Oriana salazar

1. Estrategias para la conversión de
la biomasa en Energía
Oriana Salazar, Ph.D.
Centro de Ingeniería Bioquímica y Biotecnología
Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología
Universidad de Chile
La Serena
5 de Agosto 2010

2. Contenidos
1. Definiciones: Bioenergía – Biomasa ‐
Biocombustibles
2. Tipos de Biomasa y su composición
3. Procesamientos de la biomasa para producir
energía
1. Calor/energía eléctrica
2. Combustibles de transporte (Biodiesel/Bioetanol)
3. Biogás
4. Conclusiones

3. 1. Definiciones: Bioenergía –
Biomasa ‐Biocombustibles

4. Bioenergía y Biomasa
Se puede definir como cualquier forma de
energía derivada de energía acumulada
mediante procesos fotosintéticos recientes
en BIOMASA
Por BIOMASA se entiende toda materia
orgánica de origen animal o vegetal

5. ¿Por qué la biomasa?
Agotamiento de combustibles fósiles (petróleo, gas natural, carbón de
piedra)
Recurso renovable
La emisión neta de CO2 es cero
Permite eliminar residuos orgánicos e inorgánicos, dándoles una
utilidad.
No emite contaminantes sulfurados o nitrogenados, muy baja
concentración de partículas sólidas.
Los cultivos energéticos sustituirán a cultivos que son excedentes en el
mercado de alimentos. Eso puede ofrecer una nueva oportunidad al
sector agrícola.
Puede provocar un aumento económico en el medio rural.
Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles.

6. Ciclo del carbono en la naturaleza

7. Biocombustibles
Definición
Los biocombustibles son cualquier combustible que
derive de organismos recientemente vivos o de sus
desechos metabólicos, que pueden sustituir parte del
consumo de combustibles fósiles tradicionales .
Biomasa Calor, energía eléctrica, energía mecánica
Biodiesel Sustituye al Diesel
Bioetanol Sustituye a las gasolinas
Biogás Gas

8. ¿ Qué requisitos debería cumplir un
biocombustible?
Entregar un balance energético positivo
Entregar beneficios medioambientales
Ser económicamente competitivo
Su escala de producción no debe poner en
riesgo el suministro alimenticio

9. Emisiones contaminantes
Las emisiones contaminantes por vehículo se han reducido en un 98%
desde los 70’ s, pero las emisiones totales de CO2 no se han reducido,
debido a un incremento en la cantidad de vehículos circulantes.

10. El uso de biocombustibles permite pronosticar una
reducción en las emisiones de gases de efecto
invernadero

11. 2. Tipos de biomasa y su
composición

12. Tipos de Biomasa
12

13. 13

14. BIOMASA SECA

15. Composición de la Biomasa
Elemento Porcentaje aproximado
Carbono 50%
Oxígeno 43%
Hidrógeno 6%
Nitrógeno, Azufre, Otros 1%
Estos elementos están organizados en moléculas
biológicas, tales como: celulosa, hemicelulosa,
lignina, lípidos, proteínas, azúcares simples,
almidón, agua, carbohidratos, entre otros

16. 3. Procesamientos de la biomasa
para producir energía

17. Transformaciones y aplicaciones energéticas de
la biomasa

18. Alternativas de Procesamiento de Biomasa para
producir Energía
BIOMASA CONVERSIÓN PRODUCTO MERCADO
Biomasa Combustión Calor
Sólida
(madera, paja) Calor/CHP
Gasificación
Gas-fuel
Biomasa
Húmeda Pirólisis Electricidad
(desechos orgánicos,
Bio-oil
y domiciliarios
Digestión
anaeróbica Bio-gas Combustibles
Plantas de para
almidón transporte
y azúcares Hidrólisis y Bioetanol
(cereales, remolacha) fermentación
Productos
Cultivos de químicos
Extracción y Biodiesel
oleoginosas esterificación
(maravilla, soya)

19. COMBUSTIÓN
La oxidación completa de la materia (madera) produciendo
CO2 , vapor de H2O, cenizas y Calor.
Combustión Completa
(C6H10O5)n ═> CO2 + H2O + Cenizas + E (calor)
Celulosa
Adicionalmente este calor puede ser transformado a energía
eléctrica, COGENERACION.
19

20. Cogeneración
La cogeneración es la producción simultánea
de energía eléctrica y térmica a partir de un
mismo combustible.
Por lo tanto, la cogeneración con biomasa
consiste en la generación de energía
eléctrica y térmica a partir de biomasa.

21. Cogeneración con biomasa como
combustible

22. Cogeneración con biomasa
Ventajas
Mayor eficiencia
energética
Beneficios
ambientales del
uso de la biomasa

23. Tipo de empresas que usan cogeneración
Plantas con requerimientos de calor moderados
(temperaturas de 250°C a 600°C) en las industrias textil,
petrolera, de celulosa y papel, cervecera, alimenticia y
azucarera.
Plantas con requerimientos de calor alto, como
cementeras, siderúrgicas, la industria del vidrio y la
química, ya que en estos procesos se generan calores
residuales que alcanzan los 900°C, por lo que pueden ser
utilizados para la producción de vapor y electricidad.

24. Rendimiento de la conversión
Poder calorífico leña: 1.500 Kcal/m3
1 Kg de leña seca genera 2,4 m3 de gas
3,65 Kg de leña reemplaza 1 m3 de gas natural
3 Kg de leña reemplaza 1 litro de petróleo
1,2 Kg de leña generan 1 kWh
En un motor diesel el petróleo es sustituido en un 80
– 90 %, motor explosión un 100 %
24

25. Ejemplos: Cashmere High School , Nueva
Zelanda, 2008
Reemplazo de calderas de una escuela de 1.700 alumnos.
Costos de instalación de dos calderas de madera (US$290.000)
Gasto en pellets de madera (US$33.000 anual), versus diesel
(US$41.000 anual),
Generación de 1280 kW total
Principales beneficios:
· Las emisiones de CO2 se redujeron en 216 ton por año
· Cinco veces menos polución con material particulado
· Retorno de la inversión estimado en tres años

26. Caso Melón
Distintos productores agrícolas llevan sus desechos
a Melón. Estos residuos son incinerados en los
hornos de Melón y se obtienen reducciones de GEI
por desplazamiento de combustible fósil y
posiblemente por prevenir la descomposición de
estos residuos. La empresa Melón cobra por recibir
residuos orgánicos y exige que los flujos de éstos
sean significativos y estables en el tiempo.

27. Cuadro 57 Cantidad de Residuos Sólidos Orgánicos y Potencial de Reducción de GEI
ton residuos
Cantidad de Residuos 63.506 sólidos / año
Descomposición 82.146 ton CO2 eq/año
Desplazamiento de
Combustible Fósil 57.179 ton CO2 eq/año
reducción de de 2,2 ton
Total Potencial de
Reducción 139.325 ton CO2 eq/año CO2 eq. por ton de
residuo
Por venta de bonos de carbono ingresos podrían estar
entre 9-13 US$/ton residuo
Sin embargo…
Costos de Transporte por Tonelada de Residuo para distintas distancias
medias recorridas y costos unitarios de transporte
6 KM 7 KM 8 KM 9 KM 10 KM 11 KM 12 KM
1,4 US$/KM-TON 8,5 9,9 11,3 12,7 14,2 15,6 17
1,6 US$/KM-TON 9,6 11,2 12,8 14,4 16 17,6 19,2
1,8 US$/KM-TON 10,8 12,5 14,3 16,1 17,9 19,7 21,5
Este proyecto no resulta factible por la inexistencia de residuos
abundantes en las cercanías de los hornos de Melón.

28. Transformaciones y aplicaciones energéticas
de la biomasa

29. Biocombustibles líquidos

30. Biocombustibles líquidos
HOY
Etanol de maiz (USA), caña de azúcar (Brasil) y granos (UE)
Biodiesel de soya (USA), aceite de palma (Brasil), y cánola (UE)
E10 (10% etanol‐gasolina) y B20 (20% biodiesel‐diesel) puede ser usado
en vehículos existentes
FUTURO
Etanol de biomasa celulósica (biocombustible de segunda generación)
Biobutanol
Biodiesel de plantas no comestibles (jatropha) y de algas

31. BIODIESEL
Definición
Es un combustible líquido que se obtiene por
conversión química entre un alcohol y aceites
vegetales o grasas animales y es usado en motores
Diesel solo o mezclado con gasoil.
Materias Primas:
Aceites vegetales: colza, soja, y girasol, maní, palma,
lino y otros (ricino, cártamo, jatropha) y aceites
comestibles usados o grasas animales, microalgas.

32. Jatropha
Microalgas

34. Biodiesel: ventajas
Combustible renovable
No es tóxico, produce menos emisiones contaminantes
(no produce Dióxido de azufre)
Punto de inflamación más alto
Miscible con gasoil (mezclas en distintas proporciones)
Posee cualidades lubricantes
No requiere modificar los motores diesel
convencionales

35. Biodiesel: desventajas
Menor P.C. por lo que baja el rendimiento y potencia del
motor
Leve aumento en la emisión de óxidos de nitrógeno (NO2)
Se congela 2 a 3 grados sobre el gasoil (problema en climas
fríos)
Posee baja estabilidad hidrolítica y oxidativa
(almacenamiento no debe exceder los seis meses)
Su poder solvente puede ocasionar problemas con
elementos de caucho y cuando es cargado en depósitos
sucios.

36. BIODIESEL: SITUACIÓN EN CHILE
En Mayo 2009 se publicó la norma que especifica las condiciones
técnicas para la producción de biodiésel en Chile. La mezcla permitida
es entre 2% y 5% de biodiésel por litro de diésel,
La producción de biodiésel en Chile ha sido difícil, básicamente por
falta de materia prima.
Una buena opción es el aceite vegetal usado o la grasa animal,
generada principalmente por los supermercados y servicios de comida
rápida, que generan sobre 170 toneladas mensuales.
Se realizan varios proyectos de investigación para mejorar el proceso:
Usando diferentes tipos de aceite
Se buscan nuevas fuentes de aceite (microalgas)
Jatropha

37. Rendimiento en la producción de Biodiesel por
diferentes fuentes vegetales

38. Proyecto "Desarrollo y validación del cultivo de Jatropha
en la zona norte de Chile para la producción de biodiesel"
Facultad de Agronomía U de Chile
Participan empresas como Agroenergía S.A.; Soc. Agrícola Nacientes
del Cogotí Ltda.; Liceo Agrícola Ovalle; Comercial e Industrial
Binghamton S.A.; Escuela E‐54 (Escuela Agrícola San Félix) y Energía
Ecológica S.A.
Se busca definir el potencial productivo, el manejo integral y
determinar su viabilidad técnico‐económica. A la fecha suman un total
de 10 mil plantas repartidas en las tres regiones que abarca el proyecto
Primeros análisis sugieren que podrían destinarse al cultivo de jatropha
unas 500 mil hectáreas, principalmente en sectores áridos. Esto
permite estimar que si se plantara el 10% de esta superficie se podría
producir entre 25.000‐250.000 m3/año de biodiesel de jatropha.

40. Dependiendo de las condiciones de cultivo, algunas
microalgas acumulan 40‐60% de aceite
Botryococcus braunii Producción de microalgas en Hawaii

41. Comparación de algunas fuentes de biodiesel
Biodiesel del futuro ?
Trends in Plant Science (June 2002) Vol 7, Nº 2

42. BIOETANOL
La vía metabólica es descrita por la siguiente
ecuación:
C6H12O6 ═> 2 C2H5 OH + 2 CO2 +E (calor)
180 g 92 g (64,3 ml.)
Poder Calorífico (PC):
etanol: 5.100 Kcal/Litro
gasolina 7.800 Kcal/ Litro

43. Usos de Bioetanol
Todos los autos que se
fabrican actualmente son
compatibles con una
mezcla E10, que contiene
10 % de etanol.
Existen en el mercado los
autos flexibles que
pueden utilizar gasolina o
etanol (“flex-fuel vehicle”)

44. ETAPAS DE LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL
La biomasa
es trozada y
pretratada
con calor o
productos
químicos
para dejar la
celulosa
accesible a
las enzimas

45. Alternativas de biomasa para
bioetanol
1° generación
2° generación

46. BIOETANOL DE SEGUNDA GENERACIÓN
Biomasa lignocelulósica
Recursos suficientes para
sustituir los derivados del
petróleo
Productos no ligados al
mercado alimentario
Muchos de ellos de origen
residual

47. VENTAJAS DEL BIOETANOL
Recurso renovable de alta disponibilidad.
Balance de energía es positivo
Reducción de las emisiones contaminantes
(en motores)
Aporte de CO2 a la atmósfera es “ neutro”
Mejora la capacidad antidetonante de la
gasolina. Mayor octanaje

48. DESVENTAJAS FRENTE A COMBUSTIBLES
FÓSILES
El bioetanol de 1ª generación compite con la
producción de alimentos.
El bioetanol de 2ª generación aún no es del todo
competitivo
Los residuos tienen baja “Densidad energética”.
Etanol tiene menor PC que la gasolina ═> mayor
consumo de combustible, mayor espacio en
almacenamiento.
Afinidad de etanol con agua ocasiona problemas en
los estanques de vehículos, estaciones de servicio y
tuberías de transporte.

49. Biogas
Mezcla gaseosa que se produce como resultado de la
descomposición anaeróbica de los residuos orgánicos,
debido a la actividad de diferentes grupos bacterianos.
Compuesto sustancialmente de:
Metano (CH4); Anhídrido carbónico (CO2); Ácido sulfhídrico
(H2S); Oxígeno (O2); Hidrógeno (H2); Nitrógeno (N2)
P.C. biogás = 4.700 ‐ 5.500 Kcal/ m3
P.C. propano = 22.000 Kcal/ m3
P.C. gas natural = 8.850 Kcal/ m3
Fuente: Prof. M.T. Vanero Proyecto “D07 I‐1008”

50. Se extrae biogás desde rellenos sanitarios, desde plantas de
tratamiento de aguas sanitarias, residuos silvoagropecuarios

51. Digestor
anaerobio

53. Usos del biogás
‐ Gas de cañería para uso domiciliario
urbano o rural.
‐ Producción de calor a través de una
combustión directa, aprovechándolo en
hornos o calderas industriales.
‐ Uso en motores de combustión interna.
‐ Generación de electricidad urbana o rural

55. Fuente: Prof. M.T. Varnero Proyecto “D07 I‐1008”

56. Variables a analizar en cada etapa de la
cadena de transformación de la biomasa
Productos
químicos
Materia prima Tecnologías de
Productos Papel
Biomasa conversión
Energía
• Costo • Estado actual • Valor
• Calidad • Costos del capital • Demanda
• Disponibilidad • Costos de operación • Competencia
• Localización • Rendimiento • Especificaciones de
• Eficiencia calidad
• Escala de producción • Créditos verdes?
• Co-productos

57. Consideraciones en necesarias sobre el uso
potencial de los Recursos de biomasa
Es necesario conocer la cantidad de energía química del combustible
que puede ser transformada en energía térmica:
Cantidad de biomasa disponible en el entorno
Poder calorífico (para combustión directa)
Propiedades químicas (para síntesis)
Estimar:
Recursos potenciales: Todos los existentes en una zona sin tener en
cuenta otros usos de los mismos
Recursos disponibles: Los resultantes de sustraer a los recursos
potenciales aquéllos destinados a usos previamente establecidos y
aquellos que por diversas razones (propiedad, medioambientales, etc.)
no pueden ser utilizados
Recursos utilizables: Recursos disponibles que pueden ser
recolectados de forma técnica y económicamente viable.

58. Potencial bruto factible a partir de Biomasa
Fuente: Estudio de contribución de las ERNC al SIC al 2025: C. Pontt

59. Tabla 4: Estudios de impacto ambiental aprobados para proyectos ERNC
(estado a 31 de diciembre de 2008)
Fuente CNE/GTZ

60. Conclusiones

61. Gracias por su atención