Aprovechamiento energéticode Cynara

biomasa
ANDRÉS MORATO, DANIEL SERRANO, SERGIO
SÁNCHEZ-DELGADO, A. SORIA-VERDUGO
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA TÉRMICA Y DE
FLUIDOS, UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
Aprovechamiento energético de Cynara
Cardunculus L. (Cardo común) en reactor de lecho fluidizado
El artículo analiza una tecnología, cada vez más desarrollada, basada en la transformación
termoquímica de la biomasa como fuente de energía térmica.
S
egún el Banco Mundial, en los últimos 4 años se puede observar un
crecimiento medio anual del Producto Interior Bruto mundial que asciende
a un 2,85%, siendo la media de la Unión
Europea el 0,9%. Dentro de esta información, se ha de prestar especial atención a
cuatro economías emergentes como China, India, Brasil y Pakistán, que están creciendo a un ritmo medio anual del 17,5%,
6,65%, 3,32% y 3,1%, respectivamente.
A este dato se ha de añadir que estos cuatro países representan aproximadamente
el 42,1% de la población mundial, que
asciende a un total de aproximadamente
7500 millones de habitantes. Estos datos
hacen pensar que casi la mitad de la población mundial está siendo protagonista
de un aumento de su desarrollo industrial
y por lo tanto de un gran consumo energético necesario para el crecimiento de estas
economías emergentes.
Si a este escenario se suman los conocidos inconvenientes del empleo de combustibles fósiles como fuente mayoritaria
de energía, se hace necesario abrir nuevas
vías de generación de energía basadas en
el carácter renovable y en la reducción de
la contaminación medioambiental asociada a dicha generación. Para ello existen
ya muchas iniciativas industriales, incluso
algunas ya forman parte real del mercado
eléctrico mundial, con las que contribuir a
cubrir las demandas energéticas en continuo crecimiento sin suponer un perjuicio
ni para el medio ambiente ni para el ser
humano. Entre estas fuentes renovables
de energía destacan por su contribución a
la generación eléctrica la energía eólica, la
solar fotovoltaica y la solar termoeléctrica.
Mediante el presente artículo se pretenenergética
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Mediante mecanismos
de transformación
adecuados,
se pretende convertir
la energía química
del combustible en
energía térmica
de analizar una tecnología, cada vez más
desarrollada, basada en la transformación
termoquímica de la biomasa como fuente
de energía térmica.
La Real Academia Española de la Lengua
define el término biomasa como “materia
orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable
como fuente de energía”, por lo tanto,
muchas son las sustancias susceptibles de
ser consideradas como biomasa en función de sus diferentes orígenes. Del mismo modo, existen diversos procesos aplicables para transformar distintos tipos de
biomasa en otras fuentes de energía (térmica, eléctrica, mecánica). Si centramos
nuestra atención, dentro de los diferentes
orígenes de la biomasa, en los cultivos
energéticos, podemos realizar una primera calificación en tres tipos: oleaginosos
(empleados en la producción de biodiesel), alcoholígenos (empleados en la producción de bioetanol) y los cultivos lignocelulósicos (empleados en la producción
de combustibles sólidos y/o bioetanol).
Dentro de los cultivos energéticos lignocelulósicos destaca el cultivo Cynara Car-
dunculus L. o cardo común, como fuente
de energía térmica renovable, dado que
se considera que la emisión de CO2 a la
atmósfera en cualquier proceso de transformación termoquímica es equivalente al
consumido por la planta en su proceso de
crecimiento.
La variedad Cynara Cardunculus L. se
presenta como una especie perenne, con
un alto grado de adaptabilidad a zonas
áridas dentro del clima mediterráneo,
necesitando muy poco abastecimiento
hídrico y teniendo en condiciones normales de crecimiento una producción
de unas 12 toneladas de masa seca por
hectárea, pudiendo además producir en
torno a 2 toneladas por hectárea de semillas con alto contenido en aceite, susceptible de ser transformado en biodiésel.
El poder calorífico inferior de este cultivo
energético (considerando la planta entera) es ligeramente inferior al del carbón,
pudiendo alcanzar valores de 15-16 MJ/
kg. Además el cardo cuenta con un contenido en materia volátil en torno al 75%,
valor sensiblemente superior al correspondiente al carbón, que favorece el proceso
de transformación termoquímica de este
tipo de biomasa. Sin embargo, cuenta
también con una alta concentración de
alcalinos en su estructura, siendo mayoritaria la presencia de sodio (Na) y potasio
(K), pudiéndose alcanzar concentraciones
de aproximadamente 170 mg y 400 mg
respectivamente por cada 100 gr de cardo. El poder calorífico y el contenido en
materia volátil hacen que el cardo se presente como un cultivo energético adecuado para su transformación termoquímica,
sin embargo, el elevado contenido en alcalinos hace que se deba prestar especial
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biomasa
Izquierda, Cynara Cardunculus L. Arriba derecha, reactor en lecho fluido. Debajo, pélets de cardo
atención al proceso de transformación de
este tipo de biomasa.
Mediante mecanismos de transformación
adecuados, se pretende convertir la energía química del combustible en energía
térmica, a estos procesos se les denomina
procesos de transformación termoquímica,
siendo los más comunes la pirólisis, la combustión y la gasificación. Todos ellos son
procesos en los que se produce el contacto entre biomasa y una corriente de gas a
elevada temperatura, diferenciándose entre
ellos en función de la cantidad de agente
oxidante (O2) presente en la corriente de
gas. El proceso de pirolización se produce
en ausencia de O2, obteniendo un residuo carbonoso (char), gases condensables
y productos gaseosos susceptibles de ser
quemados en otro sistema. Por otro lado,
en la gasificación el O2 está presente en
la corriente de gas, pero en un porcentaje sustancialmente menor al necesario
para producir la combustión completa del
combustible, obteniendo una corriente de
gas combustible (fundamentalmente hidrógeno, H2, monóxido de carbono, CO,
y metano, CH4) con alto poder calorífico.
Por último, la combustión se realiza con
un contenido en O2 en la corriente de gas
suficiente para oxidar todos los átomos de
carbono del combustible para producir dióxido de carbono, CO2, y todos los átomos
de hidrógeno para producir agua, produciendo la oxidación completa de la biomasa
y obteniendo una gran cantidad de energía
térmica, una corriente de gases de escape y
un residuo incombustible o cenizas. Debido al carácter lignocelulósico de la Cynara
Cardunculus L. se opta por la gasificación
de la misma como método más eficiente de
aprovechamiento energético del cultivo, ya
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que se puede obtener un gas combustible
convertible posteriormente en un motor
térmico con una alta eficiencia asociada.
Desde el punto de vista de la operación
industrial de la gasificación de biomasa,
se ha de optar por reactores de operación
continua, donde existe un flujo continuo
de abastecimiento de biomasa y por lo
tanto un flujo continuo de gas combustible producido. Por otro lado, debido a la
heterogeneidad de la biomasa en cuanto
a composición, granulometría, contenido
en humedad, etc, los lechos fluidizados se
presentan como un reactor muy adecuado a la hora de transformar la biomasa.
El principio de operación de este tipo de
reactores se basa en la inyección de un
agente fluidizante (gas) en la parte baja
del reactor, estando éste lleno de partículas sólidas de pequeño tamaño (fase densa
del lecho). Estas partículas están sometidas
a una fuerza de empuje debida al gas que
las rodea provocando en ellas cierta sustentación. En función del exceso de gas
introducido las partículas pueden llegar a
comportarse como un fluido, produciéndose la aparición de burbujas. Los reactores en lecho fluido cuentan fundamentalmente con dos ventajas que los distinguen
del resto; por un lado el medio se comporta como un fluido teniendo grandes
coeficientes de mezcla y provocando una
homogeneidad de la temperatura en todo
el reactor, por otro lado cuentan con una
gran capacidad de almacenamiento térmico debido a las propiedades sólidas de
las partículas que lo componen. Estas dos
características hacen que sea un reactor
adecuado para la gasificación de biomasa.
Sin embargo, la gasificación de la biomasa en lecho fluidizado conlleva también
ciertas dificultades. En primer lugar, la corriente de gas combustible obtenida de los
procesos de gasificación contiene una gran
cantidad de alquitranes (tras) que se condensan con gran facilidad obstruyendo los
conductos, intercambiadores, filtros, etc,
pudiendo provocar el fallo de la operación
de la planta. Estos alquitranes sólo pueden
ser eliminados por craqueo térmico o por
disolución química. Otro de los problemas
de la gasificación de biomasa es el alto
contenido en alqualinos, fundamentalmente Na y K. Estos componentes presentes en las cenizas de la biomasa, pueden
originar compuestos de bajo punto de
fusión, provocando no sólo problemas de
corrosión sino problemas de operación del
reactor por la formación de aglomerados
que cambian la granulometría de la fase
densa y por lo tanto las condiciones de
operación del reactor. Estos efectos adversos se pueden controlar con la utilización
de agentes catalíticos como fase densa del
lecho fluido, tales como la dolomita, sepiolita, kaolin… Estos agentes catalíticos aumentan la eficiencia de la conversión y mejoran la operación de la planta. También
han de realizarse procesos de renovación
de la carga con el fin de retirar del reactor
los posibles aglomerados que se forman
durante la operación del mismo.
Los procesos de transformación termoquímica de biomasa de forma general, y
en particular los reactores de biomasa en
lecho fluido, cuentan actualmente con un
gran interés entre la comunidad científica, habiéndose construido en los últimos
años numerosas instalaciones industriales
en el mundo. En el caso de los procesos
de gasificación del cardo en lecho fluido,
se ha analizado en detalle el proceso de
conversión en un reactor a escala laboratorio (con un diámetro de 53 mm) en las
instalaciones de la universidad Carlos III
de Madrid. Se obtuvo un grado de conversión del cardo en el reactor muy elevado empleando sepiolita como fase densa
del lecho, debido a la menor densidad
de este tipo de material que favorece la
circulación del cardo por todo el lecho,
reduciendo los problemas derivados de la
transformación del combustible. Estos resultados preliminares en lechos de escala
laboratorio son muy esperanzadores de
cara a mejorar los procesos de conversión
en reactores industriales 7
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