PRE-ESTUDIO DE VIABILIDAD DEL ABASTECIMIENTO …
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PRE-ESTUDIO DE VIABILIDAD DEL ABASTECIMIENTO ENERGÉTICO INTEGRAL CON BIOMASA PARA UNA COMUNIDAD RURAL ESCUELA DE ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL Máster en Energías Renovables y Mercado Energético Madrid, julio 2011 TUTOR: Juan Carrasco Silvia Casanova Gómez Silvia María Pac Yurita Luis Fernando Ochoa Rizzo Jacobo Hernández Aguilar
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PRE-ESTUDIO DE VIABILIDAD
DEL ABASTECIMIENTO
ENERGÉTICO INTEGRAL CON
BIOMASA PARA UNA
COMUNIDAD RURAL
ESCUELA DE ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
Máster en Energías Renovables y Mercado Energético
Madrid, julio 2011
TUTOR: Juan Carrasco
Silvia Casanova Gómez
Silvia María Pac Yurita
Luis Fernando Ochoa Rizzo
Jacobo Hernández Aguilar
0
©Derechos de autor
Silvia Casanova Gómez
Silvia María Pac Yurita
Luis Fernando Ochoa Rizzo
Jacobo Hernández Aguilar
2011
1
ÍNDICE
Página
1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 6
2. OBJETIVO DEL PROYECTO ..................................................................................... 7
3. LA ENERGÍA DE LA BIOMASA EN EL CONTEXTO ENERGÉTICO ............. 11
3.1. Definición de biomasa ......................................................................................... 11
3.2. Tipos de biomasa ................................................................................................. 11
3.3. Procesos de conversión de la biomasa................................................................ 14
3.3.1. Procesos Termoquímicos ...................................................................................... 15
3.3.1.1. Combustión ............................................................................................................ 15
3.3.1.2. Gasificación ........................................................................................................... 16
3.3.1.3. Pirólisis .................................................................................................................. 17
3.3.2. Procesos Bioquímicos ........................................................................................... 18
3.3.2.1. Digestión Anaerobia .............................................................................................. 18
3.3.2.2. Fermentación Alcohólica ....................................................................................... 21
3.3.3. Procesos Físico-Químicos .................................................................................... 23
3.3.3.1. Transesterificación................................................................................................. 23
3.4. Ventajas y Barreras de la biomasa .................................................................... 26
3.5. Aplicaciones de la biomasa. ................................................................................ 29
3.5.1. Aplicaciones generales de la biomasa .................................................................. 29
3.5.2. Aplicación de la biomasa en sistemas rurales aislados ....................................... 30
3.5.2.1. Sector doméstico ................................................................................................... 30
3.5.2.2. Sector Industrial ..................................................................................................... 30
3.5.3. Aplicaciones de la biomasa en países en vías de desarrollo ............................... 31
3.6. Aspectos socioecómicos de la biomasa. .............................................................. 32
3.7. Aspectos ambientales de la biomasa. ................................................................. 33
4. RECURSOS DISPONIBLES ...................................................................................... 35
5. DEMANDAS ENERGÉTICAS ................................................................................... 38
5.1. Demandas de combustibles líquidos .................................................................. 38
5.2. Demanda de energía eléctrica ............................................................................. 38
5.3. Demanda de energía térmica .............................................................................. 40
6. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ................................................................................ 42
2
6.1. Aserradero ............................................................................................................ 45
6.2. Etapa de secado .................................................................................................... 45
6.2.1. Diseño del secadero en función del tipo de biomasa ........................................... 46
6.2.2. Requisitos de Humedad ........................................................................................ 47
6.2.3. Integración del secadero en el Plan ..................................................................... 48
6.3. Cogeneración con planta térmica ORC ............................................................. 48
6.3.1. Eficiencia .............................................................................................................. 49
6.3.2. Ventajas y desventajas del uso de una planta ORC ............................................ 49
6.3.3. Operación de una planta ORC convencional ...................................................... 49
6.3.4. Integración de la planta en el Plan ...................................................................... 50
6.4. Calderas de biomasa ............................................................................................ 51
6.4.1. Ventajas e inconvenientes de las calderas industriales de biomasa .................. 51
6.4.2. Integración de las calderas industriales en el Plan ............................................. 52
6.5. Planta de producción de biodiesel ...................................................................... 52
6.5.1. Ventajas e inconvenientes del uso de biodiesel ................................................... 53
6.5.2. Integración de la planta de biodiesel en el plan .................................................. 54
6.5.3. Integración de los motores a biodiesel en el Plan ............................................... 54
6.6. Generación de biogás .......................................................................................... 55
6.6.1. Ventajas e inconvenientes del uso de biogás ....................................................... 56
6.6.2. Integración de la generación de biogás en el Plan. ............................................ 56
6.6.3. Integración de los motores a biogás en el Plan. .................................................. 57
6.7. Calderas domésticas ............................................................................................ 57
6.7.1. Integración de las calderas domésticas de astillas en el Plan ............................. 58
6.8. Red Eléctrica y Subestación ............................................................................... 58
6.9. Resumen de distribución de recursos y satisfacción de las demandas ........... 58
7. ASPECTOS AMBIENTALES .................................................................................... 65
7.1. EMISIONES ........................................................................................................ 65
7.1.1. Tipo de emisiones de GEI ..................................................................................... 65
7.1.2. Alcances según el tipo de emisión: ...................................................................... 65
7.1.3. Beneficios .............................................................................................................. 66
7.1.4. Cálculos de emisiones ........................................................................................... 66
8. ASPECTOS SOCIALES .............................................................................................. 67
8.1. CÁLCULO DEL EMPLEO NETO DIRECTO GENERADO ....................... 67
3
8.2. CÁLCULO DEL EMPLEO INDIRECTO GENERADO ............................... 69
9. ASPECTOS ECONÓMICOS ...................................................................................... 70
9.1. RECOGIDA Y TRANSPORTE DE ASTILLAS FORESTALES .................. 70
9.2. RECOLECCIÓN Y TRANSPORTE DE CULTIVO DE SOJA PARA
BIODIESEL .................................................................................................................. 72
9.3. CULTIVO DE CHOPO PARA BIOMASA ...................................................... 73
9.4. COMPLEJO DE COGENERACIÓN Y SECADO DE ASTILLAS .............. 75
9.5. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL .............................................. 76
9.6. CALDERAS DE BIOMASA DEL SECTOR DOMÉSTICO .......................... 77
9.7. MOTORES DE BIODIESEL ............................................................................. 78
10. CONCLUSIONES ............................................................................................... 82
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................ 84
ANEXOS ............................................................................................................................. 89
Anexo I: Tabla coeficientes ............................................................................................ 90
Anexo II: Resumen de las tecnologías para la conversión de la bioenergía .............. 93
4
LISTA DE FIGURAS
Figura Página
Figura 1. Proceso de generación de biomasa ....................................................................... 13 Figura 2. Proceso de fabricación del bioetanol.................................................................... 21 Figura 3. Procesos de obtención de bioetanol a partir de distintas materias primas ........... 23 Figura 4. Procesos de transesterificación en discontinuo .................................................... 24 Figura 5. Proceso de obtención de biodiesel mediante reactores de flujo pistón. ............... 25
Tabla 1. Procesos de conversión en función del tipo de biomasa ....................................... 26 Figura 6. Esquema de distribución de recursos. .................................................................. 35 Figura 7. Esquema de distribución de recursos y gestión de demandas. ............................. 43
Figura 8. Localización aproximada de las instalaciones y explotaciones. .......................... 44 Figura 9. Instalación de ORC para combustión de biomasa y cogeneración en una industria
de secado.............................................................................................................................. 50 Figura 10. Esquema de una planta convencional de producción de biodiesel. ................... 53 Figura 11. Esquema de instalación de generación de biogás a partir de residuos ............... 56 Figura 12. Distribución del recurso de biomasa proveniente del cultivo de soja. ............... 62
Figura 13. Distribución del recurso de biomasa proveniente del cultivo de madera de
chopo. .................................................................................................................................. 62
Figura 14. Distribución del recurso de biomasa proveniente de madera de pino. ............... 63 Figura 15. Aporte de residuos para formación del biogás. .................................................. 63 Figura 16. Distribución de las tierras por actividades inicialmente. ................................... 64
Figura 17. Distribución de tierras por actividades tras la implementación del plan. .......... 64 Figura 18. Camión con remolque para el transporte de astillas forestales .......................... 72
Figura 19. Astilladora móvil autopropulsada y con plataforma giratoria con descarga a
tractor con remolque. ........................................................................................................... 72
Figura 20. Detalle de una plantadora de chopo para biomasa ............................................. 74 Figura 21. Recolectora astilladora de chopo energético. Gerona, 2010. ............................. 74
Figura 22. Planta ORC en cogeneración, con secadero de bandas de madera .................... 76 Figura 23. Análisis de inversión. ......................................................................................... 80
5
LISTA DE TABLAS
Tabla Página
Tabla 1. Procesos de conversión en función del tipo de biomasa …………….………..27
Tabla 4.1. Recursos disponibles en la comarca…………………………………………36
Tabla 4.2. Residuos disponibles como recurso………………………………………….37
Tabla 5.1. Demanda de biodiesel por sectores…………………………………………..39
Tabla 5.2. Demanda eléctrica en el sector doméstico ……………………………….40
Tabla 5.3. Demanda eléctrica en el sector industrial …………………………………40
Tabla 5.4. Demanda eléctrica destinada a usos agrícolas (alimentación y cultivos
energéticos) …………………………………………………………………………..41
Tabla 5.5. Demanda térmica del sector doméstico ………………………………….41
Tabla 5.6. Demanda térmica del sector industrial ……………………………………42
Tabla 6.1. Contenidos de humedad de la biomasa …………………………………..59
Tabla 6.2. Distribución, usos y destinos de la utilización de la biomasa del cultivo
energético de soja ……………………………………………………………………60
Tabla 6.3. Distribución, usos y destinos de la utilización de la biomasa proveniente de
residuos………………………………………………………………………………….61
Tabla 6.4. Distribución, usos y destinos de la utilización de la biomasa de la madera de
pino y de la madera de chopo ……………………………………………..……………62
Tabla 7.1. Cálculos de emisiones ………………………………………………………67
Tabla 8.1. Empleos netos generados mediante la implantación del sistema
propuesto ………………………………………………………………………………70
Tabla 9.1. Costos de inversión inicial de la recolección y transporte de las astillas
forestales …………………………………………………………………………….72
Tabla 9.2. Costos de inversión inicial para el cultivo del chopo (2.711,42ha) ………..74
Tabla 9.3. Costos de inversión inicial del complejo de cogeneración ………………76
Tabla 9.4. Costos de inversión inicial en la planta de biodiesel ………………………77
Tabla 9.5. Costos de inversión inicial en el sistema de calderas de calefacción
Doméstica ……………………………………………………………………………79
Tabla 9.6. Tabla resumen de los costes de inversión …………………………………80
6
1. INTRODUCCIÓN
Hoy en día, alrededor de un 25 % de la población mundial no tiene acceso a servicios
eléctricos. Siendo el resultado la falta de desarrollo y crecimiento económico en dichas
comunidades. De esta manera, nuevas formas de obtención de energía cobran importancia
a la hora de resolver dicho problema.
La población de las comunidades subdesarrolladas se ven obligadas a usar métodos
convencionales poco avanzados para satisfacer sus necesidades energéticas. Sin embargo,
dichos métodos representan un alto peligro para la salud y el medio ambiente. La baja
calidad de los recursos utilizados hace que mediante su proceso de combustión se
produzcan gases tóxicos como el monóxido de carbón (CO), metano y otros. Los
problemas causados en la salud de las personas van desde dolores de cabeza hasta
enfermedades respiratorias, siendo los más vulnerables las mujeres y los niños, quienes
están expuestos a dichos gases por periodos prolongados durante el día.
Por otro lado, el desarrollo de métodos eficientes de energía como los sistemas de
biomasa que se proponen en el presente proyecto, hacen que el problema de la
deforestación debido a la quema desmesurada de recursos forestales mediante métodos
poco eficientes energéticamente y con impactos negativos para la salud y el medio
ambiente se vean reducidos significativamente a la vez que permiten una mejora de la
calidad de vida de dichas comunidades aisladas.
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2. OBJETIVO DEL PROYECTO
El objetivo del proyecto es la realización de un pre-estudio de viabilidad técnica para
el autoabastecimiento energético de una Comarca situada en la zona climática templada del
Planeta, con los recursos de biomasa generados en la misma y que son muy abundantes en
dicha zona. El pre-estudio comprenderá la propuesta de un Plan de autoabastecimiento
energético con los recursos locales de biomasa, con un análisis de viabilidad técnica del
mismo y una estimación de los costos de inversión ligados a las instalaciones propuestas de
biomasa.
En el contexto del mencionado Plan, se desean conocer específicamente los
siguientes parámetros:
Superficie (ha) dedicada a zona urbana.
Superficie (ha) necesaria para la producción de alimento de la población (en
base a energía primaria en trigo).
Solución global que sea más viable, tanto bajo el punto de vista técnico
(tecnologías a nivel comercial) como de simplicidad e integración, para cubrir
las demandas energéticas de la Comarca en base a los recursos disponibles de
biomasa, de acuerdo con las directrices marcadas.
Volumen de emisiones anuales de óxidos de nitrógeno emitidas por los
biocombustibles utilizados y comparación con las emitidas por una situación
basada en el uso exclusivo de gasóleo para transporte, sectores agrícola y
forestal y generación eléctrica
Cantidad de emisiones anuales de CO2 ahorradas por la utilización de
biocombustibles en sustitución de gasóleo, teniendo en cuenta, en su caso, la
solución propuesta de sustitución del gasóleo por biomasa.
Empleos generados, tanto en el sector agrícola como en el industrial, por la
implantación del Plan propuesto con biomasa, teniendo en cuenta el empleo
agrícola desplazado.
Aspectos del plan propuesto que puedan tener una mayor complejidad o menor
viabilidad técnica y económica en su ejecución.
INFORMACIÓN DE LA COMARCA
La Comarca objeto del estudio se halla en franca recesión debido a su
incomunicación y a la inexistencia de red eléctrica, lo que hace que toda la electricidad se
genere con grupos autógenos de gasóleo.
Los límites de la Comarca se encuadran bien dentro de un triángulo equilátero, cuyo
vértice mira hacia el sur y cuyo lado norte tiene una longitud de sesenta y dos kilómetros.
Su superficie total es de 165.000 hectáreas. El clima es benigno, con una precipitación
anual media de 650 mm. La altitud es de 550 m. sobre el nivel del mar.
La población de la Comarca es de 60.200 personas, que se encuentran principalmente
agrupadas en cuatro núcleos de 20.500, 19.000, 7.200 y 4.500 habitantes, situados a lo
largo de una carretera en la parte central del territorio y situados a unas distancias de 6, 3, 3
y 4 km, en el mismo orden que los pueblos. El resto de la población se halla dispersa en
8
pequeños pueblos que no superan los ochocientos habitantes, localizados,
fundamentalmente, en las zonas central y sur de la Comarca. La densidad media de los
núcleos de población en la Comarca es de 220 habitantes/ha.
El 25% de la población vive en casas de vecinos cuya tipología media son las de
viviendas de 10 pisos de unos 100m2 y con una ocupación media de 4,8 personas por piso
individual (total: 48 personas/bloque de pisos). En estas viviendas el consumo medio por
cada vecino en calefacción es de 45.000kJ/día. El resto de la población reside en viviendas
individuales, con una superficie media de 150m2 y una ocupación media de 6,7
personas/vivienda. El consumo energético medio en las viviendas individuales es de
51.670kJ/habitante·día. El costo que puede estimarse para las calderas de biomasa es de
200 y 250 EUR/kW instalado, respectivamente, para las viviendas colectivas (bloques de
pisos) y casas individuales, más un 20% y 10%, respectivamente, del precio de la caldera
como costos de instalación.
El 36% de la superficie de la Comarca está ocupada por bosque maderable de pinos
del que en la actualidad se realiza una explotación muy reducida para madera, pero del que
se utiliza tradicionalmente la madera para calefacción doméstica. La mayor parte de la
superficie forestal, 52.000 hectáreas, se encuentra concentrada en su parte norte, estando el
resto en el centro y sur, en parcelas dispersas, que no suelen superar las 200 hectáreas de
superficie. Un 23% de la principal superficie forestal observa pendientes superiores a un
30%.
Aproximadamente, el 18% de la superficie de la Comarca considerada está ocupada
por pastos en los que se alimenta el ganado y el 30% es superficie agrícola, siendo el resto
terrenos improductivos de escasa fertilidad, o bien áreas urbanas.
El centro y sur de la Comarca presentan aún una riqueza agrícola y ganadera
notables, con una cabaña de unas 6.000 vacas que producen carne para autoconsumo en la
región, leche y queso, exportándose parte de esta última producción. La población vacuna
produce unos 20 kg. de carne y 850 litros de leche por habitante y año. Las vacas se
alimentan mediante pasto natural, por término medio, ocho meses al año, permaneciendo
estabuladas los cuatro meses restantes en los que consumen, además de heno ensilado y
paja, determinadas cantidades de grano. Asimismo, está previsto que cada vaca consuma al
año unos 600 kg de DDGS en el caso de que se construya una destilería de bioetanol, o
bien 600 kg de torta seca resultante del proceso de fabricación del biodiesel, en el caso de
construirse un planta de biodiesel en la comarca. Cada vaca produce diariamente durante el
periodo de estabulación unos 3,5 kg de residuos (en base seca).
La superficie agrícola está dedicada, fundamentalmente, al cultivo del cereal y
produce por término medio, 3.000 kg de grano por hectárea y año, con una producción
media de paja de 3.500 kg/ha.año. El grano se dedica a alimentación animal y humana (la
mayor parte se exporta), y la paja a cama y alimento de ganado (15%) y el resto (85%) se
quema en el campo.
El potencial de producción de oleaginosas (colza) se ha estimado en unos 900 l de
aceite vegetal/ha.año y el rendimiento de los posibles cultivos energéticos para producción
de calor y electricidad en base al chopo en 15 t/ha año.
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La industria se reduce actualmente a dos pequeños aserraderos de madera, con muy
bajo nivel tecnológico, en el norte de la Comarca, situados a ocho kilómetros de distancia
entre ellos, así como dos industrias lácteas: una quesera, situada a la salida de la población
más importante, en la que se producen unas 500 t anuales de queso fresco. La segunda
industria láctea trata alrededor del 60% de la leche producida en la comarca y está situada a
la salida de la segunda población. El resto de la leche producida se procesa en pequeñas
instalaciones de carácter familiar dispersas por toda la Comarca.
Cada habitante necesita una energía primaria de 25.500 kJ/día para atender a sus
necesidades de alimentación (estimada en base a cereal: grano+paja) y genera por término
medio 600 kg. de residuo sólido urbano y unos 27 kg. (residuo seco) de residuos líquidos
fecales. Las aguas residuales urbanas de las dos poblaciones principales se conducen a una
estación depuradora, junto con los residuos ganaderos de una granja próxima de 2.500
cabezas, en la que se obtiene biogás. El resto de las granjas en las que se estabula el ganado
están dispersas y tienen una capacidad no superior a 200 cabezas.
Un 70% del consumo de combustible de transporte es gasolina y un 30% gasóleo. El
consumo de combustible líquido por la industria existente es en su totalidad gasóleo
Al objeto de tratar de reactivar la economía de la zona en base a los recursos de
biomasa disponibles, el plan a elaborar se basará en las siguientes directrices:
1.- Incremento de la generación eléctrica con los recursos de biomasa, incluyendo el
aprovechamiento, cuando ello sea técnicamente posible, del biogás generado por los
residuos ganaderos, urbanos y agroindustriales (incluyendo las posibles nuevas industrias
que se propongan). Asimismo, se contempla, en la medida de lo posible, la extensión de la
actual red eléctrica a nuevas zonas, a fin de incrementar las posibilidades de un futuro
desarrollo. No obstante, dados los altos costos de inversión de la red, la posible extensión,
en su caso, deberá basarse en la creación de nuevas zonas de consumo doméstico o
industrial que favorezcan la llegada de la red a sus puntos de localización.
2.- Incremento de la explotación maderera hasta un total de cortas de 120.000 m3 de
madera al año, para su exportación. Esta madera, con un contenido medio en humedad del
50%, será aserrada en la zona para fabricación de tableros y se estima que produzca un
30% de residuos en peso (base húmeda).
3.- Incremento de las labores silvícolas, que se extenderán a la totalidad del territorio
forestal. La limpieza adecuada de la superficie forestal se estima podrá rendir de forma
sostenible alrededor de 0.7 toneladas (base seca) de residuos por hectárea y año.
4.- Sustitución de los combustibles de automoción por biocarburantes producidos de
cereales o de nuevos cultivos oleaginosos (colza).
5.- Consideración de la introducción de nuevos cultivos energéticos en las tierras
excedentarias para pastos y alimentación.
Con los recursos de biomasa deberán cubrirse las siguientes necesidades energéticas
medias estimadas para el final de la primera fase del proceso de desarrollo previsto:
Combustibles líquidos:
Transporte: 1,1 l./ hab.día (gasolina 30% y gasóleo 70%).
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Agricultura: 130 l /ha.año. (gasóleo)
Energía eléctrica:
Sector doméstico:
Calefacción y ACS (10% de la población): 8 kWh/hab.día, durante
120 días al año.
Cocina (20% de la población): 1,5 kWh/ hab.día
Iluminación y otros usos: 2,0 kWh/hab.día
Sector industrial:
Producción de bioetanol: 0,24 kWh/ l
Producción de biodiesel: 0,08 kWh/l
Aserrado de madera: 63 kWh/m3 (base húmeda)
Otros: 2400 kWh/día
Agricultura: 85 kWh/ha.año
El sistema de generación eléctrica que se diseñe deberá tener una capacidad instalada
equivalente al 170% de la demanda media y deberá soportar una demanda instantánea
mínima del 25% de la demanda media. Las pérdidas por transporte de la electricidad que
circule por la red se estiman en un 10% del consumo.
Energía térmica:
Sector doméstico:
Calefacción (90% de la población):50000 kJ/hab.día, durante 120
días/año.
Cocina (80% de la población): 6000 kJ/hab.día
Sector industrial:
Centrales lecheras: 18,4 t de vapor/día (365 días/año) en la quesería y
25,9 t (365 días /año) en la industria de producción de leche.
Producción de bioetanol (incluído secado vinazas): 8,0 kg de vapor/l
bioetanol
Producción de biodiesel: 3,5 kg de vapor/l biodiesel
Secado de la madera: 1,7 t de vapor/m3 madera (base húmeda)
11
3. LA ENERGÍA DE LA BIOMASA EN EL CONTEXTO
ENERGÉTICO
3.1. Definición de biomasa
La biomasa comprende los materiales con un origen biológico próximo que puedan
ser utilizados para la producción de energía, de una forma social y medioambientalmente
sostenible.
De acuerdo al Real Decreto 661/2007, de España, biomasa es la “fracción
biodegradable de los productos, desechos y residuos procedentes de la agricultura
(incluidas las sustancias de origen vegetal y de origen animal), de la silvicultura y de las
industrias conexas, así como la fracción biodegradable de los residuos industriales y
municipales.”
3.2. Tipos de biomasa
La obtención de energía a partir de biomasa cuenta con diversas fuentes. Gracias al
uso de los residuos de la industria forestal y de la industria agrícola, los residuos urbanos y
las plantaciones energéticas como fuentes de biomasa se consigue recudir el consumo de
combustibles fósiles y, por lo tanto, la dependencia a los mismos. A continuación, se
describen las distintas fuentes más usadas hoy en día para dicha tecnología:
● Plantaciones energéticas
Las plantaciones energéticas consisten en grandes plantaciones de árboles o
cultivos destinadas únicamente a la producción de energía. A la hora de elegir
qué especie de árboles o arbustos plantar es importante elegir aquellas de rápido
crecimiento y fácil mantenimiento, para que los costes de mantenimiento no
sean elevados y sea así rentable el negocio.
Existe también gran variedad de cultivos agrícolas que son apropiados para fines
energéticos, usándose cultivos azucarados y oleaginosos para producción de
biocombustibles. Los más usados hoy en día son: la caña de azúcar, el maíz, el
sorgo y el trigo. Y como cultivos oleaginosos: la palma de aceite, el girasol y la
soja. También se usan plantas acuáticas como el jacinto de agua o algas.
● Residuos forestales
Los residuos forestales son una importante fuente de biomasa. De hecho, por
cada árbol extraído para la producción maderera sólo se aprovecha el 20 %
Un aspecto a destacar de este tipo de cultivos y que se puede considerar como un
valor añadido de los mismos es su gran papel en la protección de los suelos
frente a los procesos de erosión y degradación.
El principal factor limitante o barrera de estos cultivos es que se requieren una
gran extensión de terreno para conseguir una producción de energía rentable. Por
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esta razón, los cultivos energéticos son interesantes cuando se combinan con
producciones agrícolas paralelas.
● Desechos agrícolas
La agricultura genera grandes cantidades de desechos. Igual que ocurre en la
industria forestal, muchos residuos de la agroindustria son dejados en el campo.
De estos residuos es necesario dejar una parte para proteger el suelo de la
erosión y mantener el adecuado nivel de nutrientes orgánicos pero el resto se
puede recolectar para producir energía. Ejemplo de este tipo de desechos pueden
ser los originados en más plantaciones de arroz, caña de azúcar y café.
Por otro lado, las granjas producen elevadas cantidades de residuos húmedos en
forma de estiércol de animales. Tradicionalmente, esos residuos se han
aprovechado esparciéndolos por los campos de cultivo para mejorar su valor
nutritivo. Pero esta práctica puede provocar problemas de sobrefertilización del
suelo y contaminación de las cuencas hidrológicas.
● Desechos industriales
Los principales recursos industriales usados en biomasa son los derivados de las
industrias de conservas vegetales, producción de aceites, vinos y frutos secos.
Destaca entre ellos la industria alimentaria, que genera una gran cantidad de
residuos que pueden ser usados para obtener energía.
Los residuos que provienen de carnes y vegetales son interesantes como fuente
de biomasa para producir biocombustibles debido a sus altos contenidos en
azúcares y carbohidratos. Otro aspecto interesante a considerar es que este tipo
de residuos suponen unos costes elevados para las propias industrias si tienen
que aplicarles un tratamiento específico como desechos. Por los tanto,
destinándolos a fines energéticos evitan estos costes.
● Desechos urbanos
Los centros urbanos generan gran cantidad de residuos de distintas formas, como
residuos alimenticios, papel, cartón, madera y aguas sucias. Los cuales suponen
un riesgo elevado de contaminación de suelos y aguas si no se tratan o se diseña
una vía alternativa de aplicación de los mismos. El problema principal asociado
a este tipo de residuos es que requieren costes de inversión para crear sitios
apropiados para almacenarlos y para tratarlos y, por ello, muchos países no
disponen de un buen sistema de gestión.
Además, los residuos orgánicos tienen un alto valor energético asociado a los
compuestos volátiles que se originan en su descomposición y que contribuyen al
efecto invernadero.
De esta manera, a corto y largo plazo, la planificación urbana deberá incluir
sistemas de tratamiento de desechos que disminuyan eficazmente las emisiones
nocivas al medio ambiente, dándoles un valor de retorno por medio del
13
aprovechamiento de su contenido energético, dado que el 80% de toda la
basura orgánica puede ser convertida en energía.
Figura 1. Proceso de generación de biomasa
Fuente: http://www.construible.es
Para evaluar la viabilidad técnica y económica de un proceso de conversión de
biomasa en energía, es necesario considerar ciertos parámetros y condiciones que la
caracteriza. A continuación, se explican los parámetros que determinan el proceso de
conversión más adecuado:
● Tipo de biomasa
La factibilidad técnica y económica de un proceso de conversión de biomasa viene
determinada, en gran medida, por el estado físico en el que se encuentren los
recursos biomásicos. Por ejemplo, los desechos forestales indican el uso de los
procesos de combustión directa o los procesos termo-químicos; los residuos
animales indican el uso de procesos anaerobios, etc.
● Composición física y química
Las características químicas y físicas de la biomasa determinan el tipo de
combustible o subproducto energético que se puede generar; por ejemplo, los
desechos animales producen altas cantidades de metano, mientras que la madera
puede producir el denominado “gas pobre”, que es una mezcla rica en monóxido de
carbono. Por otro lado, las características físicas influyen en el tratamiento previo
que sea necesario aplicar.
14
● Densidad aparente
La densidad aparente se define como el peso por unidad de volumen del material
bajo unas condiciones físicas determinadas. Los combustibles con alta densidad
aparente requieren menores tamaños de los equipos y aumentando los períodos
entre cargas debido a que favorecen la relación de energía por unidad de volumen.
Por otro lado, los materiales con baja densidad aparente necesitan mayor volumen
de almacenamiento y transporte y, algunas veces, presentan problemas para fluir
por gravedad, lo cual complica el proceso de combustión, y eleva los costos del
proceso.
● Contenido en humedad relativa
La humedad relativa de la biomasa es la cantidad de agua contenida por kilogramo
de materia seca. Siempre interesará que la biomasa tenga una humedad relativa
inferior al 30%. En el caso de tener un recurso biomásico con una humedad relativa
muy elevada, será necesario establecer una etapa de secado para acondicionar el
recurso previamente a su conversión energética.
● Porcentaje de cenizas
El porcentaje de cenizas indica la cantidad de materia sólida no combustible por
kilogramo de material. En los procesos que incluyen la combustión de la biomasa,
es importante conocer el porcentaje de generación de ceniza y su composición,
pues, en algunos casos, ésta puede ser utilizada.
● Poder calórico
El contenido calórico por unidad de masa determina la energía disponible en la
biomasa. Su poder calórico está relacionado directamente con su contenido de
humedad. Un elevado porcentaje de humedad reduce la eficiencia de la combustión
debido a que una gran parte del calor liberado se usa para evaporar el agua.
● Recolección, transporte y manejo
El método de recolección, el transporte y el manejo en la panta del recurso
biomásico influirá en los costos, tanto en la inversión como en la operación de la
planta. Será interesante también, a la hora de diseñar la logística de la planta,
analizar la distancia desde donde se recolectan los recursos hasta la planta y la
distancia desde la planta hasta el punto de consumo energético.
3.3. Procesos de conversión de la biomasa
Antes de que la biomasa pueda ser usada para fines energéticos, tienen que ser
convertida en una forma más fácil de transportar y usar como el carbón vegetal, briquetas,
gas, etanol y electricidad.
15
Las tecnologías de conversión incluyen desde procesos de conversión de biomasa
simples y tradicionales, como la producción de carbón vegetal en hogueras bajo tierra,
hasta procesos de alta eficiencia como la dendro-energía y la cogeneración.
A continuación se presentan los procesos de conversión más relevantes, los cuales se
pueden clasificar en tres categorías, que comprenden los procesos termoquímicos, los
procesos bioquímicos y los procesos físico-químicos:
3.3.1. Procesos Termoquímicos
3.3.1.1. Combustión
La reacción de combustión, de naturaleza exotérmica, es la más convencional de
todas las tecnologías termoquímicas para aprovechamiento de biomasa (Senneca2007). El
ejemplo más básico es la deflagración de la madera en una chimenea, una reacción de
combustión utilizada tradicionalmente. Se puede formular la siguiente reacción genérica,
que tiene en cuenta los compuestos principales en una combustión de biomasa:
Mediante esta reacción se puede representar lo que ocurre dentro de un reactor de
combustión. Se tienen en cuenta humedad, impurezas, cenizas... pero se puede llegar a
mayor nivel de detalle, por ejemplo para combustibles fósiles habría que tener en cuenta la
presencia de azufre. Los productos y proporciones en las que se obtengan dependerán
mucho de la concentración de oxígeno y características del combustible y del quemador
(Jones 2000).
En la industria (Sondreal 2001, Gomez 2006, Beer 2000), en el caso de elementos
residuales, se utilizan tecnologías pensadas para combustibles de relativamente bajo poder
calorífico con el fin de obtener un aprovechamiento mayor de la energía. Se pueden
distinguir dos grandes grupos de combustores, los combustores de parrila y los
combustores de lecho fluidizado. A continuación, se describen las características de cada
uno de ellos.
● Combustores de parrilla
En este tipo de combustores, la biomasa avanza a través de la parrilla y
experimenta tres pasos en su avance: en el primer paso se produce la eliminación
de humedades, en el segundo la combustión de la mayor parte y en la tercera la
combustión de aquellos elementos que requieran mayor punto de ignición. Los
gases de combustión se utilizan para ceder calor al agua de circulación, que
vaporiza y mueve una turbina. La parrilla puede ser fija, móvil o de sistema
16
mixto y la alimentación depende mucho del estado en el que se encuentre la
biomasa; se pueden usar muchos métodos, desde tornillos sin fin hasta sistemas
neumáticos.
● Combustores de lecho fluidizado
Los combustores de lecho fluidizado consisten en la combustión de partículas en
el seno de una masa en suspensión. Se añaden materiales inertes que
homogeinizan la temperatura del reactor. Dependiendo de la velocidad del aire
en el interior, el grado de fluidización Combustores de parrilla. La biomasa
avanza a través de la parrilla y experimenta tres del lecho puede pasar de
burbujeante a circulante. Otro parámetro importante es la presión del reactor, ya
que los hay que trabajan a presión atmosférica y los que trabajan a presión (hasta
20kg/cm2) con elevadas temperaturas (aproximadamente 850ºC). Son de diseño
mucho más complicado que los combustores de parrilla y menos versátiles.
3.3.1.2. Gasificación
La gasificación es la transformación de materiales ricos en carbono mediante una
reacción a elevada temperatura (>700ºC) en presencia de cantidades concretas de oxígeno
y vapor de agua para la producción de gas de síntesis, compuesto por monóxido de carbono
e hidrógeno (Faaij 1997). El valor energético del gas de síntesis es muy elevado y sirve
como combustible y como reactivo para producir otros combustibles. La introducción de
oxígeno en cantidades limitadas permite la combustión del material rico en carbono y
produce energía, con lo que se puede llevar a cabo la reacción de gasificación (Dupont
2007).
Las reacciones implicadas son las siguientes (McKendry 2002):
● La primera se corresponde a una reacción de pirólisis en la que se liberan
compuestos volátiles y se forma carbón.
Biomasa → Carbón + Gases
● La segunda es la oxidación; en general la parte más importante representa la
oxidación del carbón formado, liberando dióxido de carbono y monóxido de
carbono.
Carbón + O2 → CO2 + CO
● De forma paralela ocurre una tercera reacción en la que el carbón reacciona con
el vapor de agua formando hidrógeno y monóxido de carbono.
Carbón + H2O → H2 + CO
● Así mismo, se da también una cuarta reacción reversible muy rápida que
consiste en la reacción del monóxido de carbono con el vapor de agua para dar
dióxido de carbono e hidrógeno; por lo que las cantidades formadas alcanzan el
equilibrio rápidamente.
CO + H2O ↔ H2 + CO2
17
La información relativa a los procesos de gasificación es muy elevada y existen
publicaciones detalladas al respecto (Gomez-barea 2010).
3.3.1.3. Pirólisis
La reacción de pirólisis consiste en la degradación térmica en ausencia de agentes
oxidantes (Bridgwater 1995, Bridgwater 1999). Este tipo de reacción, de naturaleza
endotérmica, se puede utilizar para transformar la biomasa, dando lugar a un residuo
carbonoso y gases de combustión, entre los que se puede condensar parte de la fracción
para producir un biocombustible líquido (Van de Velden 2007a). Dependiendo de las
condiciones de operación varía la composición de los productos de la pirólisis.
La reacción, que ocurre normalmente para biomasa entre 300ºC-500ºC, se puede
esquematizar como:
Biomasa → Carbón + Gases
En esta reacción se lleva a cabo la conversión térmica de un combustible sólido en
ausencia de agentes oxidantes, o en una cantidad tan pequeña que la gasificación no ocurre
en una extensión apreciable. Actualmente, la pirólisis de biomasa es una alternativa en
potencia para obtener combustibles frente a los problemas actuales de los combustibles
fósiles (Carrasco2002). La fracción líquida obtenida tras la pirólisis puede ser refinada a
biocombustibles o incluso para producir gasolina o diésel sintéticos. Por otro lado, el otro
uso comercial que se le puede dar a la pirólisis de biomasa es la producción de carbón
vegetal.
La degradación térmica de los principales componentes de la biomasa, celulosa,
hemicelulosa y lignina, da lugar a la formación de gases y carbón en el rango de
temperaturas en el que se lleva a cabo. Parte de estos gases se condensan al enfriar dando
lugar a alquitranes. La parte que queda en el carbón está mayoritariamente formada por
lignina. Según las condiciones en las que se lleve a cabo la pirólisis se puede controlar que
se favorezca la formación de carbón, gases o biocombustibles.
Los parámetros que más afectan (Van de Velden 2007b, Bridgwater 1999) son la
temperatura máxima, el tiempo de residencia en el reactor y la forma en la que se lleve a
cabo el calentamiento. De forma generalizada:
● En el rango de temperaturas de 400-800ºC, con un calentamiento rápido dan
lugar a más fracción de biocombustible, mientras que las que tienen un
calentamiento más lento favorecen la formación de carbón.
● Por otro lado si las temperaturas cubren rangos de 700-1000ºC y el
calentamiento es rápido se favorece la formación de gases y se reduce la
formación de biocombustibles, mientras que si el calentamiento es lento, se
favorece de nuevo la formación de carbón.
Tecnológicamente, la pirólisis se puede llevar a cabo de tres formas (Gomez 2006,
Ganesh 2001):
18
● En un reactor discontinuo, en el que se quema parte del carbón producido para
generar el calor necesario para la degradación térmica. Este tipo de operación
supone un calentamiento lento, de forma que se maximiza la producción de
carbón.
● En la industria, el calentamiento del alimento se lleva a cabo mediante gases no
oxidantes calientes. La producción es de forma continua; por lo que para la
puesta en marcha se utiliza un combustible que se quema y una vez se
comienzan a liberar gases de la biomasa, se utilizan éstos en lugar del
combustible para calentar.
● El otro tipo de tecnología existente consiste en utilizar un sólido inerte como
portador de energía para calentar la biomasa. Esto puede realizarse, por ejemplo,
con arena en un reactor de lecho fluidizado. Esta forma de operación permite
obtener altos rendimientos de la fracción gaseosa o de la fracción líquida, según
interese.
La industria ha apuntado tradicionalmente a la producción de carbón vegetal y los
biocombustibles han sido destinados más bien a otros usos específicos secundarios, como
por ejemplo el de aditivos alimenticios. Sin embargo la potencialidad de la fracción líquida
se está empezando a desplegar, encontrando nuevas utilidades como agente extractor,
como combustible o precursor de otros combustibles sintéticos (Brammer 2006). Por otro
lado, presenta algunas limitaciones que suponen otros costes adicionales; como su carácter
corrosivo y ácido, el aumento de su viscosidad durante el almacenamiento y una menor
capacidad calorífica que los combustibles convencionales.
3.3.2. Procesos Bioquímicos
Estos procesos utilizan las características bioquímicas de la biomasa y la acción
metabólica de organismos microbiales para producir combustibles gaseosos y líquidos. Son
más apropiados para la conversión de biomasa húmeda que los procesos termoquímicos.
Los más importantes son:
3.3.2.1. Digestión Anaerobia
La digestión anaerobia es un proceso biológico que se produce en ausencia de
oxígeno. La materia orgánica es descompuesta en productos gaseosos, lo que se denomina
en el mundo industrial como biogás (CH4, CO2, H2, H2S, etc.), en una mezcla de productos
minerales denominada digestato (N, P, K, Ca, etc.) y en compuestos difícilmente
degradables.
La producción de biogás por fermentación anaerobia tiene un gran beneficio para el
medio ambiente, pues, se consigue disminuir las emisiones contaminantes a la atmósfera,
principales responsables del efecto invernadero.
Para realizar la digestión anaerobia pueden usarse distintos tipos de residuos, tanto
agrícolas como ganaderos como los residuos procedentes de industrias relacionadas con la
19
transformación de dichos productos (agrícolas y ganaderos). Los residuos más usados
son los purines, el estiércol, los residuos agrícolas y los excedentes de las cosechas.
Otro aspecto importante a destacar de las ventajas de la digestión anaerobia es que
permite aprovechar las aguas residuales con alta carga orgánica, por ejemplo las
procedentes de las industrias alimenticias.
El proceso de la digestión anaerobia consta de varias fases consecutivas e interviene
varias tipos de microorganismos, cada uno de ellos se diferencia las velocidades de
crecimiento y en la sensibilidad a cada compuesto intermedio como inhibidor de la
actividad de los mismos, por ejemplo, el H2, el ácido acético o el amoníaco producido por
la acidogénesis de aminoácidos. Por lo tanto, cada etapa de la degradación anaerobia
vendrá regida por distinta velocidad de reacción en función de las características del
substrato y el desarrollo estable del proceso global requerirá que se establezca un equilibrio
para, de esta manera, evitar que se acumulen compuestos intermedios inhibidores o de
ácidos grasos volátiles (AGV) que podrían provocar una disminución del pH. Para
mantener el pH estable se debe mantener el equilibrio entre CO2-bicarbonato. Para que se
den algunas reacciones es necesaria la asociación sintrófica entre bacterias acetogénicas y
metanogénicas, creando agregados de bacterias de estas poblaciones.
La velocidad del proceso de degradación anaerobia vendrá determinada por la etapa
más lenta del mismo, dependiendo dicho aspecto de la composición del residuo que entre
al proceso. Para substratos solubles, la fase limitante suele ser la metanogénesis y para
conseguir incrementar la velocidad se adoptan diseños que permitan una elevada
concentración de microorganismos acetogénicos y metanogénicos en el reactor, pudiendo
conseguir sistemas con tiempo de proceso del orden de días. Para residuos donde la
materia orgánica esté en forma de partículas, la fase limitante es la hidrólisis, siendo un
proceso enzimático cuya velocidad depende de la superficie de las partículas. Esta
limitación hace que los tiempos de proceso sean del orden de dos o tres semanas. La
principal estrategia para conseguir aumentar la velocidad es aplicar un pretratamiento para
disminuir el tamaño de las partículas o favorecer la solubilización (maceración,
ultrasonidos, tratamiento térmico, alta presión o combinación de altas presiones y altas
temperaturas).
Existen parámetros ambientales que deben controlarse:
● El pH debe ser cercano a la neutralidad.
● Se debe controlar la alcalinidad para asegurar la capacidad tampón y evitar la
acidificación. Se debe mantener la alcalinidad por encima de 1,5g/l de CaCO3.
● El potencial redox debe mantenerse por debajo de -350mV.
● Es importante garantizar la existencia de nutrientes para asegurar el crecimiento
de los microorganismos.
● Es importante controlar la existencia de tóxicos e inhibidores, cuya
concentración ha de ser la mínima posible.
Respecto a las condiciones de operación, los parámetros a controlar son:
● Temperatura: podrá operarse a temperatura ambiente, con temperaturas en torno
a los 35ºC y con temperaturas en torno a los 55ºC. Las tasas de crecimiento y
reacción aumentan de forma proporcional a la temperatura, pero
desgraciadamente, también incrementa la sensibilidad de algunos inhibidores,
20
como el amoníaco. En temperaturas cercanas a 55ºC se consigue una mayor
tasa de destrucción de patógenos.
● Nivel de agitación: dependiendo de las características del reactor se tendrá que
transferir al sistema más o menos energía para favorecer la transferencia de
substrato a cada población o agregados de bacterias, así como homogeneizar
para mantener concentraciones bajas de inhibidores.
● Tiempo de retención: el tiempo de retención es la relación entre el volumen y el
caudal, por lo tanto, se puede entender como el tiempo medio de permanencia
del influente en el reactor, sometido a la acción de los microorganismos.
● Velocidad de carga orgánica (ORL): es la cantidad de materia orgánica que se
introduce al reactor por unidad de volumen y tiempo. A menor valor menor
concentración del influente y/o elevado tiempo de retención. Por lo tanto, un
incremento de la velocidad de carga orgánica implicará una reducción de la
producción de gas por unidad de materia orgánica introducida. Esto implica que
se tendrá que encontrar un valor óptimo técnico/económico para cada instalación
y tipo de residuo a tratar.
De esta manera, se puede afirmar que la producción de metano o biogás a partir de
un residuo dependerá de su potencial, de la temperatura de operación y de la presencia de
inhibidores.
Previamente a la introducción de residuos orgánicos en el reactor se deberá realizar
una etapa previa de acondicionamiento y vendrá determinado por el tipo de reactor. La
finalidad de dicho pretratamiento será conseguir tener un residuo lo más homogéneo
posible, con las condiciones fisicoquímicas adecuadas al proceso al que va a ser destinado
y evitar también así, elementos que puedan dañar el digestor.
Existen distintas tipos de acondicionamiento del residuo como reducción del tamaño
de partícula, espesamiento, calentamiento, control de pH, eliminación de metales y
eliminación de gérmenes patógenos.
Hay ocasiones, como cuando se manejan purines, que es importante no almacenarlos
demasiado tiempo debido a que la productividad del biogás disminuye rápidamente porque
se producen fermentaciones espontáneas.
Para que una planta de digestión anaerobia sea rentable es imprescindible la garantía
de suministro de la materia prima usada, tanto en aspectos temporales como de calidad de
la misma.
Cabe señalar también la importancia de la homogeneidad del substrato que se va a
introducir en el reactor para conseguir altos valores de eficiencia y rendimiento del biogás.
Por ejemplo, en plantas de purines pobres en materia orgánica, para conseguir una
relativamente buena rentabilidad, el aprovechamiento de los efluentes de algún proceso,
como por ejemplo lodos. Los subproductos que se producen en la digestión anaerobia son
agua y digestato (en estado sólido). Para usarlos posteriormente hay que tener en cuenta la
legislación pertinente vigente de vertidos y las composiciones de los efluentes del proceso.
En muchas ocasiones, no es posible usarlos directamente con las características con las que
21
salen del digestor, por lo que es necesario un tratamiento de decantación/sedimentación
y secado para poder destinarlos para riego, fertilización de campos o venta como compost.
3.3.2.2. Fermentación Alcohólica
La fermentación alcohólica consiste en la fermentación de los azúcares que se
encuentran en la materia orgánica, obteniendo como producto final el bioetanol. En este
proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido en agua de aproximadamente un
5%, por lo tanto, será necesaria una etapa final de deshidratación para poder usarlo como
biocombustible. Al mezclar bioetanol con gasolina se obtiene un biocombustible de alto
poder energético, con características muy parecidas a la gasolina pero que supone menores
emisiones contaminantes a la atmósfera. Normalmente se mezcla el etanol con la gasolina
en concentraciones de 5 ó 10%, denominándose E5 y E10 respectivamente. Y teniendo
como aspecto positivo añadido que no supone modificación alguna en los motores
existentes hoy en día. A continuación se expone el diagrama con las distintas etapas que
constituyen el proceso de fabricación del bioetanol:
Figura 2. Proceso de fabricación del bioetanol
Fuente: http://www.miliarium.com
Las principales etapas en el proceso de fabricación de bioetanol son las que siguen:
● Dilución: consiste en la adición de agua para ajustar la cantidad de azúcar en la
mezcla o la cantidad de alcohol en el producto. La dilución es imprescindible
porque la levadura, que se usará más adelante en el proceso de fermentación,
puede morir a causa de una elevada concentración de alcohol.
● Conversión: es el proceso mediante el cual se convierte el almidón/celulosa en
azúcares fermentables. Puede realizarse mediante el uso de malta, extractos de
enzimas procedentes de la malta o por tratamiento directo del almidón con el
ácido en un proceso de hidrólisis ácida.
22
● Fermentación: La fermentación alcohólica es un proceso anaerobio realizado
principalmente por las levaduras.
● Destilación o deshidratación: la destilación consiste en separar, aplicando calor,
los diferentes componentes líquidos de una mezcla (etanol/agua).
Los materiales lignocelulósicos son los que tienen mayor potencial para producir
bioetanol. Por lo tanto, se podrán usar residuos de procesos agrícolas, forestales o
industriales con alto contenido en biomasa. Estos residuos pueden ser la paja de los
cereales, las limpias forestales, los residuos sólidos urbanos o las cáscaras de cereal o
arroz.
La principal ventaja de los residuos es su bajo coste, debido a que son la parte no
necesaria de otros procesos, salvo cuando son utilizados en la alimentación del ganado.
Los residuos sólidos urbanos tienen un alto contenido en materia orgánica, como el papel o
la madera. También, se pueden usar residuos generados en algunas industrias como la
papelera, la hortofrutícola o la fracción orgánica de residuos sólidos industriales. Muchos
de estos residuos no sólo tienen valor económico en el contexto donde se generan sino que
pueden ser causa de problemas ambientales durante su eliminación [Cabrera, J.A, 2006].
Los residuos de biomasa contienen mezclas complejas de carbohidratos, llamados
celulosa, hemicelulosa y lignina de los cuales se obtienen los azúcares mediante el uso de
ácidos o enzimas. Por un lado, la celulosa y la hemicelulosa se hidrolizan por la acción de
enzimas o se diluyen con ácidos (concentrados y diluidos) para obtener sacarosa, la cual se
fermenta.
A continuación, se puede observar un esquema con los distintos procesos a aplicar
para obtener bioetanol en función de la materia prima de la que se parta.
23
Figura 3. Procesos de obtención de bioetanol a partir de distintas materias primas
Fuente: http://www.miliarium.com
3.3.3. Procesos Físico-Químicos
3.3.3.1. Transesterificación
Mediante el proceso de transesterificación se produce biodiesel a partir de aceites
vegetales, grasas animales y grasas recicladas. El biodiesel está compuesto por ácidos
grasos y ésteres alcalinos y se usa como aditivo del diesel al 20%, pero se pueden realizar
otras conbinaciones. La proporción en la que se mezcle irá determinada por el coste del
combustible base y de los beneficios deseados.La principal ventaja del biodiesel es la
reducción de emisiones contaminantes, que contribuyen al efecto invernadero.
En la transesterificación, los aceites derivados orgánicamente se combinan con
alcochol (etanol o metanol) y se alteran químicamente para formar ésteres grasos como el
etil o metil éster.
La transesterificación consiste en tres reacciones consecutivas y reversibles. Los
triglicéridos se convierten en diglicéridos, monoglicéridos y, por último, en glicerina. En
cada reacción se libera un mol de éster metílico. Posteriormente, en el mismo reactor
donde se producen las reacciones, tiene ligar una separación, una purificación y una
estabilización.
Existen distintas tecnologías en función de las distintas combinaciones que se hagan
para establecer las condiciones del proceso y la alimentación del mismo. La elección de
una combinación u otra vendrá determinada por la producción deseada, la alimentación, de
la calidad del alcohol con el que se trabaje y del catalizador que se use. Generalmente, en
plantas pequeñas (menor capacidad y diferente calidad de alimentación) se suele usar el
proceso Batch o discontinuo y para plantas de gran capacidad se usan procesos continuos,
pues requieren una alimentación más uniforme.
● El método discontinuo
El método discontinuo es el método más simple para producir biodiesel y se usan
reactores con agitación, donde el reactor puede estar equipado con un condensador de
reflujo. La temperatura de operación más habitual suele estar en torno a los 65ºC y se suele
usar como catalizador NaOH. El punto más importante a considerar a la hora de operar es
que la agitación debe ser rápida para que la mezcla de aceite, alcohol y catalizador sea la
correcta y, conforme la reacción va llegando a su fin, la velocidad de agitación debe ser
menor para que el glicerol se separe de la fase éster.
Cuando se utilizan catalizadores ácidos es necesario trabajar a altas temperaturas y
largos tiempos de reacción. En la actualidad, hay en funcionamiento plantas en las que se
hace la reacción en dos etapas, con la eliminación del glicerol entre ellas. De esta manera,
se consigue un mayor rendimiento, de hasta el 95%. El tiempo de reacción sueles estar
entre los 20 minutos y los 60 minutos.
24
A continuación se puede observar cómo es el proceso en discontinuo de obtención de
biodiesel mediante transesterificación.
Figura 4. Procesos de transesterificación en discontinuo
Fuente: http://www.miliarium.com
El método continuo es una variación del método discontinuo, en el cual se usan
reactor de tanque agitado (CSTR). La principal ventaja de estos reactores es que se puede
variar el volumen para permitir mayores tiempos de residencia y conseguir, así, mejorar el
rendimiento. De esta manera, tras la decantación del glicerol, la reacción en un segundo
CSTR es mucho más rápida, con un porcentaje de producción de reacción del 98%.
Un aspecto fundamental en este tipo de procesos es el diseño de los CSTR, es clave
que a la hora de diseñarlos se tenga en cuenta que la mezcla es correcta para que la
composición en el reactor sea prácticamente constante.
También existen diversos procesos que utilizan la mezcla intensa para favorecer la
reacción de esterificación. En este caso se usan reactores tubulares (flujo pistón), donde la
mezcla de reacción se desplaza longitudinalmente. Estos reactores se comportan como
pequeños reactores en serie, por lo tanto, requieren menores tiempos de residencia.
A continuación se puede observar el diagrama del proceso de producción de
biodiesel mediante reactores de flujo pistón.
25
Figura 5. Proceso de obtención de biodiesel mediante reactores de flujo pistón.
Fuente: http://www.miliarium.com
En la tabla que se expone a continuación se muestra una distribución de los procesos
de conversión aplicables, de acuerdo con las características y el tipo de biomasa, así como
los posibles usos finales de la energía convertida:
26
Tabla 1. Procesos de conversión en función del tipo de biomasa
Tipo de biomasa Características físicas Procesos de
conversión
Producto
final Usos
Materiales orgánicos
de alto contenido de
humedad.
Estiércoles.
Residuos de alimentos.
Efluentes industriales.
Residuos urbanos.
Digestión
anaeróbica y
fermentación
alcohólica
Biogás
Metanol
Etanol
Biodiesel
Motores combustión
Turbinas de gas
Hornos y calderas
Estufas domésticas
Materiales
lignocelulósicos de
cultivos energéticos,
residuos forestales y
residuos urbanos
Polvo
Astillas
Pellets
Briquetas
Leños
Carbón vegetal
Densificación
Combustión
directa
Pirólisis.
Gasificación
Calor
Gas pobre
Hidrógeno
Biodiesel
Estufas domésticas
Hornos y calderas
Motores de
combustión
Turbinas de gas
Fuente: FOCER / Biomasa. Manuales sobre energía renovable.BUN-CA.
3.4. Ventajas y Barreras de la biomasa
La biomasa presenta una serie de ventajas que hacen que las tecnologías asociadas
sean de alto interés a la hora de implantar sistemas de producción de energía:
● La biomasa es una fuente renovable de energía y no contribuye al calentamiento
global, por tanto, es respetuosa con el medio ambiente.
● No sólo el uso de la biomasa para obtener energía tienen un menor daño en el
medio ambiente, sino que también los biocombustibles tienen un papel
importante en su prevención. Los biocombustibles tienen un contenido
insignificante de azufre y, por lo tanto, no contribuyen a las emisiones de
dióxido de azufre, responsables de la lluvia ácida.
● La combustión de biomasa produce menor cantidad de cenizas que el carbón y,
como valor añadido, la ceniza procedente de biomasa se puede usar como
nutriente de los suelos.
27
● Se usan residuos (residuos agrícolas, residuos procedentes de la silvicultura y
residuos sólidos urbanos), de esta manera, se contribuye disminuir el problema
asociado a la acumulación de basuras, sobre todo en áreas municipales.
● La biomasa es un recurso doméstico, es decir, no existe dependencia de otro país
y, por lo tanto, no está sujeto a variaciones que se puedan producir en los precios
a nivel mundial o inestabilidades políticas.
● Se puede hacer uso de los terrenos que estén sin cultivar.
● Permite satisfacer las necesidades energéticas en poblaciones agrícolas o rurales.
● Permite el desarrollo de los sectores industriales requeridos para la explotación
de la biomasa.
● Existe la posibilidad de realizar mejoras productivas por tratamientos biológicos.
● Pueden realizarse mezclas con otros productos con valor energético.
● Se puede destinar a distintos fines energéticos: biomasa sólida, biogás,
biocombustibles líquidos.
● Puede ser un complemento energético de otras energías renovables.
La biomasa también presenta una serie de inconvenientes que se deben tener en
cuenta a la hora de hacer una valoración global de dicha tecnología:
● La biomasa tiene relativamente baja densidad de energía (grandes volúmenes
son necesarios en comparación con los combustibles fósiles), lo que hace el
transporte y su administración difíciles y costosos. La clave para superar este
inconveniente está en localizar el proceso de conversión de energía cerca de una
fuente concentrada de biomasa, tal como una serrería, un molino de azúcar o un
molino de pulpa.
● La combustión incompleta de la leña produce partículas de materia orgánica, el
monóxido de carbono y otros gases orgánicos. Si se utiliza la combustión de alta
temperatura, se producen los óxidos del nitrógeno. En una escala doméstica más
pequeña, el impacto en la salud de la contaminación atmosférica dentro de
edificios es un problema significativo en los países en vías de desarrollo, en
donde la leña se quema ineficazmente en fuegos abiertos para cocinar y la
calefacción de ambientes.
● Existe la posibilidad que el uso extensivo de bosques naturales cause la tala de
árboles y escasez localizada de leña, con ramificaciones ecológicas y sociales
serias. Esto está ocurriendo actualmente en Nepal, partes de la India, Sudamérica
y en África sub Sahara. La conversión de bosques en tierras agrícolas y áreas
urbanas es una importante causa de la tala de árboles. Además, en muchos países
28
asiáticos gran parte del combustible de la madera usado con propósitos de
energía provienen de áreas indígenas boscosas.
● Hay un conflicto potencial por el uso de los recursos de la tierra y del agua para
la producción de energía de biomasa y otras aplicaciones, tales como producción
de alimentos y de fibras. Sin embargo, el uso de técnicas modernas de
producción agrícola representa que hay suficiente tierra disponible para todas las
aplicaciones, incluso en regiones densamente pobladas como Europa.
● Algunos usos de la biomasa no son completamente competitivos todavía. En la
producción de electricidad por ejemplo, hay fuerte competencia de las nuevas
plantas de gas natural, altamente eficientes. Sin embargo, la economía de la
producción energética de biomasa está mejorando, y la preocupación cada vez
mayor por las emisiones de gas de invernadero está haciendo a la energía de
biomasa más atractiva.
● La producción y el proceso de la biomasa pueden implicar un consumo de
energía significativa, tales como combustible para los vehículos y los
fertilizantes agrícolas, dando por resultado un balance energético reducido para
el uso de la biomasa. En el proceso de la biomasa se necesitan reducir al mínimo
el consumo de combustibles fósiles, y maximizan la conversión de basura y
recuperación de energía.
● A menudo existen restricciones políticas e institucionales al uso de biomasa,
tales como políticas energéticas, impuestos y subsidios que animan el uso de
combustibles fósiles. Los costos de la energía no reflejan a menudo las ventajas
ambientales de la biomasa o de otros recursos energéticos renovables.
● Existe una carencia de cultivos energéticos específicos.
● Hay una fuerte dispersión de los recursos de biomasa.
● Se da un encarecimiento de los productos residuales de biomasa cuando se
utilizan con fines energéticos.
● Hoy en día todavía hay una carencia de equipamiento adecuado para la recogida.
● Los costes asociados al transporte son elevados a grandes distancias.
● La tecnología asociada con los usos de la biomasa para fines energéticos no está
plenamente desarrollada.
● Al ser un sector todavía sin elevada experiencia, se observa en muchas ocasiones
una falta de organización para la explotación de la biomasa.
● Algunos recursos de la biomasa tienen que competir con otros sectores, como el
maderero y el alimenticio.
29
● Todavía existe una gran falta de concienciación respecto a la importancia de
la biomasa.
(http://www.miliarium.com)
3.5. Aplicaciones de la biomasa.
Existen diversas alternativas para el uso energético de la biomasa. La generación de
electricidad a partir de biomasa, su uso en aplicaciones térmicas del sector industrial y
domestico, la creación de plantas de biocombustibles y la producción de pellets, son
algunas de las aplicaciones mediante las cuales se puede aprovechar la biomasa.
3.5.1. Aplicaciones generales de la biomasa
Aplicando los diferentes procesos de conversión, la biomasa se puede transformar en
diferentes formas de energía:
● 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 ciclos
combinados de electricidad y vapor.
● Combustibles gaseosos
El biogás producido en procesos de digestión anaerobia 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 adaptados para ello.
● Biocombustibles
La producción de biocombustibles como el etanol y el biodiesel tiene el
potencial para reemplazar cantidades significativas de combustibles fósiles en
muchas aplicaciones de transporte. El uso extensivo de etanol en Brasil, durante
más de 20 años, ha demostrado 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 por un 20 % de
etanol y un 80 % de petróleo, resulta aplicable en la mayoría de motores de
ignición. Actualmente, este tipo de combustibles es subsidiado por los
gobiernos, 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.
30
● Electricidad
La electricidad generada a partir de los recursos biomásicos puede ser
comercializada como “energía verde”, pues no contribuye al efecto invernadero
por estar libre de emisiones de dióxido de carbono. 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.
● Co-generación (calor y electricidad)
La cogeneración se refiere a la producción simultáneamente de vapor y
electricidad, la cual se aplicaría en muchos procesos industriales que requieren
las dos formas de energía.
3.5.2. Aplicación de la biomasa en sistemas rurales aislados
Hoy en día, uno de los principales intereses de la biomasa es su aplicación en
sistemas aislados, entendiendo como tal aquellos lugares en los que no llega la red eléctrica
y que no tienen posibilidades de conexión a red.
3.5.2.1. Sector doméstico
● Estufas mejoradas
Con el objetivo de reducir la deforestación y el uso desmedido de leña, se han
desarrollado diversos programas de estufas mejoradas. Las mismas aumentan la
eficiencia, reducen el contacto con el humo, ahorran tiempo, mejoran las
condiciones de seguridad y salud y más que nada reducen los niveles de
deforestación. A pesar de los benéficos que representan los programas, aun
existen barreras de entrada con los usuarios finales quienes pertenecen a áreas
rurales desfavorecidas.
● Calderas de biomasa domésticas
Las calderas de uso domestico están destinadas para calefacción y agua caliente
sanitaria (ACS). Su funcionamiento es sencillo ya que al quemar el gas, aportan
calor al agua que circula en su interior, la cual se distribuye a los radiadores para
calefacción o como agua caliente sanitaria.
3.5.2.2. Sector Industrial
A pesar que la biomasa es destinada mayoritariamente para usos domésticos, también
es una opción de fuente de energía para el sector industrial.
31
● Generación eléctrica
La biomasa también puede ser utilizada como principal combustible para la
generación de electricidad. Cultivos energéticos, de residuos de las actividades
agrícolas o de jardinerías, o residuos de aprovechamientos forestales y otras
operaciones silvícolas en las masas forestales y espacios verdes pueden ser
aprovechados.
● Cogeneración
La cogeneración es el proceso que integra la generación simultánea de energía
eléctrica y de energía térmica útil (vapor, agua caliente sanitaria). Su principal
ventaja es respecto a su eficiencia energética la cual es mayor que los dos
sistemas por separado. Por lo tanto representa una opción ventajosa a las
industrias que requieren ambos tipos de energía. Su configuración depende de
cuál de las dos formas de energía sea la más demandada. A veces se utilizan el
calor y la electricidad en el proceso de la planta industrial y se vende el
excedente a otros usuarios o a la red eléctrica.
Dentro de la cogeneración se encuentran las plantas de cogeneración mediante
ciclo orgánico de Rankine (ORC) que más adelante se explicarán.
● Calderas
Las calderas que operan con base en la combustión de biomasa se usan en el
secado de madera, granos y otros. Utilizan como combustible leña, serrín, paja u
otros. Estos equipos están dotados de una cámara de combustión en su parte
inferior (en el caso de las calderas de leña) en la que se quema el combustible;
los gases de la combustión pasan a través del intercambiador de calor,
transfiriéndolo al agua. En algunas calderas se usan inyectores especiales para
alimentar biomasa en forma de polvo (serrín, cascara de grano, etc.) a veces,
junto a algún otro tipo de combustible liquido (por ejemplo, bunker.)
● Hornos Industriales
Los hornos de combustión directa están ampliamente difundidos especialmente
en el sector agroindustrial de América Central. Básicamente consisten en una
cámara de combustión en la que se quema biomasa (leña, cascarilla de arroz o
café, bagazo, cáscara de macadamia o coco, etc.), para luego usar el calor
liberado en forma directa o indirecta (intercambiador de calor) en el secado de
granos, madera o productos agrícolas.
3.5.3. Aplicaciones de la biomasa en países en vías de desarrollo
La biomasa es una de las principales fuentes de energía para zonas rurales. Con su
uso y la aplicación de tecnologías modernas, se puede mejorar la productividad agrícola y
estabilizar el ambiente, a la vez que genere ingresos para las poblaciones.
32
Los residuos forestales y la leña son la principal fuente de combustible en muchos
países de África, Latinoamérica y Asia. En el sector industrial, representan una fuente
importante de combustible en el sector de alimentos y bebidas, producción de cerámica,
manufactura de cerámica, secado de granos y restaurantes entre otros. Sin embargo, se
debe disponer de recursos a largo plazo y de una planificación de logística integral que
permita cubrir las necesidades energéticas de luz, bombeo de agua y cocina.
3.6. Aspectos socioecómicos de la biomasa.
La expansión de los sistemas energéticos a partir de biomasa a nivel mundial supone
beneficios socioeconómicos y ambientales, tanto en los países individualmente como de
forma global.
La aplicación de la biomasa de forma generalizada supone nuevas oportunidades
para mejorar la calidad de vida de la población de las zonas rurales y de países en vías de
desarrollo. Pero es obvio que, para que esto tenga lugar, deben desarrollarse políticas de
ayuda por parte de los gobiernos.
El acceso a la electricidad y otras fuentes modernas de energía son fundamentales
para poder alcanzar el desarrollo humano y crecimiento económico de un país. Sin
embargo, alrededor de un cuarto de la población mundial no cuenta con acceso a servicios
modernos de energía, y 2.500 y 3.000 millones de personas las que dependen de la biomasa
tradicional para satisfacer la mayor parte de sus necesidades de energía (calefacción y
cocción de alimentos).[Conferencia de las Naciones Unidas sobre Comercio y Desarrollo,
2009]. Casi toda esta población vive principalmente en zonas aisladas y se prevé que al
ritmo actual de electrificación, el número de personas que utiliza la biomasa tradicional
permanecerá constante o incluso llegará a aumentar con el crecimiento demográfico. La
falta de energía eléctrica incide de forma directa los niveles de pobreza rural y repercute
directamente en los niveles de vida y la productividad de la zona.
Más del 60% de la población mundial vive en áreas rurales de los países en vías de
desarrollo y sus posibilidades dependen principalmente de las actividades agrícolas. En
estas poblaciones, las oportunidades de empleo son muy escasas y, se ve agravado con
unos sueldos muy bajos, procedentes principalmente de la agricultura. Siendo ésta la
principal causa de la migración urbana, en los casos en los que es posible migrar, con la
esperanza de alcanzar un nivel de vida mejor. En este sentido, la implantación de sistemas
energéticos de la biomasa cobra gran importancia, pues, son una interesante fuente
generadora de empleo e ingresos.
El potencial de generación de empleos del sector de la biomasa es mucho mayor que
para otros sistemas energéticos, el punto clave sería dar los incentivos apropiados a
productores de pequeña escala para comercializar la biomasa porque, de esta manera, se
podría incrementar de forma considerable el nivel de autoempleos en las áreas rurales.
Otro aspecto importante de los sistemas de biomasa es que necesitan una inversión
mucho menor por unidad de trabajo creado frente a otras tecnologías y, además,
33
contribuyen a crear una infraestructura rural importante como, por ejemplo, redes de
caminos.
La aplicación de la biomasa en sistemas aislados o descentralizados supone una
oportunidad única para una mejor distribución de la riqueza y, por lo tanto, equilibrar en
cierta medida, la diferencia entre las áreas rurales y las urbanas.
Hoy en día, la mayoría de la población de las zonas rurales de países en vías de
desarrollo no tiene forma de satisfacer sus necesidades energéticas, tales como electricidad
y suministro de agua. De hecho, la falta de energía es la principal barrera a la hora de
disponer de los medios básicos sanitarios. Ante esta situación, los sistemas de biomasa
aislados suponen la única solución para responder a estos problemas de carencia
energética, que afecta a más del 50% de la población mundial.
Por otro lado, en la producción y conversión de biomasa se generan subproductos de
bajo coste que pueden ser aprovechados para impulsar las economías rurales. El uso
controlado de estos subproductos puede ser la clave de un futuro crecimiento sostenible de
estas poblaciones agrícolas.
3.7. Aspectos ambientales de la biomasa.
El uso del suelo de forma descontrolada por parte del hombre con fines agrícolas,
ganaderos e industriales ha dado lugar a una extrema y alarmante deforestación y
degradación de los mismos, dicho empobrecimiento de las tierras se refleja en una
disminución importante del rendimiento y, por tanto, de los ingresos económicos asociados
y de la seguridad alimentaria.
Hoy en día, alrededor de 2.000 millones de hectáreas sufren una degradación
importante y cerca de 300 millones de hectáreas se encuentran en condiciones severas y a
largo plazo puede convertirse en una situación irreversible. Por lo tanto, los usos del suelo
deben ser urgentemente revisados, regulados y controlados, especialmente en los países en
vías de desarrollo. Por otro lado, si los pronósticos del Panel Intergubernamental de
Cambios Climáticos se cumplen, significará que 350 millones de hectáreas de tierras
forestales en los países en vías de desarrollo serán convertidas en tierras agrícolas para el
año 2025, considerándose una cifra conservadora para el problema de la deforestación.
Estos datos son totalmente contrarios al desarrollo sostenible, por lo que es urgente un
cambio drástico de las políticas en materia de usos y conservación de los suelos.
El desarrollo de una política sólida para la implantación de cultivos de biomasa
energética puede ser considerado como una importante estrategia para la conservación de
suelos y nutrientes. El uso controlado de la tierra, combinando la producción y uso de
bioenergía en estas zonas estratégicas ayudaría, por un lado, a reducir la presión a la que
están sometidas las tierras forestales y, por otro lado, a minimizar los efectos de las lluvias
y las escorrentías en la erosión del suelo. Además, muchas tierras ganaderas sobrepobladas
y tierras forestales despobladas que se están degradando podrían ser reforestadas y, por lo
tanto, recuperadas. Esto se reflejaría en grandes mejoras en la capacidad de uso de las
tierras, en aspectos socioeconómicos y en aspectos ambientales.
34
La implantación de sistemas de biomasa también supone una importante reducción
de la polución del aire, la lluvia ácida y de emisiones de gases de efecto invernadero.
El dióxido de carbono es responsable del 50% de los gases de efecto invernadero,
que contribuyen al calentamiento global. La no existencia de políticas energéticas
orientadas a disminuir el consumo de combustibles fósiles supone un continuo incremento
del calentamiento global y de la lluvia ácida.
Por lo tanto, son necesarios mecanismos orientados a estimular las energías
renovables y el uso de combustibles menos contaminantes. Desde el punto de vista de la
biomasa, las plantaciones forestales continuas pueden convertirse en importantes
sumideros temporales de carbono. Además, la biomasa de rápido crecimiento y altamente
productiva, puede dar un efecto neto cero sobre las emisiones de dióxido de carbono y es
mucho más efectiva en términos de compensación de carbono que los bosques ya
existentes.
Cabe señalar también los beneficios ambientales que supone el uso de metano en
sistemas biomásicos para producir biogás. El metano es un importante agente contaminante
contribuyente al efecto invernadero. El flujo de emisión del metano a la atmósfera puede
verse disminuido si se usan fuentes clave de emisiones de metano para transformación en
biogás, como los desechos urbanos y rurales.
35
4. RECURSOS DISPONIBLES
La superficie total de la comunidad es de 165.000 hectáreas. El 36% de la superficie
de la Comarca está ocupada por bosque maderable de pinos del que en la actualidad se
realiza una explotación muy reducida para madera, pero del que se utiliza
tradicionalmente la madera para calefacción doméstica. Aproximadamente, el 18% de la
superficie de la Comarca considerada está ocupada por pastos en los que se alimenta el
ganado, y el 30% es superficie agrícola, siendo el resto terrenos improductivos de escasa
fertilidad, o bien áreas urbanas. La Tabla 4.1, expuesta a continuación, resume los recursos
disponibles:
Tabla 4.1. Recursos disponibles en la comarca.
RECURSO Porcentaje Hectáreas
Bosque maderable (pino) 36% 59.400
Pastos 18% 29.700
Superficie Agrícola 30% 49.500
Terrenos improductivos 16% 26.400
TOTAL 100% 165.000
La distribución geográfica de los recursos y una señalización orientativa sobre dónde
se encuentran las poblaciones y las industrias locales (aserraderos, secaderorse e industrias
lechera y quesera, que se propone en la Figura 4.1, a continuación, ya que no se disponen
de datos exactos:
Figura 6. Esquema de distribución de recursos.
36
Los límites de la comunidad se encuadran dentro de un triángulo equilátero, cuyo
vértice mira hacia el sur y cuyo lado norte tiene una longitud de sesenta y dos kilómetros.
La población alcanza las 60.200 personas, que se encuentran principalmente agrupadas en
cuatro núcleos, situados en la parte central del territorio y a una distancia máxima entre
ellos de 18 km. El resto de la población se halla dispersa en pequeños pueblos que no
superan los ochocientos habitantes, localizados, fundamentalmente, en las zonas central y
sur de la Comarca.
La mayor parte de la superficie forestal, 52.000 hectáreas, se encuentra concentrada
en su parte norte, estando el resto en el centro y sur, en parcelas dispersas, que no suelen
superar las 200 hectáreas de superficie.
Por su parte, la superficie agrícola –dedicada fundamentalmente al cultivo de
cereales– se encuentra en el centro y sur de la comunidad. Finalmente el área destinada
para pastos también se concentra en el centro y sur de la comunidad.
Además hay que tener en cuenta aquellos recursos disponibles que provienen directamente
de las actividades que se llevan a cabo en la comarca. El tratamiento de residuos de las
diferentes industrias y de la población debe ser considerado como un problema
medioambiental a tratar del cual se pueden obtener diferentes beneficios. En este caso se
consideran como recurso los residuos que provienen de la industria quesera, los residuos
que producen la actividad ganadera y la gestión de las aguas fecales de las dos poblaciones
que tienen un sistema de depuración de aguas y que, por tanto, ya poseen la infraestructura
básica para considerar los residuos como un recurso disponible directamente. Estos se
recogen en la Tabla 4.2.
Tabla 4.2. Residuos disponibles como recurso.
RECURSO Porcentaje t/año(base seca)
Residuos Ganaderos 47,5% 1.050
Residuos Urbanos 48,2% 1.066
Residuos Industria Quesera 4,3% 95
TOTAL 100% 2.211
A la hora de establecer una estrategia de resolución del caso, habrá que tener en cuenta,
todas las posibilidades que existen para abastecer todas las demandas a la vez que se
establecen las instalaciones suficientes para gestionar el sistema. Los criterios principales
que se han tratado de seguir son los siguientes:
Teniendo en cuenta cuáles son los recursos naturales, se deberá abastecer una
demanda acorde con las posibilidades de explotación.
Las opciones elegidas deben ser razonables, tienen que ser económica y
técnicamente viables, teniendo en cuenta las infraestructuras y sistemas ya
existentes. Puesto que la descripción del caso da lugar a diferentes interpretaciones,
se ha procurado establecer desde el principio un escenario global y aplicable a
diferentes realidades.
37
La opción elegida debe estar basada en tecnologías cuyo éxito ya se ha probado
en situaciones análogas. Se busca ofrecer un servicio de calidad que no puede fallar
y que supondrá un cambio radical para las infraestructuras existentes.
Las tecnologías empleadas deben estar acordes con los ideales que se tratan de
cumplir con este proyecto, en cuanto a sostenibilidad, mejora de la economía de la
comarca, mejoras sociales y mejoras medioambientales para los residentes de la
comunidad.
El proyecto debe ir más allá de la situación actual, es decir, hay que tener en cuenta
los futuros escenarios que pueden seguir a este, para dar la posibilidad de un
desarrollo continuo. Por ello, los métodos y sistemas empleados deben ser lo más
eficientes en la medida de lo posible, de forma que no se agoten todas las
posibilidades de la comarca. Se pretende que a pesar de los cambios introducidos y
explotación de los recursos, puedan existir desarrollos industriales posteriores y
aumentos de la población sin que los actuales o el diseño de autoabastecimiento
queden comprometidos por las nuevas situaciones.
El esquema seguido debe ser de gran flexibilidad. Normalmente, existirán tanto a
diario como a lo largo del año, demandas valle y demandas pico en todos los
campos, por lo que el sistema implementado debe estar adaptado a este tipo de
situaciones.
38
5. DEMANDAS ENERGÉTICAS
La descripción del caso incluye las demandas energéticas de la comunidad, que se
dividen en tres:
1. Energía eléctrica
2. Energía térmica
3. Combustibles líquidos
A su vez, las demandas eléctricas y térmicas están referidas al sector domestico,
industrial y agrícola y se han resumido en las Tablas 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5 y 5.6, en base a
los datos proporcionados en la descripción del caso que se da en la sección 2. En estas
tablas se han incluído aquellas demandas que se esperan tener una vez implementado el
plan, ya que la inclusión de nuevas infraestructuras para producción de biodiesel o el
aumento de la capacidad de producción de astillas y serrines tendrá un impacto muy
relevante y determinante en las demandas totales finales una vez implementadas las
soluciones del Plan.
5.1. Demandas de combustibles líquidos
En la comunidad existe una demanda dedicada a las diferentes áreas que tienen un
requerimiento de combustibles. En principio, el 70% de los gastos de combustible del
transporte corresponden a gasóleo y el resto a gasolina. La demanda de gasolina, se ha
decidido que deberá decrecer paulatinamente para preservar el uso del biodiesel que se
produzca localmente, ya que no se van a dedicar esfuerzos en la producción de etanol a
partir de cultivos energéticos. Puesto que la implementación del Plan será paulatina y a lo
largo de años, se prevé que el parque automovilístico que requiere gasolina será sustituido
de forma natural por vehículos consumidores de diesel.
Tabla 5.1. Demanda de biodiesel por sectores
Biodiesel
Uso Días Cantidad Energía necesaria Total (l/año)
Transporte 365 60.200 hab 1,1 lt/hab.día 24.170.300,00
Agricultura 49.500 ha 130 lt/ha.año 6.435.000,00
Gener. Eléctrica 13.510.569,84
TOTAL 44.115.869,84
Stock 3% 45.439.345,94
5.2. Demanda de energía eléctrica
La demanda de energía eléctrica ha sido un punto clave a la hora de tomar decisiones sobre
cómo aprovechar la infraestructura ya existente. Hay que tener en cuenta que muchos de
los puntos de la comarca no poseen acceso a una red eléctrica común y que tienen que
autoabastecerse a partir de pequeños generadores estáticos. Esta situación puede cambiar si
se decide contemplar nuevas posibilidades que permitan que la comunidad se abastezca de
39
una red común en la medida de lo posible. En este caso, la demanda eléctrica del sector
doméstico se deberá principalmente a iluminación y otros usos, siendo el siguiente
requerimiento en importancia a cubrir las demandas de cocina. Finalmente, una pequeña
parte de la población (10%) utiliza instalaciones de calefacción y ACS que funcionan con
electricidad y tan sólo durante 120 días al año, debido a que nos encontramos en una
altitud que corresponde a una zona templada con poca demanda de este tipo. El resumen de
requerimientos a nivel doméstico se recoge en la Tabla 5.2.
Tabla 5.2. Demanda eléctrica en el sector doméstico.
Sector doméstico
Uso Usuarios Días Energía necesaria Total (MWh/año)
Calefacción y ACS 6.020 120 8 kWh/hab.día 5.779,20
Cocina 12.040 365 1,5 kWh/hab.día 6.591,90
Iluminación y Otros 60.200 365 2 kWh/hab.día 43.946,00
TOTAL 56.317,10
En lo que respecta al sector industrial, se va a tener una demanda acorde con las industrias
ya existentes, así como de las pequeñas industrias. Puesto que se va a incluir en el plan la
construcción de una planta de biodiesel, se ha incluído en la tabla la demanda actualizada,
es decir, habrá unos requerimientos extras asociados a la producción de biodiesel que se
deben tener en cuenta, ya que resulta imprescindible a la hora de hacer el
dimensionamiento de la producción y de la red que pueda soportar la tensión requerida.
Así mismo, el aserrado de madera se va a realizar para toda la explotación maderera que es
sostenible y que constituyen unos 120.000m3 al año en base húmeda de madera de pino.
Igualmente, el proceso de secado de la madera que va destinada a usos domésticos, tiene
un requerimiento a cubrir en función de la cantidad de madera que pasa por el secadero.
Además se tienen en cuenta otros usos adicionales que se tienen en industrias de pequeña
escala y que vienen englobados juntos. En la Tabla 5.3 se recogen los requerimientos del
sector industrial.
Tabla 5.3. Demanda eléctrica en el sector industrial.
Sector industrial
Uso Cantidad Energía necesaria Total (MWh/año)
Aserrado de Madera 120.000 63 kWh/m3 7.560,00
Otros 365 2400 kWh/día 876,00
Secado de madera 39.865,78 20 kWh/Tn 797,32
Producción Biodiesel 47.156.724,42 0,08kWh/l 3.772,54
TOTAL 13.005,86
La agricultura y la dedicada a la alimentación tienen unas demandas eléctricas en función
de la cantidad de hectáreas cultivadas. Es importante tener en cuenta al igual que en el caso
de las demandas industriales de la producción de biodiesel, que la inclusión de muchas
hectáreas con cultivos energéticos, van a tener un requerimiento importante. A la mayoría
de puntos que tengan esta demanda no va a llegar la red eléctrica, por lo que tendrá que ser
alimentada a través del biodiesel que se utilice en los pequeños motogeneradores a gasoil
40
sustituyendo éste último por biodiesel. Los diferentes requerimientos se han englobado
en cultivos energéticos (aquellos que corresponderían a las plantaciones de soja y aquellos
que deben reservarse para la propia alimentación de la población) se resumen en la Tabla
5.4.
Tabla 5.4. Demanda eléctrica destinada a usos agrícolas (alimentación y cultivos
energéticos)
Agricultura
Uso Cantidad
(ha) Energía necesaria Total (MWh/año)
Alimentación 5.224 85 kWh/ha·año 444,07
Cultivos energéticos 44.276 85 kWh/ha·año 3.763,43
TOTAL 49.500 85 kWh/ha·año 4.207,50
5.3. Demanda de energía térmica
Las demandas térmicas deberán ser tenidas en cuenta como factores realmente limitantes a
la hora de establecer el sistema de autoabastecimiento, no sólo por la forma de gestionar
los recursos sino del propio establecimiento geográfico de cada una de las instalaciones
que tengan un papel en el Plan. En este caso, se tienen diferentes demandas térmicas a
cubrir, principalmente por usos domésticos e industriales.
En cuanto al sector doméstico, el 90% de la población tiene demandas continuas y
discontinuas. La demanda continua es aquella que se corresponde con los usos de cocina y
la discontinua se refiere a los gastos por calefacción, que se produce de forma intensiva
durante un breve período de tiempo. Esto deberá ser tenido en cuenta a la hora de
establecer un sistema logístico que satisfaga las demandas que se cuadruplican en cuestión
de meses durante tiempos cortos. Las demandas correspondientes al sector doméstico se
recogen en la Tabla 5.5.
Tabla 5.5. Demanda térmica del sector doméstico.
Sector doméstico
Uso Usuarios Días Energía necesaria Total (GJ/año)
Calefacción 54.180 120 13,89 kW/hab.día 325.080,00
Cocina 48.160 365 1,67 kW/hab.día 105.470,40
TOTAL 430.550,40
El sector industrial, sin embargo, se presupone que tendrá demandas continuas durante
todo el año, a excepción de aquellas pequeñas paradas en planta que se realicen como parte
de las labores de mantenimiento y operación de las industrias implicadas. Existen dos
industrias autóctonas e importantes, previas a la implantación del plan, que pese a que no
tienen una demanda excesiva comparativamente con otras industrias, sí que puede
considerarse significativa y poseen un potencial importante para ser abastecidas con un
recurso propio y se tienen en cuenta para la elaboración del plan. Además se tiene la
inclusión de la industria nueva de producción de biodiesel y los ajustes necesarios para el
41
secado forzado de la madera y de las astillas. Las demandas a cubrir por el sector
industrial se resumen en la Tabla 5.6.
Tabla 5.6. Demanda térmica del sector industrial.
Sector industrial
Uso Cantidad Días Energía necesaria Entalpía
del proceso
Total
(GJ/año)
Lechería 365 18.400 kg.vapor/día 2.821 kJ/kg 18.945,84
Quesería 365 25.900 kg.vapor/día 2.821 kJ/kg 26.668,32
Producción
Biodiesel
47.156.724,42
l 3,5 kg de vapor/l 2.821 kJ/kg 465.601,9
Secado de
Madera 102.751,76
Secado de
Astillas 714.990,66
TOTAL 685.466,90
42
6. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
En este punto se detallará cómo se ha llevado a cabo el esquema tanto de distribución
de recursos como de satisfacción de las diferentes demandas. Se justificarán las razones
por las cuales se han introducido cada una de las instalaciones y las cantidades de energía
que se espera que abastezcan.
El sistema planteado finalmente, se basa en la utilización de cuatro tipos de recursos:
Biomasa forestal proveniente de la explotación maderera y de los residuos
forestales que se producen normalmente en la zona boscosa al norte de la comarca.
Esta elección es fundamental para el aprovechamiento de los propios serrines que
se producen en la industria maderera, que poseen un gran potencial de aplicación,
debido a su alto contenido energético y flexibilidad en cuanto a los diversos fines a
los que se puede destinar (Timmons 2010). La utilización de este tipo de recurso irá
asociada a la implementación de los medios necesarios para transformarlo de su
estado en el bosque a la forma adecuada para cada uno de los usos a los que irá
destinada.
Biomasa proveniente de una nueva explotación de cultivos energéticos de chopos
cuyas astillas y serrines se pueden utilizar como parte de la biomasa de origen
lignocelulósico para combustión. En este caso, ha sido necesaria la introducción de
más recurso maderero para satisfacer las demandas térmicas que no se podían
cubrir en su totalidad con explotación maderera y los recursos forestales. El uso de
chopo como cultivo energético es una realidad cuya rentabilidad y aplicabilidad
para satisfacer demandas térmicas están ampliamente probadas, por lo que se ha
decidido que era la mejor opción a utilizar en este caso (Gasol 2009).
Biomasa proveniente de cultivos extensivos de soja para la producción de biodiesel.
La necesidad de producción de biodiesel en la comarca es incuestionable. Hasta el
momento el sistema energético se ha basado en la producción de electricidad y
abastecimiento de la mayor parte de las demandas de combustible a partir de
gasóleo convencional importado. Precisamente, esto último es uno de los puntos a
evitar, las importaciones desde el exterior, ya que el principal objetivo de la
implementación del Plan es el autoabastecimiento de la comarca, por lo que se ha
visto que la mejor opción para satisfacer los requerimientos y que además suponen
un impacto mínimo en las infraestructuras ya existentes (ya que el biodiesel se
puede utilizar en motores diesel convencionales). Se ha elegido la soja, por su
fiabilidad y la existente experiencia en la fabricación de biodiesel a partir de la
misma (Skoulou 2011). Esto conllevará la instalación de una planta de producción
de biodiesel a partir de soja.
Biomasa proveniente de los residuos producidos por la industria quesera, por las
actividades ganaderas y por las poblaciones mayoritarias. La correcta gestión de los
residuos producidos localmente, es una de los factores a tener en cuenta para evitar
problemas medioambientales e higiénicos en la comunidad. El biogás es una fuente
de energía versátil y que se puede aprovechar, en este caso, para complementar la
producción de electricidad en motores estáticos (Pölsch 2010). De esta forma se
puede añadir un aporte energético necesario para la comunidad a la vez que se
gestionan de forma más adecuada los residuos generados.
43
Por otro lado, se busca la necesidad de abastecimiento de los diferentes puntos en los que se tienen las demandas descritas en la sección
5. Para esto, se ha desarrollado el sistema que se propone en la Figura 7.
Figura 7. Esquema de distribución de recursos y gestión de demandas.
44
En el esquema de la Figura 7 se describe gráficamente, de dónde se van a obtener los
recursos y cómo se van a transformar para abastecer las diferentes demandas que se tienen;
ya sea los usos finales en el caso de las industrias lechera y quesera, transportes y
agricultura y las demandas energéticas de las poblaciones como las propias demandas que
crearán las industrias implementadas para hacer posible el plan. La estrategia de resolución
del caso se basa entonces, en el establecimiento de balances de energía teniendo en cuenta
los rendimientos y requerimientos de cada una de las unidades que se presentan y la
resolución desde demandas hacia recursos. El principal problema a la hora de resolver un
sistema de este tipo es encontrar una combinación factible y viable; de forma que las
combinaciones a la hora de elegir la configuración son muy dispares, por lo que siguiendo
los criterios establecidos desde el principio, como se explica en la sección 4 de este
documento, se ha llegado al esquema de la Figura 7.
La disposición geográfica de cada una de las instalaciones, se esquematiza en la
Figura 8, basada en los datos meramente orientativos iniciales de situación de las
poblaciones y recursos, así como de las industrias existentes y la ubicación más adecuada
de cada una de las nuevas industrias y explotaciones. Debido a la presencia de poblaciones
más grandes y concentradas en la zona centro y de poblaciones muy dispersas y muy
pequeñas en la zona sur, se ha decidido implementar la extensión de la red eléctrica
únicamente a la zona centro y que las pequeñas poblaciones del sur puedan abastecer su
demanda eléctrica con el uso de pequeños generadores de biodiesel, de forma que asegure
una utilización razonable y realista del capital a invertir en el proyecto.
Figura 8. Localización aproximada de las instalaciones y explotaciones.
45
Como se observa en la Figura 8, se han establecido las instalaciones en conveniencia
con la cercanía a su sitio geográfico de aplicación. Este punto es un factor clave a la hora
de contabilizar la rentabilidad de cada infraestructura en el campo de la biomasa. En el
momento en que uno de los bienes esté demasiado lejos del punto de aplicación, los gastos
en transporte serán lo suficientemente grandes como para que no compense el uso de este
tipo de recurso, se estima que la distancia máxima debe estar en torno a unos 50km de
radio (Styles 2007). A pesar de tratarse de una zona pequeña en la que no tiene por qué
darse este problema ya que se cubren distancias de un radio menor al citado en
bibliografía, se ha tratado de minimizar este impacto; y por ello, se ha adjuntado la
propuesta de la Figura 8, ya que cualquier proyecto con un objetivo similar al de éste debe
tener en cuenta estos factores. Sin embargo, no se ha podido cuantificar de forma real en la
elaboración del proyecto las afecciones que tiene el emplazamiento de cada instalación, ya
que no se disponen de datos concretos suficientes como para evaluar con números las
consecuencias de tener diferentes configuraciones geográficas. Una vez hechas las
propuestas de las Figuras 7 y 8, se va a proceder a explicar con más detalle cada una de las
unidades e instalaciones y a cuantificar las cantidades de demandas satisfechas en base a
balances de energía y los coeficientes que corresponden en cada caso, recogidos en el
Anexo I.
6.1. Aserradero
Un aserradero consiste en una industria básica de primera transformación de la
madera, en él se llevan a cabo las operaciones necesarias para adecuar la madera al tamaño
necesario para cada uso al que se vaya a destinar.
La zona de aserrado está basada en la ya existente previa a la implementación del
proyecto. Al aserradero entrará toda la madera que va dirigida a exportaciones de la
industria de explotación maderera, se extraen los serrines que van a la planta de
cogeneración ORC y se producen las astillas de las calderas de biomasa (pasan por él
87.873t/año en base seca). En este punto, puesto que ya existe una industria, no será
necesario introducir una nueva, pero sí adecuar la capacidad de producción de la ya
existente a la nueva producción, superior a la anterior demandada. El aumento de la
demanda de producción del aserradero implicará la creación de nuevos puestos de trabajo y
los beneficios sociales y económicos que esto conlleva.
6.2. Etapa de secado
Debido a la creciente demanda de la biomasa como combustible renovable, los
residuos, astillados y serrines antes considerados desperdicios, se consideran ahora un
producto con una alta demanda y que ha ganado mucho valor añadido. El uso de la
biomasa con tecnologías ya utilizadas, junto a nuevas, se puede ver resumido en la tabla
del Anexo II.
Se ha comprobado, que la madera al secarse mejora sus propiedades tecnológicas,
por eso es que prácticamente todas las maderas reciben un acondicionamiento físico antes
de su empleo. La eliminación del agua obedece a diversos propósitos, algunos de los
cuales, son indispensables para conseguir una mejora de rendimiento significativa. Los
46
beneficios del secado tienen un impacto positivo en general en la eficiencia de la
combustión, en la producción de vapor, reducción de las emisiones de aire y en el
rendimiento global de los equipos.
Dentro de la caldera o el gasificador, primero debe eliminarse la humedad del
combustible, la cual requiere cantidades significativas de calor para calentar y evaporar el
agua. Sin embargo, un equipo destinado al secado que también consume energía en
calentar y evaporar la humedad, resulta en un secado mucho más eficiente.
Adicionalmente, la eficiencia del secado se incrementa si se logra recuperar calor residual
del proceso.
Para astillas con un contenido de humedad (MC) del 45%, la eficiencia máxima con
un equipo estándar es aproximadamente un 74%. Si el mismo equipo estándar, quema
astillas secas con una contenido de humedad del 10-15%, la eficiencia puede llegar hasta
un 80%. Estas mejoras de eficiencia corresponden también a un incremento en la
producción de vapor del 50-60%
Una caldera de biomasa mejorara su rendimiento cuando el combustible cuente con
un secado óptimo. Si el combustible está demasiado húmedo, podría ser hasta imposible
mantener la llama sin el uso adicional de combustibles fósiles. Con un combustible seco,
la llama se mantendrá de forma más constante y a una temperatura mayor, facilitando el
proceso de combustión. El proceso de combustión es mas completo y con menor
producción de compuestos volátiles y cenizas.
Además, los niveles de aire pueden reducirse significativamente al reducir la
velocidad del aire dentro de la caldera. Esto reduce la cantidad de partículas en la
chimenea, erosión en las superficies mas secas energía del ventilador.
Como cualquier tecnología, también existen desventajas. Incluir un proceso de
secado aumenta la complejidad del sistema y pudiendo disminuir su disponibilidad global
y ocasionar mayores costes de operación y mantenimiento. Los niveles de cenizas y
residuos aumentan. La inversión inicial del secador puede ser significativa, sin embargo se
puede compensar con el uso de una caldera de menor tamaño, equipo de emisiones de aire
y por una reducción en los costos de energía y en aquellos de operación y mantenimiento
de la caldera.
6.2.1. Diseño del secadero en función del tipo de biomasa
Las características de la biomasa varían dependiendo no solo del material sino de
otros factores. Por lo tanto es necesario diseñar y dimensionar el secadero para
aplicaciones en concreto.
Los combustibles de la biomasa provienen de diversas fuentes, que incluyen productos y
residuos forestales, residuos agrícolas, desechos del proceso de alimentos, y desechos
municipales y urbanos. Los desechos producidos en nuestras ciudades, fincas e industrias
representan un recurso con un alto potencial para suministro de calor y energía renovable.
Desecho o residuo, las siguientes ramas pueden ser incineradas o gasificadas:
Residuos forestales: Residuos de la tala de árboles aserraderos, manufactura de
muebles. Producción del papel.
47
Desechos agrícolas: Residuos herbáceos, agricultura dañada, bagazo, etc.
Desechos de la industria alimenticia: Cascaras, pulpa, etc.
Desechos urbanos y municipales: desechos de restaurantes, escuelas y hospitales.
La Tabla 6.1 muestra un resumen de los contenidos de humedad de diferentes
materiales. Los residuos forestales comúnmente tienen un contenido del 40%-65% de
humedad. Los residuos agrícolas que han sido expuestos a un proceso de secado natural,
como la paja, usualmente tienen un contenido del 15% o menos. Los desechos sólidos
municipales usualmente contienen de un 10% a un 30% de humedad. La biomasa
proveniente de la industria alimenticia y de bebidas, fuentes acuáticas como las algas,
aguas residuales municipales y los desechos de animales contienen un alto contenido de
humedad.
Tabla 6.1. Contenidos de humedad de la biomasa.
Recurso de Biomasa
Tipo de Residuo Características Físicas
Residuos forestales
Restos de aserrío: corteza,
aserrín, astillas.
Polvo solido, HR2 > 50%
Restos de ebanistería: aserrín,
trozos, astilla.
Polvo solido, HR 30-45%
Restos de Plantaciones: ramas,
corteza, raíces.
Solido, HR > 55%
Residuos agropecuarios
Cascara y pulpa de frutas y
vegetales.
Solido, alto contenido humedad
Cascara y polvo de granos secos
(arroz, café),
Polvo, HR < 25%
Estiércol Solido ato contenido humedad
Residuos de cosechas: tallos y
hojas, cascaras, maleza, pastura.
Solido HR > 55%
Residuos Industriales
Pulpa y cascara de frutas y
vegetales.
Solido humedad moderada
Residuos de procesamiento de
carnes
Solido, alto contenido humedad
Aguas de lavado y precocido de
carnes y vegetales
Liquido
Grasas y aceites vegetales Liquido grasoso
Residuos Urbanos
Aguas Negras Liquido
Desechos domésticos orgánicos
(cascara de vegetales),
Solido, alto contenido humedad
Basura orgánica (madera) Solido alto contenido humedad
6.2.2. Requisitos de Humedad
El porcentaje de humedad presente en la biomasa es crítico para los procesos de
combustión, gasificación y de peletización.
48
Usualmente las calderas de biomasa requieren porcentajes menores a 55%-65%
para poder mantener la combustión. Por lo tanto se requiere que el contenido de humedad
óptimo sea de un 10% a un 15%.
Los contenidos máximos de humedad dependen del tipo de secadero a utilizar. Los
de lecho fijo requieren un contenido que no superé el 20%, mientras que los de lecho
fluidizado toleran un porcentaje mayor de hasta un 50%-65%. En procesos de peletizado,
el contenido de humedad requiere alrededor de un 15% o menos para poder producir pelets
que sean de alta durabilidad.
6.2.3. Integración del secadero en el Plan
Al secadero entrará toda la biomasa forestal que vaya dedicada al ORC, toda la
madera dedicada a la industria maderera que se pretende exportar y toda la biomasa
forestal de astillas dedicadas a satisfacer las demandas térmicas de las poblaciones del
centro y del sur.
La exportación se realiza sobre los 120.000m3/año, siendo un 70% de ésta al
50% de humedad la madera que se lleva al exterior de la comarca y que por
tanto es necesario hacer pasar por el secadero.
Las cantidad de madera demandada por las poblaciones del centro y el sur que
utilizarán biomasa para satisfacer su demanda se corresponde al 90% de la
población, que asciende a la cantidad de 28.140 t/año en base seca.
La demanda térmica del secadero, 45.524 MWth/año, se cubrirá íntegramente
con el agua caliente (95ºC) que se obtiene en la instalación de ORC.
La demanda eléctrica depende de la cantidad de madera secada, 20kWeh/t.b.s,
por lo que esto se tiene en cuenta para el balance final de energía eléctrica
producida.
6.3. Cogeneración con planta térmica ORC
El Ciclo Orgánico de Rankine (ORC) es un ciclo termodinámico de no-
sobrecalentamiento que utiliza un fluido de trabajo orgánico para producir electricidad. Es
similar al ciclo de una turbina de vapor convencional, a excepción del líquido que conduce
la turbina es un aceite orgánico o fluido orgánico en una caldera de baja temperatura como
fluido intermedio. El fluido orgánico se caracteriza por tener una masa molecular mayor a
la del agua, lo que conlleva a una rotación más lenta de la turbina, menor presión y erosión
de las partes metálicas de la misma (Dong 2009).
El sector de la biomasa está empezando a tener un papel importante en la mayoría de
países europeos en los últimos años. Esto ha implicado un fuerte desarrollo de esta
tecnología alimentada por biomasa y el desarrollo ha llevado a una nueva de generación de
calderas y sistemas más eficientes.
49
6.3.1. Eficiencia
El Ciclo ORC tiene una eficiencia energética global alta de alrededor del 85%.
Alrededor de un 18% se transforma en energía eléctrica y un 82% en calor, con un
porcentaje mínimo de perdidas térmicas que se deben principalmente al factor aislamiento.
6.3.2. Ventajas y desventajas del uso de una planta ORC
El Ciclo ORC ofrece muchas ventajas, tales como:
Alta eficiencia en ciclo termodinámico
Menores esfuerzos mecánicos en la turbina
Ausencia de humedad durante la expansión del vapor, lo que reduce la erosión de
las hélices.
Encendido simple
Operación automática y continua
Procedimientos de mantenimiento simple
No requiere operador
Vida Útil de la planta (> 20 años)
No requiere agua desmineralizada.
En cuanto a las desventajas, son principalmente:
Mayores costes de inversión inicial
Localización
Necesidad de utilizar fluidos térmicos específicos.
Limitación de la potencia
Obtención de recurso térmico para actividades que no pueden necesitar demandas
de intensivas ya que se obtiene agua a 95-100ºC.
6.3.3. Operación de una planta ORC convencional
El rango de temperatura de operación oscila entre los 70 ºC y 300 ºC. Debido a las
propiedades físicas del fluido orgánico, la expansión del vapor saturado no conduce a la
zona de vapor húmedo, sino que queda en la zona de vapor sobrecalentado.
Como métodos de optimización el ciclo, se pueden realizar las siguientes actividades:
1. Precalentar el aceite
2. Uso de un economizador para la recuperación de de calor de los gases de escape de
la caldera.
3. Calentamiento directo del aceite orgánico en una caldera debido a su baja
temperatura.
Debido a que el sistema no utiliza una caldera de vapor, los costes de inversión y
mantenimiento son considerablemente menores que en plantas de vapor. Los ORC son
bien conocidos para aplicaciones geotérmicas, y de aplicaciones de combustión
de biomasa.
50
6.3.4. Integración de la planta en el Plan
En la planta de ORC se pueden utilizar los residuos forestales en forma de serrines
para utilizarse en la producción de vapor para satisfacer la demanda térmica del secado y
en la producción de electricidad en una turbina. En la planta de ORC entran los serrines
que provienen del aserradero. El secado forzado no es necesario en este caso, ya que los
serrines perderán humedad rápidamente durante los primeros días previos a su utilización.
En la Figura 9 se muestra en qué consiste una instalación típica de ORC como la
utilizada en este caso.
Figura 9. Instalación de ORC para combustión de biomasa y cogeneración en una industria
de secado.
El serrín se combustiona en una cámara con una parrilla móvil, generando gases
calientes a más de 950ºC. El circuito del fluido térmico se calienta aprovechando el paso
de dichos gases por un haz tubular, de forma que pueden elevar la temperatura del aceite
térmico hasta los 300ºC.
Este fluido térmico se puede utilizar para calentar un circuito secundario, cuyas
características permiten que se evapore para producir un gas, que se expande y que
atraviesa una turbina que acciona un generador y produce electricidad (Drescher 2006). El
generador, estará unido a los equipos correspondientes (transformador, condensadores,
sistema de regulación y demás equipos eléctricos) que inyectarán la energía en la red. La
producción total de electricidad a cubrir, se corresponderá con un 25% de la generación
total eléctrica de la zona centro, que es aquella que dispone de un cableado suficiente y
demanda que compense la inversión.
El fluido térmico del fluido secundario, a su salida de la turbina se introduce en un
condensador por el que circula agua que se calienta hasta aproximadamente 95ºC para ser
aprovechada en el secadero, de forma que el fluido secundario vuelve a estado líquido y se
recircula.
51
La planta es, por tanto, de una potencia térmica de 10.35MW y una potencia
eléctrica 3.2MW.
6.4. Calderas de biomasa
En las industrias agraria y alimenticia, este tipo de calderas industriales permite
aprovechar sus propios residuos, convirtiéndolos en una fuente de combustible con el que
pueden producir la energía que necesitan para sus procesos industriales.
En zonas rurales, permite también el aprovechamiento de otros residuos agrícolas
que pueden ser utilizados como materia prima para la combustión. Así mismo, cabe
mencionar que los rendimientos de las calderas de biomasa son bastante elevados, lo cual
las hace muy rentables.
Otro sector que puede beneficiarse con el uso de este tipo de calderas es el
de instalaciones comunitarias, tipo hoteles, hospitales, geriátricos, piscinas municipales,
etc. Existen actualmente varios edificios y piscinas municipales que ya cuentan con la
instalación de este tipo de calderas y han conseguido grandes ahorros (referencia).
6.4.1. Ventajas e inconvenientes de las calderas industriales de biomasa
Del uso de calderas de biomasa, se pueden obtener las siguientes ventajas:
La biomasa de la madera es una fuente de energía renovable, cuyas emisiones de
CO2 en su combustión son consideradas nulas, ya que entra dentro del ciclo de
captación de CO2 atmosférico, al ser CO2 de la era geológica actual, al contrario
que las combustibles fósiles que emiten CO2 de forma adicional al ya existente en
la atmósfera; por tanto, el uso de calderas alimentadas por biomasa presenta
ventajas medioambientales.
Normalmente el uso de biomasa puede acogerse a subvenciones, en función de
legislaciones autóctonas; de forma que el uso de las calderas es competitivo
respecto a calderas que funcionan con combustibles fósiles.
La amortización de la inversión de las calderas, cuya tecnología está probada y es
fiable, está asegurada, ya que se trata de un combustible más barato que los
combustibles fósiles, por lo que tiene una amortización asegurada a largo plazo.
Además, la biomasa no está sujeta a las variaciones del precio del crudo y se
beneficia de la tendencia a la subida del precio, teniendo un costo mucho más
estable.
Además posee determinadas ventajas económicas, como la revalorización de
residuos forestales o agrícolas, de forma que deja de ser un residuo para convertirse
en un subproducto de la industria del cual se puede obtener beneficio.
Supone un vector de diversificación e independencia económica y energética de las
importaciones de combustibles convencionales que están distribuidas de formad
desigual por el globo, al contrario que la biomasa, que se encuentra deslocalizada y
de forma accesible en la mayoría de perfiles climáticos.
Así mismo, los principales inconvenientes son:
52
El bajo contenido energético de la biomasa en comparación con los combustibles
fósiles, hace que haya que realizar suficientes operaciones de transporte para llevar
la biomasa al punto de aplicación, que debe estar cercano a la industria a la que va
destinada para hacer el proceso viable, por lo que el sistema logístico puede
condicionar la rentabilidad de la instalación.
Las actividades de operación y mantenimiento juegan un papel importante en el uso
de este tipo de calderas, si bien son sencillas, el uso de estas calderas industriales
debe ir asociado a labores de limpieza y eliminación de cenizas.
6.4.2. Integración de las calderas industriales en el Plan
Las calderas que se van a instalar para abastecer las demandas de calor de las
industrias lechera y quesera y de la planta de biodiesel se repartirán de la siguiente forma:
Se destinarán 1.238 t/año de astillas de madera de pino en base seca provenientes
del aserradero a la industria lechera, de forma que se satisfaga su demanda de vapor
de baja temperatura de 5.263MWth/año.
Se destinarán también 1.743t/año de astillas de madera de pino en base seca
provenientes del aserradero a la industria quesera, que tiene un requerimiento de
vapor de similares características al de la industria lechera de 7.408MWth/año.
Finalmente, se destinarán 26.524t/año de astillas de madera de chopo provenientes
del propio astillado in situ a la caldera de la industria del biodiesel, para cubrir una
demanda térmica de vapor de baja temperatura de 130.243MWth/año. Ha sido
preciso añadir 1.077ha a la producción de madera de chopo de las tierras
correspondientes a pastos para suplir esta demanda.
6.5. Planta de producción de biodiesel
La obtención de combustibles fósiles tiene un importante efecto irreparable sobre el
medio ambiente. La combustión de los mismos adiciona, como se comenta anteriormente,
gases de efecto invernadero como el CO2 e hidrocarburos residuales cuyo destino
inmediato es la atmósfera y que tienen efectos muy negativos en la calidad del aire, ya que
muchas veces son compuestos que no se han acabado de quemar y que tienen efectos sobre
la salud.
El CO2 eleva la capacidad de efecto invernadero de la atmósfera. En grandes
concentraciones aumenta la cantidad de energía atrapada elevando su coeficiente de
captación de radiación solar. El continuo aumento de este tipo de gases clasificados como
gases de efecto invernadero a cantidades superiores a las acordadas en tratados
internacionales, como pueden ser el Protocolo de Kioto, desenlaza en un escenario
complejo en el que la temperatura aumentaría gradualmente teniendo unas consecuencias
medioambientales muy negativas e irreversibles que también afectarían al bienestar social.
Todo esto es razón suficiente para el creciente interés en la sustitución de fuentes de
energías convencionales a la implementación de energías renovables, por lo que existe una
labor investigadora y esfuerzo importantes en desarrollar combustibles similares a los
fósiles que les puedan sustituir en un futuro. La creación de plantas que producen
biodiesel, homólogo al gasóleo, es, por tanto, una tecnología cada vez más experimentada
y con gran implementación en muchos países que han ya han encontrado los beneficios de
esta alternativa (Pousa 2007).
53
En la Figura 10 se muestra un esquema de una planta de producción de biodiesel
convencional como la que se implementará en el Plan.
Figura 10. Esquema de una planta convencional de producción de biodiesel.
(http://www.a-campo.com.ar).
6.5.1. Ventajas e inconvenientes del uso de biodiesel
La principales ventajas que se pueden obtener del uso de biodiesel son las siguientes:
La energía específica es un 5% menor que la del gasoil, pero la diferencia se
compensa con una elevada lubricidad (favorece el circuito de almacenamiento y de
la bomba de inyección), por lo que se alarga la vida útil del motor.
Se genera un incremento en la actividad agrícola e industrial.
Los motores diesel convencionales no requieren modificaciones y son menos
ruidosos.
Independiza a los países agroproductores del abastecimiento de combustibles
fósiles.
Es más seguro su transporte y almacenamiento debido a su elevado flashpoint y se
reduce el riesgo de explosiones.
Constituye una fuente de energía renovable y limpia.
Alta biodegradabilidad.
Al casi no contener Azufre (inferior al 0,1%) permite el uso de catalizadores para la
mejora de la combustión y minimización de gases de escape: un 55 % menos de
contaminación.
Efecto positivo sobre el ciclo del carbono: emisión de CO2 neutra.
Generación de subproductos como la glicerina, fertilizante, etc.
No contiene hidrocarburos policíclicos.
Los principales inconvenientes detectados son, a saber:
Existen muchas incertidumbres sobre si será posible llevar a cabo una sustitución
total del gasóleo por biodiesel.
Los aceites de origen vegetal tradicionalmente usados para la producción del
biodiesel como son la colza, soja, palma o girasol, son un recurso limitado y
controlado por unos pocos países a través de grandes corporaciones perpetuando el
54
modelo de monopolio actual con las fuentes de energía fósiles; sin embargo su
extensión a otros países es cuestión de esfuerzos e inversiones que creen una
infraestructura estable.
Como se recoge en las últimas reflexiones de la FAO, la utilización de aceites de
uso alimentario para la producción de energía está creando un aumento de precios.
Las principales víctimas de esta situación son los países en vías de desarrollo, por
lo que hay que establecer medidas suficientes para evitar que repercuta en el
bienestar social de estos países.
El biodiesel se degrada a partir de un periodo desde su almacenamiento de 6 meses,
por lo que su consumo debe ser continuo y hay que establecer periodos de
almacenamiento controlados.
6.5.2. Integración de la planta de biodiesel en el plan
La planta de biodiesel necesaria para satisfacer las demandas de biocombustible que
se tienen en la comarca tendrá que producir una cantidad de 47,17Ml de biodiesel anuales,
teniendo en cuenta los autoconsumos de la planta; lo que implica una cantidad de hectáreas
necesarias para cultivo de soja de 50.979ha, por lo que habrá que añadir 6.703ha a las
destinadas a pastos para conseguir el número de hectáreas totales; esto teniendo en cuenta
que se dispondrá de un stock del 2% anual de almacenaje en el caso de que existan picos
de demanda.
Los requerimientos de la planta de biodiesel serán por tanto de:
50,51Ml de aceite de soja para la producción íntegra del biodiesel.
130.343MWth/año de vapor producido en la caldera alimentada por astillas
de chopo.
3.772MWeh/año de electricidad para abastecer la demanda energética que
incluye los gastos de la producción y prensado de la materia prima.
La mayor parte de la producción eléctrica se debe a la generación con motores de
biodiesel, por lo que será una industria importante con los aspectos positivos sociales y
económicos que conlleva, ya que supondrá un gran valor añadido para la comarca. Su
situación estratégica en el centro de la comarca la hará un punto clave y prácticamente
equidistante a la gran mayoría de cultivos existentes en la zona, a la vez que accesible. Se
tendrá en cuenta para su implementación la formación del personal a cargo de la planta.
6.5.3. Integración de los motores a biodiesel en el Plan
Parte de las demandas eléctricas de la población del centro y la totalidad de la
demanda eléctrica de la población sur, serán abastecidas por motores diesel estáticos
alimentados mediante el biocombustible producido a partir de los cultivos energéticos de
soja. Los rendimientos eléctricos actuales de la mayoría de estos motores son mayores al
40% por lo que tienen un gran potencial para ser utilizados en esta zona vistos los recursos
existentes. La principal ventaja en este caso concreto es que ya existe una infraestructura
basada en motores estáticos de gasóleo, por lo que el biodiesel producido se puede utilizar
directamente en estos equipos. Además, hay que tener en cuenta, que los requerimientos de
55
electricidad para la agricultura también está basado en la alimentación a partir de
motores, ya que la red eléctrica no tiene alcance como para abastecer las demandas
agropecuarias localizadas a lo largo de todo el territorio de la comarca.
Una gran parte de estos motores estarán destinados a proporcionar electricidad para la
red eléctrica, ya que se trata de construir un cableado en el cual un 70% de la demanda
anual sea proporcionada por los motores de biodiesel, que tendrán una actividad reguladora
de la demanda para ser accionados trabajando a plena potencia en los momentos de
demanda máxima (que se estima que será de un 170% respecto a la media anual), por lo
que se tendrá en cuenta a la hora de calcular el número de motores que deberán trabajar
simultáneamente en el cálculo de la potencia total instalada en la sección 9.
6.6. Generación de biogás
La generación de biogás a partir de residuos es una forma limpia y renovable de
energía que puede sustituir el papel de las fuentes fósiles convencionales en muchos casos,
además de presentar las ventajas medioambientales que implica la gestión de residuos que
de otra forma podrían afectarnos negativamente. A pesar de sus numerosas ventajas, el
potencial de la tecnología del biogás todavía no está siendo explotado al máximo, ya que
requiere todavía de investigación que optimice su producción y de mayor aceptación
social, especialmente en el caso de las zonas rurales, donde su implementación directa
puede ser una solución a demandas energéticas insatisfechas por otras vías (Santosh 2004).
Las instalaciones de producción de biogás a partir de residuos como los que se
contemplan en este caso son relativamente sencillas y requieren poca inversión, ya que se
trata de construir una cavidad en la que se lleve a cabo la biometanización de la materia
orgánica a través de un proceso de fermentación anaerobia. La instalación prevista para un
caso como el que se contempla en este proyecto consistiría en un esquema como el de la
Figura 11.
56
Figura 11. Esquema de instalación de generación de biogás a partir de residuos
(http://www.biodisol.com).
6.6.1. Ventajas e inconvenientes del uso de biogás
Las principales ventajas a tener en cuenta son:
La conversión de residuos orgánicos en fertilizantes. Los lodos que se
obtienen como subproducto suponen un fertilizante natural, de alta calidad
rico en nitrógeno y libre de aditivos químicos sintéticos.
Puede sustituir otras fuentes de energía convencionales empleándose para
producir electricidad o demandas térmicas. Esto se puede traducir en ventajas
higiénicas sobre todo en comunidades rurales, ya que se evitan las partículas
y humos que se producen en la quema de leña. Esto se traduce en una
disminución de afecciones cardiorespiratiorias y sintomatologías asociadas al
uso de leña.
Se previenen los problemas que pueden causar la no gestión de los residuos,
ya que van asociados a la germinación de agentes patógenos causantes de
enfermedades complicadas como el cólera, la fiebre tifoidea y paratifoidea y
la disentería.
Mejoras medioambientales en una escala global, ya que se evitan emisiones
de gases de efecto invernadero a la atmósfera.
Se preservan otras fuentes de energía convencionales y se protege la calidad
del suelo y de los acuíferos.
Los principales inconvenientes detectados son:
Requiere de un seguimiento y control de la seguridad de la instalación
importantes, ya que el metano, que es el principal componente del biogás, es
altamente inflamable.
La tecnología carece de aceptación social completa y esto supone una barrera
importante a la hora de implementarla en las inmediaciones de las
poblaciones.
Llevado a pequeña escala puede suponer más una solución medioambiental
antes que un proceso del cual obtener una rentabilidad positiva, ya que tiene
asociado costes de transporte, almacenamiento y manipulación complejos.
6.6.2. Integración de la generación de biogás en el Plan.
La instalación necesaria para llevar a cabo la biometanización de los residuos que se
van a tratar, estará en cercana a la actividad de la estación depuradora, por lo que se deberá
desempeñar una actividad logística de transporte a la central desde la depuradora, la
industria quesera y los puntos de estabulación desde los que se va a recoger el residuo
originado por las diferentes actividades ganaderas. Con esta acción se evitarán problemas
como los comentados en la sección anterior y además se dará salida a un residuo que será
tratado como un subproducto del cual se pueden obtener los consiguientes beneficios
higiénicos además de su revalorización energética. Adicionalmente, se podrán emplear los
57
lodos producidos tras la fermentación anaerobia del residuo para la fertilización de
diferentes actividades agrícolas.
La generación de biogás vendrá dada en función de la cantidad de residuos que
entran y se estima que llegue a generar un total de 773.850m3/año. En este punto existe una
posibilidad de repontenciación de la capacidad de producción de electricidad a partir de
residuos orgánicos, ya que sólo se están empleando las aguas fecales de dos de las
poblaciones más grandes y nada de la industria lechera, ya que no se dispone de datos
concretos de su situación. La ampliación de estas instalaciones es relativamente sencilla y
puede ser una nueva solución para futuros planes de acción en el territorio. Las cantidades
de biogás generadas a partir de los recursos disponibles se recogen en las tablas
presentadas en la sección 6.10.
6.6.3. Integración de los motores a biogás en el Plan.
En la situación en la que se encuentra la comarca, se gestionan las aguas fecales de
las dos poblaciones principales en depuradora. La salida que se propone para el
aprovechamiento de este residuo y de residuos ganaderos y de la industria quesera local, es
el establecimiento de una pequeña instalación productora de biogás que alimente un motor
para producción de electricidad a inyectar a la red. Pese a que la generación será pequeña,
se contribuye a la diversificación y a la gestión más eficiente de este tipo de residuos que
pueden tener consecuencias medioambientales graves si no se tratan correctamente. En una
zona rural con infraestructuras básicas y deslocalizadas es importante llevar a cabo este
tipo de medidas para evitar un impacto negativo sobre el medio y sobre la salud e higiene
de sus poblaciones.
En total los motores a biogás deberán generar 972MWeh/año.
6.7. Calderas domésticas
La mejor alternativa actualmente para zonas rurales en las que abundan los recursos
de biomasa y en los que resulta sencillo obtener energía a partir de la materia prima
obtenida en explotaciones forestales, es el uso de calderas alimentadas por biomasa (ya sea
en forma de serrín, de astillas o de pellets. Actualmente, la mayoría de las calderas
disponibles a nivel comercial pueden funcionar con diferentes tamaños de alimento y
poseen altos rendimientos de funcionamiento. Además existen diferentes tamaños y
potencias que pueden abastecer tanto a comunidades enteras como a usuarios individuales.
Este tipo de calderas presentan además como ventaja que son más silenciosas que las
convencionales ni son susceptibles de provocar un accidente, ya que lo más grave que
puede ocurrir durante su funcionamiento es que entren en parada si alguno de sus
componentes sufre una avería.
Las calderas de biomasa domésticas son, en general, un 20% más caras que las
calderas que utilizan combustibles convencionales, sin embargo el precio del combustible
es alrededor de la mitad, por lo que esto conlleva grandes beneficios económicos a largo
plazo y la amortización está asegurada.
58
6.7.1. Integración de las calderas domésticas de astillas en el Plan
Este punto es uno de los más complicados a la hora de establecer una estrategia de
sustitución de la infraestructura existente, ya que se trata de cambiar a nivel de usuario
(doméstico) todas las instalaciones de las viviendas de 60200 personas. La distribución de
las poblaciones y la propia arquitectura de las viviendas determinarán cuál es la mejor
opción en cada caso para llevar a cabo la instalación de calderas comunitarias o
individuales por vivienda. Esta parte del proyecto tendrá que llevarse a cabo de forma
progresiva y adaptándose en cada caso a la situación puntual de cada punto de demanda.
Las calderas empleadas utilizarán las astillas de madera de pino secadas previamente
en el secadero, de forma que se reducirán costes por transporte al distribuir el recurso seco.
En total se deberá instalar una potencia que satisfaga una demanda de 119.597MWth/año,
que provendrá de un total de 28.140t/año de astillas en base seca.
6.8. Red Eléctrica y Subestación
Uno de los vectores fundamentales para hacer llegar el bienestar social y la calidad
de vida a las zonas rurales es el acceso a la corriente eléctrica. Al esquema propuesto va
asociado un tendido eléctrico principalmente a la zona centro y la instalación de una
subestación eléctrica desde la cual se regule la generación para satisfacer la demanda
instantánea. El dimensionado de la planta de cogeneración depende totalmente de la
demanda, ya este tipo de tecnologías, pese a presentar una serie de ventajas como su alta
eficiencia o su fiabilidad, no son una instalación de gran flexibilidad en cuanto a cambios
bruscos en la generación, por lo que necesita asegurarse una demanda valle. El tendido
eléctrico juega, por tanto un papel clave en la viabilidad del esquema planteado y hace
posible el aprovechamiento de recursos madereros.
6.9. Resumen de distribución de recursos y satisfacción de las demandas
De todos los puntos anteriores, se puede establecer la estructura final de aprovechamiento
de los recursos que se han tratado y cómo se van a emplear en cada una de las instalaciones
a implementar en el Plan. A continuación, se presenta un resumen final recogido de los
puntos anteriores se ha distribuido en las Tablas 6.2, 6.3, y 6.4.
Además se adjuntan en las Figuras 12, 13 y 14, que muestran los recursos destinados a
cada uso particular:
Biomasa de soja
Biomasa de madera de chopo
Biomasa de madera de pino
Adicionalmente, se tiene también el aporte de cada uno de los residuos para formar el
biogás en la Figura 15 y en las Figuras 16 y 17 se recoge una comparativa entre la
situación previa a la implementación del plan y la situación tras su implementación en el
reparto de las tierras.
59
Tabla 6.2. Distribución, usos y destinos de la utilización de la biomasa del cultivo energético de soja.
ENERGÍA PRIMARIA
RECURSO TRANSFORMADO
CANTIDAD
UN
IDA
DES
DESTINO ENERGÍA PRODU-
CIDA CANTIDAD
UN
IDA
DES
DESTINO ENERGÍA
PRODUCIDA CANTIDAD
UN
IDA
DES
TRANSFORMA-
CIÓN
BIOMASA SOJA
(ACEITE) (44.276 ha + 6.703 ha)
PREN
SA
ACEITE DE SOJA 50,51
Ml/
año
PLANTA BIODIÉSEL
BIODIÉSEL
13,56
Ml/
año
MOTORES DIÉSEL η=0,38
ELECTRICIDAD 58.669
MW
eh/año
24,17 TRANSPORTES
6,44 AGRICULTURA
1,64 CULTIVO
ENERGÉTICO DE CHOPO
0,90 STOCK 2%
0,46 ASTILLADO FORESTAL
60
Tabla 6.3. Distribución, usos y destinos de la utilización de la biomasa proveniente de residuos.
ENERGÍA PRIMARIA RECURSO
TRANSFORMADO CANTIDAD
UN
IDA
DES
DESTINO ENERGÍA
PRODUCIDA CANTIDAD
UN
IDA
DES
DESTINO
TRANSFORMACIÓN
RESIDUOS GANADEROS
(1.050 t/año)
PROCESO DE BIOMETANIZACIÓN
(DEPURADORA) BIOGÁS 773.850
m3/año
MOTOR DE BIOGÁS η=0,30
ELECTRICIDAD 972
MW
eh/año
RED ELÉCTRICA
RESIDUOS URBANOS
(1.066 t/año)
RESIDUOS INDUSTRIA QUESERA (95 t/año)
61
Tabla 6.4. Distribución, usos y destinos de la utilización de la biomasa de la madera de pino y de la madera de chopo.
ENERGÍA PRIMARIA RECURSO
TRANSFORMADO CANTIDAD
UN
IDA
DES
DESTINO ENERGÍA
PRODUCIDA CANTIDAD
UN
IDA
DES
DESTINO
TRANSFORMACIÓN
BIOMASA DE
MADERA DE CHOPO (2.711 ha)
ASTIL
LAD
O IN
SIT
U
ASTILLAS DE CHOPO 24.345
t/año (
base
seca)
CALDERA PLANTA BIODIÉSEL
η=0,85 VAPOR 130.243
MW
th/año
PLANTA BIODIÉSEL
ASTILLAS FORESTALES
ADICIONALES DE CHOPO
2.179
SERRÍN DE CHOPO 12.352
ELECTRICIDAD 18.890
MW
eh/año
RED ELÉCTRICA
COGENERACIÓN
BIOMASA DE
MADERA DE PINO (40.400
ha)
ASERRAD
ERO
SERRÍN DE PINO 14.400
η=0,75
AGUA PARA DEMANDA TÉRMICA
45.424
MW
th/año
SECADO DE MADERA Y ASTILLAS
FORESTALES
21.851 CALOR
RESIDUAL
ASTILLAS FORESTALES
1.238 CALDERA INDUSTRIA
LECHERA η=0,85 VAPOR 5.263
INDUSTRIA LECHERA
1.743 CALDERA INDUSTRIA
QUESERA η=0,85 VAPOR 7.408
INDUSTRIA QUESERA
SECAD
O
TABLEROS 30.000 EXPORTACIONES
ASTILLAS FORESTALES
23.919 CALEFACCIÓN Y COCINA
CENTRO
4.221 SUR
62
Figura 12. Distribución del recurso de biomasa proveniente del cultivo de soja.
Figura 13. Distribución del recurso de biomasa proveniente del cultivo de madera de
chopo.
29%
51%
14%
3% 2% 1%
DISTRIBUCIÓN BIOMASA SOJAMOTORES DIÉSELη=0,38
TRANSPORTES
AGRICULTURA
CULTIVO ENERGÉTICO DE CHOPO
STOCK 2%
ASTILLADO FORESTAL
68%
32%
DISTRIBUCIÓN BIOMASA MADERA DE CHOPO
CALDERA PLANTA BIODIÉSELη=0,85
COGENERACIÓN η=0,75
63
Figura 14. Distribución del recurso de biomasa proveniente de madera de pino.
Figura 15. Aporte de residuos para formación del biogás.
19%2% 2%
40%
37%
DISTRIBUCIÓN BIOMASA MADERA DE PINO
COGENERACIÓN η=0,75
CALDERA INDUSTRIA LECHERA η=0,85
CALDERA INDUSTRIA QUESERA η=0,85
EXPORTACIONES
CALEFACCIÓN Y COCINA
48%
48%
4%
DISTRIBUCIÓN RESIDUOS PROCESO DE BIOMETANIZACIÓN
RESIDUOS GANADEROS
RESIDUOS URBANOS
RESIDUOS INDUSTRIA QUESERA
64
Figura 16. Distribución de las tierras por actividades inicialmente.
Figura 17. Distribución de tierras por actividades tras la implementación del plan.
36%
18%
30%
16%
DISTRIBUCIÓN TIERRAS - INICIAL
Bosque Maderable
Pastos
Agricultura
Tierras sin Uso
2%
24%
12%
27%
4%3%
12%
16%
DISTRIBUCIÓN TIERRAS - PROPUESTA
Biomasa de Chopo
Biomasa Bosques Maderables
Bosques Maderables Sin Uso
Cultivos de Soja
Cultivos Adicionales
Cultivos Alimentos
Pastos
Tierras Improductivas
65
7. ASPECTOS AMBIENTALES
7.1. EMISIONES
La problemática ambiental figura como uno de los temas más importantes a nivel global.
Existen ya diversas políticas e iniciativas que tienen como objetivo combatir el “efecto
invernadero.”
Las emisiones totales de cada país son calculadas mediante una metodología pre acordada
que permite una cuantificación del total emitido así como detectar los sectores con mayor
impacto dentro de la economía. Si las cantidades calculadas se dividen por la población se
obtiene un valor medio que representa la huella de carbono promedio nacional por
habitante.
Cabe destacar que cuando hablamos de gases de efecto invernadero (GEI) nos referimos a
CO2 equivalente (CO2 eq), que incluye los seis gases de efecto invernadero recogidos en
el Protocolo de Kioto: dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido de nitrógeno
(N2O), hidrofluorocarburos (HFC), perfluorocarburos (PFC) y hexafluoruro de azufre
(SF6).
7.1.1. Tipo de emisiones de GEI
Las emisiones de GEI asociadas a una actividad se pueden clasificar según se trate de
emisiones directas o emisiones indirectas. Las emisiones directas corresponden a aquellas
fuentes que posee o controla el sujeto que genera la actividad.
Por otro lado, las emisiones indirectas son consecuencia de las actividades que realiza el
sujeto, pero que tienen lugar en fuentes que posee o controla otro sujeto.
7.1.2. Alcances según el tipo de emisión:
- Emisiones directas
Incluye las emisiones directas que proceden de fuentes que posee o controla el sujeto que
genera la actividad. Por ejemplo, este grupo incluye las emisiones de la combustión de
calderas y de vehículos, etc. que el propio sujeto posee o controla.
- Emisiones indirectas de la generación de electricidad y de calor
Comprende las emisiones derivadas de la generación de electricidad comprada y del calor
consumido por el sujeto. Las emisiones de la electricidad y el calor adquiridos se producen
físicamente en la instalación donde la electricidad o el calor son generados.
- Otras emisiones indirectas
Incluye el resto de emisiones indirectas que se dan como consecuencia de las actividades
del sujeto, pero provienen de fuentes que no son poseídas o controladas por el sujeto.
Algunos ejemplos de actividades de son la extracción y producción de materiales
adquiridos, los viajes de trabajo, el transporte de materias primas, de combustibles y de
productos (por ejemplo, actividades logísticas) o la utilización de productos o servicios
ofrecidos por otros.
66
7.1.3. Beneficios
La bioenergía y en particular el biodiesel de soja - ocupan un lugar relevante entre las
energías limpias de transición. Existen diversos motivos que impulsan la producción de
biodiesel de soja:
- Reducción en las emisiones de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero
causantes del calentamiento global.
- Posibilidad de responder al agotamiento de las fuentes de combustibles fósiles frente al
crecimiento continuo de la demanda, diversificando la matriz energética, contribuyendo a
la seguridad energética y constituyéndose en la oportunidad más significativa para
crecimiento del sector agrícola en esta nueva década.
- Promoción de “energías limpias de transición”, adaptadas a las tecnologías actuales,
evitando grandes modificaciones en los motores que utilizan combustibles fósiles.
7.1.4. Cálculos de emisiones
Se determina la producción de GWh/año en la comunidad, tal como se detalla en la tabla a
continuación:
Tabla 7.1. Cálculos de emisiones.
elemento GWh/año
LECHERIA 5,3
QUESERIA 7,4
CALEFACC 90,3
COCINA 29,3
PLANTA BIODIESEL 130,2
PLANTA ORC 113,7
TOTAL 376,21
A partir de la producción GWh/año, se calculan las toneladas de NOx emitidas,
considerando los siguientes ratios:
Emisiones en toneladas (por GWh producido)
FUENTE CO2 NOX SO2 PARTÍCULAS CO
Biomasa 0,00 0,61 0,15 0,51 11,36 Fuente: Iberdrola
Entonces:
Emisiones NOx = 376,21 · 0,61 = 230,99 t/año
Emisiones SO2 = 376,21 · 0,15 = 57,94 t/año
67
8. ASPECTOS SOCIALES
8.1. CÁLCULO DEL EMPLEO NETO DIRECTO GENERADO
RECOGIDA Y TRANSPORTE DE ASTILLAS FORESTALES
Durante 7 meses:
1 encargado+0,5 administrativo+ (4 empleos x 10horas/turnos de 8 horas) camioneros =
= 6,5 empleos.
Durante 6 meses:
(3empleos x 10 horas/ turnos de 8 horas) personas en cada astilladora y tractores servidores
=
= 3,75 empleos.
Total de empleos directos: 10,25 empleos netos directos.
RECOLECCIÓN Y TRANSPORTE DE CULTIVO DE SOJA PARA BIODIESEL
Tal y como se ha presentado anteriormente, se precisarán 50.979 ha para el cultivo
de la soja para biodiesel, de las que 6.702,69 ha serán nuevas en zonas de pasto.
Para el cálculo del empleo neto generado por esta actividad se considera el mismo
ratio existente que para el cultivo del cereal (1 empleo directo por cada 150 ha) y sólo se
tiene en cuenta la nueva superficie a implementar ya que el resto es superficie sustituida.
De esta forma, la estimación de empleo directo es:
6.702,69 ha /150 ha/empleo= 44,7 empleos directos netos
CULTIVO DE CHOPO PARA BIOMASA
Se ha calculado en base a los siguientes supuestos:
1 ingeniero agrónomo para dirección del cultivo (podría compartir su tiempo
con otros cultivos) a tiempo total. Se supone que una persona dedica 1.700
h/año y se tienen 2.711,42 ha cultivadas, teniendo un rendimiento de 2,80
h/ha·año.
20 h/ha·año para seguimiento y labores del cultivo por personal cualificado.
1,2 h/ha·año, para recolección de la biomasa (3 personas, 1,2h cada tres
años).
Se desconsideran las partidas para el destoconado y otras.
68
Suponiendo un trabajo anual de 1.700h/persona, sabiendo que para el cultivo del
chopo se tienen 24 h/ha·año, el empleo directo neto sería:
2.711,42 ha x 24 h/ha·año /1.700h/año= 38,28 empleos netos directos.
COMPLEJO DE COGENERACIÓN Y SECADO DE ASTILLAS
En el complejo trabajarían:
1 técnico responsable a tiempo completo.
1 técnico de mantenimiento a tiempo completo.
1 operario especializado en el control de la planta, a tres turnos, durante 6.500
h/año.
2 operarios a tres turnos, 6.500 h/año.
1 administrativo al 50% de su tiempo.
Por ello, suponiendo 1.700h de trabajo anual, el empleo directo creado en la planta
será de:
1empleo+1empleo+3 empleos (6.500/1.700)+6 empleos x (6.500/1.700)+0,5
empleos =
= 36,91 empleos directos netos.
PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL
En esta planta trabajaría el siguiente personal:
1 jefe de planta a tiempo completo.
1 personal especializado para el control de la planta.
1 encargado de mantenimiento a tiempo completo.
1 administrativo al 50%.
1 operario a tres turnos a tiempo completo.
Por tanto, el empleo directo generado por esta planta sería de: 4,5 empleos netos
directos.
CALDERAS DE BIOMASA DEL SECTOR DOMÉSTICO
Suponiendo que existen tres empresas para efectuar los servicios de calefacción al
sector doméstico, el empleo directo creado sería el siguiente:
3 administrativos durante 6 meses (1 antes y otro después del periodo de calefacción)
25 empleados de distribución durante cuatro meses al año.
7 empleados de mantenimiento durante 4 meses al año
6 empleados de mantenimiento e instalación (2 por cada empresa) a tiempo completo.
69
Número total de empleos directos generados: (3 x 0,5) + (32/3)+ 6= 18,16 empleos
netos directos.
8.2. CÁLCULO DEL EMPLEO INDIRECTO GENERADO
Se ha de aclarar que, se entiende como empleo indirecto todo puesto de empleo
perteneciente a otro sector que no se corresponda con las actividades biomásicas pero que
se ve afectado por la misma.
Para calcular los empleos indirectos se supone que por cada empleo directo
generado, se generan entre tres y cuatro empleos indirectos. De esta manera, si se generan
153 empleos directos, se generarán 612 empleos indirectos.
A continuación, se muestra una tabla resumen con la totalidad de los empleos, tanto
directos como indirectos que se generarían, fruto del sistema propuesto que se expone en el
presente pre-estudio. Se puede observar que gracias al nuevo sistema eléctrico que se
expone en la zona, el empleo neto se ve incrementado, por lo tanto, fomentaría el
desarrollo económico de la misma, Cabe señalar, que el beneficio respecto a la tasa de
empleo sería incluso mayor que lo que en estos cálculos se recoge puesto que no se están
contabilizando los empleos inducidos.
Tabla 8.1. Empleos netos generados mediante la implantación del sistema propuesto
CATEGORÍA EMPLEOS
Empleos netos directos generados 153
Recolección y transporte de las astillas forestales 10,25
Recolección y transporte de cultivo de soja para biodiesel 44,7
Cultivo de chopo para biomasa 38,28
Complejo de cogeneración y secado de astillas 36,91
Planta de producción de biodiesel 4,5
Implantación de calderas de biomasa en el sector doméstico 18,16
Empleos netos indirectos generados 612
NÚMERO TOTAL DE EMPLEOS NETOS GENERADOS 765
70
9. ASPECTOS ECONÓMICOS
9.1. RECOGIDA Y TRANSPORTE DE ASTILLAS FORESTALES
Supuestos
Se supone que el ciclo de vida de la explotación maderera es de 60 años a lo largo de
los que se producen un promedio de 0,7 t/ha·año, de esta manera, los residuos forestales
que se generan serán los siguientes:
0,7 t/ha·año x 60 años= 35 t de residuos forestales (base seca).
Se supone que a lo largo de los 50 años se realizan tres operaciones silvícolas, a los
20, 35 y 60 años de la plantación, siendo la última de ellas la corta final. En estas
operaciones se recogen las siguientes cantidades de residuos:
1ª operación: 10 t/ha de residuos (base seca).
2ª operación: 10 t/ha de residuos
3ª operación: 15 t/ha de residuos
Se emplea para la operación de astillado de los residuos una astilladora móvil sobre
plataforma propulsada con un tractor forestal con las siguientes características:
Potencia total (tractor+astilladora): 550CV. Astilladora con toma de fuerza del
tractor
Rendimiento: 10t/h. astillas (secas) y 20t/h de astillas húmedas (50% humedad)
Consumo medio: 150 l/h en astillado y 60 l/h moviéndose, pero sin astillar. En
promedio está 40 minutos astillando y 20 sin astillar.
La astilladora trabaja con dos tractores de 100CV con su correspondiente remolque
para la saca de las astillas hasta las pistas, dónde son cargadas en camiones para su
transporte.
Los camiones de transporte son de 400CV, con autocargador, caja elevada y
remolque. Se parte de los siguientes supuestos:
Pueden transportar cada vez 10 t de astillas (base seca).Consumo medio: 50 l/100 km.
Cálculo de costos de inversión inicial
Si suponemos una actuación sobre la totalidad de la superficie que finalmente hemos
decidido actuar para explotación maderera y recolección de residuos, 40040 ha, la
producción anual promedio total de astillas, como ya hemos visto, será de:
40.040ha x 0,7 t (b.s.)/año= 28.028 t astillas base seca
71
Suponiendo que la astilladora trabaja seis meses al año (en invierno y días lluviosos
no se puede trabajar con maquinaria pesada), 10 horas al día, la cantidad de residuos
forestales astillados por una astilladora será:
10t/h x 10h/día x 25 días/mes x 6meses/año= 15.000t/año de residuos (base seca).
Con respecto a los camiones de transporte realizan cada día cuatro viajes desde el
monte a la planta astilladora, con un recorrido medio (ida y vuelta) de 30 km. y siete meses
de trabajo al año. Por tanto, cada camión transporta anualmente:
10 t astillas (base seca)/viaje x 4 viajes/día x 25 dias/mes x 7 meses/año =
=7.000 t astillas (base seca)/año
Luego para el astillado y transporte de los residuos forestales para su uso energético,
se precisarán adquirir dos astilladoras y cuatro tractores de 100CV con remolque, así como
cuatro camiones con remolque con autogargado.
Finalmente, será preciso la adquisición de una destoconadora, para remover tocones
al final de cada ciclo. Este equipo también será utilizado para el destoconado del chopo
(ver más adelante). Se necesitan dos si suponemos que se van a replantar unas 3.000
ha/año. En la tabla que se expone a continuación, se compilan estos costos.
Tabla 9.1. Costos de inversión inicial de la recolección y transporte de las astillas
forestales
SUMINISTRO IMPORTE
€
Astilladoras (2 unidades a 280.000€ cada una) 560.000
Tractor con remolque (4 unidades a 115000€ cada uno) 460.000
Camiones para transporte de astillas (4 unidades a 220.000€cada uno) 880.000
Destoconadora (2 unidades a 63.000€) 126.000
TOTAL 2.026.000
72
Figura 18. Camión con remolque para el transporte de astillas forestales
Figura 19. Astilladora móvil autopropulsada y con plataforma giratoria con descarga
a tractor con remolque.
9.2. RECOLECCIÓN Y TRANSPORTE DE CULTIVO DE SOJA PARA
BIODIESEL
Cálculo de los costos de inversión inicial
No se consideran costos de inversión inicial dado que se utilizaría la misma
maquinaria que para el cereal, optimizando el uso de la misma, si bien sería previsible a
corto plazo una inversión importante para modernización de maquinaria.
73
9.3. CULTIVO DE CHOPO PARA BIOMASA
Cálculo de los costos de inversión inicial
Como ya se ha mencionado, será precisa la implementación del cultivo del chopo en
la región, por un total de 2.711,42ha.
Para llevar a cabo las operaciones del cultivo de este cultivo se han estimado como
gastos necesarios la adquisición de cabezales para la plantación y la recogida periódica de
la biomasa. Otros equipos necesarios, tales como tractores de cabezales y tractores con
remolque podrían utilizarse los agrícolas o forestales ya existentes o adquiridos en otros
capítulos, que se compatibilizarían con estas nuevas operaciones, que son llevadas a cabo
en invierno. Asimismo, se utilizaría la maquinaria forestal para el destoconado. Se
considera una partida razonable para, en su caso, el establecimiento de infraestructuras
para riego de bajo coste.
La maquinaria de plantación serán cabezales específicos acoplados a tractores
agrícolas o forestales existentes, de 200 a 400CV. Cada máquina de recolección tendrá
como servidores dos tractores de 100CV, con remolque.
Considerando rendimientos medios de la plantación y recolección de 0,8 y 1 ha/h,
respectivamente y que estas operaciones se realicen cada 16 y 3 años, respectivamente
(ciclo de 16 años entre la plantación y el destoconado), durante tres meses al año, 25 días
al mes, 10h al día, el número de cabezales de plantación y recolección a adquirir sería de:
Cabezales de plantación:
El establecimiento inicial de las plantaciones se haría en tres años (igual al turno de
corta), por lo que el número de horas a trabajar para llevar a cabo la plantación inicial con
el rendimiento de los cabezales a adquirir sería de:
2.711,42ha/3años/0,8h/ha= 1.129,76h/año de trabajo.
El número de horas de trabajo anual de cada cabezal sería de: 3 meses/año x 25
días/mes x 10 h/día=750 h/año
Haría falta invertir, por tanto, en 2 cabezales de recolección que adquiriríamos
modulable (e.g. cabezal STEP de Salixphere), para posibles futuras ampliaciones.
Cabezales de recolección:
Análogamente y teniendo en cuenta que la recolección se hace cada tres años,
tendríamos:
2.711,42 ha/3años/1 ha/h= 903,80 h de trabajo al año de recolección.
Por lo que también necesitaríamos dos cabezales para efectuar este trabajo.
74
Se tendrían así, los costos de inversión específicos principales que se describen en la
siguiente tabla:
Tabla 9.2. Costos de inversión inicial para el cultivo del chopo (2.711,42ha)
SUMINISTRO IMPORTE
€
Establecimiento de riego (1.200€/ha) 3.253.704
Cabezales de plantación (2 unidades a 40.000€) 80.000
Cabezales de recolección (2 unidades a 130.000€) 260.000
TOTAL 3.593.704
Figura 20. Detalle de una plantadora de chopo para biomasa
Figura 21. Recolectora astilladora de chopo energético. Gerona, 2010.
75
9.4. COMPLEJO DE COGENERACIÓN Y SECADO DE ASTILLAS
Bajo un punto de vista de utilización energética de la biomasa, en este complejo se
lleva a cabo la generación de electricidad en la planta ORC y, mediante cogeneración, el
secado de las astillas forestales y de chopo para uso doméstico, desde un grado de
humedad del 40% hasta el 15%. Está integrado por la planta ORC, de 3,15MW de potencia
bruta, así como de una astilladora fija, con cribas para la producción de astillas de un
tamaño de 2-3 cm, a partir de las astillas forestales, de 8-10cm. Por último, el complejo
estará integrado por un secadero de bandas acoplado a la planta de astillado. Tanto la
astilladora como la turbina irán instaladas al exterior.
Dado que el tiempo de funcionamiento anual de la planta ORC ha sido estimado en
6.500h, el dimensionamiento de los equipos de astillado y secado ha sido realizado
teniendo en cuenta esa circunstancia, por lo que tendrán, dado que se tratarán al año
46.713,3 t de astillas húmedas (40% humedad) tendrán que tener cada uno una capacidad
de tratar al menos 46.713,3t/6.500h=7,19 t/h de astillas húmedas.
De acuerdo a los anteriores supuestos se presentan a continuación los principales
costos de inversión inicial del complejo.
Costos de inversión inicial
Para el cálculo de estos costos se ha supuesto que los terrenos son cedidos de
propiedad pública, por lo que su costo es nulo.
Tabla 9.3. Costos de inversión inicial del complejo de cogeneración
COMPONENTE IMPORTE
€
Turbina de 3,15MW 2.360.000
Caldera 2.600.000
Astilladora fija con criba, con un rendimiento de 8 t/h 80.000
Secadero (secado de unas 63.000 t astillas/año para uso doméstico) 480.000
Obra civil planta ORC 1.182.000
TOTAL 6.702.000
Fuente: costos de la planta ORC adaptados de “Application of ORC Units in Sawmills.
Technical-economic considerations. Turboden (2.008) Se puede obtener en la siguiente
dirección: http://www.turboden.eu/it/public/downloads/. Los costos del secadero y
astilladora según ofertas de fabricantes.
76
Figura 22. Planta ORC en cogeneración, con secadero de bandas de madera
9.5. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL
Cálculo de la inversión inicial
Dado el consumo de biodiesel, la capacidad de producción de esta planta deberá ser
de unas 45.000 t/año. En la tabla se estiman los costos de inversión inicial para la
construcción de la planta, teniendo en cuenta, como en el caso anterior, que los terrenos
sean de cesión pública.
Tabla 9.4. Costos de inversión inicial en la planta de biodiesel
COMPONENTE IMPORTE
€
Obra civil 360.000
Ingeniería 1.114.000
Equipos instalados 15.120.000
Otros costos e imprevistos (20%) 3.319.000
TOTAL 19.913.000
Fuente: elaborado a partir de datos del PER 2005-2010 y del estudio “DISEÑO
CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE BIODIESEL”
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MECÁNICO
JÉRÔME HERVÉ LAMOUREUX. Santiago de Chile, 2007
77
9.6. CALDERAS DE BIOMASA DEL SECTOR DOMÉSTICO
Cálculo de la inversión en equipos de calefacción (calderas)
Se instalarán calderas colectivas en las viviendas e individuales en las casas
aisladas. Se precisa conocer en cada caso número de calderas a instalar y su potencia.
Se procede a calcular, en primer lugar, el número de casas existentes y, por tanto, el
número de calderas a instalar. Se supone que la población que utiliza calefacción eléctrica
vive distribuida más o menos uniformemente en estas viviendas.
Calderas de comunidades:
(60200 hab x 0,25)/48 hab/vivienda= 314 viviendas aproximadamente instalarán calderas
colectivas.
A continuación, se procede a calcular la potencia de la caldera a instalar en cada
casa, utilizando las cifras de consumo diario por vecino y suponiendo un tiempo medio de
calefacción de 9 horas/día. Además se tiene en cuenta que sólo el 90% de los vecinos
utilizan este tipo de calefacción por biomasa. Por tanto, la producción horaria de la caldera
será:
(48hab/vivienda) x 0,9 x 45 MJ/día.hab /9) / (3,6 MJ/kWh)= 60 kW
Teniendo en cuenta un rendimiento de 0,85 e incrementando en un 20% su potencia
para poder asumir demandas pico, tendríamos:
(60kW/0,85) x 1,2= 85kW aproximadamente
Procediendo análogamente para el cálculo de las calderas de la población que vive
en casas individuales, resultaría que se precisarían instalar 5.890 calderas de 15kW de
potencia cada una.
Teniendo en cuenta que el costo medio de inversión estimado de las calderas,
incluida la instalación, es de 300€/kW para las calderas individuales y de 240€/kW para las
colectivas, el costo de inversión inicial en las calderas sería de:
(314 calderas x 85 kWh /caldera x 240€/kWh)+ (5.890 calderas x 15kWh/caldera x
300€/kWh)= 9.056.100 €.
Cálculo de la inversión en camiones de distribución y vehículos de mantenimiento
Teniendo en cuenta la dispersión de la población del sur y que se precisará reponer
el combustible de cada caldera y retirar sus cenizas cada mes durante el periodo de
calefacción, se estima que cada camión de distribución atenderá a 250 calderas (10
calderas diarias, suponiendo que trabaja también los sábados). Por ello, el número de
distribuidores se puede estimar en 25, cada uno con su camión de distribución.
78
En cuanto a la instalación y mantenimiento, se estima en que será llevada a cabo
por una persona por cada 500 calderas a instalar (la mitad que la distribución), lo que hará
necesario 13 vehículos, 6 vehículos ligeros y 7 furgonetas. Se asume que el transporte de
las calderas a instalar lo harán transportistas subcontratados fundamentalmente. Así, en la
siguiente tabla se resumen las principales inversiones en este apartado:
Tabla 9.5. Costos de inversión inicial en el sistema de calderas de calefacción doméstica
COMPONENTE IMPORTE
€
Calderas 9.056.100
Camiones de distribución de la biomasa con sistema neumático de
descarga (25 camiones a 230.000€ cada uno) 5.750.000
Vehículos y furgonetas para instalación y mantenimiento
(12.000€/vehículo y 20.000€/furgoneta) 212.000
TOTAL 15.018.000
9.7. MOTORES DE BIODIESEL
A la hora de estimar los motores de biodiesel necesarios, se ha de tener en cuenta que
se necesitarán, de forma adicional, un número de motores de biodiesel destinados a cubrir
los picos que se produzcan en la demanda eléctrica. Por lo tanto, se han de estimar también
aquellos motores necesarios para que el sistema eléctrico estimado tenga la capacidad
suficiente de potencia como para cubrir ese 170% de la demanda que se estima al principio
del proyecto.
En primer lugar, se ha de calcular la potencia instalada mediante los motores de
biodiesel, en función de sus horas de funcionamiento anuales. Para ello, se sabe que la
demanda eléctrica que se ha establecido que deben cubrir los motores de biodiesel en los
momentos normales de demanda es de 58.669 MWh/año y que funcionarán durante
horas/año, por lo tanto, la potencia instalada necesaria para ello será:
(58.669 MWh/año) / 7.000 horas = 8.381 MW
Por otro lado, la potencia total instalada del sistema será la suma de las potencias
instaladas mediante motores de biodiesel, motores de biogás y la planta de cogeneración.
De esta manera se tiene:
(58.669 MWh/año) / 7.000 horas + (972 MWh/año) / 6.000 horas + (19.869
MWh/año) / 6.500 horas = 11,6 MW
Si se ha estimar un 170% de potencia, se tendrá:
11,6 MW x 1,7 = 19,72 MW
De esta manera, se tiene que la demanda a cubrir con motores adicionales de
biodiesel será:
79
19,72 MW – 11,6 MW = 8,12 MW
Teniendo la potencia total a cubrir con los motores de biodiesel como la suma entre
la potencia instalada más la potencia necesaria para poder cubrir el 170% de la demanda,
se podrá calcular los motores de biodiesel de 200 kW necesarios para dicha necesidad:
8,38 MW + 8,12 MW = 16,5 MW
16,5 MW / (0,20 MW/motor) = 83 motores se necesitarán para cubrir la demanda en
los momentos pico (170%)
Costos de inversión inicial de motores biodiesel
Teniendo en cuenta que el costo unitario para motores de biodiesel de 200 kW es de
90.000 €, el costo de inversión inicial en motores de biodiesel sería de:
83 motores x 90.000 €/motor de 200 kW= 7.470.000 €.
A continuación, se expone un resumen con los costes que anteriormente se han
desglosado y el coste de la inversión total necesaria para la implantación del sistema
eléctrico propuesto:
Tabla 9.6. Tabla resumen de los costes de inversión
CONCEPTO IMPORTE
€
Costos de inversión inicial de la recolección y transporte de las astillas forestales 2.026.000
Costos de inversión inicial para el cultivo del chopo 3.593.704
Costos de inversión inicial del complejo de cogeneración 6.702.000
Costos de inversión inicial en la planta de biodiesel 19.913.000
Costos de inversión inicial en el sistema de calderas de calefacción domésticas 15.018.000
Costos de inversión inicial de motores biodiesel 7.470.000
IINVERSIÓN INICIAL TOTAL 54.722.704
80
Figura 23. Análisis de inversión.
Como se puede observar en el gráfico anteriormente expuesto, los mayores costes
son aquellos que corresponden a la planta de biodiesel y a la recolección y transporte de
astillas.
Una forma interesante de analizar los costes de inversión es su relación con el
empleo directo generado y con el número de habitantes que se tiene en la zona de estudio,
de esta manera se obtienen los siguientes ratios:
Cabe señalar, que en el presente análisis económico no se han reflejado los costes
asociados a la conexión a red. Se ha considerado que el presente análisis sólo debe reflejar
los costes puros de las instalaciones, pues el presente proyecto consiste en un pre-estudio
de viabilidad relativo a la implantación de tecnologías biomásicas y entendiendo que el
coste asociado a la conexión a red de las instalaciones sería más apropiado reflejarlo en la
fase posterior al presente pre-estudio, es decir, en el momento de realizar el proyecto.
No obstante, se ha optado por explicar brevemente como habría que analizar los
costes asociados a la conexión a red. Se han de considerar los aspectos que se enumeran a
continuación, conforme a lo establecido en la Orden ITC 3519/2009, de 28 de diciembre.
Alta tensión:
Derechos de acceso: 16,99 €/kW.
Derechos de extensión: 15,71 €/kW hasta un máximo de 250 kW.
Derechos de enganche: 79,49 €/actuación.
Baja tensión:
Derechos de acceso: 19,7 €/kW.
4%7%
12%
36%
27%
14%
COSTES DE INVERSIÓN
Recolección y transporte de las astillas forestales
Cultivo del chopo
Complejo de cogeneración
Planta de biodiesel
Sistema de calderas de calefacción domésticas
Motores de biodiesel
81
Derechos de extensión: 17,37 €/kW hasta un máximo de 100 kW.
Derechos de enganche: 9,04 €/actuación.
Conviene saber que los derechos tanto de acceso como de extensión, se conservan
durante 5 años en alta tensión y durante 3 años en baja tensión.
82
10. CONCLUSIONES
El estudio demuestra la viabilidad del abastecimiento energético integral de la región
con biomasas foráneas, mediante el uso de recursos y tecnologías existentes y ampliamente
utilizadas en el mercado. Incluso, en el caso del chopo para usos energéticos, existen ya tan
sólo en Europa unas 15.000 ha en explotación, siendo una especie cuyo cultivo, si bien
para usos madereros, está muy difundido en un gran número de países.
Bajo un punto de vista de la generación eléctrica, la creación de una red de
abastecimiento en la zona central de la región en la que se concentra la demanda, tal y
como se contempla en el Plan propuesto, se considera un requisito importante para la
mejora de la calidad del suministro y, en definitiva, de las condiciones de vida de la
población, si bien su pequeño tamaño y a pesar del alto grado de modulación que
introducen los motogeneradores podría causar problemas en su gestión que debería así
incluir, una coordinación entre los tiempos de funcionamiento de las plantas industriales y
el de la planta ORC. En este sentido cabe mencionar la compatibilidad de operación de esta
planta con las del secado de la madera a las que abastece energéticamente.
Bajo un punto de vista del abastecimiento térmico, la decisión de mantener a corto
plazo las calderas de biomasa existentes en las viviendas y de irlas reemplazando
progresivamente por equipos más eficientes, a la vez que se van introduciendo
combustibles de mayor calidad (astillas y leños de tamaños homogéneos y contenido
controlado y bajo de humedad), vendría, por una parte, a atenuar el impacto del principal
inconveniente de esta decisión, que es el alto costo de inversión inicial que produciría el
reemplazo de las calderas, cuyo número, que puede estimarse en torno a los 10.000
equipos, es muy elevado por la alta dispersión de la población y la gran importancia del
sector residencial en las zonas urbanas (80% de la población reside en viviendas
individuales). Por otra parte, la introducción progresiva en el mercado local de
combustibles de mayor calidad favorecería la adquisición de los equipos de última
generación, con las consiguientes ventajas de rentabilidad, mayor eficiencia y menores
emisiones. Cabe mencionar, en todo caso, la viabilidad actual de este tipo de instalaciones,
incluso con tecnologías de segunda generación, frente al empleo de otros combustibles,
como el gasóleo.
La consideración de estas alternativas para el suministro térmico doméstico, como la
creación de centrales de distrito, debería venir acompañada de un mayor conocimiento de
los parámetros que delimitan su viabilidad, como son el costo específico de la red de
distribución de agua caliente (posiblemente muy elevado debido a la dispersión de la
población y a la moderada demanda energética en calefacción) y a la aceptabilidad de este
tipo de suministro.
En cuanto al sector industrial es importante remarcar el alto grado de eficiencia
energética logrado con la planta ORC en cogeneración, lo que, además, permite utilizar los
recursos disponibles de biomasa industrial, así como abordar un futuro incremento de la
demanda térmica del sector de la madera que en la situación prevista es de menos de un
60% de la capacidad térmica de la planta ORC.
83
La implantación del sistema energético propuesto tiene implicaciones muy
significativas a corto plazo en la economía social de la región, al promover importantes
inversiones con alrededor de 675 nuevos empleos directos asociados, a los que,
estimativamente, acompañarían entre tres a cuatro veces de empleos indirectos ligados a la
nueva actividad energética, así como otros creados por el incremento de la actividad
industrial inducida (e.g. industria de la madera). Además, produciría la sustitución de la
actual producción excedentaria de cereal, de difícil exportación y muy escasa rentabilidad,
por un cultivo dedicado a la producción de biodiesel, de amplia demanda en la región,
contribuyendo, así a asegurar los ingresos de los agricultores.
Bajo el punto de vista medioambiental, la utilización de la biomasa dentro del plan
propuesto supondría un ahorro de alrededor de 110.380tCO2/año las emisiones de efecto
invernadero respecto a una situación basada en el uso exclusivo del gasóleo para transporte
y generación eléctrica y tendría efectos muy favorables sobre la conservación del monte al
promover la eliminación de los residuos, evitando así riesgos de incendios y plagas.
En el lado negativo cabe citar el incremento de un 20% de las emisiones de óxidos de
nitrógeno en la región, incremento que se ve, además, remarcado por el hecho de que estas
emisiones se producen a nivel local a lo largo de todas las etapas de las cadenas energéticas
de la biomasa, mientras que el gasóleo sólo emite en la región en la etapa de utilización.
No obstante, dado el carácter rural de la región, no parece que el incremento citado pudiera
producir efectos significativos sobre la calidad del aire y el medioambiente, en general.
Asimismo, habría que tener en cuenta la presión sobre el territorio y cambio de uso del
suelo producidos por la ocupación de prados con los cultivos energéticos, aspecto que
debería evaluarse convenientemente teniendo en cuenta circunstancias locales concretas,
para determinar el posible impacto medioambiental de las nuevas prácticas.
Como principales incertidumbres del sistema energético propuesto se identifica,
además de los posibles problemas de gestión de la red eléctrica y las relativas a la
alternativa óptima final para el suministro térmico del sector doméstico, el gran
requerimiento de producción de biodiesel que, además, causa limitaciones importantes al
futuro desarrollo en un marco de autoabastecimiento energético, dadas las ya escasas
posibilidades de aumentar su producción por falta de disponibilidad de tierras. Por todo
ello sería importante estudiar soluciones alternativas para sustituir parcialmente al
biodiesel, principalmente en el campo de la generación eléctrica y disminuir, así, la
necesidad de este biocombustible. La posibilidad del uso de otras energías renovables
aparece como una alternativa en este sentido.
Como conclusión general, puede afirmarse, por tanto, que la utilización de los
recursos de biomasa se ha mostrado como una alternativa viable para el posible desarrollo
económico y social de la región estudiada, que estaba comprometido por su situación de
aislamiento. Sin embargo, la implantación de la biomasa como recurso energético requerirá
de una importante inversión inicial que habría que valorar en detalle y, técnicamente, se
impondría estudiar posibles alternativas para disminuir la presión e incertidumbres creadas
sobre la viabilidad y futuro del sistema por la gran producción de biodiesel requerida.
84
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89
ANEXOS
90
Anexo I: Tabla coeficientes
Factor de conversión de GJ a MWh 1MWh = 3,6 GJ
Residuos forestales anuales generados por hectárea (en base seca) 0,7 t/ha·año
Densidad de la madera seca 0,42 t/m3
Densidad del biodiesel 850 kg/m3
Densidad del gasóleo 880 kg/m3
Densidad de la madera húmeda al 50% de humedad 0,8 t/m3
Producción de serrín en el aserradero 30% en peso
Cantidad de madera que se procesa en el aserradero 70% en peso
Residuos generados en el aserradero respecto a la madera que entra 20% en peso
Serrines generados a partir de los residuos del aserradero 55% en peso
Porcentaje de residuos generados en el aserradero que no se aprovechan 45%
Potencial de producción de oleaginosas, en base a la soja 900 l/ha·año
Media de estabulación del ganado 120 días/año
Ratio de residuos diarios generados por cabeza de ganado 3,5 kg/animal·día
Rato de residuos líquidos fecales generados por habitante y día 27 kg/hab·día
Producción de biogás por cada kilogramo de desechos sólidos ganaderos 0,350 m3/kg
Poder energético del biogás 1,6 kWh/m3
Consumo anual de combustible para transporte por habitante 1,1 l/hab·día
Consumo anual de combustible para agricultura por hectárea 130 l/ha·año
Consumo eléctrico diario para calefacción y acs por habitante 8 kWh/hab·día
Consumo eléctrico diario para cocina por habitante 1,5 kW/hab·día
Consumo eléctrico diario para iluminación y otros servicios por habitante 2 kWh/día
Consumo eléctrico por cada litro de biodiesel producido 0,08 kWh/l
Consumo eléctrico por cada m3 de madera que se procesa en el aserradero 63 kWh/m
3
Consumo eléctrico por tonelada de madera secada 20 kWh/t
Consumo eléctrico por hectárea cultivada 85 kWh/año·ha
Consumo térmico diario para calefacción por habitante 13,89 kW/hab·día
Consumo térmico diario para uso de cocinas por habitante 1,67 kW/hab·día
Consumo térmico diario de la quesería 18,4 t de vapor/día
Consumo térmico diario de la lechería 25,9 t de vapor/día
Consumo térmico por cada litro producido de biodiesel 3,5 kg de vapor/ l
Consumo térmico por cada m3 de madera secada 1,7 t vapor/m
3
Consumo térmico por kg de vapor consumido en la quesería y en la lechería 2821,7 kJ/kg
Consumo térmico por cada kg de madera secada (en base húmeda) 2686,2 kJ/kg
Poder calorífico inferior de la madera de pino 18 MJ/kg
91
Entalpía del vapor 2,821 MJ/kg
Rendimiento del chopo 15 t/ha año
Eficiencia eléctrica de la planta de ORC 16,7 %
Eficiencia bruta de la planta de ORC 17,5%
Eficiencia global de la planta de ORC 85%
Eficiencia de los motores de biodiesel 38%
Eficiencia de los motores de biogás 30%
Eficiencia energética del secadero de banda 50%
Eficiencia de las calderas 85%
Emisiones de las astillas de chopo 22 kg CO2equiv/t
astillas (b.s)
Emisiones de las semillas de soja 1130 kg CO2equiv/ha
Emisiones de NOx de los vehículos ligeros de gasóleo 25 mg/MJ
Emisiones de NOx de los vehículos pesados de gasóleo 412 mg/MJ
Emisiones de NOx de los motores de generación eléctrica con gasóleo (0,28-
1,5 MW)
388 mg/MJ
Emisiones de NOx de los motores con biodiesel 20% superior a los de
gasóleo
Emisiones de NOx de las calderas con biomasa 55 mg/MJ
Emisiones de NOx de las calderas de gasóleo 35 mg/MJ
92
Anexo II: Resumen de las tecnologías para la conversión de la bioenergía
Materia
Prima Tecnología
Fase de la
Tecnología
Productos
Posibles
Tipo de
Instalación
Residuos
agroindustrial
es líquidos,
residuos
urbanos
Digestión
Anaerobia Madura
Calor,
electricidad
Industria lechera,
alimenticia,
plantas de
tratamientos de
aguas
Caña de
azúcar,
cereales, etc.
Fermentación
Alcohólica Madura
Combustible
Transporte
Industria agrícola
y alimenticia
Soja, Colza,
Girasol Transesterificación Madura
Combustible
Transporte
Biorefinerías,
especialmente en
la industria con
productos
forestales.
Residuos
forestales,
agrícolas,
agroindustrial
es sólidos,
cultivos
energéticos
Gasificación
Inicio en
comercializa
ción
Calor,
electricidad,
hidrogeno,
biocombustibles,
etc.
Amplio rango de
tipos de
instalaciones,
industria madera,
agrícola y
alimenticia.
Pirolisis
Inicio en
comercializa
ción
Calor,
electricidad,
biocombustibles,
biochar, etc.
Industria de la
madera
Combustión Madura Calor,
electricidad
Amplio rango de
tipos de
instalaciones,
industria madera,
agrícola y
alimenticia.
Fuente: Elaboración propia.
