1 Sistemas Energéticos con BiomasaSonia Rincón Grupo de Investigación en Biomasa y Optimización Térmica de Procesos – BIOT Universidad Nacional de Colombia – Facultad de Ingeniería

2 Contenido 1. 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 4. Ciclo cerrado del CO2 5. Biocombustibles de primera, segunda y tercera generación 6. Estado de comercialización de las principales tecnologías

3 1. Participación de la biomasa en el suministro mundial de energía primaria.

4 Energía en el mundo

5 Evolución del suministro mundial de energía primaria13000 Mtoe=5,5 x1011 GJ Mtoe= Millones de toneladas de petróleo equivalente 1 toe = 42 GJ

6 Participación de las energías renovables en el suministro mundial de energía primariaBiomasa sólida Carbonizados de biomasa Biogas Biocombustibles líquidos Residuos municipales (fracción biodegradable) Renewables in global energy supply. IEA Factsheet. 2007

7 Antigua Unión Soviética 0,7 %Participación por regiones en el suministro de combustibles renovables y desechos Europa no-OCDE 0,5 % Antigua Unión Soviética 0,7 % Medio oriente 0,1 % OECD 14,6 % China 19,2 % África 24,2 % Asia no-OECD 33 % América latina7,6 % Renewables in global energy supply. IEA Factsheet. 2007

8 Participación de las energías renovables en la producción de energía eléctricaRenewables in global energy supply. IEA Factsheet. 2007

9 Costos de generación de energía con base en energía renovableRenewables in global energy supply. IEA Factsheet. 2007

10 2. Biomasa como fuente de energía

11 Biomasa: 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.

12 Biomasa residual Residuos agrícolas y forestales Residuos industrialesResiduos ganaderos Residuos urbanos

13 Etapas para el aprovechamiento de la biomasa residual como fuente de energíaProducción Energía final Uso Procesos de transformación energética Proceso Preparación: (clasificación, secado, molienda, compactación, etc) Almacenamiento (silos, terrenos, etc) Transporte Alistamiento Recolección Residuos agrícolas y forestales, residuos industriales, residuos urbanos, residuos ganaderos

14 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.

15 Composición estructural de la biomasaN. Mosier, C. Wyman, B. Dale, R. Elander, Y. Y. Lee, M. Holtzapple and M. Ladisch, Bioresour. Technol., 2005, 96, 673 U.S Department of Energy Genome Programs image gallery, Proporciones:Tabla 4 pg. 44Mc.Kendry 2002.

16 Composición estructural de la biomasaComponentes 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.

17 Caracterización de la biomasaCaracterización estructural Contenido de celulosa, hemicelulosa y lignina Análisis próximo (inmediato) Caracterización química Análisis último (elemental) Análisis elemental de cenizas Caracterización energética Poder calorífico Densidad Tamaño y forma Caracterización física Durabilidad mecánica Temperatura fusión de ceniza

18 Caracterización de la biomasaAnálisis Último Materia Orgánica Ceniza Lignina (25 %) Celulosa (35 %) Extractivos (15 %) Hemicelulosa (25%) Análisis Próximo

19 Caracterización de la biomasaAnálisis próximo Biomasa Carbón (Antracita) Carbón (Bituminoso) Humedad / % 5 – 15 < 3 5 – 10 Cenizabs/ % 1 – 6 9,5 7,2 Materia colátilcbs / % 75 – 95 < 5

20 Caracterización de la biomasaAnálisis último Biomasa Carbón (Antracita) c / % h / % 3 – 6 1,5 – 3,5 n / % 1 - 3 0,5 – 1,0 o / % 5,5 – 9,0 s / % < 1 Máx 10 Valores en base seca y libre de ceniza

21 Diagrama de van Krevelen

22 Normatividad para la realización de pruebas de caracterización de combustibles sólidosDIN ASTM Carbón y Coque Biomasa Madera Humedad 51718 EN D3173 --- E871 Ceniza 51719 EN 14775 D3174 E1755 D1102 Materia Volátil 51720 EN 15148 D3175 E872 Poder Calorífico 51900 EN 14918 D5865 E711

23 * Valor determinado experimentalmenteCaracterización 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

24 3. Procesos de transformación de biomasa para su uso como fuente de energía

25 Procesos de transformación de la biomasa residual para uso como fuente de energíaProcesos bioquímicos Procesos termoquímicos Procesos fisicoquímicos Procesamiento secundario Biogás Biocarbón Bioetanol Biodiesel Bioaceites Biojet Gas de síntesis Biobutanol Diesel renovable Gasolina BTL Diesel HDRD Diesel BTL

26 Procesos de Transformación TermoquímicosProcesamiento secundario Pirólisis Sólido Biocarbón Gas Diesel BTL Biomasa Gasificación Gas Gasolina BTL Biocrudo Licuefacción Líquido Biojet Bioaceites Combustión Energía Térmica Energía Mecánica

27 Reactores utilizados en la transformación termoquímica de biomasaLecho Fluidizado Gas producido Biomasa Gas producido Lecho Fijo Gas barrido u oxidación Biomasa Lecho Móvil Gas producido Biomasa Gas barrido u oxidación Producto sólido Gas barrido u oxidación

28 Gasificador de biomasa con unidad de generación eléctrica acoplada

29 Gasificador de biomasa con unidad de generación eléctrica acoplada

30 Horno rotatorio para gasificación de pepas de aceitunaICASA - España

31 Pirólisis en lecho fluidizadoIEA Bioenergy. Task 34 Pyrolysis

32 Sistema de combustión de biomasa

33 Potencia Eléctrica Nominal 750 kWPlanta de Generación de Electricidad con Gasificación Integrada de Biomasa Energía 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

34 Diagrama de flujo de Planta de Generación de Electricidad con Gasificación Integrada de Biomasa

35 Planta Térmica operada con Basuras

36 Diagrama de flujo de Planta Térmica Operada con BasurasConsumo 20 t/h de Basura 40 MWe 80 MWt

37 Procesos de Transformación BioquímicosFermentación alcohólica Etanol Biomasa Descomposición anaeróbica Biogas Descomposición aeróbica Combustión Energía Mecánica Energía Térmica

38 Procesos de Transformación BioquímicosPatzek, T.W. Thermodynamics of the Corn-Ethanol Biofuel Cycle. Critical Reviews in Plant Sciences, 23 (6): (2004)

39 Planta de producción de etanol a partir de caña de azúcarIncauca l/día Fermentadores Columnas de destilación

40 Planta de producción de etanol a partir de caña de azúcarDeshidratación con tamices moleculares 99,5 % Etanol

41 Procesos de Transformación BioquímicosMezcla 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 Etanol puro: compuesto de etanol hidratado, a 95,5 %.

42 Procesos de Transformación BioquímicosProducción mundial de bioetanol Source: Timilsina, G.; Energy 36 (2011)

43 Procesos de Transformación FisicoquímicosPrensado Aceite Biomasa Extracción Hidrotratamiento Transesterificación Biodiesel Diesel renovable Combustión Energía Mecánica Energía Térmica

44 Procesos de Transformación FisicoquímicosProducción mundial de biodiesel Source: Timilsina, G.; Energy 36 (2011)

45 Procesos de Transformación Fisicoquímicos

46 Procesos de Transformación Fisicoquímicos

47 4. Ciclo cerrado del CO2

48 CO2 Ciclo cerrado del CO2 CO2 CO2 CO2 Proceso de conversiónMaterial Particulado (PM) CO,NOx, CH4 Proceso de conversión CO2 CO2 CO, NOx, CH4 PM CO, NOx, CH4 PM CO, NOx, CH4 PM CO2 Grupo de Investigación en Biomasa y Optimización Térmica de Procesos - BIOT

49 5. Biocombustibles de primera, segunda y tercera generación

50 Biocombustibles Primarios SecundariosMadera, chips de madetra, pelets, residujos animales, residuos de bosques y cultivos Primarios Secundarios 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.) 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 Tercera generación Materia prima: Algas, Macroalgas Biodiesel a partir de algas Bioetanol a partir de algas Hidrógeno a partir de algas y microbios Source: Nigam, P. Progress in Energy and Combustion Science 37 (2011)

51 6. Estados de comercialización de las principales tecnologías de producción de biocombustibles

52 International Energy Agency (IEA)International Energy Agency (IEA). Technology Roadmaps Biofuel for Transport

53 Gracias por su atenciónPreguntas?