instalar en los vehículos de etanol un pequeño depósito adicional de gasolina para la iniciación de la marcha. - El empleo de alcohol hidratado (95,5ºGL), por su mayor corrosividad, hace necesaria la adopción de cambios en los materiales de muchos componentes del motor, incluidos los cilindros, con objeto de poder adaptarlos al nuevo combustible. Por lo tanto, el motor de gasolina sólo podría ser razonablemente convertido para su funcionamiento con alcohol anhidro (99,6ºGL). Las propiedades mencionadas hacen que la utilización de bioetanol en motores diseñados para gasolina sea factible técnicamente pero no viable económicamente, dado que se requerirían profundas modificaciones de los motores convencionales a fin de evitar los efectos disolventes y corrosivos del etanol sobre los materiales en contacto con él, y sobre todo, de adaptar su diseño a las características del biocombustible. Además, el mismo motor no podría funcionar con los carburantes indistintamente. A pesar de ello, las ventajas que supone la utilización de estos combustibles superan a los inconvenientes, y se basan principalmente en los aspectos medioambientales. Aún así, las circunstancias anteriormente mencionadas determinan que, en la práctica, la utilización del bioetanol como único combustible de vehículos sólo esté difundida en países como Brasil, donde la capacidad productora es muy alta en relación con el consumo de gasolina. Este hecho ha posibilitado la existencia en aquel país de una amplia flota de vehículos movidos exclusivamente con bioetanol, ya que poseen unos motores construidos con unas especificaciones adecuadas para el biocarburante, tanto en el diseño de componentes como en materiales, permitiendo la utilización de alcohol hidratado cuyos costos de fabricación son menores que los del anhidro. ETBE En cuanto al ETBE, tiene unas características parecidas a las del etanol, aunque sus costos de producción son más altos: por ello, no se utiliza como único combustible, encontrando su aplicación más ventajosa en mezclas con gasolina; aplicación en la que presenta ventajas muy interesantes frentes al etanol. 5.2.4.2 Utilización de bioalcoholes en mezclas El etanol y el ETBE forman parte de aquellos productos conocidos como aditivos oxigenados de la gasolina, utilizados para incrementar su octanaje. De esta forma, se logra evitar la adición de sales de plomo, con la consiguiente reducción de las emisiones y la posibilidad de utilizar catalizadores. Entre estos productos, también se encuentran otros de naturaleza orgánica (tolueno, xileno y benceno), que presentan problemas en su aditivación debido a las potenciales propiedades cancerígenas que poseen. Bioetanol La utilización del etanol como aditivo oxigenado de la gasolina presenta numerosos inconvenientes: - Los problemas derivados de la baja solubilidad del alcohol en la gasolina. - En presencia, incluso de pequeñas cantidades de agua, se puede producir (especialmente en climas fríos) una separación de la mezcla en dos fases, con desplazamiento del agua por parte del alcohol. La ocurrencia de este fenómeno produce graves problemas de corrosión y de funcionamiento del motor. Por este motivo, debe evitarse cualquier contacto de las mezclas con el agua durante las operaciones de transporte y almacenaje. - Su volatilidad es muy superior a la de la gasolina, por lo que su adición a la misma puede comprometer las especificaciones del combustible, y causar riesgos adicionales durante el transporte y almacenaje de las mezclas. Todas estas circunstancias hacen que la utilización de etanol en mezcla con la gasolina se lleve a cabo siempre con el alcohol en forma anhidra (99,6ºC), lo cual encarece notablemente el precio del biocarburante. ETBE Los inconvenientes antes reseñados del empleo del etanol como aditivo oxigenado para las gasolinas hacen que aumente el interés por su derivado, el ETBE. Entre las razones que determinan dicho interés se encuentran: - Su volatilidad, muy inferior a la del etanol y a la de la propia gasolina. - Presenta una mayor solubilidad en la gasolina que el etanol. - Posee todas las ventajas del etanol para la aplicación considerada. - Asimismo, la logística y propiedades son muy similares a las del otro compuesto de origen fósil, que ya se está utilizando como aditivo oxigenado en las gasolinas sin plomo: el MTBE, producto que se obtiene actualmente de la síntesis del metanol a partir del gas natural. La utilización del ETBE en forma de aditivo oxigenado para las gasolinas no plantea ningún inconveniente, y puede sustituir de modo ventajoso a los compuestos que en la actualidad se vienen utilizando para la gasolina sin plomo (MTBE). Hoy en día, la adición a la gasolina de ETBE está autorizada en los Estados Unidos hasta un 15% en volumen y hasta un 10% en la UE. Los proyectos de producción, y uso del etanol y derivados en España, se basan en esta opción, ya que permite una utilización del producto a mayor escala, sin plantearse la necesidad de modificaciones en la red de suministro de carburantes o posibles incidencias en el funcionamiento de los vehículos. 5.3 Bioaceites Los bioaceites se obtienen a partir de aceites vegetales de distintas procedencias y pueden dedicarse, en principio, a la sustitución de combustibles para motores diesel. Es necesario destacar que los primeros motores de ciclo diesel se prepararon para su funcionamiento con aceites vegetales, aunque esta idea fue cayendo en desuso a medida que fue aumentando la disponibilidad del petróleo. Las sucesivas crisis energéticas transcurridas desde principios del siglo XX hicieron volver la mirada hacia este tipo de combustibles, encontrándose la limitación a su desarrollo en los costes de producción, y en ciertos problemas técnicos para su utilización directa en motores diesel convencionales. Sin embargo, sus alquilésteres derivados, de propiedades más idóneas, tal y como se verá más adelante, encuentran en la actualidad una aplicación comercial significativa para el uso citado. 5.3.1 Reacciones y rendimientos globales de formación de los bioaceites La reacción de transesterificación, que da lugar a los metilésteres derivados de aceites vegetales, se produce como consecuencia de la reacción del aceite vegetal con el metanol: Tal y como se indica, a partir de 1 kg de aceite se obtiene la misma cantidad, aproximadamente, de metiléster derivado, así como unos 110 g de glicerina como subproducto principal. Al igual que en el caso de los bioalcoholes, estos rendimientos son orientativos y dependerán, entre ciertos límites, de las condiciones impuestas por los diversos procesos comerciales. 5.3.2 Producción de aceites vegetales Los cultivos oleaginosos que pueden destinarse a este tipo de aplicaciones son la colza, la soja y el girasol, dada la experiencia existente en su cultivo dentro del ámbito agrícola del entorno europeo. En otros entornos geográficos, como Asia o África también pueden resultar especialmente interesante el aceite de palma. Actualmente, las materias primas agrícolas más utilizadas comercialmente son: - La colza en la UE (existe, además, un importante potencial para el girasol en los países de la cuenca mediterránea). - La soja en los Estados Unidos. 5.3.3 Procesos de obtención de aceites vegetales y metilÉsteres derivados Los actuales procesos para la producción a escala industrial de aceites vegetales con miras a su uso como combustibles no difieren básicamente de los clásicamente empleados por las industrias alimentarias, que basan sus operaciones en un prensado inicial de las semillas o frutos oleaginosos, para posteriormente, proceder a la extracción del aceite restante en la torta de prensado, mediante solventes orgánicos. De este modo, se obtiene un aceite bruto sin refinar, que si bien puede ser utilizado directamente como combustible, requiere de la realización de profundas transformaciones en los motores o, en su caso, la utilización de motores específicamente diseñados a tal efecto. Al igual que en alimentación, las posibilidades de utilización de los aceites en motores convencionales mejoran con el refino del aceite bruto, el cual se basa en tres operaciones fundamentales: - Degomado. En esta etapa se produce la eliminación de la lecitina y de otros fosfolípidos, con el fin de aumentar la pureza química del aceite y de disminuir su viscosidad. - Decoloración. - Desodorización. Con esta operación se evita el olor y sabor desagradables. Las dos últimas operaciones sirven para mejorar la calidad alimenticia del producto, y suelen llevarse a cabo con filtros de carbón activo. Este refino es especialmente interesante con vistas a posibles aplicaciones a realizar en el punto de producción o en países en vías de desarrollo con problemas de abastecimiento. 5.3.3.1 Transesterificación El proceso que mayores ventajas plantea a la hora de ampliar el campo de aplicación de los bioaceites es la denominada transesterificación. Mediante este procedimiento, se obtiene el metiléster -también denominado "biodiesel"-, que se emplea como sustituto del gasóleo (combustible fósil). En la figura 5.3 se muestra el diagrama de procesos de producción de metiléster. Figura 5.3 Diagrama de procesos de producción de metiléster. Fuente: modificado a partir de la reseña bibliográfica nº 6. El proceso de transesterificación consiste en la sustitución de la glicerina (agrupa tres cadenas de ácidos grasos) por metanol (se asocia a una única cadena de ácido graso), llevándose a cabo una vez obtenido el aceite. El procedimiento consta de las siguientes etapas: a) Se hace reaccionar el aceite vegetal con metanol en presencia de un catalizador ácido o básico en condiciones suaves de temperatura y presión (80-90ºC, 1 atm). Dicho procedimiento es análogo a los utilizados en la industria glicerinera, para la obtención de glicerina como producto principal. b) Tras la reacción, el producto principal se separa del resto de subproductos que se encuentran en el medio y, especialmente, de la glicerina y del metanol residual. Esta etapa es fundamental debido a que la presencia, incluso en pequeñas cantidades, de la glicerina contribuye a dificultar el filtrado en frío del biocombustible. Es muy importante conseguir metilésteres de adecuada pureza con el fin de evitar problemas a su paso por los elementos filtrantes del motor y, en general, de los sistemas de distribución y almacenaje. En cuanto al metanol, aunque contribuye a paliar el efecto descrito, su presencia como contaminante ocasiona un incremento en la volatilidad de los metilésteres, lo que ocasiona un aumento en la peligrosidad del manejo de los mismos. La presencia de los compuestos citados es, por tanto, un punto fundamental que hay que considerar a la hora de definir las especificaciones de los biocarburantes y que, en general, tiende a restringirse al máximo. Las distintas fases del proceso de fabricación proporcionan dos productos de gran interés o co-productos: - La torta agotada, que constituye el conjunto de los materiales molidos que quedan una vez extraído el aceite, muy rico en proteínas, y especialmente apreciado para la producción de piensos. - La glicerina resultante de la transesterificación. Es un producto que presenta un gran número de aplicaciones (evidentemente no energéticas) en distintos ámbitos y que, además, tiene un alto valor añadido. Aparte del evidente interés económico que presentan dichos co-productos, cuya comercialización es fundamental para asegurar la viabilidad de las plantas de producción y la competitividad de los precios del biocarburante, existe un interés energético; pues encontrar aplicaciones para todos los materiales procedentes del cultivo, mejora de un modo notable el balance energético del conjunto de la actividad. Las ventajas que conlleva la producción del éster metílico o biodiesel son las siguientes: - Aproxima enormemente las propiedades del biocarburante a las del combustible fósil a sustituir (gasóleo). - Se consigue un producto de características homogéneas. - Permite la utilización del biocarburante en motores sin modificar. El biodiesel ha sido empleado en diferentes tipos de vehículos y en distintas concentraciones (mezclado con el gasóleo en proporciones que oscilan desde el 5%, hasta combustibles 100% biodiesel), sin que se hayan podido detectar problemas de importancia en la práctica totalidad de los casos. 5.3.4 Aplicaciones de los aceites vegetales y de sus derivados Al igual que los bioalcoholes, las aplicaciones que encuentran los aceites vegetales dentro del campo de los biocarburantes son de dos tipos: - Empleado como único combustible. - Utilizado en mezclas, en forma de aditivos. 5.3.4.1 Utilización de los aceites vegetales y del biodiesel como unicos combustibles Aceites vegetales Los aceites vegetales presentan características muy diferentes a las especificaciones del gasóleo: - Viscosidad y punto máximo de filtración en frío (POFF) mucho más elevados. - Índice de cetano más bajo que el del derivado petrolífero. Por ello, técnicamente, estos productos no pueden utilizarse ni como único combustible ni en mezclas con el gasóleo en motores diesel convencionales pues, además de poder causar diferentes daños y un ensuciamiento importante de los cilindros del motor y de los inyectores, determinan unos índices de emisiones más elevados. De esta forma, la utilización de aceites vegetales puros se encuentra restringida al empleo de motores diesel de diseño especial, dotados de una precámara de combustión en la que se inyecta directamente el combustible (motores tipo W de Deutz-Fahr), o bien en motores Elsbett de comportamiento semidiabático. En ambos casos, se trata de motores de precio muy superior a los convencionales y cuya utilización sólo es viable en circunstancias y casos muy concretos. Debido a los motivos anteriormente reseñados, el uso significativo de estos combustibles puros en sustitución del gasóleo parece, análogamente al caso del bioetanol, poco viable bajo un punto de vista práctico. No obstante, esta situación podría cambiar si se adoptaran las siguientes medidas: - La producción masiva (en principio poco factible) que hiciera posible la introducción en el mercado de un número importante de vehículos especialmente diseñados para estos productos. - La utilización en flotas cautivas de tractores y maquinaria agrícola o autobuses. Aún así, dichas flotas deberían soportar los mayores costos de fabricación de los motores, por lo que actualmente la viabilidad de esta alternativa parece aparcada hasta que no se consigan precios competitivos de los vehículos movidos con el biocarburante respecto de los diesel convencionales. En este contexto, las actividades comerciales sobre la utilización en vehículos de estos productos se llevan a cabo hoy día en torno a los metilésteres derivados de los mismos. Biodiesel A diferencia de los aceites vegetales, el biodiesel presenta unas características físicas y químicas mucho más similares al gasóleo. De esta forma, la sustitución del gasóleo como único combustible en motores diesel convencionales se consigue con tan sólo pequeñas modificaciones, derivadas, fundamentalmente, de las propiedades solventes de los metilésteres. Debido a sus propiedades solventes, los metilésteres atacan a materiales como el caucho, empleado en los conductos para el gasóleo: por ello, se requiere un cambio de juntas y conductos del motor por otros materiales como el teflón, invulnerables al biocarburante. Asimismo, en general, se hace preciso reducir el período de cambio de aceite de los motores. En diferentes ensayos realizados se ha constatado, con algunos tipos de motor, una ligera pérdida de potencia y un consumo mayor (alrededor de un 24%) de combustible en los vehículos movidos por metilésteres. Probablemente, las características de filtración en frío y el punto de enturbiamiento suponen los mayores problemas para la utilización de estos productos. Así, por ejemplo, el metiléster de colza cumpliría con las especificaciones españolas para el gasóleo, incluso en invierno, pero no las exigidas en un país más frío como Francia. En el caso del metiléster de aceite de girasol, no se cumpliría ninguno de los dos valores especificados para el gasóleo. Sin embargo, en cualquier caso, existe la posibilidad, tal y como se lleva a cabo con el propio gasóleo, de emplear aditivos adecuados que corrijan estos problemas. La utilización de biodiesel como producto puro es factible, sobre todo en flotas cautivas de vehículos que, tras las modificaciones ya mencionadas, podrían funcionar con el nuevo combustible. 5.3.4.2 Utilización de los aceites vegetales y biodiesel en mezclas Aceites vegetales En cuanto a los aceites vegetales, ya se ha mencionado que su utilización como productos puros en mezclas con gasóleo no es, en general, aceptable en motores diesel convencionales. Biodiesel Los metilésteres derivados o biodiesel, por su parte, son solubles en el gasóleo en cualquier proporción: - En pequeñas cantidades, inferiores a un 10% en volumen, la adición de estos productos al gasóleo no cambia significativamente las propiedades y el comportamiento del combustible final. - En cantidades superiores a un 20% es aplicable para estos productos, en cuanto a modificaciones precisas del motor y a emisiones, lo mencionado en el apartado anterior cuando se usan como único combustible. Figura 5.4 Biodiesel de girasol en autobuses. El vehículo funciona con una mezcla de gasóleo y biocombustible en proporción 70/30. Fuente: reseña bibliográfica nº 4. A diferencia de lo que ocurre con el etanol y con el ETBE, la adición de derivados de aceites vegetales al gasóleo no sirve, por lo general, para incrementar sensiblemente el índice de cetano de éste. En consecuencia, cuando se utilizan en pequeñas proporciones, cabe considerar a estos biocombustibles como meros sustitutivos de los productos petrolíferos y no como aditivos y mejorantes de alto valor añadido. 5.4 Diferentes Programas de los biocarburantes 5.4.1 Plan Proalcohol de Brasil El Plan Nacional de Alcohol de Brasil nace en 1975 a raíz de la primera crisis del petróleo, y con el objetivo de sustituir totalmente la gasolina de los automóviles por bioetanol producido, fundamentalmente, de la caña de azúcar. En dicho Plan se incluyeron:  Inversiones para la realización de las plantas de producción de bioetanol.  Ayudas y subsidios para los cultivadores de caña.  Ayudas económicas para los usuarios. Y permitió al país:     La creación de empleos directos en zonas rurales de Brasil. Durante el período de 1978 a 1986, la generación de unos beneficios que prácticamente doblaban los costes de las inversiones realizadas durante el mismo lapso de tiempo. Un ahorro en divisas, al sustituir el 65% de gasolina por el biocarburante. Un gran fomento en el desarrollo de la industria brasileña, en sectores como el de destilerías y la fabricación de vehículos de alcohol. En los últimos años, el interés en el Plan Proalcohol ha decrecido debido a diversos factores tales como: - El hallazgo de yacimientos de petróleo en el país. - Los bajos precios del combustible fósil. - La elevación de los precios del azúcar por la crisis de Cuba. - Las subvenciones del programa. En estas circunstancias, el número de ventas de vehículos de alcohol ha disminuido muy considerablemente, aunque la producción del biocarburante se ha estabilizado en la actualidad en unos 10 millones de metros cúbicos. Entre las actuaciones actuales, se encuentran: - La potenciación económica de las plantas de producción de etanol, gracias a incentivos para la venta de energía eléctrica producida en sus plantas de cogeneración. - La creación de un estándar para todas las gasolinas basado en mezclas con un 10% de etanol. - La creación de un nuevo combustible formado por etanol, metanol y gasolina, equivalente al etanol puro. 5.4.2 Programa de bioetanol en Estados Unidos El caso de los EE.UU. es significativamente distinto al de Brasil, ya que las motivaciones para su desarrollo fueron de índole agrícola y medioambiental. El Programa promueve la producción de bioetanol para su uso como combustible en automoción, comercializado en mezcla al 10% con la gasolina. La promulgación de la denominada "Clean Air Act", en 1991, supuso la potenciación de esta actividad, llegando a representar la mezcla el 8% del mercado total de combustibles. La materia prima principal para la producción de bioalcohol en este país son los granos de cereales, fundamentalmente, el maíz. La capacidad de producción de etanol alcanzó durante 1993 los 5,7 millones de metros cúbicos en los EE.UU. La promulgación de nuevas leyes restrictivas para la utilización de combustibles fósiles en áreas contaminadas o especialmente sensibles, y de distintos programas de investigación en los propios vehículos, han permitido un notable crecimiento del mercado, así como han posibilitado unas expectativas de igualdad de costes con los derivados del petróleo a medio plazo. 5.4.3 Programa de biocarburantes de la Unión Europea La evolución histórica de la biomasa como combustible en la UE sigue la siguiente cronología: - Principios de la década de 1980: Se plantea la posibilidad de producción de bioetanol combustible a partir de los productos excedentarios de remolacha, trigo y vino causado por una Política Agraria inadecuada. - 1985: Plan del Consejo de Ministros de la CEE para la producción de bioetanol, que contempla llegar a sustituir hasta un 25% de la gasolina gastada en la CEE. - 1986: Rechazo del plan anterior por el Parlamento Europeo por demasiado costoso. - Período de transición en el que sólo se realizan actividades de I+D y alguna demostración en torno a nuevos cultivos alcoholígenos. - 1992: Propuesta de Directiva "Scrivener" para la detaxación del bioetanol, aceites vegetales y derivados, en su uso como carburantes, en por lo menos un 90% de los impuestos especiales que gravan a los productos fósiles en la Unión Europea. Las razones para tal propuesta son los beneficios medioambientales y el empleo en las zonas rurales, como consecuencia del cultivo de biomasa no alimentaria en tierras abandonadas por la PAC. Sin embargo, esta Directiva cuenta, actualmente, con muy pocas posibilidades de ser aceptada finalmente. Aún así, se favoreció la implantación de diversas medidas como la posibilidad de dejar libertad a los estados miembros para detaxar en lo que consideren oportuno a los biocarburantes. En la actualidad, prácticamente todos los países de la UE han establecido medidas fiscales que pueden desgravar, aunque de forma restringida, a proyectos piloto. Respecto a este último tema, los países que han desarrollado una política más ambiciosa en ese sentido son Francia, Italia, Alemania y Austria. De esta manera, las medidas fiscales son aplicables a los siguientes productos: - Etanol obtenido por fermentación de productos agrícolas (bioetanol), tales como melazas de azucareras, cereales, patata, patacas o remolacha, tanto en utilización directa para sustituir parcial o totalmente a la gasolina, como en derivados obtenidos por transformaciones químicas (ETBE, por ejemplo) para aumentar el octanaje de gasolina. - Metanol de origen agrario en utilización directa o tras su transformación química, con aplicaciones análogas al etanol. El metanol se produce por tratamiento termoquímico (gasificación catalítica) de biomasa lignocelulósica tales como leñas, pajas, bagazos, residuos agrícolas o forestales, etc. Uno de los derivados del metanol que se puede utilizar como aditivo para aumentar el octanaje de las gasolinas es el MTBE. - Aceites vegetales obtenidos a partir de plantas oleaginosas en general y, en especial, de colza o girasol que, tras su esterificación con alcoholes (metanol, principalmente), originan un producto que en Francia han denominado "diester" (contracción de diesel y éster), que puede sustituir al gasoil carburante. La reducción de la tasa fiscal a los biocarburantes viene favorecida por los siguientes efectos económicos, derivados de su producción y consumo a nivel nacional: - Creación de empleo y la consiguiente reducción de subvenciones de paro. - Generación de impuestos en el propio proceso productivo que se desarrolla íntegramente en el país. - Ahorro de divisas en la importación de petróleo. - Aumento del PIB. Según estimaciones de la Comisión de la UE, existe la posibilidad de utilizar de forma inmediata, 4.278.000 ha de tierras "congeladas" ("set aside") para la producción de unos 80 millones de hectolitros de biocarburantes (equivalente a unos 7 millones de tep). Sin embargo, el futuro del Programa es preocupante siempre que no se logren acuerdos para implantar Directivas y desarrollar la legislación (de obligado cumplimiento para todos los países miembros), con el objetivo de lograr una sustitución de un 15% de los combustibles fósiles de transporte por biocarburantes para el año 2005. Dentro del ámbito estatal, esta situación ya está contemplada gracias a una normativa para permitir, bajo determinadas condiciones, esta detaxación. Es necesario destacar que la reducción de estos impuestos no se plantea como permanente, siendo una medida de carácter temporal, incrementándose de modo progresivo los posibles impuestos a partir de un momento dado, una vez alcanzadas las condiciones óptimas de funcionamiento de las industrias de producción (pues parece lógico que la producción en masa y la mejora de los rendimientos permita una reducción sustancial de los costes). El hecho de la detaxación no tiene que suponer necesariamente una merma en los ingresos del estado, ya que la exención contribuye a la creación de rentas y generación de empleo en nuevas actividades industriales, que en este caso sí reportan ingresos. Puntos a destacar 1.- Los biocarburantes o biocombustibles constituyen el conjunto de combustibles líquidos provenientes de diferentes transformaciones de la biomasa, y que pueden emplearse como combustible en aplicaciones diversas, especialmente en el sector del transporte. 2.- La utilización de biocarburantes presenta numerosas ventajas, sobre todo en cuanto a respecto al medio ambiente e independencia energética. Sin embargo, sus costes asociados representan un obstáculo difícil de salvar. 3.- Los biocarburantes se dividen en dos grandes grupos: bioalcoholes (metanol, bioetanol, ETBE) y bioaceites (aceites vegetales y sus ésteres derivados). Normalmente, los procedimientos de obtención son los mismos que los utilizados en las industrias agroalimentarias y de productos químicos. 4.- El bioetanol puede obtenerse principalmente a partir de compuestos azúcarados o productos amiláceos procedentes de la hidrólisis del almidón, en un proceso que consta de tres etapas: pretratamiento, fermentación y destilación. 5.- Las vinazas constituyen los residuos orgánicos procedentes del proceso de destilación de los fermentados. Con el fin de reducir su alta DBO deben someterse a un proceso de digestión aerobia o anaerobia; en este último caso, puede obtenerse biogás para mejorar el rendimiento energético de la operación. 6.- El proceso de producción del ETBE se realiza en industrias petroquímicas próximas a refinerías de petróleo, donde se obtiene el isobuteno como subproducto. 7.- Los bioalcoholes pueden utilizarse como un único combustible, o bien como aditivos de la gasolina para incrementar su octanaje. 8.- Al igual que los bioalcoholes, los bioaceites pueden emplearse como un único combustible, o bien mezclados con el gasóleo en los motores tipo diesel. 9.- En la actualidad, existen diferentes programas de biocarburantes en Brasil, Estados Unidos y la Unión Europea. 6. PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN DE LA BIOMASA EN ENERGÍA OBJETIVOS - Aprender las principales características de los procesos físicos, químicos, biológicos y termoquímicos (combustión, gasificación y pirólisis). - Conocer las diferentes formas de tratamiento de los RSU: reciclaje, compostaje e incineración. 6.1 Introducción Del conjunto de materiales que componen la biomasa pueden obtenerse una gran variedad de productos, comparables en calidad y número a los derivados del carbón y del petróleo, de interés para su uso energético, agrícola e industrial. A pesar del enorme potencial que presentan las rutas de conversión de la biomasa, tan sólo un número relativamente reducido de éstas tienen en la actualidad una aplicación comercial, debido a dos causas fundamentales: - La falta de viabilidad de estos procedimientos, especialmente asociados en la mayoría de los casos, al alto coste de las materias primas. - El poco desarrollo de los procesos y tecnologías precisos para verificar las transformaciones necesarias. En este sentido, los pilares básicos sobre los que en estos momentos se sustenta la viabilidad futura de este recurso son: - La investigación y el desarrollo tecnológico de nuevos procedimientos para la utilización de la biomasa, así como profundizar en el conocimiento de las rutas de conversión ya existentes. - La investigación de nuevas aplicaciones y productos. - La consecución de materia primas de un menor costo a las actuales. En muchos casos, la investigación se desarrolla paralelamente a otras áreas, cuyos resultados tienen aplicaciones semejantes. Así ocurre, por ejemplo, con la fermentación y la combustión de la biomasa, donde se están asimilando las nuevas tecnologías incorporadas por las industrias agroalimentarias y del sector térmico del carbón, respectivamente. Sin embargo, las características específicas de los materiales biomásicos hace que no siempre las conclusiones sobre la viabilidad de estos procesos y tecnologías sean aplicables de la misma forma al recurso renovable y, en todo caso, suele ser precisa una adaptación notable de unos y otras a las realidades y nuevos usos de las materias primas biomásicas. A continuación, se introducen los principales procesos de conversión de la biomasa y un breve análisis de la situación actual del desarrollo tecnológico de los mismos. 6.2 Tipos de procesos Atendiendo a la naturaleza del agente principal que produce la transformación, pueden distinguirse cuatro tipos de procesos de conversión de la biomasa: físicos, químicos, biológicos y termoquímicos. Figura 6.1 Principales vías de conversión de la biomasa. Fuente: elaboración propia a partir de la reseña bibliográfica nº 10. 6.2.1 Procesos físicos Este tipo de procesos se basan en la actuación de diferentes agentes físicos sobre la biomasa. En general, están asociados a fases primarias de transformación, dentro de lo que suele denominarse fase de acondicionamiento o preparación de la biomasa para su aprovechamiento energético posterior. Las principales características de estos tipos de procesos son: - No producen cambios sustanciales en la composición química de las biomasas tratadas; si bien, en ocasiones, producen una separación de las distintas fracciones biomásicas. Esta particularidad es la que los diferencia del resto de procesos. - Su finalidad principal consiste en dar lugar a productos que presenten características más favorables que la biomasa original, de acuerdo con los requisitos de las etapas posteriores del proceso de transformación. Dentro de los procedimientos físicos pueden incluirse: - El fraccionamiento mecánico, en sus diversas facetas de picado o cortado, astillado, molienda, etc. - La extracción de componentes biomásicos por difusión, utilizando agua u otros agentes químicos como extractantes. - La filtración por prensado o centrifugación. - La compactación por acción mecánica para la producción de pellets1 y briquetas. Asimismo, se incluye como operación muy importante en diferentes procesos el secado de la biomasa: - De carácter natural, basado en el oreo al aire de los materiales o mediante los procesos termoenergéticos que ocurren en el interior de los montones de biomasa. - De tipo forzado, que se produce al poner en contacto la biomasa con aire seco y caliente generado de forma artificial. En los procesos de acondicionamiento de la biomasa se suelen emplear dos o más de estos métodos, combinándolos a fin de optimizar dicha preparación y lograr así un producto de características precisas. 1 Pequeños cilindros (entre 7 mm y 20 mm de diámetro y de 25 mm a 60 mm de longitud) limpios y muy manejables, que resultan de someter a la biomasa a un proceso de extrusión. 6.2.2 Procesos químicos Los principales procesos químicos de conversión de la biomasa se pueden dividir en dos grupos: a) Degradación o digestión química. Generalmente, tiene lugar por medio de una hidrólisis de los componentes de la biomasa para dar lugar a compuestos más simples. - La rotura de las cadenas de poliazúcares (almidón, celulosa, hemicelulosa) da lugar a monosacáridos (compuestos de gran interés en la obtención de productos energéticos, como el bioetanol). - La hidrólisis de la lignina proporciona derivados fenólicos muy apreciados por la industria química para la fabricación de plásticos, resinas, etc. - Los productos resultantes de la degradación de materiales lignocelulósicos se utilizan en la fabricación de la pasta del papel. b) Transesterificación de aceites vegetales. Consiste en una reacción de los aceites con alcoholes como metanol y etanol, para dar lugar a ésteres, denominados genéricamente biogasóleos o biodiesel, debido a que se pueden utilizar en motores diesel en sustitución del gasóleo. 6.2.3 Procesos biológicos Se llevan a cabo por la acción directa sobre la biomasa de microorganismos (fermentaciones) o de sus enzimas que, generalmente, tienen también un origen microbiano. Dada la enorme diversidad de rutas biológicas microbianas, este tipo de procesos presenta un gran número de posibilidades para: - La generación de biocombustibles (bioetanol). - La producción de productos químicos (ácidos orgánicos, alcoholes, cetonas y polímeros de diferente naturaleza). - El tratamiento de residuos orgánicos. Los ejemplos más significativos en este caso son: - La digestión o fermentación anaerobia de residuos urbanos, agroindustriales y ganaderos, para dar lugar al biogás. - El compostaje, o fermentación aerobia termófila que, aplicada a residuos agrícolas, forestales, ganaderos y urbanos, da lugar al compost, producto que puede emplearse como mejorante y fertilizante de los suelos. El rendimiento energético de estos procesos, en relación con el valor también energético de las biomasas utilizadas como materia prima es bajo, por lo que suelen presentar una viabilidad económica inferior a la de otro tipo de transformaciones como las termoquímicas. Este hecho se debe a la elevada especificidad de la acción enzimática sobre tan sólo determinadas fracciones de biomasa. 6.2.3.1 Biometanización o digestión anaerobia La digestión anaerobia es un proceso biológico, mediante el cual la materia orgánica, en ausencia de oxígeno y por la acción de determinadas bacterias, se degrada en una serie de productos gaseosos (biogás), además de otros compuestos sólidos (lodos biológicos) para la producción de compost. Figura 6.2 Residuos agrícolas triturados y su aspecto tras ser transformados en compost. El biogás obtenido normalmente contiene una elevada fracción de metano (entre un 50% y un 70%), lo que permite su aprovechamiento energético directamente como combustible, o bien mediante su combustión en motores de gas para la generación de electricidad. De esta forma, la digestión anaerobia tiene una elevada fiabilidad para tratar diversas categorías de residuos, como lodos de depuradoras o residuos agrícolas y ganaderos. Asimismo, se multiplican por toda Europa las instalaciones de aprovechamiento del biogás liberado por la descomposición de la materia orgánica en vertederos, un sistema que, además de recuperar parte del contenido energético de los residuos, evita las emisiones, los olores, y el riesgo de incendio en los depósitos controlados de residuos. Los principales parámetros que caracterizan al proceso de digestión son: la temperatura a la cual se origina el residuo, la demanda química y biológica de oxígeno, y la presencia de sólidos y otros compuestos incluidos en los residuos (nitrógeno, fósforo, azufre...). 6.2.4 Procesos termoquímicos Los procesos termoquímicos están basados en la transformación química de la biomasa que se produce al someterla a altas temperaturas (300ºC-500ºC). Dichos procedimientos dan lugar a calor o a biocombustibles, cuya principal utilización actual es la producción de calor y electricidad. Las etapas que se llevan a cabo cuando un material biomásico se calienta en un recinto cerrado son las siguientes: - Fase inicial: - Proceso de secado por evaporación del agua contenida en el recinto. - Liberación de los componentes volátiles de la biomasa. - Fase intermedia (a medida que se eleva la temperatura del medio): - Reacciones de crackeo o descomposición de sus moléculas en otras más simples. - Fase final: - Reacciones en las que los productos resultantes de la fase anterior interaccionan entre sí y con los componentes de la atmósfera en la que tenga lugar la reacción, para dar lugar a los productos finales. Por medio de un control de las condiciones de proceso -principalmente, de la temperatura y de la composición de la atmósfera de interacción-, es posible dirigir la reacción hacia la obtención de productos diferentes, lo que da lugar a los tres procesos principales de conversión termoquímica de la biomasa: combustión, gasificación, pirólisis y licuefacción. 6.2.4.1 Combustión La combustión se produce en la atmósfera oxidante de aire u oxígeno, para proporcionar (en caso de que sea completa) como únicos productos: - Dióxido de carbono. - Agua. - Sales minerales (cenizas). De esta reacción, se desprende calor en forma de gases calientes, que pueden ser aprovechados como fuente energética en un ciclo de vapor convencional o de turbina de gas1 (figura 6.3). Figura 6.3 Ciclo de vapor con turbina de gas simple. Fuente: elaboración propia a partir de la reseña bibliográfica nº 1. La energía liberada en la combustión de biomasa viene dada por el calor que se produce al romperse los enlaces entre las moléculas que la forman. Si se conoce la composición elemental de la biomasa, se puede estimar la calor que se desprende en kcal/kg: donde C, H, O y S representan, en tanto por uno, la proporción en peso de carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre (despreciable en la mayoría de los casos), respectivamente. Por otro lado, la combustión de la biomasa, en comparación con la de otros compuestos sólidos, se caracteriza por: - Tener un bajo punto de ignición. - Una gran velocidad de combustión. - Las bajas necesidades de aire de combustión, a causa del elevado contenido de oxígeno de la biomasa. Los requerimientos son, principalmente, de aire secundario, destinado a la combustión de los gases. La distribución de temperaturas en la zona de combustión tiene una importancia crítica, ya que permitirá o evitará la generación de gases potencialmente contaminantes. Las principales ventajas de esta tecnología se encuentran en el hecho de poder procesar unos residuos que pueden ser muy heterogéneos, de dimensiones variables y con un grado de humedad de hasta el 60%. La combustión directa de la biomasa es el proceso hoy en día más desarrollado y difundido para su utilización energética. La tecnología de la combustión ha experimentado un importante progreso en los últimos años. Actualmente, los procesos de combustión de biomasa permiten alcanzar rendimientos energéticos de entre el 65% y el 95%, dependiendo de la existencia o no de recuperadores de calor durante el procedimiento. Básicamente, un proceso de combustión está integrado por los siguientes elementos: - El quemador. - La cámara de combustión. - La caldera (de vapor, agua caliente o fluido térmico). Existen tecnologías diversas, normalmente clasificadas según la forma del material que debe arder. De esta manera, los principales sistemas utilizados son: el tornillo sin fin, las parrillas y, finalmente, los quemadores ciclónicos (para combustibles pulverizados con bajo contenido de humedad). Asimismo, estas tipologías pueden complementarse con recuperadores auxiliares de calor (por precalentamiento) y sistemas de depuración de gases y extracción de cenizas. Entre los sistemas de combustión, cabe destacar también el desarrollo de tecnologías de lecho fluido, que consisten en hacer circular aire de combustión a una velocidad suficiente como para permitir la suspensión de las partículas de combustible, que arderán en el seno de esa misma corriente. 6.2.4.2 Gasificación La gasificación es, en realidad, una combustión incompleta de la biomasa en presencia de una cantidad controlada de agentes oxidantes. Este proceso se origina al someter a la biomasa a una temperatura entre 600ºC y 1.500ºC en una atmósfera pobre de oxígeno, en la que la cantidad disponible de este compuesto está por debajo del punto estequiométrico; es decir, del mínimo necesario para que se produzca la reacción de combustión completa, descrita en el apartado anterior. Cuando se utiliza aire como agente gasificante, se origina como producto principal un gas combustible de bajo poder calorífico (en torno a 4.000 kJ/Nm3), cuyos componentes principales son: - Monóxido de carbono. - Dióxido de carbono. - Hidrógeno. - Metano. Además del aire, el agente oxidante puede ser también aire enriquecido con oxígeno, oxígeno puro, una mezcla de vapor de agua y oxígeno, etc. Generalmente, el gasificador consiste en un lecho móvil o en un lecho fluido, atmosférico o presurizado. Desde el punto de vista fenomenológico, lo que diferencia un gasificador de otro es el perfil de temperaturas en su interior y la velocidad de transferencia de calor hacia las partículas sólidas. Gasificador en lecho fluidizado El gasificador en lecho fluidizado se caracteriza por que el sólido es mantenido en suspensión (fluidizado) mediante el gas. Este sistema proporciona distribuciones homogéneas de temperatura, y velocidades elevadas de transferencia de calor y materia. Asimismo, necesita un equipamiento relativamente simple siempre que se opere a presión atmosférica. Las altas velocidades de transferencia garantizan un contacto sólido-gas eficiente y, consecuentemente, favorecen las reacciones en la interfase gassólido y la fase gas. El control preciso de la fluidodinámica del sistema permite conseguir distribuciones óptimas de temperatura y concentraciones. Gasificador en lecho móvil El gasificador en lecho móvil se caracteriza por desplazarse el sólido o combustible de forma muy lenta. Existen dos posibilidades de funcionamiento: - Corrientes paralelas. En este caso, el sólidos y el gas se mueven en el mismo sentido, normalmente descendente. - A contracorriente: En esta disposición, el sólido y el gas se mueven en sentidos contrarios, ascendente para el gas y descendente para el sólido. En los gasificadores de lecho móvil se producen fuertes diferencias de temperatura entre los extremos físicos del equipo. Por lo tanto, dentro de un mismo gasificador, pueden tener lugar diferentes fenómenos; de esta forma, pueden distinguirse zonas de combustión, de gasificación, de pirólisis y de secado. Este hecho comporta una minimización difícil de los alquitranes obtenidos, en los casos en que el objetivo sea la producción de gas. Las principales ventajas de la gasificación respecto a la combustión son: - El volumen de gases generado es mucho más pequeño, del orden del 25%, y, por tanto, su depuración es más fácil y más económica. - El gas resultante de la gasificación de la biomasa puede quemarse, directamente o mezclado con otros combustibles compatibles, en una caldera para generar calor o bien, utilizarse como combustible de motores de expansión y turbinas de gas que estén acopladas a un alternador para producir electricidad o trabajo mecánico. Entre los procesos más interesantes cabe citar: - Producción de metano. Se utiliza gas de síntesis (H2O/CO3=) sobre un catalizador a base de Ni o Fe. La reacción se desarrolla a alta presión y temperatura. - Producción de metanol. El proceso de ICI, que utiliza un catalizador a base de cobre, ha desplazado completamente el antiguo procedimiento a base de óxido de zinc y cromo. La reacción se lleva a cabo a 50 bar y 300ºC. - Producción de alcoholes superiores. A temperaturas más altas que las necesarias para la reacción anterior (350ºC-475ºC), y añadiendo álcalis al catalizador, se obtiene una mezcla compleja de alcoholes superiores. - Producción de hidrocarburos líquidos (síntesis Fischer-Tropsch). Consiste en hacer pasar el gas de síntesis sobre un catalizador de hierro (con álcalis y promotores estructurales del tipo alúmina, silice...) a temperaturas correspondientes entre 220ºC y 370ºC, y a presiones controladas en función de las condiciones de trabajo. - Producción de gasolina de alto índice de octano (proceso MOBIL). Este revolucionario procedimiento permite producir gasolinas de alto índice de octano directamente a partir de metanol. 6.2.4.3 Pirólisis Se denomina de forma genérica, y quizás inadecuada, al proceso consistente en una descomposición térmica de la biomasa en ausencia total de oxígeno, es decir, en el vacío, o en presencia de una atmósfera inerte (con ausencia de agentes oxidantes). En la pirólisis se produce la descomposición térmica de los residuos y se obtiene una mezcla formada por: - Combustibles volátiles (hidrocarburos y compuestos alifáticos) en fase líquida. - Combustibles volátiles en fase gaseosa. - Residuo de carbón. La fracción gaseosa puede ser utilizada como aportación energética en el mismo proceso, mientras que los líquidos (aceites, agua pirolítica y alquitranes) y el sólido de tipo carbonoso pueden ser empleados posteriormente como combustibles o materias primas. Dentro del proceso pirolítico pueden distinguirse cuatro etapas: a) Pérdida de agua y otros productos volátiles hasta los 200ºC. b) Descomposición de los productos menos estables entre los 100ºC y 250ºC para proporcionar H2O, CO2 y CO. Los destilados acuosos se enriquecen en ácido acético y metanol. c) Reacción de descomposición principal, fuertemente exotérmica, que comienza a 275ºC y lleva la masa reaccionante a 300ºC o 350ºC. d) A partir de 300ºC la destilación es de nuevo exotérmica. Se producen los alquitranes. Los productos de reacción pueden ser clasificados de la siguiente forma: - Sólidos (25%-30%): formados principalmente por carbón vegetal. - Líquidos (40%-55%): formados por un líquido piroleñoso. Se separa en dos fases: una solución acuosa (ácido acético, metanol, fenoles, etc.), y los alquitranes (aceites pesados, brea, cresol, etc.). - Gas (10%-15%): constituido por CO, CO2, H2 e hidrocarburos ligeros. La proporción de dichos productos varía notablemente en función de la materia prima, condiciones de operación y diseño de la instalación. Así, cuando el producto deseado sea primordialmente el carbón vegetal, el proceso deberá ser lento a temperaturas de entre 300ºC y 500ºC, empleando los gases para secar previamente la biomasa y reciclando los líquidos para mejorar el rendimiento. Los procesos rápidos (a veces menos de un segundo) y a temperaturas elevadas (800ºC -1200ºC) rinden productos constituidos por una mezcla de sustancias orgánicas (hidrocarburos, aldehidos, alcoholes, cetonas, ácidos orgánicos, etc.), a veces de aspecto aceitoso, y siempre de bajo pH y elevada viscosidad, que se denominan genéricamente líquidos o aceites de pirólisis. Al contrario de lo que ocurre en los procesos biológicos en los que la acción microbiana o enzimática se lleva a cabo siempre en un medio acuoso, en los procedimientos termoquímicos se utilizan biomasas "secas", es decir, con un bajo contenido en humedad, dado que la evaporación del agua supone un gasto de energía que afecta muy negativamente a su balance energético. Las ventajas más importantes de la pirólisis sobre los métodos biológicos son: - En los procesos de pirólisis se actúa sobre la totalidad de los componentes de la biomasa, produciendo altos rendimientos energéticos y de productos finales cuando se emplean las tecnologías adecuadas (tabla 6.1). - Su inespecificidad, es decir, los resultados finales son aplicables a una gran variedad de materiales. Estas circunstancias hacen que junto con la combustión, sea en la actualidad, el procedimiento más utilizado por su mayor viabilidad económica. Combustible intermedio (%) Calor (%) Electricidad o trabajo mecánico (%) - 65-95 20-35 Pirólisis (aceites) 65-80 60-70 22-30* Gasificación 65-80 60-75 22-28** Digestión anaerobia 20-35 18-30 7-12 Fermentación alcohólica 20-30 15-25 5-10 Proceso Combustión * Los aceites utilizados en térmica convencional. El rendimiento sería muy superior de poder ser utilizados en motores o turbinas. ** En instalaciones pequeñas con motogeneradores. El redimiento sería muy superior en grandes instalaciones con ciclos de generación avanzados. Tabla 6.1 Datos indicativos sobre el rendimiento energético (energía útil / energía aportada en biomasa) de diversos procesos de conversión de la biomasa. Fuente: "La biomasa: Fuente de energía y productos para la agricultura y la industria". Ciemat. 6.2.4.4 Licuefacción La licuefacción es un proceso que tiene como objetivo la producción directa de combustibles líquidos por reacción de un gas reductor (CO/H2, H2) con diversas biomasas lignocelulósicas. Existen en la actualidad abundantes procesos en vía de investigación, que pueden ser agrupados en: - Tratamientos en medios acuosos en presencia de un catalizador del tipo carbonato de sodio. El gas reductor es una mezcla de CO/H2. - Tratamiento en medio orgánico (tetralina, fenol, productos de reciclado...) en presencia de un catalizador de hidrotratamiento. El gas reductor, en este caso, es el hidrógeno. Este tipo de proceso se encuentra a un nivel tecnológico de desarrollo mucho menor que las otras vías clásicas termoquímicas. 6.2.4.5 Problemática de los procedimientos termoquímicos Los problemas más importantes que se plantean a la hora de llevar a cabo estos procesos son: - La necesidad de inmensas instalaciones para obtener una rentabilidad económica. Por ejemplo, la producción de metanol es rentable a partir de 1.000 t/día. Este hecho está en contraposición con los requerimientos de pequeñas explotaciones locales, que aconsejan la baja densidad de producción de muchos tipos de biomasa. - El rendimiento energético global entre la materia prima (por ejemplo, madera) y el producto final (metanol, gasolina...) es extremadamente bajo. El carbón es todavía más rentable que la biomasa para todos estos procesos, pero incluso éste tiene una rentabilidad dudosa frente al petróleo o el gas natural en la fabricación de gran parte de los productos citados (metanol, alcoholes superiores, gasolina, etc.). 1 El principio de funcionamiento del ciclo con turbina de gas es similar al ciclo convencional, excepto que en este caso son los gases calientes a alta presión (y no el vapor) los que producen trabajo en la turbina. 6.3 El tratamiento de los residuos sólidos urbanos En el transcurso de estos últimos años, el aumento constante de la producción de residuos, especialmente en las grandes ciudades y sus urbanizaciones, ha agravado la problemática medioambiental y ha hecho que prácticamente todos los países se hayan planteado qué política es la adecuada para gestionarlos. Uno de los elementos comunes de las nuevas estrategias adoptadas ha sido la consideración de la minimización y el reciclaje como caminos idóneos para optimizar la gestión de residuos y racionalizar el aprovechamiento de los recursos. Una táctica fundamental para reducir la generación de residuos la constituyen: a) Las tecnologías de producción limpias. b) El diseño de productos que respeten el medio ambiente a la hora de utilizarlos, y en el momento de eliminarlos. c) El reciclaje, que tiene un gran interés tanto desde el punto de vista de aprovechamiento de los recursos naturales, como desde el punto de vista energético. Asimismo, estas opciones resuelven solamente una parte del problema, ya que una vez agotadas las vías de reducción y reciclaje, es necesario prever sistemas para tratar de forma adecuada las fracciones residuales no aprovechables antes de su vertido final. Dentro de estos tratamientos, se encuentran: - Los sistemas de destrucción térmica con recuperación energética. Este tipo de procesos se presentan como una alternativa válida y consolidada, sobre todo por lo que se refiere a ciertos tipos de residuos como las basuras urbanas y la biomasa residual. Lógicamente, el objetivo prioritario tiene que ser la eliminación con la mínima repercusión medioambiental. Siguiendo este criterio, las instalaciones de incineración han evolucionado progresivamente para adaptarse a una legislación ambiental cada vez más restrictiva, y, gracias a la recuperación de la energía contenida en los residuos, permiten optimizar los costes de operación del tratamiento, reduciendo el volumen destinado al vertedero. Partículas sólidas totales (mg/Nm3) Alemania (a) Suecia Suiza Japón EEUU (e) CE (g) CE (i) CE (j) 30 20 50 80 37,5 200 100 30 CO (ppm) 80 100 -- -- 50-150 100 100 80 CIH (mg/Nm3) 50 100 30 400480 95% de eliminación 250 100 50 FH (mg/Nm3) 2 -- 5 -- -- -- 4 2 SO2 (mg/Nm3) 100 (d) 500, incl. NOx -- 85% de eliminación -- 300 300 NOx como NO2 500 -- ver SO2 -- 120-200 -- -- -- Dioxinas y furanos, como 2.3.7.8. TCOD (b) Plantas nuevas 0,1 mg/Nm3 -- -- 5-30 (f) mg/Nm3 (h) (h) (h) Orgánicos totales, clase I (mg/Nm3) 20 -- -- -- -- 20 20 20 0,2 (c) 0,0,8 (Hg sólo) 0,2 -- -- -- 0,2 0.2 Pb+Cr+Cu+Mn -- -- -- -- -- -- 5 5 Ni+As -- -- -- -- -- -- 1 1 11% 10% 11% 12% 7% 11% 11% 11% Hg+Cd+Tl, (mg/Nm3) Corrección (% O2 seco) a) Se requieren quemadores adicionales y zona de postcombustión con temperatura mínima de 800ºC. b) Deben minimizarse emsiones de carcinógenos y compuestos orgánicos altamente tóxicos. c) Sin incluir vapor. Límite de partículas + vapor de Hg 0,1 mg/Hm3. d) Límites en la norma 6GYCRR 255-1. e) NSP (1989) para incineradores nuevos de 250 ST/d o mayores. f) Dibenzopidioxinas y dibenzofuranos totales desde tetra a octaclorado. g) Para incineradores nuevos de menos de 1 t/h. h) 2 segundos a 850ºC con 6% O2, mínimos. i) Para incineradores nuevos de 1 a 3 t/h. j) Para incineradores nuevos de más de 3 t/h. Tabla 6.2 Niveles de emisiones permitidas en las plantas de incineración de residuos sólidos urbanos. - Procesos de tratamiento avanzados que permiten recuperar energéticamente los residuos con una mínima producción de afluentes gaseosos: la pirólisis, la gasificación o la licuefacción de residuos son algunas de estas tecnologías. Con este tipo de tecnologías se pueden obtener productos combustibles susceptibles de almacenaje y transporte. Esta es una ventaja importante en relación con la incineración, ya que no obliga a utilizar en los alrededores de la instalación de tratamiento la energía térmica obtenida. Además, los productos generados por estos procesos tienen propiedades muy similares a las de los combustibles convencionales, cosa que hace que puedan ser consumidos en turbinas de gas o en motores térmicos de cogeneración o de automoción. Actualmente, estas tecnologías se encuentran a las puertas del desarrollo comercial y, junto con las nuevas técnicas de incineración, pueden constituir una vía muy interesante para la valorización energética de residuos en los próximos años. 6.3.1 Reciclaje y compostaje de los RSU Las plantas de reciclaje y compostaje de residuos sólidos urbanos están constituidas por tres partes fundamentales: recepción y almacenaje, separación de subproductos, y compostaje de la materia orgánica. Figura 6.4 Ciclo energético de los RSU. Una vez separados los elementos no adecuados para la fermentación, la materia orgánica se somete a un proceso de fermentación bajo cubierta, con recuperación de lixiviados, ventilación forzada y un sistema de extracción y tratamiento de aire. El proceso de fermentación es de tipo aerobio, es decir, con presencia de aire, que produce la acción de ciertos microorganismos presentes de forma natural en la materia prima. La acción de estos microorganismos produce un aumento de la temperatura del substrato que llega a alcanzar, en condiciones extremas, los 70ºC. Esta circunstancia motiva a su vez la desaparición de ciertos elementos biológicos patógenos. Durante este proceso se pierde aproximadamente el 30%-40% en peso sobre la materia orgánica inicial, debido básicamente a la disminución de la humedad. El producto resultante de la fermentación de estas sustancias orgánicas es el denominado compost. 6.3.2 Incineración de los RSU La incineración es una de las técnicas básicas utilizadas en los países industrializados para el tratamiento de los residuos. Desde una perspectiva amplia, esta técnica se enmarca dentro de lo que se puede llamar gestión global optimizada de los residuos, un proceso que integra diversas oportunidades de actuación. La incineración es un proceso de combustión controlada de los RSU, que finaliza al transformarse la fracción combustible de estos residuos en materiales inertes y gases. Una instalación de incineración de residuos concebida, diseñada y explotada siguiendo técnicas avanzadas es un servicio que comporta las ventajas siguientes: - La reducción del volumen de las basuras puede llegar al 95%, si se recuperan las escorias del horno. - El impacto ambiental es muy reducido, si se utilizan técnicas modernas de lavado de gases y se respeta la normativa existente - La superficie que ocupa la instalación de incineración es muy reducida. - El proceso se caracteriza por una gran fiabilidad y un buen control, gracias a la automatización y a la experiencia operacional acumulada. Todas estas razones han hecho que la tecnología de incineración sea muy apreciada, favoreciendo una amplia difusión en los países industrializados. Está claro que cualquier desarrollo de esta tecnología tiene que respetar estas características básicas. En este sentido, los rendimientos energéticos que se obtienen en las plantas de incineración con aprovechamiento del calor de combustión se pueden considerar como subproductos interesantes de la tecnología, pero en ningún caso pueden ser el objetivo del tratamiento. 6.4 Estado de desarrollo de las tecnologías de conversión de la biomasa Se entiende por desarrollo industrial, la disponibilidad de tecnología suficiente para la creación de plantas industriales, independientemente del factor de rentabilidad económica, que dependerá de circunstancias locales como el precio y cantidad de biomasa disponible. La tabla 6.3 indica el estado de desarrollo tecnológico actual de los principales tipos de procesos de conversión de la biomasa. Tal y como puede observarse, existen diferentes procesos que cuentan con una tecnología que puede considerarse a un nivel industrial. En el campo energético, aparte de los procesos de tipo físico o físicoquímico que, en realidad, como ya se ha mencionado, no suelen ser sino operaciones dentro de procesos más complejos, los procedimientos que poseen un mayor desarrollo tecnológico son la combustión directa y la fermentación de la biomasa (ya desarrollados a escala comercial). Sin embargo, la implantación de opciones más limpias y eficientes, y el desarrollo de nuevas aplicaciones, deberán dotar a estos procesos de una mayor competitividad en los próximos años. Tipo de procesos Estado de la tecnología Fisicos Industrial. Químicos Hidrólisis de poliazúcares (ácidos o bases) Demostración Industrial: I+D sobre nuevos procesos. Hidrólisis de la lignina Industrial (Producción de vainillina). I+D sobre nuevos procesos. Fabricación de pasta de papel Industrial. I+D sobre nuevos procesos más limpios. Esterificación de aceites vegetales Preindustrial. Combustión Termoquímicos Biológicos Tabla 6.3 Pirólisis Industrial (Producción de carbón vegetal). Piloto demostración (Aceites pirólisis). I+D hidrogeneración aceites. Gasificación Industrial en aplicaciones térmicas. Predemostración en aplicaciones eléctricas. I+D sobre procesos catalíticos. Microbiológcos (fermentaciones) Industrial. I+D sobre nuevos procesos y nuevos microorganismos. Enzimáticos Industrial. I+D sobre nuevas enzimas. Estado actual de desarrollo de las tecnologías de transformación de la biomasa. Del resto de los procesos termoquímicos, la gasificación, que en un futuro puede ser la tecnología alternativa a la combustión para la generación eléctrica de biomasa, ha alcanzado ya un desarrollo tecnológico industrial en usos térmicos, con alguna aplicación eléctrica en el ámbito comercial para pequeños gasificadores de lecho fijo y de corrientes paralelas (capacidad < 500 kW e). Sin embargo, y salvo esta excepción, la gasificación encuentra su campo más prometedor en las aplicaciones para la producción de electricidad con sistemas de alta eficacia en instalaciones de tamaño superior a 10 MW e, utilizando ciclos avanzados de desarrollo propios de la tecnología de generación eléctrica. Como ejemplo, la gasificación catalítica para la producción de gas de poder calorífico medio (15-17.000 MJ/Nm3) apta para la síntesis de metanol y amoníaco está en una fase muy activa de investigación y desarrollo. Por su parte, la pirólisis posee una tecnología ampliamente desarrollada a nivel comercial en su aplicación destinada a la generación de carbón vegetal, si bien en su faceta de producción de aceites para su empleo como combustible, se halla en fase de planta piloto de gran tamaño. En este sentido, existen varias instalaciones en países como Canadá y Estados Unidos. Por último, tan sólo se encuentra en fase de I+D el proceso de hidrogenación de estos compuestos para la producción de gasolinas sintéticas de vehículos. Relacionada con el aprovechamiento energético de la biomasa está la transesterificación de aceites vegetales, que actualmente cuenta con un desarrollo en fase preindustrial avanzada con diferentes plantas de demostración comercial en Europa y Estados Unidos. El proceso precisa todavía de una cierta definición en sus operaciones, con el objeto de lograr su optimización. Por último, de los procesos de degradación química de los polímeros de la biomasa, sólo la digestión para la producción de papel y algún otro proceso como la hidrólisis con bases de lignina para producir vainillina o la hidrólisis ácida del almidón -hoy ya sustituida por procesos enzimáticos-, han logrado conseguir un desarrollo comercial. En la actualidad, y en el ámbito de laboratorio, se está trabajando en torno a pretratamientos de tipo físico-químico y químico, con el objetivo de lograr un fraccionamiento y degradación selectiva de los polímeros de la lignocelulosa, que rinda productos de calidad y pureza adecuada a las numerosas aplicaciones. Estos productos podrían encontrar un mercado importante en la industria química de síntesis (plásticos, resinas), de fabricación de muebles (aglomerados), e incluso en la industria del automóvil, donde la lignina de determinadas características podría ser un excelente componente en la fabricación de baterías para absorber la solución de ácido sulfúrico. La tabla 6.4 ilustra los procesos de transformación de biomasa, los productos de posible obtención y, finalmente, la aplicación de los mismos. Tipos de procesos Productos Aplicaciones Calor. Utilización directa e indirecta de calor. Alquitranes. Líquidos piroleñosos. Carbón vegetal. Gas. Como precursores en la industria química. Generación de calor y vapor. Combustibles para usos domésticos e industriales. Sustitutción de aceites combustibles Gasificación Gas. Generación de calor y electricidad. Producción de metanol y amoníaco. Sustitución de gas natural. Licuefacción Metanol y gasolinas sintéticas, a partir de intermedios de pirólisis y gasificación. Utilización como combustibles líquidos y activos de gasolinas. Hidrólisis Utilización de azúcares para uso directo y materia prima de Jarabes azucarados (de hexosas y fermentaciones diversas. pentosas). Obtención de combustibles y Residuo de lignina. compuestos químicos, a partir de lignina. Combustión Pirólisis Fermentaciones directas Producción química: etanol, butanol, acetona. Sustratos modificados microbiológicamente. Precursores de la industria química o farmacéutica. Aditivos de gasolinas. Sustitución de combustibles. Alimentación animal. Fertilizantes y acondicionantes de suelos. Fermentaciones de hidrolizados de biomasa Productos químicos: etanol, butanol, acetona, ácido cítrico, ácido acético, etc. Proteína de microorganismos. Precursores de la industria química o farmacéutica. Aditivos de gsolinas. Sustitución de combustibles. Alimentación humana o animal. Digestión anaerobia Biogás. Residuo modificado microbiológicamente. Utilización como combustible. Depuración de residuos contaminantes. Fertilizantes de suelos. Tabla 6.4 Procesos de transformación de la biomasa, productos de posible obtención, y aplicaciones de los mismos. Puntos a destacar 1.- La biomasa puede transformarse en gran cantidad de productos de interés para su uso energético, agrícola e industrial, comparables en calidad y cantidad a los derivados del carbón. 2.- En la conversión de la biomasa intervienen procesos físicos o de acondicionamiento, químicos, biológicos o termoquímicos. 3.- Los procesos físicos consisten en un fraccionamiento de la biomasa original, de tal manera que presente unas características más favorables para las etapas posteriores de su transformación. 4.- Los procedimientos químicos consisten en reacciones de hidrólisis o en interacciones entre aceites y alcoholes para obtener biodiesel de automoción. 5.- Los procesos biológicos se basan en la actuación de microorganismos sobre la biomasa con el fin de producir, entre otras cosas, biogás y compost (biometanización). 6.- Los procedimientos termoquímicos consisten en someter la biomasa a altas temperaturas en una atmósfera oxidante de oxígeno (combustión); incompleta de oxígeno (gasificación) o carente de oxígeno (pirólisis). 7.- Los principales inconvenientes de los procesos termoquímicos son, por un lado, la necesidad de grandes infraestructuras para obtener una rentabilidad económica y, por otro lado, los rendimientos energéticos extremadamente bajos. 8.- La minimización y el reciclaje son dos aspectos muy importantes en la gestión integral de los RSU. 9.- Normalmente, los países industrializados optan por la incineración de los RSU, ya que bien gestionada, presenta una serie de ventajas que hacen que sea la opción más atractiva. 10.- La combustión directa y la fermentación de la biomasa son los procedimientos que poseen en la actualidad un mayor desarrollo tecnológico. No obstante, se prevé que otros procesos como la gasificación o la pirólisis ganen en competitividad en los próximos años. 7. APLICACIONES Y EXPERIENCIAS OBJETIVOS - Conocer las diferentes aplicaciones de producción de electricidad y de tipo térmico (domésticas e industriales) de la biomasa, así como algunos aspectos económicos relativos a su utilización. 7.1 Introducción Tal y como se ha mencionado en capítulos precedentes, las aplicaciones de la biomasa para fines energéticos se basan en la producción de calor, electricidad, o la generación de combustibles para automoción. Sectores Doméstico Consumo biomasa % 1.991.323 54,98 Fabricación de pasta y papel 694.426 19,17 Madera, muebles y corcho 369.910 10,21 Alimentación, bebidas y tabaco 357.202 7,1 Cerámicas, cementos y yesos 130.005 3,59 Biogás 78.489 2,17 Otras actividades industriales 53.243 1,47 Elaboración de productos químicos 13.100 0,36 Otros 34.477 0,95 3.622.175 100 TOTAL Tabla 7.1 Consumo de Biomasa en España por sectores a finales de 1997. A finales de 1997, según fuentes del IDAE, el 55% del consumo de biomasa en España correspondió a usos domésticos y, prácticamente, el 45% restante se debió a aplicaciones dentro del sector industrial. En este sentido, caben destacar las industrias de pasta y papel (19,7%), las industrias de la madera, muebles y corcho (10,21%), y las industrias de alimentación, bebidas y tabaco (7,10%), que suponen prácticamente el 80% del total de las aplicaciones en la industria española. 7.2 aplicaciones de la biomasa Las aplicaciones energéticas de la biomasa se centran en el aspecto térmico (sector industrial y doméstico), eléctrico, y en el sector del transporte. Aquí nos referiremos a los dos primeros empleos de la biomasa, pues su uso en el sector del transporte se explicó con detalle en el capítulo 5, dedicado íntegramente a los biocarburantes. 7.2.1 Aplicaciones térmicas 7.2.1.1 Sector industrial La combustión de materiales leñosos para la producción de energía térmica no es algo nuevo dentro del sector industrial. La tecnología empleada ha ido evolucionando a lo largo de estos años, al introducir profundas mejoras enfocadas principalmente a dos aspectos: el desarrollo de nuevos sistemas de combustión y la especialización en cada tipo de combustible existente. Las aplicaciones térmicas industriales más comunes se basan en la combustión de materiales leñosos para su utilización en hornos, secaderos y calderas. Aplicaciones en hornos Tradicionalmente, la utilización de materiales leñosos como combustible en hornos para la fabricación de ladrillos y bovedillas ha significado una práctica habitual dentro del sector cerámico. No obstante, el gas natural está desplazando a la biomasa en algunas industrias, a pesar de resultar un combustible con un precio altamente competitivo. Este aspecto es importante en un sector en el que los costes energéticos tienen una fuerte repercusión sobre el coste final de los productos. La biomasa como combustible se puede aplicar en diferentes clases de hornos cerámicos, como los de tipo Hoffman y los de tipo túnel. En los hornos tipo Hoffman, se utilizan grupos de combustión, al igual que para otros tipos de combustibles sólidos. Sin embargo, en algunos casos es necesario llevar a cabo ciertas variaciones para adaptarlo al material combustible. Un aspecto importante a tener en cuenta en la utilización de este tipo de hornos es que su distribución de temperaturas debe ser vertical, con el fin de obtener una buena cocción de todos los ladrillos de la pila. Por otro lado, la biomasa empleada en los hornos tipo túnel debe sufrir un pulverizado y secado del material previo a su utilización en quemadores para sólidos de pequeña granulometría. En determinados tipos de cerámica, además, puede añadirse la biomasa (siempre que se trate de granulometrías lo suficientemente pequeñas) al barro con el que se fabrican las piezas cerámicas. Aplicaciones en secaderos Estas operaciones se llevan a cabo tanto en el sector cerámico, como en el de la madera, para el secado de partículas. La utilización de la biomasa es factible tanto en secaderos de tipo directo como de tipo indirecto. - Los secaderos de tipo indirecto son combustores que producen aire caliente mediante un intercambiador. En este tipo de instalaciones no hay contacto entre los gases procedentes de la combustión con los empleados para el secado de los productos. - En los secaderos de tipo directo, los gases procedentes de la combustión se utilizan directamente en el secado del material; para ello, deben atemperarse los humos de la combustión, por lo que ésta debe realizarse con un gran exceso de aire. Actualmente, existe un interesante campo de desarrollo en las actividades relacionadas con el secado de productos agrícolas; en este caso, puede asociarse la materia prima a secar con residuos generados en el mismo proceso, y que muy bien pueden ser aprovechados como combustible. Aplicaciones en calderas La utilización de la biomasa como combustible en calderas no requiere, en principio, la adaptación de la caldera propiamente dicha, ya que ésta consiste básicamente en un intecambiador gas-líquido. Sin embargo, en ocasiones se requieren ciertas adaptaciones o modificaciones en el conjunto de la instalación: - El diseño del hogar, que es el recinto donde tiene lugar la combustión, presenta variaciones sustanciales cuando se utiliza este tipo de combustible. De esta manera, existe una gran variedad de tecnologías y procedimientos para incinerar la biomasa con múltiples variantes: - Hogares de parrilla horizontal fija. Es un sistema apropiado para materiales en los que predominan partículas pequeñas y bajas humedades. - Hogares de parrilla inclinada fija. Constituye el sistema más versátil en cuanto a las características de granulometría y humedad del combustible a incinerar. No obstante, a partir de una determinada capacidad, o para materiales que forman cenizas, la parrilla se suele hacer móvil. - Hogares de parrilla móvil. Comprende tanto parrillas inclinadas como horizontales. Son apropiadas para el caso de que el material lleve una proporción apreciable de inertes, o si el resultado de la combustión va a producir una gran cantidad de cenizas. El movimiento, al tiempo que desplaza el combustible, retira las cenizas evitando la formación de escorias. - Hogares de lecho fluidizado. Permiten incinerar una amplia variedad de tipologías de combustibles con una gran adaptación al proceso, obteniendo mejoras en cuanto al rendimiento. En este caso, la combustión de la biomasa se realiza mediante una suspensión formada por la propia biomasa, sus cenizas y algún elemento inerte, que actúa como propagador de la combustión; todos estos elementos se encuentran fluidizados por corrientes de aire introducidas en el hogar desde su parte inferior. - La adaptación de calderas existentes para mejorar la combustión se produce para mejorar la potencia y realizar la combustión de forma completa, pues la "quema" de materiales leñosos presenta tasas de combustión bajas. Entre estas modificaciones cabe destacar: - La adopción de volúmenes de hogar más elevados y tiempos de residencia grandes. - La posibilidad de implantar un antehogar para mejorar la combustión, dependiendo del volumen de la cámara de combustión ya existente. Asimismo, deben instalarse ventiladores de tiro inducido, ya que la cámara de combustión tiene que trabajar siempre en depresión. - En instalaciones para gasóleo o fuel es necesario adaptar un hogar previo, en cuyas paredes se pueden disponer tubos y canalizar los gases de combustión de la caldera. - Las características físicas de la biomasa hacen que los gases procedentes de la combustión contengan partículas en suspensión. Dichas partículas pueden depositarse en los tubos, creando problemas de pérdida de cargas y ensuciamiento y, como consecuencia de ello, en la transferencia de calor. Existen distintas soluciones o combinaciones de las mismas para solucionar este problema como pueden ser la adopción de diversos sistemas de limpieza, las modificaciones parciales en la disposición de los tubos, etc. Evaluación económica y rentabilidad de la inversión La utilización de la biomasa como fuente energética se debe, principalmente, a dos aspectos en relación al tema económico: - La supresión de costes (canon de vertido, costes de manipulación, etc.) derivados de la eliminación del residuo. - La rentabilidad económica para la aplicación de la biomasa frente a los combustibles convencionales. Cualquier estudio para la viabilidad de la biomasa como combustible debe partir del cumplimiento de alguno de estos dos factores. Además, en el estudio económico de la viabilidad de la utilización de biomasa como combustible, se debe tener en cuenta: - La inversión. Resulta entre un 20% y un 100% superior a la necesaria en el caso de empleo de los combustibles fósiles convencionales. Este aumento se deriva principalmente de los sistemas de gestión del combustible y de la alimentación automática (silos, tolvas, cintas transportadoras...). Por otro lado, puede resultar adecuado la implantación de equipos para realizar la amoldación del combustible, lo que puede encarecer todavía más la instalación. - El precio del combustible. Siempre en comparación respecto al del combustible fósil a sustituir. - Los costes de operación. A menudo resultan superiores, debido a la necesidad de utilizar un mayor número de motores, con un consumo superior de electricidad. Sin embargo, parte de dicho consumo podría verse compensado por la no utilización de bombas y precalentadores, tal y como ocurre en el caso del fueloil. - Adaptación del equipo y/o combustible. Al tratarse de equipos que pueden consumir en un año cantidades de combustible, que representan varias veces su valor de adquisición, es mejor adaptar el equipo al combustible y no al contrario, ya que siempre resulta beneficioso realizar las mínimas operaciones posibles al combustible. - Instalaciones contraincendios. Al ser la biomasa menos peligrosa en su manipulación que otro tipo de combustibles, pueden obtenerse ciertos ahorros en el diseño y mantenimiento de este tipo de instalaciones. La rentabilidad de las instalaciones industriales alimentadas con biomasa viene determinada principalmente por la diferencia de inversiones y el precio del combustible en comparación con los combustibles fósiles convencionales. 7.2.1.2 Sector doméstico La utilización de la biomasa como fuente energética para usos domésticos se basa en la calefacción. Esta aplicación se puede llevar a cabo de forma individual, colectiva, o mediante sistemas de calefacción centralizados, en consonancia con una serie de aspectos: - Las distintas técnicas disponibles, aplicables a cada caso, que, por cuestiones de tamaño y de la propia aplicación, varían enormemente de un caso a otro. - Las posibilidades de acceso a los combustibles como la biomasa, que son diferentes según se trate de aplicaciones individuales, colectivas o municipales. - Los distintos tipos de combustibles que pueden ser empleados en cada uno de los casos. Aplicaciones domésticas individuales Las aplicaciones domésticas individuales son, con toda seguridad, la aplicación de la biomasa más extendida actualmente en toda la geografía española. Existen variaciones regionales tradicionales en su aplicación, pero su común denominador es su finalidad principal: la producción de calor para calefacción. Los equipos correspondientes a estas aplicaciones pueden separarse en dos grandes grupos: - Equipos o instalaciones con una bajo rendimiento energético. Formados principalmente por estufas "tradicionales" tipo "bote", con escasa o nula posibilidad de control de la combustión y chimeneas de obra. Este tipo de equipos se comercializa generalmente en empresas que no tienen ninguna relación con el sector energético, como ferreterías o empresas de suministros para la construcción. - Resto de equipos con un aceptable rendimiento energético. Entre los que cabe destacar: - Los compactos de chimeneas y recuperadores de calor (empotrables o no). - Las cocinas-estufas, con posibilidad de control de aire primario y secundario. - Las calderas para sólidos. Este tipo de equipos tiene un rendimiento energético que puede llegar al 85%. Se comercializan preferentemente en establecimientos especializados, ya que en la mayoría de los casos es necesario la presencia de especialistas de cara a su instalación. Las características técnicas de este tipo de equipos, en cuanto a su eficiencia energética como por su capacidad de suministrar unas prestaciones equivalentes, hace que puedan ser una alternativa frente a otros sistemas de calefacción. Evaluación económica y rentabilidad de la inversión El estudio de la viabilidad económica se centra en el segundo grupo de instalaciones, ya que supone una alternativa a otros tipos de calefacción. Al igual que en el caso industrial, cualquier estudio económico sobre la alternativa de la biomasa como combustible deberá estar basado en el precio del combustible y en el coste de la inversión necesaria. - El precio del combustible. Supone la principal ventaja económica de la utilización de la biomasa en aplicaciones domésticas individuales. En efecto, los beneficios de su utilización, respecto a otras formas de empleo de combustibles, son: - La estabilidad del precio, ya que éste no está sujeto a las oscilaciones económicas mundiales, como ocurre en el caso de los combustibles fósiles, ni a las alteraciones basadas en su fiscalidad. - La posibilidad de recurrir a distintos suministradores y tipos de biomasa. - Las diferentes formas de almacenamiento. - La diferencia de precio con respecto al gasóleo-C, que es su directo competidor en este tipo de aplicaciones. Se debe tener en cuenta que el precio de los diferentes tipos de biomasa es muy variable, así como también lo es en función del sistema de suministro. Combustibles Leñas de encina Costeros de pino Euros/kg (sin transporte) Euros/kg (con transporte) Observaciones 0,09-0,12 0,13 El transporte incluye descarga y almacenado. ,,, 0,08 Comprado por camiones enteros. Briquetas Pellets 0,08-0,18 0,10-0,24 ,,, 0,10 Precio con transporte según cantidades. Suministrado con contrato. Tabla 7.2 Comparación de precios de combustibles. - El coste de la inversión. En este caso, se debe tener en cuenta la diferencia entre la inversión realizada para los equipos de biomasa y la que correspondería a las convencionales. Puede afirmarse, en general, que existe una relación directa entre el rendimiento de los equipos y su coste, aunque también se encuentran influidos por aspectos distintos del energético, y que plantean graves dificultades a la hora de su valoración económica, como los criterios estéticos, decorativos, funcionales, etc. El precio de la inversión varía, como en el caso del combustible, enormemente, yendo desde costes prácticamente nulos (para las chimeneas de obra, que se adquieren con la vivienda) hasta costes más o menos elevados según el tipo de instalación a realizar. Como norma general, sin embargo, puede decirse que este tipo de equipos es más barato de instalar que sus equivalentes de gasóleo, al necesitar menor cantidad de elementos auxiliares (depósitos, tuberías, etc.). Así, la rentabilidad de una instalación de estas características para su uso doméstico viene determinada por la compensación mediante el bajo coste del combustible con respecto a la inversión realizada, generalmente superior a un sistema tradicional. 7.2.1.3 Aplicaciones domésticas colectivas Actualmente, en el ámbito estatal, no es habitual la existencia de instalaciones colectivas de calefacción funcionando con biomasa. La realidad es que las posibilidades de la biomasa en este tipo de aplicaciones sólo es factible cuando se trata de adaptar calderas colectivas de carbón a combustibles derivados de la biomasa, en competencia con otras fuentes energéticas como pueden ser el gasóleo-C, el gas o la electricidad. La adaptación que se propone actualmente cuenta con muchas mejoras técnicas, consiguiéndose una combustión completa y una mejora sustancial en el rendimiento energético del equipo, frente a la instalación anterior. Estas mejoras permiten plantear sustituciones de combustible "kilo a kilo"; es decir, un kilogramo de biomasa (con un contenido energético de unas 3.700 kcal/kg) sustituye a un kilogramo de carbón (con un PCI de unas 6.500 kcal/kg), radicando en este hecho una de las principales ventajas de este tipo de aplicaciones, pues el coste de la biomasa es inferior al del carbón. La mejora de la instalación, además de la incidencia que tiene en los aspectos energéticos y económicos es especialmente beneficiosa en el capítulo medioambiental, al ser los residuos y las emisiones de la combustión de la biomasa mucho menos perjudiciales que los correspondientes a los del carbón. Evaluación económica y rentabilidad de la inversión Dentro del apartado correspondiente a los costes, se deben evaluar: - El coste de la realización de una instalación de adaptación. Viene determinado, en su mayor parte, por el quemador y también por las instalaciones auxiliares (eléctrica, aislamientos térmicos, instalaciones contra incendios, obra civil...). En conjunto, la inversión global puede encontrarse entre los 5409 y 7813 euros. - El coste del combustible. Actualmente, en la mayoría de los casos, el coste del suministro de carbón supera las 150 €/t, existiendo biomasa en el mercado a precios muy inferiores, y con unas características que la hacen idónea para este tipo de aplicaciones (cáscara de almendra, cáscara de avellana, hueso de aceituna desgrasado), o incluso preparada específicamente para estos sistemas (pellets obtenidos a partir del serrín de madera). En la mayoría de los casos, el precio de este tipo de combustibles se encuentra por debajo de las 108 €/t, aunque está fuertemente influenciado por los costes del transporte. Otra posibilidad que se ha planteado recientemente es el contrato del suministro de calor para calefacción o ACS, mediante unas condiciones y unos precios pactados de antemano por la comunidad de vecinos y el suministrador, que es el encargado de realizar las gestiones correspondientes al combustible y evitar las posibles variaciones que pudieran afectar a los mercados de la biomasa. Finalmente, la evaluación de la rentabilidad de este tipo de instalaciones se basará en la recuperación de la inversión inicial realizada, con respecto a los ahorros producidos con el cambio de combustible, durante la vida útil de la instalación. 7.2.1.4 Aplicaciones domésticas centralizadas Se conoce como calefacción centralizada (en inglés District Heating) al sistema de suministro de calefacción basado en una única planta que abastece a varios edificios mediante un sistema de tuberías que los une a la planta central. Este tipo de sistemas tiene un grado de penetración muy variable en los distintos países, siendo en los países del norte de Europa (Dinamarca, Suecia, Finlandia) donde su implantación es más importante. Para el caso de las aplicaciones de calefacción centralizada alimentada con biomasa puede darse el caso de plantas destinadas únicamente a la producción térmica o que produzcan simultáneamente electricidad y calor. En esencia, una instalación de calefacción centralizada cuenta con: - Una planta central, cuyo tamaño puede variar desde capacidades de suministro de unos cuantos usuarios hasta centenares de miles de viviendas. - Un sistema de distribución, formado por conducciones de ida y retorno (de diámetros variables en función del caudal), instalados generalmente en paralelo. - Varios puntos de consumo, que constituyen los dispositivos mediante los cuales se abastece al usuario, generalmente gracias a intercambiadores de calor y/o acumuladores. El diseño de una planta de este tipo de instalaciones deberá tener en cuenta los siguientes aspectos: - Las condiciones climáticas de la zona, en el caso de instalaciones que produzcan simultáneamente calor y electricidad. Dadas las condiciones climáticas que imperan en la mayoría de las regiones españolas, las centrales destinadas a la producción de electricidad y calor deben estar diseñadas de tal modo que pueda funcionar sin utilizar la red de calefacción como circuito de refrigeración, o bien con cargas variables en el circuito de calefacción. - La curva de distribución de la demanda. - El suministro a nuevos clientes que se incorporen al servicio con posterioridad a la puesta en marcha. Figura 7.1 Esquema de una red de calefacción centralizada para ACS y servicio de calefacción alimentada por biomasa. Los datos corresponden a una instalación de Cuéllar (Segovia). Fuente: modificado a partir de la reseña bibliográfica nº 2. En principio, los sistemas de calefacción centralizada pueden utilizar como fuente energética distintos tipos de combustible (carbón, gas, biomasa...), o incluso calores residuales procedentes de factorías o de centrales térmicas. Actualmente, se considera que la calefacción centralizada es un camino de especial interés para la biomasa, ya que además de ser un nuevo mercado, permite la comercialización del producto (el calor producido) en los casos que el aprovechamiento esté vinculado a los procesos de obtención de combustible. Para el caso de España, en lo que al tipo de biomasa se refiere, además de los residuos agrícolas tienen especial interés los combustibles obtenidos del entorno forestal (residuos de podas, talas y clareos), contribuyendo, por otro lado, a la mejora del estado de las masas forestales. Aspectos económicos y rentabilidad de la inversión Las instalaciones de calefacción centralizada deben plantearse como inversiones a largo plazo, por lo que no deben esperase rentabilidades inmediatas. Aún así, desde el punto de vista de las administraciones, se deben tener en cuenta otros aspectos no estrictamente económicos: - La generación de empleo en la zona. - La mejora del medio ambiente. - La mejora de las condiciones de vida doméstica. - La preservación de las masas boscosas (en el caso de utilizar residuos forestales). En el estudio económico y de rentabilidad propiamente dicho, se deben tener en cuenta: - Las inversiones, tanto para la realización de la planta térmica como de la red de calefacción. Se debe significar que la inversión correspondiente a ésta última supera ampliamente la de la central térmica. - Los gastos de operación, como los sistemas de tratamientos de aguas, los consumos eléctricos de las diferentes bombas que dotan de presión al circuito (de relativa importancia), y otros gastos derivados de la manipulación del combustible (por si fueran necesarios). Los costes de personal pueden tener escasa incidencia siempre que se trate de instalaciones suficientemente automatizadas o monitorizadas, no siendo necesario en muchos casos la presencia física del operador más que en operaciones específicas (carga y descarga de silos, operaciones de encendido...), excepto en el caso de instalaciones de gran tamaño donde puede ser necesario la presencia de un maquinista. - Debido a la extensión de la red de distribución, se hace necesario contar con un presupuesto específico y una importante dotación anual para el mantenimiento. Un modo de solucionar estos costes sería recurriendo a planes periódicos de reforma y revisión, con la incorporación a la red de tuberías de dispositivos capaces de detectar las posibles anomalías en el servicio que, eventualmente, pudiesen desembocar en averías. - Los ahorros derivados de la diferencia de los precios de combustible, de los consumos energéticos, y de la no existencia de cuotas de conexión, de mantenimiento y servicio. El precio del combustible debe ser tal que permita ofertar al usuario un servicio de calefacción por debajo de los precios que obtendría utilizando su propio sistema. De todas formas, como ya se ha comentado anteriormente, la introducción de este tipo de instalaciones tiene unas finalidades que no son de tipo económico exclusivamente. 7.2.2 Aplicaciones eléctricas La transformación de la biomasa en energía eléctrica se puede llevar a cabo mediante: - Combustión directa de la biomasa para producción de un fluido (generalmente, vapor), en el que su energía térmica se transforma en energía mecánica en una turbina. - Transformación de la biomasa mediante procesos bioquímicos (biogás) o termoquímicos (pirólisis, gasificación). La biomasa se transforma en un combustible fluido que puede ser empleado, bien en motores alternativos o bien en turbinas de gas. La producción de energía eléctrica puede estar asociada a centrales eléctricas o a plantas de cogeneración, en industrias o actividades que puedan consumir el calor residual. El rendimiento de las centrales eléctricas alimentadas con biomasa es el principal factor que se emplea en su evaluación. Consiste en stablecer una comparación entre la energía que entra al ciclo (100%) con la finalmente obtenida en forma de electricidad o de calor. Como ya se ha comentado, el PCI habitual en la mayoría de las biomasas es de unas 3.200 kcal/kg. Debido a que 1 kWh son 860 kcal, el contenido energético de la biomasa puede estimarse en unos 3,7 kWh. En consecuencia, para un rendimiento del 30%, por cada kg de biomasa que se utilice, podríamos conseguir 1,1 kWh de energía. En la tabla 7.3 pueen observarse los rendimientos eléctricos, según el tipo de aplicación buscada. Rendimientos Ciclo de vapor hel(%) - Cogeneración electricidad y calor en centrales de pequeña potencia (<5MW). 18-22 - Cogeneración electricidad y calor en centrales de media y alta potencia (>5MW)1. 20-25 1 - Generación eléctrica en centrales trabajando en condensación. 25-32 Otros sistemas hel(%) - Aprovechamiento en motores alternativos. 30 - Gasificación de biomasa y utilización en central de ciclo combinado (P>5MW). 37 Los rendimientos globales en plantas de cogeneración son mayores a los mostrados al añadir, al rendimiento eléctrico, el obtenido por la aplicación térmica del calor. Tabla 7.3 Rendimientos eléctricos brutos. 7.2.2.1 Tipos de aplicaciones eléctricas Ciclos de vapor En esta modalidad, la biomasa se conduce hacia el hogar de combustión, donde al quemarla, se generan los gases calientes que se aprovechan en la caldera y en el recalentador para producir vapor a alta presión y elevada temperatura. A su vez, el vapor se lleva hasta la turbina, que mueve el alternador para la generación de electricidad. De la turbina, el vapor puede condensarse (para plantas exclusivamente de producción eléctrica) o extraerse total o parcialmente para ser utilizado como vehículo energético en otras aplicaciones (cogeneración). Los condensados se conducen a un desgasificador y, posteriormente, son reintroducidos en forma líquida nuevamente en la caldera, para reiniciar otro ciclo. Figura 7.2 Ciclo de vapor convencional. Fuente: modificado a partir de la reseña bibliográfica nº 1. La tecnología empleada en las centrales de biomasa con ciclo combinado de vapor (incorporan una turbina de gas, cuyos gases de salida alimentan un ciclo de vapor) está ampliamente contrastada, no existiendo diferencias significativas (salvo en lo concerniente al tamaño de las plantas) con las centrales eléctricas de vapor convencionales. Motores En este contexto quedan incluidas distintas tecnologías, entre las que destaca la gasificación y su aprovechamiento en motores alternativos (baja potencia), o en grandes centrales de ciclo combinado. El rendimiento eléctrico y el rendimiento global de estas instalaciones son más altos que los correspondientes a centrales con ciclo de vapor. La principal desventaja de este tipo de sistemas radica en el hecho de su limitada implantación comercial, aunque existen interesantes perspectivas a corto y medio plazo. 7.2.3 Determinación de las características de la planta 7.2.3.1 Dimensionamiento El tamaño de la planta se encuentra condicionado por dos factores: - Las necesidades energéticas a cubrir. En este aspecto se tiene en cuenta únicamente la cantidad de combustible necesario. - La cantidad de combustible disponible. Constituye el caso más frecuente, y corresponde a aplicaciones relacionadas directamente con el recurso energético, bien por tratarse de residuos o subproductos propios del establecimiento, o bien por estar vinculadas a la obtención del mismo. Para definir el tamaño de la planta es necesario, en primer lugar, valorar el combustible disponible en cantidad, calidad y tiempo. - Cantidad. La cantidad de biomasa disponible puede verse influenciada por factores climáticos o de mercado, existiendo importantes variaciones de unos años a otros. - Calidad. Las propiedades de la biomasa pueden variar mucho de una época a otra, o bien de un año a otro, en el caso de materiales generados anualmente. - Tiempo. Se refiere a la variabilidad estacional de la biomasa, para el caso de recursos de procedencia agrícola (con períodos anuales de cosecha) o con imposibilidad de obtener el combustible en determinados períodos por causas climáticas o condicionantes del propio recurso, en el caso de cultivos o residuos de aprovechamiento agrícola. 7.2.3.2 Gestión del recurso de la biomasa Uno de los factores que pueden considerarse cruciales a la hora de establecer las condiciones de funcionamiento de la planta será la gestión del recurso de la biomasa, desde el momento de su producción hasta su aprovechamiento final. Ésta se verá afectada por los siguientes condicionantes: - La decisión de los sistemas de tratamiento a emplear, así como la posibilidad de realizarlos en el punto de producción del recurso, en puntos intermedios o en la propia planta. - La adecuación de los sistemas de aprovechamiento energético a los combustibles para mantener un rendimiento idóneo en el conjunto de las instalaciones, y para prevenir las posibles averías que pudieran derivarse de la utilización de combustibles inadecuados para la instalación. Es decir, si existe también la posibilidad de utilizar diferentes combustibles, ésta debe plantearse a la hora de diseñar los sistemas de aprovechamiento energético. 7.2.3.3 Emplazamiento En el momento de elegir el emplazamiento de la planta deben tenerse en cuenta factores como los ambientales (cercanía a núcleos de población, daños sociales, impacto ambiental, etc.), las infraestructuras necesarias (accesos, conexión a la red eléctrica...) o las disponibilidades de agua (producción de vapor o refrigeración), entre otros. 7.2.4 Evaluación económica y rentabilidad de la inversión Las inversiones varían en función de: - El tamaño de la planta, ya que existe un importante factor de escala en este tipo de instalaciones; de esta manera, el coste de las inversiones se reduce a medida que las plantas son mayores, o bien se incrementa para industrias más pequeñas. - Las alternativas elegidas, incluso en función del propio combustible. Los costes asociados a la generación eléctrica pueden desglosarse en: - Coste del combustible. Se encuentra valorado en pesetas por unidad de contenido energético, lo que puede incidir en la viabilidad de una planta, ya que representa aproximadamente el 50% de los costes. Este peso del precio del combustible se ve afectado también por el rendimiento energético en la instalación, por lo que cuanto mayor sea el coste del combustible más necesario se hace acudir a soluciones energéticamente más eficientes. - Coste de operación y mantenimiento. Este factor debe ser minimizado, empleando sistemas de alta fiabilidad y reduciendo al máximo posible todas aquellas operaciones que inciden al alza sobre este tipo de costes. En principio, puede estimarse que para una planta de características medias dichos costes suponen el 20% del coste global de producción del kWh eléctrico. - Coste de capital. Puede llegar a representar el 30% de los costes de producción del kWh eléctrico. En este caso, es necesario optimizar el diseño de la planta para conseguir un compromiso entre la eficiencia energética (para reducir los costes del combustible), el diseño óptimo (para minimizar los costes de O+M) y la propia inversión, siendo necesario encontrar el punto intermedio que satisfaga del modo más adecuado las tres necesidades. En buena parte de los casos que se plantean habitualmente, esta solución de compromiso es imposible, por lo que hay que recurrir a subvenciones, que pueden ser capitales (para reducir los costes derivados de la inversión inicial) o bien relacionadas con el proceso de producción del combustible. Los ingresos generados dentro de las plantas de producción eléctrica pueden presentarse de varias formas: - En plantas de generación eléctrica o cogeneración no conectadas a la red eléctrica, el ahorro en la factura energética se produce por la utilización de sistemas energéticos propios. - En las instalaciones de generación eléctrica o cogeneración, asociadas a establecimientos consumidores de energía y conectadas a la red, por una parte se obtiene el ingreso derivado de la energía no adquirida; y, por otra, existe la posibilidad de ceder el excedente eléctrico generado a la red. Actualmente, ésta última opción es la más frecuente y la que presenta unos mejores índices en cuanto a la valorización económica de la energía producida. - En las plantas de cogeneración eléctrica o de cogeneración conectadas a la red, los ingresos posibles son los derivados de la venta o cesión del calor a terceros y la venta de la energía eléctrica a la compañía, según el marco establecido por la legislación y las tarifas vigentes. A la hora de plantear los posibles ingresos, se hace necesario destacar la importancia de obtener un valor comercial por el calor producido. Los ingresos derivados de la venta de energía eléctrica a las compañías del ramo vienen regulados en la actualidad por el R.D. 2818/98. 7.3 Instalaciones ejemplo A continuación se presentan una serie de casos prácticos reales de utilización de la biomasa como combustible para diversas aplicaciones. 7.3.1 Aprovechamiento de residuos agrícolas como combustible de un secadero en una industria agroalimentaria Como ejemplo de aprovechamiento de los residuos agrícolas como combustible, se presenta a continuación el caso de la Industria Francisco Fabregat, S.A., situada en Torregrossa (Pla d'Urgell), y que tiene como actividad principal la deshidratación de alfalfa y de otros productos agrícolas. La producción anual es de 65.000 Tm. La materia prima llega con un contenido de humedad de entre un 25% y un 40%, y se seca con aire caliente hasta que alcanza el 12%. Una vez deshidratada, se empaqueta directamente o bien se compacta en forma de gránulos o briquetas y, posteriormente, se comercializa como producto para la alimentación del ganado. El proceso productivo de esta industria tiene un carácter marcadamente estacional, ya que el proceso de deshidratación sólo se lleva a cabo durante unos ocho meses al año, cosa que produce una cierta infrautilización de las instalaciones. Por eso, se creyó interesante aprovechar la línea de fabricación de briquetas durante los meses que no funciona para elaborar un combustible a partir de residuos agrícolas procedentes de los cultivos de la zona. Este combustible residual permitiría alimentar el proceso de secado, que concentra la mayor parte del consumo energético de la empresa y supone una parte significativa de los costes productivos. Para hacerlo posible, en 1987 se sustituyó una antigua unidad de secado, que funcionaba con fuel-oil, por un equipo capaz de consumir el nuevo combustible. Los residuos agrícolas que quedan en los campos, una vez finalizada la cosecha (paja, tallos de girasol, caña de maíz, etc.) se recogen y se transportan hasta la fábrica, donde permanecen hasta que, una vez finalizada la temporada de producción, se introducen en una de las líneas de fabricación. Las briquetas que se obtienen se utilizan como combustible en el proceso de deshidratación. El poder calorífico de este tipo de combustible oscila entre las 3.000 y las 4.000 kcal/kg. Cabe decir que el coste de la recogida y la transformación de la biomasa en combustible puede superar, en determinadas ocasiones, el de ciertos combustibles residuales procedentes de otras industrias agroalimentarias (cáscara de almendra, huesos de oliva, etc.). Por este motivo, se combina el uso de briquetas con el de otros residuos vegetales, en función de su disponibilidad y de su precio en el mercado. La planta de deshidratación tiene un rendimiento energético un 30% más elevado que antes y consume anualmente unas 30.000 Tm de biomasa de procedencia diversa. El ahorro económico derivado del cambio de combustible y del aumento de la eficiencia energética del proceso ha sido del orden del 37%. 7.3.2 Centro Integral de Valoración de Residuos del Maresme La comarca del Maresme, con una población de 280.000 habitantes -durante la época veraniega prácticamente se duplica- genera anualmente alrededor de 170.000 toneladas de residuos. En el año 1985, 17 municipios junto con la Diputación de Barcelona constituyeron el Consorcio para el Tratamiento de Residuos Sólidos Urbanos del Maresme, el cual construyó en Mataró una planta de reciclaje y compostaje para tratar y aprovechar los recursos valorables de los RSU. Aún y los buenos resultados de la planta -hasta 1993 se recuperaron más de 367.000 toneladas de productos-, un 70% de los residuos tratados tenían que ser enviados a vertederos controlados fuera de la comarca, cosa que comportaba un elevado gasto económico y un fuerte impacto medioambiental. Además, para dar servicio a los municipios del norte del Maresme era necesario ampliar la capacidad de la planta. Para resolver el problema, definitivamente, se incorporaron en el Consorcio el Consejo Comarcal del Maresme y el resto de municipios de la comarca excepto Tiana y Montgat, que gestionan sus residuos mediante los servicios de la Entidad Metropolitana de Barcelona-, y se decidió construir un centro de valoración de residuos que incluyese la planta de reciclaje y compostaje mejorada y ampliada-, una sección de trituración de muebles y residuos voluminosos, y una central de recuperación energética para producir energía eléctrica, aprovechando la fracción combustible de los residuos que se puede reciclar. Actualmente, la totalidad de los RSU del Maresme se tratan en el Centro Integral de Valoración de Residuos, inaugurado en noviembre de 1994, el cual tiene una capacidad de tratamiento de 190.000 toneladas anuales de RSU. El proceso de tratamiento de las basuras se inicia cuando los camiones de recogida las descargan en la nave de recepción de la planta de reciclaje. Inmediatamente, pasan a las cintas de selección, donde unos operarios retiran los residuos voluminosos y los materiales aprovechables (vidrio, papel y cartón, etc.). Las basuras restantes se hacen circular por un tambor rotativo donde se separa la materia orgánica, que es enviada a unos silos de fermentación para fabricar compost. Paralelamente, de la fracción inorgánica se sacan manualmente otros materiales como son plásticos y chatarra magnética. El rechazo restante, junto con los residuos voluminosos previamente triturados, se conduce mediante una cinta transportadora hasta la fosa de la central de recuperación energética, la cual tiene un volumen de 6.000 m3 -es decir, una capacidad de 3.000 toneladas-. La central de recuperación energética consta de dos conjuntos idénticos formados por un horno, una caldera de recuperación, un sistema de limpieza de gases y un filtro electroestático. Desde el interior de la fosa, dos grúas puente equipadas con cucharas tipo pulpo realizan la carga de las TREMUGES de alimentación: una vez los residuos entran en la TREMUJA, caen en el interior del horno por gravedad. La combustión se realiza sobre unas parrillas en forma de escalones móviles que hacen avanzar los residuos y al mismo tiempo les dotan de un movimiento de rotación para asegurarse una combustión completa. Tal y como exige la normativa de la UE, tanto el horno como la caldera han sido diseñados de manera que los gases resultantes de la combustión permanezcan como mínimo durante dos segundos a una temperatura superior a los 850ºC, con lo que se destruyen los productos contaminantes como las dioxinas que se puedan haber formado durante la combustión. Cuando la temperatura de los hornos baja por debajo de los 850ºC, unos quemadores auxiliares de gas natural se ponen en funcionamiento. Seguidamente, los gases de combustión pasan a unas calderas de recuperación con una capacidad de producción unitaria de 25,4 t/h de vapor sobrecalentado a 61 bar y 380ºC. El vapor obtenido se aprovecha para accionar un grupo turboalternador de una potencia de 11,6 MW y la energía eléctrica conseguida se envía a la red. Una vez se ha utilizado, el vapor se conduce a unos aerocondensadores y se recupera para el circuito de alimentación de las calderas. Para reducir las emisiones contaminantes, los humos, que salen de cada caldera, a una temperatura de 200ºC, se someten a un lavado químico en dos absorbedores por vía semihúmeda, en los que se dispersa una solución de hidróxido cálcico que reacciona con los compuestos ácidos de los humos (S y Cl) y forma un residuo completamente seco que se recoge en la base de los equipos. Además, el enfriamiento de los humos a causa de la evaporación del agua de dilución del hidróxido cálcico también provoca una precipitación de los metales pesados. Una vez lavados químicamente y enfriados a 140ºC, los gases pasan por unos electrofiltros para limpiarlos de partículas sólidas en suspensión. Finalmente, con ayuda de un ventilador de tiro forzado, se envían a la atmósfera a través de una chimenea de 45 m de altura. La central de recuperación energética, que puede tratar hasta 20 t/h de residuos, produce anualmente 65.000 MWh de energía eléctrica. Asimismo, cabe tener en cuenta que el hecho de que se aproveche una fuente residual como son las basuras domésticas supone u ahorro de energía primaria, al cual hay que añadir el derivado de la reintroducción en el mercado de toda una serie de productos reciclados que, por otro lado, sería necesario elaborar a partir de recursos naturales, con un consumo de energía mucho más elevado. La cantidad de energía ahorrada gracias a la recuperación y comercialización de los materiales recuperados de los RSU se evalúa en unos 33.500 MWh/año. 7.3.2.1 Características principales del Centro Integral de Valoración de Residuos del Maresme  Datos generales: - Capacidad de tratamiento (RSU): 190.000 t/año. - Potencia total instalada: 2.600 kW. - Superficie edificada: 11.700 m2.  Planta de reciclaje y compostaje: - Capacidad de reciclaje: 25 t/h. - Régimen de trabajo: 311 días/año. - Capacidad sección de compostaje: 25 t/día. - Tiempo de producción del compost: 28 días.  Central de Recuperación Energética - Número de líneas de combustión: 2. - Capacidad mecánica de cada horno: 10 t/h. - Producción de cada caldera de vapor: 25,4 t/h. - Presión de trabajo: 61 bar. - Temperatura del vapor: 380ºC. - Potencia del alternador: 11.600 kW. - Consumo de hidróxido cálcico: 30 kg/t de RSU. 7.3.3 Aprovechamiento energético del biogás obtenido de aguas residuales urbanas En la mayoría de las grandes y medianas depuradoras de aguas residuales urbanas de ciudades superiores a 40.000 habitantes, se obtiene biogás según el siguiente proceso: - Las aguas residuales entran en el sedimentador primario, donde se recoge en el fondo un tercio de la carga entrante. - El oxigenador convierte en agua y lodo casi toda la carga restante. - El sedimentador secundario separa en el fondo estos nuevos lodos y el agua depurada sale de la parte superior. - Los lodos separados en los dos sedimentadores pasan al digestor anaeróbico, donde se produce una fermentación que reduce el porcentaje de lodos y se produce biogás con una proporción del 60%70% de metano. Este biogás puede aprovecharse en calderas para la producción de vapor o de agua caliente (en parte, en la propia planta depuradora para el calentamiento de los digestores u otros usos de calefacción), o bien mediante sistemas de cogeneración que permitan obtener, por un lado, energía eléctrica y, por otro lado, energía térmica (en forma de agua caliente), con lo que se obtiene una rendimiento total superior. Las características del biogás producido deben estudiarse, pero en general puede asegurarse que requerirá un sistema de depuración de ácido sulfhídrico presente en el mismo. El ácido sulfhídrico en el biogás procedente de la digestión anaeróbica de lodos de plantas depuradoras de aguas residuales puede alcanzar valores del 0,2% hasta el 0,8%, por lo que no se puede utilizar el combustible directamente en calderas motores de gas o en turbinas sin una depuración previa. 7.3.3.1 Características de las instalaciones efectuadas en la planta depuradora de aguas residuales urbanas de Reus Con objeto de promover el aprovechamiento energético del biogás, C.G.E. conjuntamente con el Centro de Estudios para la Energía y SEARSA (empresa explotadora de la planta depuradora) se procedió a la instalación de una planta de cogeneración piloto que sirviera de base para el aprovechamiento integral en una segunda fase. Se instaló un aparato de cogeneración TOTEM que ha funcionado más de 6.000 horas correctamente, siempre que las condiciones del gas eran adecuadas en cuanto a cantidad y calidad. Los problemas más usuales eran referentes al gasómetro de almacenamiento que, cuando estaba casi vacío, provocaba entradas de aire. Además, el biogás contenía ácido sulfhídrico (de 2.500 p.p.m. a 4.500 p.p.m.), que no era depurado adecuadamente por el filtro de virutas de hierro instalado primeramente. Características del equipo de cogeneración. - Consumo de biogás 8 m3/h - Potencia eléctrica suministrada 15,02 kWe a 380 V - Potencia térmica suministrada 39,3 kWt - Rendimiento eléctrico 0,27 - Rendimiento térmico 0,70 - Rendimiento global 0,97 - Emisión de CO 0,06% en volumen - Motor de combustión interna 903 cm3 - Generador eléctrico Asíncrono - Nivel sonoro 70 dBA Aprovechamiento energético del biogás mediante cogeneración. Mediante cogeneración con el equipo instalado se obtiene un rendimiento en energía eléctrica del 27% y en energía térmica del 70%. Tanto la energía eléctrica como la térmica se aprovechan íntegramente en la propia planta depuradora, lo que permite obtener un pay-back de unos 14 meses a los precios actuales. Puntos a destacar 1.- El aprovechamiento de la energía de la biomasa encuentra su aplicación en aspectos térmicos (producción de calor en el sector industrial y doméstico), de generación de electricidad y como combustible de automoción. 2.- En las aplicaciones térmicas industriales, la biomasa puede ser empleada en hornos, secaderos y calderas. A menudo, resulta conveniente adaptar la caldera a las condiciones del combustible que se va a emplear, con el fin de mejorar la potencia y el rendimiento. 3.- En el estudio de la viabilidad de la biomasa como fuente energética debe considerarse la inversión inicial y el precio del combustible, en comparación con los métodos tradicionales basados en combustibles fósiles. 4.- La explotación de la biomasa en el ámbito doméstico se centra en aplicaciones para calefacción, ya sea individuales, colectivas o en sistemas centralizados, según distintas técnicas y posibilidades. 5.- Los sistemas de calefacción domésticos colectivos basados en la biomasa sólo son viables en calderas de carbón adaptadas a tal fin. 6.- La calefacción centralizada o de distrito consiste en una sola planta, que abastece a numerosos puntos de consumo, gracias a un sistema de distribución formado por conducciones. 7.- Las aplicaciones eléctricas de la energía de la biomasa se basan en la combustión directa para su aprovechamiento en un ciclo de vapor convencional, o en la transformación termoquímica y bioquímica para la producción de biogás. 8.- El tamaño de una instalación que utiliza como combustible el recurso de la biomasa para la producción de electricidad debe condicionarse a las necesidades energéticas que debe cubrir y a la cantidad de combustible disponible. 9.- Es interesante contemplar la posibilidad de amortizar gastos, vendiendo la energía eléctrica producida a la compañía eléctrica, según el R.D. 2818/98. 8. IMPACTO AMBIENTAL OBJETIVOS - Adquirir una idea de las principales repercusiones del aprovechamiento energético de la biomasa con respecto al medio ambiente. 8.1 Introducción El consumo energético mundial actual se sitúa entorno a los 11.500 MTEP/año y se estima que crecerá por encima de los 13.000 MTEP/año durante los próximos diez años. La producción de esta energía se obtiene a partir de materiales de origen fósil en su mayor parte, y está asociada a la liberación de una enorme cantidad de emisiones cuya acción tiene múltiples e importantes efectos negativos sobre los ecosistemas. Esta situación se ve agravada por la carencia de soluciones satisfactorias para su tratamiento y eliminación, pues en ocasiones, como ocurre en el caso del CO2 o de los residuos de las centrales nucleares, ni siquiera existen soluciones satisfactorias para su adecuado tratamiento y eliminación. Por otro lado, el progresivo agotamiento de los combustibles hoy más utilizados (principalmente, fósiles) hace que los planificadores energéticos se planteen cada vez de forma más urgente la necesidad de evitar los productos residuales derivados de la producción energética. Las posibles soluciones a esta situación apuntan hacia tres vías principales como son: - El ahorro energético. - La mejora de la eficiencia en los procesos de producción y consumo energético. - El incremento del empleo de las energías renovables. La actual tendencia alcista del consumo energético mundial (debido principalmente al fuerte incremento en la demanda de energía previsible en los PVD) no parece que pueda ser paliada, en términos globales, por las dos primeras soluciones. Ante esta situación, una mayor implantación de las energías renovables se presenta como un elemento imprescindible y de gran significación, tanto para aumentar la independencia de los combustibles tradicionales, como para evitar los efectos insostenibles a medio plazo que estos pueden producir sobre el medio ambiente. En este contexto, la utilización de la biomasa para la obtención de energía en sustitución de productos fósiles puede jugar un papel relevante en este campo. Algunos de los grandes objetivos medioambientales sobre los que la utilización de este recurso energético puede incidir de una manera significativa son: - La reducción del efecto invernadero. - La reducción de la lluvia ácida. - La disminución de emisiones del sector transporte. Sin embargo, la producción y uso de la biomasa también conlleva diferentes aspectos medioambientales adversos, como la liberación de una serie de emisiones contaminantes. Por lo tanto, para poder llegar a conclusiones determinantes sobre el impacto ambiental real, resultante de la introducción masiva del recurso renovable, es preciso conocer a fondo estas emisiones. La complejidad del ciclo energético que presentan los materiales biomásicos hace que los efectos medioambientales que su utilización produce sean muy numerosos, y que su evaluación sea difícil de llevarse a cabo. Además, existe un gran número de factores de tipo climatológico, geográfico, tecnológico, etc. y, generalmente, de tipo local, que influyen de una manera definitiva sobre los resultados finales de dichas evaluaciones. En este contexto, la gran variabilidad de criterios de valoración adoptados en los estudios de impacto medioambiental, ha ocasionado que diferentes trabajos sobre un mismo objetivo en este campo ofrezcan a menudo resultados muy diferentes e incluso contrapuestos. Así, para poder determinar con exactitud sus implicaciones medioambientales y las opciones más adecuadas para lograr los máximos beneficios medioambientales de su uso, será preciso llevar a cabo un importante esfuerzo investigador en los próximos años. 8.2 Emisiones a la atmósfera La combustión y, en general, la conversión energética de la biomasa, produce emisiones variables de sólidos y de productos transportados, tanto por aire como por agua. Entre los sistemas de conversión, uno de los más importantes, al menos a medio plazo, será su combustión directa para calefacción doméstica o para producir vapor. El nivel de las emisiones, como en el caso de los sistemas térmicos convencionales, dependerá del tipo y escala de la tecnología utilizada. Como en el caso del carbón, la biomasa puede ser quemada de varias formas: desde hogares abiertos de baja eficacia, hasta lechos fluidizados de alto rendimiento. Igualmente, el nivel de las emisiones puede ser controlado mediante las tecnologías que se usan para la combustión del carbón; por ejemplo, las partículas se pueden retener mediante ciclones, lavadores húmedos, filtros de mangas o precipitadores electrostáticos. Tal y como es de suponer, estas técnicas sólo serán factibles desde el punto de vista económico para grandes unidades. 8.2.1 Emisiones al aire La conversión de la biomasa puede producir cantidades importantes de emisiones al aire. Hay grandes diferencias entre los procesos de conversión biológica o de vía química húmeda y los que utilizan la combustión o tratamientos térmicos, aunque algunas etapas de los procesos húmedos desarrolladas a altas temperaturas necesiten plantas de calefacción y, por consiguiente, se parezcan algo a los sistemas de combustión. El sulfuro de hidrógeno se produce en cierta cantidad durante la digestión anaerobia de residuos animales y, en menor extensión durante la pirólisis de residuos agrícolas. El etanol puede pasar a la atmósfera durante la fermentación alcohólica. El dióxido de carbono se produce en todas las combustiones y en los procesos de fermentación; el monóxido de carbono en las combustiones; los óxidos de azufre en las plantas de fermentación, de pirólisis y de combustión directa; los óxidos de nitrógeno y la emisión de partículas están vinculados a la mayoría de procesos de conversión. Además, por combustión, pirólisis y gasificación, pueden ser producidos un gran númro de compuestos orgánicos. 8.2.1.1 Partículas Al quemarse la biomasa se producen grandes cantidades de cenizas volantes, que pasan a los gases de chimenea. Aunque la emisión de estas partículas puede ser evitada casi por completo mediante el uso de tecnologías de control, la combustión incontrolada de biomasa puede producir cantidades más grandes de partículas por unidad de energía producida, que los sistemas convencionales de combustión de carbón. Como las tecnologías de control de emisión de partículas no se incorporan, probablemente a unidades de combustión pequeñas, el impacto ambiental principal puede venir del uso exhaustivo de instalaciones de combustión de leña domésticas. 8.2.1.2 Dióxido de carbono En teoría, el uso de la biomasa no debería aumentar la cantidad de dióxido de carbono libre en la atmósfera (como en el caso de los combustibles fósiles), ya que el CO2 vertido será exactamente igual al tomado durante el crecimiento de las plantas. Esto es parcialmente cierto bajo condiciones de estado estacionario (es decir, cuando la cantidad quemada es igual a la cantidad crecida). No obstante, durante el período en que se estén transformando en energía grandes cantidades de la vegetación ya existente, los niveles de anhídrido carbónico libre aumentarán. Además, hay que tener en cuenta la retención del carbono en el suelo como materia orgánica y el hecho de que el uso exhaustivo de la biomasa tenderá, a través de varios mecanismos, a disminuir rápidamente tal contenido orgánico. 8.2.1.3 Óxidos de azufre El azufre no está presente en la biomasa en grandes cantidades. La producción de óxidos de azufre deberá ser considerablemente menor en la combustión de biomasa que en las unidades que queman carbón; en órdenes de magnitud comprendidos entre 1 y 10. 8.2.1.4 Monóxido de carbono y otras emisiones gaseosas La emisión de monóxido de carbono en los quemadores de biomasa es superior a la de los de carbón, aunque depende mucho de la propia técnica de la combustión. Las emisiones procedentes de los incineradores de residuos urbanos presentan problemas medioambientales. Incluso después de su clasificación, dichos residuos presentan una importante heterogeneidad y contienen productos indeseables. Un peligro particular es la presencia de plásticos y de compuestos clorados en general. La combustión de estos materiales produce compuestos orgánicos altamente tóxicos, frecuentemente halogenados, incluyendo las dioxinas, dibenzofuranos, etc., así como ácido clorhídrico en grandes cantidades, si se quema PVC. Además, el HCl interfiere con los precipitadores electrostáticos. Existe preocupación por la presencia de compuestos de dioxina en las cenizas volantes y en los gases de chimenea de los incineradores de RSU. El origen de la dioxina no es bien conocido; algunas pueden encontrarse en la corriente de residuos, pero la mayor parte, probablemente, se forma durante el proceso de combustión. 8.3 La biomasa y el efecto invernadero Se conoce como efecto invernadero al aumento de la temperatura de la biosfera producida por la capacidad de ciertos gases que componen nuestra atmósfera de reflejar hacia la superficie terrestre las radiaciones de onda larga, que son irradiadas desde la misma hacia el espacio exterior dejando, sin embargo, pasar sin dificultad la radiación de onda más corta que, proveniente del sol, llega hasta la Tierra. Si bien este fenómeno es el que ha permitido el desarrollo de la vida, tal y como la conocemos en nuestro planeta, la acción del hombre ha provocado un desequilibrio en la proporción de estos gases en la atmósfera, así como la aparición de otros gases nocivos de tipo antropogénico. Como consecuencia se ha producido un incremento del efecto invernadero, cosa que ha provocado un aumento de la temperatura de la tierra. En la tabla 8.1 se indican los gases de efecto invernadero más importantes, así como sus concentraciones en la atmósfera y su contribución relativa estimada actual al recalentamiento terrestre. Como puede observarse, todos los gases invernadero, excepto los CFC's, tienen una relación más o menos directa con la biomasa. Concentración atmosfera (ppm)* Gases Contribución al incremento temperatura % 1800 1989 2040** Anhídrido carbónico 280 350 450/600 50 Metano 0,7 1,7 2,3/3,6 15 Óxidos de nitrógeno 0,28 0,3 0,33/0,42 10 Freones, CFCs 0 6.10-4 20/80. 10-4 20 Otros (vapor de agua, ozono, etc.) --- --- --- 5 Aumento de la temperatura media de la atmósfera 0 +0,5ºC +2ºC/+5ºC - * Partes por millón. ** Concentración estimada de seguir tendencia actual. Tabla 8.1 Concentración en la atmósfera de los principales gases que producen efecto invernadero desde el comienzo de la era industrial y contribución actual estimada al sobrecalentamiento. Fuente: Boletín de la Fundación Europea de la Energía. Febrero, 1990. En la tabla 8.2 se indican las principales causas, tanto naturales como antropogénicas, que los originan. Gas Causas Dióxido de carbono (CO2) Utilización de combustibles fósiles, deforestación. Metano (CH4) Degradación de materia orgánica en cultivos de arroz y terrenos húmedos. Emisiones en la digestión de rumiantes y termitas. Vertederos controlados. Óxido nitroso (N2O) Prácticas agrícolas (abonos nitrogenados). Utilización de combustibles. Emisiones naturales del suelo (denitrificación). CFCs (CF11, CF12) Utilización de refrigerantes. Limpieza de componentes electrónicos. Embalaje isotermo. Ozono (O3) Emisiones de compuestos orgánicos volátiles (VOCs) en la utilización de combustibles. Tabla 8.2 Algunas de las principales causas que originan la producción de gases invernadero. El dióxido de carbono (CO2) se produce como emisión neta a la atmósfera por: - La combustión de los productos fósiles. - Los procesos de utilización de la biomasa ligados a una disminución de la cantidad total de la misma en la biosfera, como ocurre en los procesos de deforestación. Hasta hace poco se tenía a este gas como a un compuesto de nulo efecto medioambiental. En la actualidad se le considera como el principal gas causante del efecto invernadero, al que contribuye, aproximadamente, con un 55% del calentamiento de la biosfera producido por dicho efecto. La concentración de gas, y debido a las causas anteriormente mencionadas, ha pasado de unas 280 ppm en 1800, al principio de la era industrial, hasta las 350 ppm en 1989. Según algunos autores (Spitzer et al, 1992) para poder mantener el nivel de CO2 en la atmósfera en torno a 580 ppm, que es el nivel considerado máximo admisible por los ecosistemas en los próximos cien años, se precisaría reducir el consumo de energías fósiles en un 40% respecto al valor de 1988. En cuanto al metano (CH4), constituye el tercer gas invernadero en importancia. Se origina en la naturaleza durante los procesos de descomposición anaerobia de la materia orgánica que ocurren en las zonas pantanosas, ambientes acuáticos, y en los vertederos de RSU y plantas de digestión anaerobia. Otra fuente importante de metano la constituyen los procesos de digestión anaerobia que ocurren en el interior del aparato digestivo de rumiantes y termitas, y ya sólo con importancia secundaria, se forma en los procesos de combustión, incluido el de la biomasa. En definitiva, el origen actual de este gas, aunque notablemente antropogénico, no está significativamente ligado a procesos de utilización energética de la biomasa que, en todo caso, contribuyen a su eliminación. En esta situación, la biomasa puede jugar un papel muy importante, no sólo en el control, sino también en la disminución de la cantidad de CO 2 liberado a la atmósfera por el sector energético. Como puede deducirse de lo hasta aquí expuesto, la producción y uso de la biomasa, junto con la detención del proceso de deforestación de bosques tropicales, constituyen una de las soluciones más realistas y de mayor potencial para lograr actuar eficientemente contra el actual incremento del efecto invernadero, provocado por el aumento de las concentraciones atmosféricas de CO2, en su vertiente, no sólo de control, sino de corrección de tal efecto. 8.4 Contaminación del agua El principal impacto sobre el agua proviene de la demanda química y bioquímica de oxígeno del agua vertida, tanto por los procesos húmedos como por los de combustión de las biomasas. Estos últimos producen, además, sólidos en suspensión y compuestos metálicos, a nivel de trazas. Muchos efluentes líquidos pueden ser usados en la industria de los fertilizantes -lodos procedentes de las fermentaciones anaerobias-, como materias primas químicas, etc. Si se abandonan, pueden ser causa de serios problemas ambientales. Se debe prestar especial atención a los compuestos líquidos producidos en la gasificación y la pirólisis de la biomasa, que se separan como condensados acuosos (acético, fenol, furfural, etc.), como alquitranes o aceites insolubles en agua, o quedan impregnados los residuos sólidos (ceniza, mineral, carbonilla). Todos ellos son potenciales contaminantes del agua y algunos presentan propiedades cancerígenas. En efecto, también están presentes el benceno, naftaleno, antraceno, benzopireno, tolueno, xilenos y pequeñas cantidades de aldehidos, cetonas, ácidos carboxílicos, ésteres, compuestos heterocíclicos de oxígeno y nitrógeno, aromáticos policíclicos y otros. Son peligrosos, porque a pesar de la insolubilidad de algunos de ellos, se dispersan en el agua absorbidos en partículas y pueden ser muy nocivos para la salud humana, una vez incorporados a la cadena alimentaria. El fenol -soluble en agua- inhibe o destruye las funciones vitales. Afortunadamente, a pequeñas concentraciones, algunos contaminantes de las aguas pueden ser biodegradables en el agua o en el suelo. 8.5 Residuos sólidos urbanos Los combustibles biomásicos para hornos, gasificadores, etc., pueden ser turba, madera, residuos agrícolas y forestales, residuos de industrias agrarias, etc. Las operaciones corrientes de preparación, tales como el secado, y la reducción de tamaño y clasificación, pueden producir ruido polvo y olores. Tal y como se ha indicado, durante la combustión de la biomasa se producen grandes cantidades de cenizas fijas y volantes. A diferencia de las de combustión de carbón, éstas tienen menos sustancias tóxicas. En todo caso, su vertido puede originar contaminación grave en las aguas, debido a los metales pesados (plomo, cadmio) y a sustancias orgánicas tóxicas. Si se esparce por suelos agrícolas, la alcalinidad de la ceniza puede aumentar el potencial de crecimiento en suelos ácidos, pero puede ser negativo en suelos calizos. Los lodos residuales de la fermentación anaerobia proporcionan una buena fuente de fertilizante orgánico. Las cenizas procedentes de la combustión de basuras urbanas pueden contener muchas sustancias tóxicas (incluidas dioxinas), aunque debe recordarse, que de no haber sido quemada, posiblemente hubiera sido finalmente vertida, quizá de forma incontrolada. 8.6 Residuos agrícolas y forestales La recolección de residuos agrícolas o forestales para la producción energética puede causar paulatinamente la degradación del suelo, disminuyendo el contenido orgánico del mismo, aumentando su erosión y la lixiviación de los fertilizantes sintéticos. La característica más beneficiosa de estos residuos es que mantienen el humus del suelo y proporcionan protección a la superficie. Los residuos agrícolas y forestales actúan sobre: - El control de la erosión por el agua y el viento. - El suelo como almacén de nutrientes. - Estabilizan la estructura del suelo y mejoran su textura. - Reducen la densidad del suelo y aumentan su filtrabilidad, la retención de humedad y la capacidad de intercambio iónico. - Proporcionan energía para la actividad de los microorganismos, factor esencial para la fertilidad del suelo. La actividad de los microorganismos asociados a la putrefacción de materias orgánicas proporciona un almacenamiento provisional de nitrógeno en el suelo y previene su pérdida por lixiviación durante el otoño e invierno. Esto quiere decir que deberán ser aplicadas grandes cantidades de agua y de fertilizantes, lo cual acelerará el paso de los nitratos a los acuíferos y cursos de agua. Por otro lado, las labores de limpieza y mejora del monte son necesarias, entre otras, por razones fitosanitarias y de prevención de incendios. La ejecución de estos trabajos presenta las siguientes ventajas: - Favorece la regeneración natural de la masa principal. - Facilita la reforestación artificial o natural. - Posibilita el crecimiento del arbolado. - Mejora la calidad del arbolado. - Disminuye enormemente el peligro de plagas. - Facilita el resto de las operaciones silvícolas. - Incrementa la capacidad de aprovechamiento. - Facilita los movimientos por el monte. - Incrementa el hábitat de cierta fauna silvestre. - Mejora estéticamente el monte. - Aumenta la capacidad de acogida recreativa. De cara a la conservación del medio ambiente es importante destacar el hecho de que la ejecución de los trabajos silvícolas debe realizarse de forma selectiva, analizando en cada actuación la conveniencia e intensidad de los mismos. Teniendo en cuenta que la mejora y el buen estado del monte tienen que ser prioritarios con respecto a cualquier interés económico o energético. De no ser así, pudiera ocurrir que algunas de las ventajas anteriormente señaladas, se conviertan en serios inconvenientes y se ponga en peligro la riqueza que representa el monte. Así, una aplicación no adecuada de las operaciones silvícolas puede tener algunas repercusiones negativas con respecto a la utilización de la tierra con fines específicamente de producción de cultivos. Cabe esperar que sea necesario el uso de grandes cantidades de agua, fertilizantes, pesticidas, etc., con la consiguiente contaminación de las aguas subterráneas y otros problemas socio-ambientales derivados de la agricultura de monocultivo: - Contaminación intensa debida a los procesos de fabricación de los fertilizantes sintéticos. - Reducción de la resistencia a las plagas y enfermedades. - Reducción de la reserva genética. - Pérdidas de las reservas de aguas subterráneas. - Reducción de la superficie disponible para los usos agrícolas normales de producción de alimentos. - Compactación del terreno, con disminución de las filtraciones de agua y aumento de la escorrentía, y por tanto, de la erosión. - Disminución de la captación de nutrientes y empobrecimiento del suelo. - Desplazamiento o desaparición de determinado tipo de fauna. Además de una redistribución entre las tierras cultivadas o no y las destinadas a usos energéticos, se requeriría una infraestructura de carreteras, reconversión de instalaciones, construcción de nuevas plantas, etc., siendo alterados los ecosistemas terrestres. En los bosques degradados disminuirían las poblaciones de pequeños mamíferos y aves. Grandes cortes y clareos también afectan a los animales de caza. La reducción del hábitat puede tener severas repercusiones para especies en peligro, así como para las rutas migratorias. La temperatura y el contenido de nutrientes de los cursos de agua pueden verse alterados por la recolección. La vida acuática se verá adversamente afectada al aumentar la cantidad de sólidos en suspensión, sedimentos, iones químicos resultantes de la lixiviación y al disminuir los flujos en las zonas bajas. Por otro lado, la desaparición de grandes cantidades de suelo puede afectar tanto a la calidad como a la cantidad de agua disponible. La cobertura terrestre no reduce la velocidad de escorrentía, y ayuda a la filtración de capas más profundas y disminuye también la velocidad de deshielo de la nieve caída. En casos extremos, la perturbación de este terreno superficial puede causar inundaciones en áreas hundidas. El almacenamiento de la biomasa recogida también puede acarrear problemas medioambientales. Las pilas de madera pueden ser una fuente de contaminación por sus lixiviados a la superficie o a las aguas subterráneas. La descomposición de la corteza y el ácido tánico formado deben ser controlados. Además, pueden emanar olores al pudrirse la biomasa recogida y almacenada para su uso posterior. 8.6.1 Control medioambiental Teniendo en cuenta todos estos aspectos, se pueden considerar diferentes posibilidades para controlar el impacto medioambiental debido a la producción de biomasa, tanto por la recolección de sus residuos, como por la nueva biomasa. Los tratamientos irán dirigidos a: - El control de la erosión del suelo, por ejemplo mediante la elección del sistema de cosecha. La corta moderada y selectiva produce velocidades de erosión mucho más pequeñas que los sistemas de corte severos, en condiciones de pendiente o de lluvia. Si se requiere una corta por razones económicas o de silvicultura, la tala por franjas o parcelas causará menos erosión que el corte muy bajo, en casi todas las condiciones. - Las operaciones selvícolas usadas en períodos de rotación largos -del orden de 20 a 50 años- precisarán menos cantidad de productos químicos agrícolas y de otras adiciones, y podrían soportar sistemas de árboles mixtos. La productividad bajaría, pero la mayoría de los demás valores del ecosistema se verían beneficiados. 8.7 Cultivos energéticos Los cultivos energéticos presentan, además de todas las ventajas que puede representar la sustitución de otras fuentes energéticas, varios aspectos que pueden considerarse de especial interés para la conservación del medio ambiente, tales como: - Se trata de cultivos que generalmente requieren unas condiciones de labor menos exigentes que los destinados a usos alimentarios, lo que se traduce en menores exigencias de fertilizantes, herbicidas o plaguicidas, evitando por una parte el posible impacto que se genere en su producción y, por otra, los peligros de contaminación del medio natural, y sobre todo, de los acuíferos. - Posibilita el mantenimiento del nivel de vida rural, evitando el abandono de los pueblos en el ámbito agrario. - Evita la erosión o degradación de los suelos, que puede derivarse del abandono de las tierras de labor. - Al poder plantear el tipo de cultivo en función de las condiciones climáticas y agrícolas se reducen las necesidades de riegos, de lo que se deriva un menor consumo de agua que puede destinarse a otros usos y una menor necesidad de realización de infraestructuras hidráulicas o de consumos energéticos en los procesos de obtención del agua. - En ciertos casos, como el de los cultivos forestales de rotación corta, al tratarse de cultivos forestales pueden generarse nuevos hábitats para la fauna salvaje, siempre que ésta sea compatible con las demás actividades del entorno. - Puesto que los cultivos energéticos se plantean dentro de proyectos que en la mayoría de los casos se desarrollan dentro de un entorno regional, se evita el impacto que puede suponer la realización de nuevas infraestructuras para el transporte de los recursos energéticos o de la energía producida (al contrario de lo que ocurre con los gasoductos y oleoductos, por ejemplo). 8.8 Biocarburantes Puesto que las materias primas para la producción de los biocarburantes provienen de la realización de cultivos energéticos, éstos se benefician de todos los aspectos comentados anteriormente para las fases agrícolas de este tipo de cultivos. Además, el empleo de combustibles procedentes de la biomasa en motores de vehículos presenta importantes ventajas medioambientales en aquellos lugares con intensa presencia de automóviles, como los grandes núcleos de población. Puede considerarse como altamente beneficiosa la posibilidad de sustituir las mezclas antidetonantes (que contienen plomo e hidrocarburos aromáticos) por compuestos oxigenados producidos a partir de los bioalcoholes, o simplemente la sustitución (total o en proporciones determinadas) de la gasolina por etanol. Para el caso de la rama de los biocarburantes basada en la sustitución del gasóleo por derivados de aceites vegetales es muy interesante el hecho de la desaparición de las emisiones de dióxido de azufre (SO2), ya que prácticamente los aceites vegetales están libres de azufre. Como aspecto también común a ambos tipos de biocarburantes, destaca el hecho de que al contrario de lo que ocurre con los combustibles provenientes del petróleo, los biocarburantes son biodegradables, por lo que no existe la posibilidad de impactos importantes derivados de vertidos accidentales. Esta característica de la biodegradabilidad los hace idóneos para su utilización en zonas donde se pretenda limitar al máximo el impacto derivado del uso de combustibles (como en reservas naturales o parques naturales), o en los motores de embarcaciones que se muevan por cursos de agua o embalses que, en última instancia, puedan dedicarse al consumo humano. 8.9 Resumen y conclusiones Emisiones al aire:   Partículas. CO2, SOx, NOx, dioxinas, furanos, HCl, HAP, Benzopireno (BaP), metales (Hg). Para grandes sistemas existen tecnologías para controlar las emisiones gaseosas en las plantas de combustión (incineración), pirólisis o gasificación. Habrá que controlar la emisión de polvo, organoclorados, inorgánicos de flúor y metales pesados. Sin embargo, debido a que los combustibles de la biomasa pueden ser utilizados en aplicaciones pequeñas y descentralizadas, la capacidad para reducir o controlar estas emisiones (tecnologías específicas, altas chimeneas) es menor que en el caso de grandes instalaciones químicas o de energía centralizada. Residuos sólidos:  Cenizas.  Cenizas volantes.  Materiales pesados de sustancias tóxicas. Contaminación del agua:   Las cenizas de los procesos térmicos y termoquímicos pueden contaminar las aguas por su contenido en metales pesados (plomo, cadmio). Los efluentes de los procesos húmedos de biomasas se caracterizan por su elevada DBO. Para los vertidos de plantas de alcohol, entre otras, se pueden aplicar técnicas de oxidación biológica, digestión anaerobia, o de uso como fertilizantes. Necesidades de terreno:  Mayores que para los combustibles convencionales, equipos más caros y de mayor tamaño. Riesgos para la salud:    Peligros de incendio, inhalaciones de sustancias tóxicas y accidentes laborales en ls diferentes etapas de los procesos de conversión (metanol, etanol, HCl, H2S). Emisiones accidentales, fugas, explosiones y fuegos, son potencialmente un riesgo adicional para la salud de personas en las proximidades de la planta. Los vehículos movidos por alcohol o con mezclas gasolina-alcohol producen menos contaminación atmosférica aérea y emisiones de plomo. No obstante, generan una mayor cantidad de aldehidos. El impacto de este tipo de contaminación no es del todo bien conocido. La extensión de todos los posibles efectos adversos depende del tipo de proceso (hornos, reactores, digestores), su capacidad, condiciones de operación, tipo de utilización, materias alimentadas, de la adecuada utilización o no de sistemas para el tratamiento y control de todos los productos de vertido. De este modo, se podrá evitar, en buena parte, el daño que ya está siendo soportado por la biosfera, debido a la explotación en tiempos pasados de determinadas formas de energía, como las basadas en las derivadas de la combustión directa del carbón. Puntos a destacar 1.- Las soluciones para minimizar el impacto ambiental asociado a la producción de energía se basan en el ahorro energético, la mejora de la eficiencia de los procesos y el incremento en el uso de las energías renovables. 2.- Los materiales biomásicos presentan un ciclo energético complejo, cuyos efectos medioambientales son difíciles de evaluar, lo que ha llevado a resultados contradictorios sobre un mismo tema. 3.- Aunque depende del proceso, las emisiones a la atmósfera producidas por la combustión de biomasa se componen generalmente de partículas y cenizas volantes, dióxido de carbono, óxidos de azufre y monóxido de carbono . 4.- La contaminación del agua se puede producir como consecuencia del vertido de efluentes utilizados en la industria de los fertilizantes y derivados acuosos resultantes de los procesos de gasificación y pirólisis. 5.- Se deben gestionar adecuadamente las cenizas procedentes de la combustión de las basuras urbanas, por la gran cantidad de dioxinas y sustancias tóxicas que contienen. 6.- La recolección de residuos agrícolas o forestales para su aprovechamiento energético contribuye a la erosión del suelo, aumentando la escorrentía y favoreciendo su degradación. Por otra parte, es necesario realizar tareas de recogida y limpieza del monte para evitar incendios y favorecer la regeneración natural. 7.- Una de las ventajas que presentan los cultivos energéticos es el aprovechamiento de las tierras marginales de labor, con lo que se evita la erosión y el abandono de los pueblos en el ámbito agrario. 8.- Los biocarburantes presentan sus mayores ventajes en los lugares donde se concentran una mayor cantidad de vehículos, como en los núcleos de población. De este modo, se eliminarían las emisiones de SO2 en la ciudades, ya que los aceites vegetales están prácticamente libres de azufre. BIBLIOGRAFÍA [1] BOYLE, G. 1996. "Renewable energy". Ed. Oxford University. New York. [2] "Energías renovables en España: Anuario de proyectos 1997", diciembre 1998. IDAE. Madrid (España). [3] Catálogo IDAE, marzo 1999, "Red de calefacción centralizada alimentada con biomasa en Cuéllar". [4] COLMENAR A., CASTRO M., 1998. 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