Biomasa, todo lo que debes de conocer de esta energía renovable

Lo primero que debes saber es que es la biomasa no es más que materia orgánica de origen vegetal o animal, aquí se incluyen los residuos y desechos orgánicos, que es susceptible de ser aprovechada para producir energía.

La razón es debida a que las plantas transforman la energía radiante del Sol en energía química a través de la fotosíntesis y parte de esta energía queda almacenada en forma de materia orgánica, la cual podemos aprovechar.

Actualmente, es aceptada la siguiente definición de biomasa:

“Se considera biomasa a un grupo de productos energéticos y materia primas de tipo renovable que se originan a partir de materia orgánica formada por vía biológica “.

Es por esta razón que el concepto de combustibles fósiles y las materias orgánicas derivadas de éstos como son los plásticos y la mayoría de los productos sintéticos se encuentra fuera de lugar en la definición de biomasa.

Aunque dichos combustibles y materiales orgánicas derivadas tuvieron un origen biológico, su formación tuvo lugar en tiempos pasados.

La biomasa es por tanto, una energía renovable de origen solar a través de la fotosíntesis de los vegetales.

Además, según la Directiva 2003/30/CE biomasa es:

“Fracción biodegradable de productos de desecho y residuos procedentes de la agricultura, silvicultura y de las industrias relacionadas, así como de la fracción biodegradable de residuos industriales y municipales”.

Por lo que nos damos cuenta es que de forma general, cualquier definición de biomasa engloba 2 términos principalmente; renovable y orgánico.

La Biomasa como fuente de energía

Desde tiempos remotos el hombre ha empleado la biomasa como fuente de energía para realizar sus tareas cotidianas.

Desde que el uso de los combustibles fósiles comenzó a tomar fuerza, la biomasa se vio olvidada en un plano inferior, donde su aportación a la producción de energía primaria era insignificante.

A día de hoy, gracias a diversos factores, la biomasa ha tenido un resurgimiento como fuente de energía.

Los factores que han sido responsables de hacer renacer a la biomasa como fuente de energía son:

• El encarecimiento del precio del petróleo.
• El aumento de la producción agrícola.
• Necesidad de buscar usos alternativos a la producción agrícola.
• Cambio climático.
• Posibilidad de utilizar los conocimientos científicos y técnicos para optimizar el proceso de obtención de energía.
• Marco económico favorable para el desarrollo de plantas que utilizan biomasa como combustible, gracias a las subvenciones a la producción que reciben las plantas generadoras de energía con esta fuente.
• Dificultad normativa para desarrollar otro tipo de proyectos, dejando a la biomasa como la alternativa más razonable para rentabilizar una inversión económica.

Tipos de biomasa

La biomasa destinada a la producción de energía se obtiene de los restos de aprovechamientos forestales, de las industrias de la primera y segunda transformación de la madera, de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos, de los residuos de las explotaciones ganaderas, de los productos agrícolas y forestales, de cultivos energéticos, aquellos destinados exclusivamente a su explotación para la obtención de biomasa.

De forma general, la biomasa se obtiene de cualquier producto orgánico susceptible de aprovechamiento energético, aunque estos son los principales.

Biomasa natural

La biomasa natural es la que se produce en ecosistemas naturales. La explotación intensiva de este recurso no es compatible con la protección del medio ambiente, aunque sea una de las principales fuentes energéticas en los países subdesarrollados.

Esta biomasa natural es creada sin intervención alguna del hombre para modificarla o potenciarla.

Se trata fundamentalmente de residuos forestales:

• Derivados de limpieza de bosques y de restos de plantaciones
• Leñas y ramas
• Coníferas
• Frondosas

Biomasa residual

La biomasa residual es la que generada en las actividades humanas que utilizan materia orgánica. Su eliminación en muchos casos supone un problema. Este tipo de biomasa tiene asociadas unas ventajas en su utilización:

• Reduce la contaminación y riesgos de incendios.
• Reduce el espacio en vertederos.
• Los costes de producción pueden ser bajos.
• Los costes de transporte pueden ser bajos.
• Evita emisiones de CO2.
• Genera puestos de trabajo.
• Contribuye al desarrollo rural.

La biomasa residual se divide a su vez en una serie de categorías que se mencionan a continuación.

Excedentes agrícolas

Los excedentes agrícolas que no son empleados en la alimentación humana se consideran aptos para su utilización como biomasa con fines energéticos.

Este uso de productos agrícolas usados en la cadena de alimentación humana ha provocado una mala fama injustificada del uso de la biomasa con fines energéticos, al haberse acusado a este uso de una subida del coste de determinados productos agrícolas que son la base de la alimentación en muchos países del tercer mundo y en vías de desarrollo.

Estos excedentes agrícolas pueden ser utilizados tanto como combustible en plantas de generación eléctrica como transformados en biocombustibles. Para más información sobre este tema puedes consultar el artículo sobre biocombustibles.

Cultivos energéticos

Los cultivos energéticos antes mencionados son cultivos específicos dedicados exclusivamente a la producción de energía.

A diferencia de los agrícolas tradicionales, tienen como características principales su gran productividad de biomasa y su elevada rusticidad, expresada en características tales como resistencia a la sequía, a las enfermedades, vigor, precocidad de crecimiento, capacidad de rebrote y adaptación a terrenos marginales.

Entre los cultivos energéticos se pueden incluir cultivos tradicionales (cereales, caña de azúcar, semillas oleaginosas) y otros no convencionales (cynara, pataca, sorgo dulce) que están siendo objeto de numerosos estudios para determinar sus necesidades de cultivo.

Procesos de transformación de la biomasa

Como se ha visto anteriormente, la gran variedad que existe de materiales que se incluye dentro del concepto de biomasa permite a su vez establecer una variedad de posibles procesos de transformación de esta biomasa en energía.

Por esta razón, la biomasa puede transformarse en diferentes formas de energía aplicando diversos procesos de conversión, estos tipos de energía son:

Calor y vapor

Es posible generar calor y vapor mediante la combustión de biomasa o biogás.

El calor puede ser el producto principal para aplicaciones en calefacción y cocción, o puede ser un subproducto de la generación de electricidad en plantas que cogeneran electricidad y vapor.

Combustible gaseoso

El biogás producido en procesos de digestión anaeróbica o gasificación puede ser usado en motores de combustión interna para generación eléctrica, para calefacción y acondicionamiento en el sector doméstico, comercial e institucional y en vehículos modificados. El uso de biogás está en auge, y resulta esencial para entender el avance en la energía alternativa.

Biocombustibles

La producción de biocombustibles como el etanol y el biodiesel (puedes echar un vistazo al artículo Cómo hacer biosiesel casero) tiene el potencial para reemplazar cantidades significativas de combustibles fósiles en muchas aplicaciones de transporte.

El uso extensivo de etanol en Brasil ha demostrado, durante más de 20 años, que los biocombustibles son técnicamente factibles a gran escala.

En los Estados Unidos y Europa su producción está incrementándose y se están comercializando mezclados con derivados del petróleo.

Por ejemplo, la mezcla denominada E20, constituida 20% de etanol y 80% de petróleo, resulta aplicable en la mayoría de motores de ignición.

Actualmente, este tipo de combustible recibe algún tipo de subvención o ayuda estatal, pero, en el futuro, con el incremento en los cultivos energéticos y las economías de escala, la reducción de costos puede hacer competitiva su producción.

Electricidad

La electricidad generada a partir de la biomasa puede ser comercializada como “energía verde”, pues no contribuye al efecto invernadero por estar libre de emisiones de dióxido de carbono (CO2).

Este tipo de energía puede ofrecer nuevas opciones al mercado, ya que su estructura de costos permitirá a los usuarios soportar mayores niveles de inversión en tecnologías eficientes, lo cual incrementará la industria bioenergética. Además, es importante considerar el impacto ambiental de las fuentes de energía disponibles.

Co-generación (calor y electricidad)

La co-generación se refiere a la producción simultánea de vapor y electricidad, que puede aplicarse a muchos procesos industriales que requieren las dos formas de energía.

En América Central, por ejemplo, este proceso es muy común en la industria azucarera, donde es posible aprovechar los desechos de proceso, principalmente el bagazo.

Por la alta fiabilidad de bagazo disponible, tradicionalmente, la co-generación se realiza de una forma bastante eficiente. No obstante, en los últimos años ha existido la tendencia a mejorar el proceso para generar más electricidad y vender el excedente a la red eléctrica.

Los procesos que se pueden seguir para realizar esta transformación pueden dividirse en físicos, físico-químicos, termoquímicos y biológicos.

La combustión en plantas de biomasa

De forma sencilla, la combustión es una reacción química bastante rápida, mediante la cual se combina oxígeno del aire (que es el comburente) con los diferentes elementos oxidantes del combustible originándose de esta forma un desprendimiento de calor.

Por esta razón, para que se produzca este proceso químico deben suceder estas 4 circunstancias:

1. Debe haber una cantidad suficiente de combustible, es decir, de biomasa.
2. Debe hacer una cantidad suficiente de aire comburente, que contiene el oxígeno necesario para oxidar o reaccionar con el combustible.
3. La temperatura debe ser la suficiente como para que se produzca y se mantenga la reacción. Si la temperatura no supera un determinado valor, denominado temperatura de inflamación, comburente y combustible no reaccionan.
4. Debe haber un iniciador de la combustión, normalmente una llama preexistente. Esto significa que en el encendido del sistema de combustión participan normalmente otros elementos, incluso otros combustibles.

El pretratamiento de la biomasa

La biomasa, antes de proceder a su combustión en la caldera, es necesario someterla a un proceso previo de preparación, que facilite el proceso de reacción entre combustible y comburente.

Este proceso facilita la combustión ya que ajusta la granulometría y grado de humedad, fundamentalmente.

El conjunto de procesos o tratamientos previos tienen tres objetivos fundamentales:

1. Homogeneizar la entrada de biomasa en la caldera, de manera que la caldera reciba un flujo de energía constante y de valor similar.
2. Disminuir su granulometría para aumentar su superficie específica.
   De hecho, cuanto menor sea el tamaño del grano mayor es la superficie para que puedan reaccionar el combustible y el comburente, con lo que se produce la aceleración de la reacción y se disminuye la cantidad de biomasa que no reacciona (inquemados)
3. Disminuir la humedad que contiene, evitando que parte del calor liberado en la combustión se utilice como calor de vaporación del agua, disminuyendo la temperatura de los humos.

Todo ello debe hacerse además con el menor consumo de energía posible, ya que toda la energía consumida en estos procesos, a menos que sean energías residuales o energía que puedan utilizarse sin coste, supondrán una disminución de la energía neta generada por la planta.

La caldera de biomasa

La caldera es sin duda el equipo principal de una central termoeléctrica de combustión de biomasa.

En ella se lleva a cabo el proceso de transformación de la energía química contenida en la biomasa en energía térmica, que será más tarde transformada en energía mecánica.

La caldera, además de ser el equipo principal, es también la principal preocupación de los técnicos que se encargan de la explotación de una central.

Es sin duda alguna, el equipo que más problemas potenciales puede dar, que más paradas provoca, y que requiere un mantenimiento más estricto.

Las razones por las que la caldera es un equipo problemático son las siguientes:

• Se trata de una tecnología emergente, no suficientemente desarrollada. Frente a la gran experiencia acumulada en otros procesos de combustión que liberan gran cantidad de energía térmica a partir de la oxidación de un combustible sólido, como las centrales de carbón, la combustión de biomasa se enfrenta a una serie de problemas nuevos que aún no se han resuelto de forma totalmente satisfactoria.
• El alto contenido en potasio y en cloro de la biomasa provoca incrustaciones y corrosión en diversas partes de la caldera.
• La combustión no es totalmente estable, presentando variaciones importantes de presión y temperatura.
• Hay una gran dificultad para automatizar completamente el control de la caldera, por la variabilidad de las condiciones en que puede presentarse la biomasa a la entrada.
• La rentabilidad de las plantas, incluso con las primas a la producción eléctrica que ofrece la legislación española, es muy ajustada, lo que obliga a ahorrar en todos los componentes, incluida la caldera. No se emplean pues los mejores materiales ni las mejores técnicas, por el incremento en el coste que suponen.

Solo una adecuada selección del tipo de caldera puede conducir a un éxito en la consecución de un proyecto de generación eléctrica con biomasa, y a la vez, una elección inadecuada dificultará enormemente que una inversión en este tipo de plantas, que supone entre 1 y 3 millones de euros por MW de potencia eléctrica instalada, pueda rentabilizarse.

Centrales termoeléctricas de biomasa

Una central termoeléctrica de biomasa es una planta de generación eléctrica que aprovecha la energía química contenida en una cantidad determinada de biomasa y que es liberada como energía térmica mediante un proceso de combustión.

En primer lugar, una planta de valorización energética de biomasa debe disponer de un sistema de pretratamiento de biomasa, cuyos fines principales son la disminución de la humedad que contiene, la adecuación del tamaño y la uniformidad de la biomasa, al objeto de uniformizar las condiciones de entrada en la caldera y conseguir la mayor eficiencia del sistema de combustión.

Una vez liberada la energía térmica en un horno apropiado, los gases liberados en la combustión, compuestos por CO2 y H2O mayoritariamente junto con otras sustancias sólidas y gaseosas, intercambian su calor en una caldera por la que circula agua, y que es convertida normalmente en vapor a una determinada presión y temperatura.

Los gases de combustión de la biomasa atraviesan la caldera cediendo su energía al agua/vapor en diferentes etapas: paredes de agua, sobrecalentador, haz vaporizador, economizador y precalentadores de aire.

El vapor a presión formado en la caldera es transportado entonces hasta una turbina, donde se expansiona, produciéndose una nueva transformación energética por la cual la energía potencial contenida en el vapor a presión se convierte primero en energía cinética, y después en energía mecánica rotativa.

Marco legislativo de las Centrales termoeléctricas de biomasa en España

La generación de energía eléctrica en España corresponde a inversores privados, aunque es una actividad fuertemente regulada por el estado.

Diferentes leyes y decretos regulan esta actividad, y es imprescindible para cualquier técnico que trabaja en centrales de biomasa conocer dicho marco legal.

Las distintas actividades relacionadas con la energía eléctrica están sujetas a una cierta intervención del Estado, dada la trascendencia de estas actividades.

Tradicionalmente, se ha utilizado el carácter de Servicio Público siendo el Estado el responsable de la generación, transporte, distribución y comercialización de energía eléctrica.

Hoy ya no se trata de un Servicio Público, ya que estas actividades están totalmente liberalizadas.

La intervención pública se mantiene actualmente al ser actividades sujetas a una fuerte regulación. Será interesante estudiar en primer lugar como son las diferentes normas que pueden afectar a las actividades relacionadas con la generación, transporte y venta de energía eléctrica.

Biomasa para uso doméstico

Aunque me he centrado más en la obtención de energía para electricidad se ha mencionado también el uso de la biomasa para generar calor para el uso de la calefacción y mejor aún, a nivel doméstico con calderas y estufas dedicadas exclusivamente a ello.

Si quieres más información puedes leer el artículo de mi compañero Germán Todo lo que debes saber sobre las estufas de pellets