"Estimación del potencial energético de biomasa residual agrícola a pequeña escala: caso Colombia"

1. Estimación del potencial energético
de biomasa residual agrícola a
pequeña escala: caso Colombia
Quelbis R. Quintero B.
Ing. Agrícola Dr. Sc.

2. IPCC en 2010 estima un potencial técnico basado en
literatura científica y modelos matemáticos
Aprovechando los residuos agrícolas, forestales y
residuos sólidos urbanos.
140 EJ año-1
70 EJ año-1
120 EJ año-1
60 – 100 EJ año-1
140 EJ año-1
Mejorando la gestión agrícola e pecuaria apoyado en la
tecnología. Elevando la eficiencia de conversión de
alimentos para carne y agricultura de precisión.
Utilizando las tierras con escasez de agua, marginales y
degradadas, estimadas en 5 millones de km2 a nivel
mundial.
Utilizando tierras excedentes de buena calidad, estimadas
en 3 millones de km2 a nivel mundial.
Estableciendo nuevas plantaciones forestales.
500EJaño-1Potencialglobaldeenergíaprimariaapartir
deBiomasa
EmisionesdeGasesEfectoInvernadero

3. Potenciales energéticos
Potencial Económico y Financiero
Potencial Técnico
Representa la generación posible de energia eléctrica
a partir de um combustible (biomasa, residuos
sólidos, etc) de una determinada tecnologia con una
eficiencia determinada. También es tenido en cuenta
las limitaciones topográficas, ambientales y uso de la
tierra (LOPEZ et al., 2012b)
Potencial Teórico:
El IPCC define o potencial teórico como la cantidad de energia física que puede ser
usada en un lugar específico y durante un determinado período (por ejemplo, a lo
largo de un año entero).

4. BiomasaResidualAgrícola
(BRA)
Biomasa Residual de Cosecha (RAC):
proviene de trabajos agrícolas tradicionales
Biomasa Residual Agroindustrial (RAI):
provienen de las industrias
agroalimentarias
𝐵𝑅𝐴 = 𝑅𝐴𝐶 + 𝑅𝐴𝐼
𝑅𝐶 = 𝑅𝐻𝑒𝑟𝑏𝑎𝑐𝑒𝑜𝑠 + 𝑅𝐿 𝑒ñ𝑜𝑠𝑜𝑠

5. Determinación de potencial
Energético Teórico de Biomasa
• PTresiduo: potencial teórico
• PCI: poder calorífico inferior útil (Kcal kg-1)
• m: peso de los residuos a considerar (ton)
• VP: producción de cultivo (ton)
• FGR: factor de generación de residuos (kg residuos kg producción
-1)
• 8322: 95% de horas anuales de generación
• 860: conversión de Kcal kg-1 a kWh kg-1
𝑃𝑇𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 =
𝑃𝐶𝐼 × 𝑚
8322 × 860
𝑚 = VP × 𝐹𝐺𝑅

6. Poder calorífico para algunos
residuos agrícolas
Escalante y otros (2010)

7. Factores de generación de residuos
algunos cultivos agrícolas
Escalante y otros (2010)

8. Generación de Residuos de Algodón

9. Potencial Teórico de residuos
algunos cultivos agrícolas
0.0
20.000.0
40.000.0
60.000.0
80.000.0
100.000.0
120.000.0
140.000.0
160.000.0
180.000.0
200.000.0
TJaño-1

10. Determinación de potencial Técnico
de Biomasa
• PTCresiduo: potencial técnico
• PTresiduo: potencial teórico
• FA: factor de aprovechamiento (0 – 1)
• Ef: eficiencia de conversión
𝑃𝑇𝐶𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 = 𝑃𝑇𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 × 𝐹𝐴 × 𝐸𝑓

11. Algunos ciclos de Potencia

12. Tecnologías Comercialmente Disponibles
Sistema Expansor Potencia Grado de desarrollo de la tecnología Referencia
CRO
Expansor de tornillo
(ET)
4 kW – 350 kW Prototipo
(Qiu, Liu, & RiffaT, 2011) & («OrmaT technologies
Inc.», 2012) & («WSK Kehl», 2012) & («ElectraTherm»,
2012) & («Heliex Power», 2012) & («Bosch KWK
Systeme», 2012)
Turbina radial de dos
etapas (TR)
300 kW – 2 MW Módulo comercial («turboden», 2012)
Turbina Axial (TA) 300 kW – 2.4 MW Módulo Comercial («GMK ORC», 2012) & («Adoratec», 2012)
Turbina Radial (TR) 1 kW – 50 kW Prototipo
(Kang, 2012a) & (Welch & Boyle, 2009) & («InfiniTy
turbine ®», 2012) («Green Energy Australasia»,
2012)(«Zuccato Energia», 2012)
CRC
Expansor de tornillo
(ET)
4 kW – 300 kW Prototipo (Environmental Protection Agency – EPA, 2008)
Turbina Axial (TA) 2 MW – 7 MW Módulo Comercial («turboden», 2012)
Turbina Radial (TR) 300 kW Módulo Comercial (Welch & Boyle, 2009)(«ergion gmb», 2012)

13. Eficiencias Nominales de algunos Ciclos
de Potencia
5
10
15
20
25
0 50 100 150 200 250 300 350
Eficiencia(%)
Potencia (kW)
CRO (Benzeno) con ET CRC con TR CRC con ET Ciclo Otto (G-MCI) Ciclo Brayton (C-TGCE) CRO (n-pentano) con ET
Convenciones: CRO – ciclo Rankine orgánico; ET – expansor de tornillo; CRC – ciclo Rankine convencional; TR – turbina radial; G –
gasificación; MCI – motor de combustión interna; C – combustión; TGCE – turbina a gas de combustión externa.
Quintero y otros (2012)

14. Eficiencias Nominales de algunos Ciclos
de Potencia
Convenciones: CRO – ciclo Rankine orgánico; TA – turbina axial; TR – turbina radial; CRC – ciclo Rankine convencional; G –
gasificación; MCI – motor de combustión interna; TGCE – turbina a gas de combustión externa; C - combustión. Quintero y otros (2012)
10
15
20
25
30
500 1000 1500 2000 2500 3000
Eficiencia(%)
Potencia (kW)
CRO (Benzeno) con TA CRO (Benzeno) con TR CRC con TA Ciclo Otto (G-MCI)
Ciclo Brayton (G-TGCE) Ciclo Brayton (C-TGCE) CRO (n-pentano) con TA CRO (n-pentano) con TR

15. Estimación Potencial Técnico para el
Cultivo del Arroz por Hectárea Sembrada
Variable Valor Unidad
Factor generación Residuos (tamo) 2,35
Factor generación Residuos
(cascarilla)
0,2
Producción Promedio 5400 kg/ha
Índice de Utilización (RAC) 0,5
Índice de Utilización (RAI) 1
Factor de Conversión 0,000277778 kWh
BR
Potencia
(kW)
kWh/hasembrada
Ciclo Otto
(G-MCI)
Ciclo Brayton
(G-TGCE)
Ciclo Brayton
(C-TGCE)
Tamo
100 3395,9 3533,6
300 3579,5 3831,9
500 3763,0 2868,2 3900,7
1000 4199,0 3946,6
2000 5093,8 4061,3
3000 5988,7 4176,0
Cascarilla
100 669,0 696,1
300 705,2 754,9
500 741,3 565,0 768,5
1000 827,2 777,5
2000 1003,5 800,1
3000 1179,8 822,7

16. Estimación Potencial Técnico para el
Cultivo del Arroz por hectárea sembrada
Variable Valor Unidad
Factor generación Residuos (tamo) 2,35
Factor generación Residuos
(cascarilla)
0,2
Producción Promedio 5400 kg/ha
Índice de Utilización (RAC) 0,5
Índice de Utilización (RAI) 1
Factor de Conversión 0,000277778 kWh
BR
Ciclo
termodinámico
Potencia
(kW)
kWh/ hasembrada
Turbina Axial
(TA)
Turbina
Radial (TR)
Expansor de
Tornillo (ET)
Tamo
CRC
100 3281,2 2455,1
300 4015,4 3671,2
500 2730,5
1000 2937,0
2000 3350,0
3000 3763,0
CRO (n-
pentano)
100 2937,0
300 4176,0
500 2959,9 3235,3
1000 3166,4 3510,6
2000 3556,5 4038,4
3000 3946,6 4497,3
Cascarilla
CRC
100 646,4 483,7
300 791,1 723,3
500 537,9
1000 578,6
2000 660,0
3000 741,3
CRO (n-
pentano)
100 578,6
300 822,7
500 583,1 637,4
1000 623,8 691,6
2000 700,7 795,6

17. Consumo de Biomasa Residual (BR) del cultivo de arroz
para diferentes ciclos termodinámicos y rutas tecnológicas
de biocombustibles gaseosos
BR
Potencia
(kW)
kg/kWh
Ciclo Otto
(G-MCI)
Ciclo Brayton
(G-TGCE)
Ciclo Brayton
(C-TGCE)
Tamo
100 1,97 1,89
300 1,87 1,74
500 1,77 2,33 1,71
1000 1,59 1,69
2000 1,31 1,64
3000 1,12 1,60
Cascarilla
100 1,70 1,63
300 1,61 1,51
500 1,53 2,01 1,48
1000 1,37 1,46
2000 1,13 1,42
3000 0,96 1,38
BR
Ciclo
termodinámico
Potencia
(kW)
kg/kWh
Turbina Axial
(TA)
Turbina
Radial (TR)
Expansor de
Tornillo (ET)
Tamo
CRC
100 2,04 2,72
300 1,66 1,82
500 2,45
1000 2,27
2000 1,99
3000 1,77
CRO (n-
pentano)
100 2,11
300 1,60
500 2,26 2,06
1000 2,11 1,90
2000 1,88 1,65
3000 1,69 1,49
Cascarilla
CRC
100 1,76 2,35
300 1,44 1,57
500 2,11
1000 1,96
2000 1,72
3000 1,53
CRO (n-
pentano)
100 1,96
300 1,38
500 1,95 1,78
1000 1,82 1,64
2000 1,62 1,43

18. Costos Específicos de algunas Tecnologías
Rutas
termoquímicas
Potencia
(kWe)
Costo Específico de
Inversión
(USD$/kW)
Referencia
Calor Residual –
CRO
4 – 250 2900 - 1800
(Quoilin, Declaye, Tchanche, & LemorT,
2011) & (Vanslambrouck & Vankeirsbilck,
2011) &(«Calnetix», 2012)
Combustión - CRC 500 – 3000 2800 - 1500*
(Environmental Protection Agency – EPA,
2008)
Combustión – CRO 150 – 2000 3950 – 1300 (Vanslambrouck & Vankeirsbilck, 2011)

19. Conclusiones
• La generación de energía eléctrica con Biomasa Agrícola Residual es
posible. Sin embargo hay que tener en cuenta el grado de
concentración de los residuos para hacerlo viable.
• Los costos de generación de energía eléctrica con biomasa a pequeña
escala pueden ser limitantes. Sin embargo con los avances en el
desarrollo de los ciclos de potencia, ha incidido positivamente en la
disminución de estos.

20. •Muchas gracias!!!