Sistemas Energéticos con Biomasa Sonia Rincón Grupo de Investigación en Biomasa y Optimización...
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Sistemas Energéticos con Biomasa
Sonia RincónGrupo de Investigación en Biomasa y
Optimización Térmica de Procesos – BIOTUniversidad Nacional de Colombia –
Facultad de Ingeniería
Contenido1. Participación de la biomasa en el suministro mundial de energía primaria.2. Biomasa como fuente de energía
3. Procesos de transformación de biomasa para uso como fuente de energía
6. Estado de comercialización de las principales tecnologías
5. Biocombustibles de primera, segunda y tercera generación
4. Ciclo cerrado del CO2
1. Participación de la biomasa en el suministro mundial de energía primaria.
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
www.forosesarq.wordpress.com
Energía en el mundo
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
Evolución del suministro mundial de energía primaria
Mtoe= Millones de toneladas de petróleo equivalente 1 toe = 42 GJ13000 Mtoe=5,5 x1011 GJ
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
Participación de las energías renovables en el suministro mundial de energía primaria
Renewables in global energy supply. IEA Factsheet. 2007
- Biomasa sólida- Carbonizados de biomasa- Biogas- Biocombustibles líquidos- Residuos municipales
(fracción biodegradable)
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Participación por regiones en el suministro de combustibles renovables y desechos
OECD 14,6 %
África 24,2 %
Asia no-OECD 33 %
China 19,2 %
América latina7,6 %
Medio oriente 0,1 %
Europa no-OCDE 0,5 %Antigua Unión Soviética 0,7 %
Renewables in global energy supply. IEA Factsheet. 2007
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Participación de las energías renovables en la producción de energía eléctrica
Renewables in global energy supply. IEA Factsheet. 2007
2. Biomasa como fuente de energía
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
Todo material orgánico que se origina de plantas (incluye algas, árboles y cultivos). Se produce a partir del proceso de fotosíntesis mediante la reacción entre el CO2 del aire, el agua y la luz del sol para la producción de carbohidratos. El término incluye toda la vegetación terrestre y marina.
Biomasa:
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Biomasa residual
Residuos agrícolas y forestales
Residuos industriales
Residuos ganaderos Residuos urbanos
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Uso
Proceso
Alistamiento
Producción
Residuos agrícolas y forestales, residuos industriales, residuos urbanos, residuos ganaderos
Almacenamiento (silos, terrenos, etc)
Transporte
Recolección
Preparación: (clasificación, secado, molienda, compactación, etc)
Procesos de transformación energética
Energía final
Etapas para el aprovechamiento de la biomasa residual como fuente de energía
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Composición estructural de la biomasaComponentes mayoritarios:Celulosa: Componente mayoritario (40 – 50 %) que constituye la base estructural de las células vegetales. Polímero formado por moléculas de glucosa. Hemicelulosa: Presente en proporciones de 20 a 40 %. Compuesta por diferentes azúcares formando cadenas cortas y ramificadas. Algunos azúcares: pentosas (xilosa, arabinosa), hexosas (glucosa, manosa y galactosa), ácidos hexurónicos (ácido glucorónico, metilglucorónico y galacturónico) y deoxihexosas (ramnosa y fucosa).Lignina: Polímero aromático. Presente en proporciones de 5 a 30 %. Proporciona rigidez a la pared celular, asegura protección contra agentes atmosféricos, humedad y el ataque de microorganismos.
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
U.S Department of Energy Genome Programs image gallery, http://genomics.energy.gov
N. Mosier, C. Wyman, B. Dale, R. Elander, Y. Y. Lee, M. Holtzapple and M. Ladisch, Bioresour. Technol., 2005, 96, 673
Proporciones:Tabla 4 pg. 44Mc.Kendry 2002.
Composición estructural de la biomasa
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Componentes minoritarios:Extractivos: Componentes orgánicos de bajo peso molecular. Se pueden extraer de la madera por lavado con agua o con solventes orgánicos. Su función en la célula vegetal es la de brindar protección exterior y reserva de nutrientes.
Cenizas: Fracción inorgánica del material formadas por sales inorgánicas de calcio, potasio, sodio, magnesio y sílice.
Composición estructural de la biomasa
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Caracterización de la biomasa
Caracterización estructural
Caracterización química
Caracterización energética
Caracterización física
Análisis próximo (inmediato)
Análisis último (elemental)
Análisis elemental de cenizas
Poder calorífico
Densidad
Tamaño y forma
Durabilidad mecánica
Temperatura fusión de ceniza
Contenido de celulosa, hemicelulosa y lignina
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Caracterización de la biomasa
Materia Orgánic
a
Ceniza
Lignina (25 %)
Celulosa (35 %)
Extractivos (15 %)
Hemicelulosa (25%)
c (50-65%)
h (3-6%)
n (1-3%)
s (máx 1%)o (35-45%)
Análisis Último
Contenido de Agua (1)
Contenido de Cenizas (2)
Materia Volatil (3)
w
a
M.V.
5-15 %
1-6 %
75-95 %
Análisis Próximo
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Caracterización de la biomasa
Biomasa Carbón (Antracita)
Carbón (Bituminoso)
Humedad / % 5 – 15 < 3 5 – 10
Cenizabs/ % 1 – 6 9,5 7,2
Materia colátilcbs / %
75 – 95 < 5 10 - 30
Análisis próximo
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Caracterización de la biomasaAnálisis último
Biomasa Carbón (Antracita)
c / % 50 - 65 75 - 85
h / % 3 – 6 1,5 – 3,5
n / % 1 - 3 0,5 – 1,0
o / % 35 - 45 5,5 – 9,0
s / % < 1 Máx 10
Valores en base seca y libre de ceniza
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Diagrama de van Krevelen
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
NH C/N
NO C/N
Celulosa
MaderaLignito
Turba
Petróleo
Hulla
Antracita
Carbón mineral
Carbón mineral lignítico
Cuesco de PalmaCascarilla de Café
Bagazo de caña
Fibra de Palma
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Normatividad para la realización de pruebas de caracterización de combustibles sólidos
Prueba DIN ASTM
Carbón y Coque
Biomasa Carbón y Coque
Biomasa Madera
Humedad 51718 EN 14774-3
D3173 --- E871
Ceniza 51719 EN 14775 D3174 E1755 D1102
Materia Volátil
51720 EN 15148 D3175 --- E872
Poder Calorífico
51900 EN 14918 D5865 --- E711
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Caracterización de la biomasa
Poder calorífico
PCS/ MJ/kg PCI/ MJ/kg
Cuesco de palma de aceite
22,5* 21,1
Fibra de palma de aceite
18,4 17,1
Cascarilla Café 18,7 17,5
Bagazo de caña 17,9 16,9
Antracita 29,4
* Valor determinado experimentalmente
3. Procesos de transformación de biomasa para su uso como fuente de
energía
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Procesos de transformación de la biomasa residual para uso como fuente de energía
Biomasa Residual
Procesos bioquímicos
Procesos termoquímicos
Procesos fisicoquímicos
Procesamiento secundario
Bioetanol Biodiesel
Diesel renovable Gasolina BTL
Bioaceites
Biobutanol
Biojet
Diesel HDRD Diesel BTL
Biogás
Gas de síntesis
Biocarbón
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Procesos de Transformación Termoquímicos
Pirólisis
Gasificación
Licuefacción
Sólido
Líquido
Gas
Procesamiento secundario
Gasolina BTL
Bioaceites
Biojet
Diesel BTL
Gas
BiocarbónB
iom
asa
Combustión
Energía Térmica
Energía Mecánica
Biocrudo
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Gas producido
Lecho Fijo
Gas barrido u oxidación
Biomasa
Producto sólido
Lecho Móvil
Gas producido
Biomasa
Gas barrido u oxidación
Gas barrido u oxidación
Lecho Fluidizado
Gas producido
Biomasa
Reactores utilizados en la transformación termoquímica de biomasa
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
Gasificador de biomasa con unidad de generación eléctrica acoplada
www.agtgasification.com
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Gasificador de biomasa con unidad de generación eléctrica acoplada
www.agtgasification.com
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Horno rotatorio para gasificación de pepas de aceituna
ICASA - España
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Pirólisis en lecho fluidizado
IEA Bioenergy. Task 34 Pyrolysis
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Sistema de combustión de biomasa
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www.dynamotive.com
Planta de Generación de Electricidad con Gasificación Integrada de BiomasaEnergía Natural de Móra, SL (España)
•Potencia Eléctrica Nominal 750 kW• Materia Prima- Cáscaras de almendras:1 kg/kWh
- Orujillo: 1kg/1.2kWh
- Pepas de Aceituna y Astillas de Madera
• Agente Gasificador: Aire
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www.energuia.com
Diagrama de flujo de Planta de Generación de Electricidad con Gasificación Integrada de Biomasa
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www.mhkw-kassel.de
Planta Térmica operada con Basuras
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
www.mhkw-kassel.de
Diagrama de flujo de Planta Térmica Operada con Basuras
40 MWe
80 MWt
Consumo 20 t/h de
Basura
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Fermentación alcohólica
Descomposición anaeróbica
Descomposición aeróbica
Etanol
Biogas
Bio
ma
sa
Procesos de Transformación Bioquímicos
CombustiónEnergía Térmica
Energía Mecánica
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Procesos de Transformación Bioquímicos
Patzek, T.W. Thermodynamics of the Corn-Ethanol Biofuel Cycle. Critical Reviews in Plant Sciences, 23 (6):519-567 (2004)
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
Planta de producción de etanol a partir de caña de azúcar
www.incauca.com
Fermentadores
Columnas de destilación
Caña de Azúcar Incauca
300.000 l/día
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Planta de producción de etanol a partir de caña de azúcar
Deshidratación con tamices moleculares
99,5 % Etanol
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Procesos de Transformación Bioquímicos
Etanol puro: compuesto de etanol hidratado, a 95,5 %.
Mezcla con la gasolina, compuesta del 22% de etanol anhidro a 99,6 % con el objetivo de aumento del octanaje de la gasolina; automoviles de combustilbe flexible
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
Procesos de Transformación Bioquímicos
Source: Timilsina, G.; Energy 36 (2011) 2055 - 2069
Producción mundial de bioetanol
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
Prensado
Extracción
Aceite
Bio
ma
sa
Transesterificación
Biodiesel
Procesos de Transformación Fisicoquímicos
CombustiónEnergía Térmica
Energía Mecánica
Hidrotratamiento
Diesel renovable
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
Procesos de Transformación Fisicoquímicos
Source: Timilsina, G.; Energy 36 (2011) 2055 - 2069
Producción mundial de biodiesel
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
Procesos de Transformación Fisicoquímicos
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
Procesos de Transformación Fisicoquímicos
4. Ciclo cerrado del CO2
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Ciclo cerrado del CO2
CO2
Proceso de conversión
Material Particulado (PM) CO,NOx, CH4
CO, NOx, CH4 PM
CO2
CO, NOx, CH4 PM
CO2
CO2CO, NOx, CH4 PM Grupo de Investigación en Biomasa y Optimización Térmica de Procesos - BIOT
5. Biocombustibles de primera, segunda y tercera generación
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
Source: Nigam, P. Progress in Energy and Combustion Science 37 (2011) 52 - 68
Biocombustibles
Primarios Secundarios
Segunda generación
Materia prima: biomasa lignocelulósica
Bioetanol o butanol por hidrólisis enzimática
Metanol, gasolina y diesel por Fischer-Tropsch, alcoholes, eter dimetílico, diesel renovable por procesos termoquímicos
Biometano por digestión anaeróbica
Primera generación
Materia prima: Semillas, granos, azúcares
Bioetanol o butanol por fermentación de almidón (trigo, cebada, maiz, papa) o azúcares (caña de azúcar, remolacha, etc)
Biodiesel por transesterificación de aceites comestibles (colza, soya, girasol, palma, coco, jatropha, aceite de cocina usado, grasas de animales, etc.)
Madera, chips de madetra, pelets, residujos animales, residuos de bosques y cultivos
Tercera generación
Materia prima: Algas, Macroalgas
Biodiesel a partir de algas
Bioetanol a partir de algas
Hidrógeno a partir de algas y microbios
6. Estados de comercialización de las principales tecnologías de producción
de biocombustibles
Seminario Internacional en Uso Energético Sostenible de Biomasa Residual, 9 – 10 de octubre de 2014, Bogotá - Colombia
International Energy Agency (IEA). Technology Roadmaps Biofuel for Transport
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