Introducción a las Fuentes Renovables de Energìa Biomasa

1. Introducción a las Fuentes Renovables de EnergìaBiomasa Dr. Roberto Best y Brown CIE-UNAM Agosto 2006

2. Aspectos Básicos • Definiciones: • Biomasa es según la FAO: • “el conjunto de plantas terrestres y acuáticas, junto con sus derivados, subproductos y residuos producidos en su transformación”

3. BIOMASA • Definición: • “Toda materia viviente del planeta tierra” • “La biomasa, sustancia orgánica renovable de origen animal o vegetal” • Biosfera, capa delicada que representa una fracción insignificante de la masa total de la tierra”

4. Biosfera Es la zona de la tierra donde se desarrolla la vida. Comprende la parte inferior de la atmósfera (troposfera), la hidrosfera (agua sólida, liquida y gaseosa) y la litosfera o suelo

5. El ciclo bioenergético a a escala local

6. El ciclo del carbono a escala local

7. BIOMASA ES TODA LA MATERIA VIVA EN LA SUPERFICIE EXTERNA DELGADA DE LA TIERRA LLAMADA BIOSFERA desechos Composta Planta de biogás INTRODUCCION PUEDE VERSE COMO UN ENORME ALMACEN DE ENERGIA QUE SE RENUEVA CONTINUAMENTE CICLO IDEAL DEL CO2 ENERGIA SOLAR CO2 ENERGIA TRANSPORTE, TERMICA Y ELECTRICA

8. Biomasa El término Biomasa se refiere a toda la materia orgánica generada por los procesos biológicos de los cinco reinos (vegetal, animal, fungi protista y monera) La biomasa representa únicamente una pequeña fracción de la masa total de la tierra, pero en términos humanos es una enorme almacenador de energía aprovechable. La biomasa es un recurso muy variado y complejo debido a su interacción con los sistemas terrestres y acuático con los nutrientes y las personas, sus principales características físicas y químicas son función directa de las condiciones ambientales que se desarrolla. Durante muchos años, la biomasa, como fuente energética, estuvo considerada como un energético de los pobres, sin embargo, en los últimos años gracias al desarrollo tecnológico y las ventajas que representa sobre los combustibles tradicionales ésta se ha convertido en una fuente renovable de energía con mayor posibilidades en el futuro. Entre las mayores ventajas de la biomasa sobre los combustibles tradicionales destacan: • Es un recurso abundante y utilizándolo de forma renovable se garantiza su sustentabilidad • Se espera que al convertirse en un combustible moderno, sus costos de producción sean competitivos • Las plantaciones energéticas pueden contribuir a la restauración de las tierras degradadas, y con esto, se evitarían las emisiones de CO2.

9. HASTA FINALES DEL SIGLO XVII LA BIOMASA (MADERA) ERA LA PRINCIPAL FUENTE DE ENERGIA CALENTAMIENTO ILUMINACION CARBON DE MADERA PRODUCCION DE METALES CAVADO DE MINAS PROFUN-DAS (REQUIERE BOMBEO AGUA DE FLOTACION) USO DE CARBON MINERAL (MAS ECONOMICO) AGOTAMIENTO DEL CARBON MINERAL SUPERFICIAL PRIMERAS MAQUINAS CRECIMIENTO DE LA POBLACION INCREMENTO EN EL PRECIO DE LA MADERA DE LA MADERA AL CARBON UNA VISION DEL ORIGEN DE LA REVOLUCION INDUSTRIAL

10. Estado actual de los biocombustibles • En el siglo XXI se verá el proceso inverso, del carbón a la madera? • Pueden los biocombustibles sustituir completamente a los combustibles fósiles? • Los datos disponibles indican que teóricamente es posible

11. Recursos disponibles de biomasa • Obtener una estimación real de la contribución mundial de los variados recursos energéticos de biomasaes una tarea compleja. • No existen compañías globales haciendo estudios y reportes. • Los datos de la IEA consideran la aportación anual de biomasa tradicional en el rango de 40 – 60 EJ. • La “nueva biomasa” contribuye con alrededor de 9 EJ.

12. Recursos disponibles de biomasa • De lo que no hay duda es que la biomasa en un gran proveedor de energía en la mayor parte del mundo. • Representa la tercera parte del total de la energía primaria consumida en los países en desarrollo (hasta el 90% en los más pobres), 20% en China y 40% en la India

13. CONTRIBUCIÓN ACTUAL DE LA BIOMASA A LA ENERGÍA PRIMARIA

14. CONTRIBUCIÓN ACTUAL DE LA BIOMASA A LA ENERGÍA PRIMARIA

15. CONTRIBUCIÓN ACTUAL DE LA BIOMASA A LA ENERGÍA PRIMARIA

16. > POTENCIAL DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA POR BIOMASA TERRESTRE 3,000 EJ/año CONSUMO TOTAL DE TODAS LAS FORMAS DE ENERGIA 451 EJ/año 750 % POTENCIAL DE OBTENCION DE ENERGIA A PARTIR DE BIOMASA vs CONSUMOS ACTUALES

17. Escenario posible hasta el 2050 de uso mundial de energía primaria Futuro de la energía en el mundo GBPM = miles de millones de barriles de petróleo mexicano equivalente Fuente: Shell International Limited, 1998

18. Potencial de la Biomasa en Europa

19. Energía en México

22. Potencial de la Biomasa en Europa

23. Potencial de la Biomasa en Europa

24. Contribución de la bioenergía como porcentaje de total de energía consumida

25. 2.2. Área de biomasa 2. SITUACIÓN EN ESPAÑA Evolución del consumo y previsiones Nota: en la actualidad se encuentra en estudio la evolución de los datos referentes al consumo de biomasa en usos térmicos

26. Bioenergía Fuentes de Materia Orgánica Potencial de la Biomasa en México: 4550 PJ/año En el 2004 el consumo energético de México fue de 6050 PJ

27. OXIDACION RAPIDA DE UN MATERIAL EN EL OXIGENO DEL AIRE CON DESPRENDIMIENTO DE LUZ Y CALOR COMBUSTION Ejemplo: Metano Celulosa Azúcares (Carbohidratos) Almidones Proteínas BIOMASA Combustión de Carbohidratos LA BIOMASA COMO COMBUSTIBLE

28. Carbón Hidrógeno Oxígeno Nitrógeno PRINCIPALES CONSTITUYENTES DE LA MATERIA VIVA • Procesos naturales de descomposición y • Cadenas alimenticias AEROBIAS CIERRE DE CICLO BIOMASA FOTOSINTESIS: Proceso inverso a la combustión o descomposición que ocurre en forma natural en las plantas verdes LA BIOMASA COMO FUENTE DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR CO2 H2O DE ESTA FORMA EL CRECIMIENTO DE LA MATERIA VIVA EN LA BIOSFERA PUEDE VERSE COMO UNA FORMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR

29. Eficiencia de conversión de la biomasa

30. 1000 kWh equiv. 3.6 GJ y 1 ha equiv. 10,000 m2 36,000 GJ Solo 12% se recibe durante el periodo de crecimiento 4,320 GJ 50% de ésta fotosintéticamente activa 2,160 GJ 85.% capturada por las hojas 1,836 GJ 21% de ésta=energia almacenada 386 GJ 40% de ésta = se pierde 155 GJ Se convierte en follaje solo 231 GJ 10 TONELADAS DE BIOMASA (BASE SECA) / hectárea año SOLO 0.5% DE LA RADIACION TOTAL RECIBIDA SE CONVIERTE EN FOLLAJE EFICIENCIA DE CONVERSION DE ENERGIA SOLAR EN BIOMASA EN TERMINOS ENERGETICOS, NO TODA LA RADIACION INCIDENTE EN UNA PLANTA VERDE ES CONVERTIDA EN ENERGIA UTILIZABLE Ejemplo: Una hectárea de tierra en una zona con Irradiancia de 1000 kWh/m2 año

31. RESIDUOS AGRICOLAS • RESIDUOS DE COSECHAS • RESIDUOS DE MADERA • EXCEDENTES DE PRODUCCION RESIDUOS DE GANADERIA RESIDUOS DE CULTIVOS TROPICALES BIOMASA DESECHOS SOLIDOS ORGANICOS • RESIDUOS SOLIDOS MUNICIPALES • RESIDUOS COMERCIALES E INDUSTRIALES • BAGASO DE CAÑA • CASCARILLA DE ARROZ • CASCARA DE COCO FUENTES DE BIOMASA CULTIVOS ENERGETICOS • MADERA • CAÑA DE AZUCAR • MAIZ, SORGO

32. Tipos de biomasa (CIRCE)

33. Tipos de Biomasa (CIRCE) • Biomasa Natural: Es la que se produce espontáneamente sin níngún tipo de intervención humana. Los recursos generados en las podas naturales de los bosques constituyen un ejemplo de este tipo de biomasa. • La utilización de estos recursos requiere de la gestión de adquisición y transporte hasta la empresa lo que puede provocar que su uso sea inviable económicamente.

34. Tipos de Biomasa (CIRCE) • Biomasa Residual Seca: se incluyen en este grupo los subproductos sólidos no utilizados en las actividades agrícolas, en las forestales y en los procesos de las industrias agroalimentarias y de transformación de la madera, y que por tanto son considerados residuos. • Este es el grupo que en la actualidad presenta un mayor interés desde el punto de vista del aprovechamiento industrial. Algunos ejemplos son la cáscara de almendra, el orujillo, las podas de frutales, el aserrín, etc.

35. Tipos de Biomasa (CIRCE) • Biomasa residual húmeda: Son los vertidos denominados biodegradables: las aguas residuales urbanas e industriales y los residuos ganaderos (principalmente purines)

36. Tipos de Biomasa (CIRCE) • Cultivos energéticos:son los cultivos realizados con la única finalidad de producir biomasa transformable en combustible. Algunos ejemplos son el cardo (cyanara cardunculus), el girasol cuando se destina a la producción de biocarburantes, el miscanto, etc.

37. Tipos de Biomasa (CIRCE) • Biocarburantes:aunque su origen se encuentra en la transformación tanto de la biomasa residual húmeda (por ejemplo reciclado de aceites) como de la biomasa residual seca rica en azúcares (trigo, maíz, etc.) o en cultivos energéticos (colza, girasol, pataca, etc.), por sus especiales características y usos finales este tipo de biomasa exige una clasificación distinta a las anteriores.

38. Contenido energético promedio de los combustibles

39. Emisiones de CO2 de los combustibles

40. Recursos Bio-energéticos Cultivos Energéticos

41. Cultivos Energéticos Rotatorios Forestales • Permite producir grandes volúmenes de biomasa • Se cultivan árboles de rápido crecimiento y rebrote desde el tocón • Se hacen plantaciones muy densas, 10,000 plantas por hectárea,, con separación entre filas de 2 m. y 0.5 m. entre plantas, suficiente para la entrada de maquinaria. • Se cortan después de varios años de (2 a 5). • Las raíces permanecen intactas apareciendo nuevos brotes en la primavera . • Después de 2 a 3 años se vuelve a cortar dando el doble o triple de biomasa que en el primer corte. • El proceso se repite de 3 a 5 veces dependiendo del tipo de planta, hasta que se requiera sembrar nuevas plantas.

42. Cultivos Energéticos Rotatorios Forestales

43. Cultivos energéticos rotatorios herbáceos

44. Cultivos energéticos forestales • Sauce como cultivo energético • Estos sauces cultivados en el SUNY ESF Genetics Field Station en Tully, New York se han desarrollado como cultivos energéticos. • Los árboles tienen tres años de crecimiento, el tocón tiene cuatro. La plantación fue podada después del primer año.

45. Cultivos energéticos forestales • Chopos de Virginia (Cottonwood) • Se investigan en USA para usarse en la producción de etanol. • Actulamente se cultivan ya para la industria de la pulpa y el papel. • Útiles también para restaurar suelos.

46. Cultivos energéticos forestales Chopos • Estos chopos tienen menos de dos años, se cultivan en forma intensiva como producto agrícola.

47. Cultivos energéticos forestales • Árboles de Eucalipto cultivados por la industria eléctrica con biomasa • Eucaliptos cultivados con irrigación por Simpson Timber como cultivo energético en Corning, California. • Wright, Lynn - Oak Ridge National Lab

48. Cultivos Energéticos Forestales • Producción de astillas de madera • Máquina astilladora cortando árboles de eucalipto y máquina apiladora de astillas.

49. Cultivos energéticos agícolas Sorgo Dulce • Se utiliza para producir etanol en Brazil, China y USA • Mismo equipo que la caña de azucar • Dos cosechas por año • Menor requerimiento de agua que la caña • Se estan desarrollando hibridos para el clima templado europeo

50. Cultivos energéticos agrícolas • Cosechando pasto aguja • No requiere de nueva tecnología para cosechar y embalar