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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL“FRANCISCO DE MIRANDA”
ÁREA DE TECNOLOGÍAPROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
COMPLEJO ACADEMICO EL SABINOELECTIVA I
Tecnologías en el manejo y disposición de la biomasa
REALIZADO POR:
MUÑOZ JESUS BETANCOURT JENIFER
LOREFICE NATALIA ANGEL COLINA
UNEFM
Tecnologías en el manejo y disposición de la biomasa
Resumen
El presente artículo describe las diferentes tecnologías que pueden aplicarse para transformar la biomasa en fuentes de energía, la biomasa es una solución que contribuye a cubrir necesidades energéticas de una forma sostenible. El termino biomasa se refiere a toda la materia orgánica que proviene de árboles, plantas y desechos de animales que pueden ser convertidos en energía, en la fotosíntesis, las plantas captan y utilizan la luz de inorgánica de su medio en materia orgánica, en dicho proceso la energía solar se convierte en energía química. La forma de transformar la biomasa en energía (bioenergía) depende, fundamentalmente, del tipo de biomasa que se esté tratando y del destino que se quiera dar a esta energía. El sector de la bioenergética está basado en tres modos de usar la energía: para calefacción, para generación eléctrica y producción de biocombustibles.
Palabras clave: biomasa, bioenergética, materia orgánica, sostenible
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Technologies in the management and disposal of biomass
Abstract
This article describes the different technologies that can be applied to transform biomass into energy sources, biomass is a solution that helps meet energy needs in a sustainable way. The term biomass refers to all organic matter that comes from trees, plants and animal waste that can be converted into energy in photosynthesis , plants capture and use light inorganic its average organic matter , in the process solar energy is converted into chemical energy. How to transform biomass into energy (bioenergy) it depends mainly on the type of biomass being treated and the destination you want to give to this energy. The bioenergy sector is based on three ways to use energy: for heating, electricity generation and biofuels production.
Keywords: biomass, bioenergy, organic matter, sustainable
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1. Introducción
Durante gran parte de la historia de la humanidad y hasta la revolución industrial, la biomasa ha servido para cubrir las necesidades de calor e iluminación tanto en la vida cotidiana como en las distintas industrias. Se utilizaba para cocinar, calefacción, hacer cerámica, producir metales y, posteriormente, para alimentar las máquinas de vapor. Desde ese momento se empezaron a utilizar fuentes energéticas con un mayor poder calorífico, el uso de la biomasa declinó hasta mínimos históricos. Actualmente sin embargo, según datos del Fondo de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), “algunos países pobres obtienen el 90% de su energía de la leña y otros biocombustibles”.
La biomasa puede ser aprovechada a beneficio del desarrollo rural y proporcionar el tratamiento adecuado de residuos, en algunos casos contaminantes, o gestionar los residuos procedentes de podas y limpiezas de bosques limitando la propagación de incendios. El aprovechamiento de la masa forestal residual como combustible para calderas de biomasa es una de las soluciones para facilitar el saneamiento de los bosques. En este último caso podrían incluirse los rastrojos y podas agrícolas, cuya quema tradicional en el campo conlleva un riesgo añadido de incendios, y que pueden encontrar un nuevo mercado en la producción de energía.
Venezuela fortalece su sistema eléctrico interconectado a través del impulso a programas de desarrollo de energías alternativas, que contribuyan con la preservación del medio ambiente. El comisionado de Energías Alternas de Corpoelec, Francisco Quintero, señaló que Venezuela cuenta con el potencial para producir 18,5 MW de energía fotovoltaica, que pueden ahorrar el uso de 58.000 barriles de crudo para el funcionamiento de plantas termoeléctricas. Asimismo, destacó que, a través de la aplicación de un programa denominado biomasa de residuos sólidos, se puede generar 56 MW, utilizando restos vegetales, forestales, así como los desechos producidos por los habitantes urbanos, entre los que figuran la basura, los muebles y electrodomésticos. Quintero indicó que el Estado venezolano también estudia la posibilidad de generar energía eléctrica, a partir del tratamiento de aguas residuales.
En general, los costes de inversión para instalaciones de biomasa son superiores a sus homólogos para instalaciones de combustibles convencionales. Esto se debe, no sólo a la falta de desarrollo de sistemas de producción en serie para algunos componentes, sino que también influyen las características especiales requeridas por los equipos para poder utilizar biomasa de forma eficiente. En cambio, cuando nos referimos a los costes de
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operación o explotación de plantas de biomasa, su comparación frente a combustibles convencionales puede ser favorable o no según el tipo de aplicación. La principal componente de los costes de explotación en este tipo de instalaciones es la compra de la biomasa. Los costes debidos al suministro de la biomasa varían según la cantidad demandada, la distancia de transporte y los posibles tratamientos para mejorar su calidad, como el secado, el astillado o la peletización. A ello hay que añadir la disponibilidad del combustible, su estacionalidad y la variación de los precios, íntimamente ligados al comportamiento de las cosechas, en el caso de residuos agrícolas y de la industria agroalimentaria
La utilización de biomasa como fuente de energía puede contribuir a sustituir la utilización de los combustibles fósiles, lo que daría mayor seguridad energética nacional con una diversificación más amplia de las fuentes de energía. Y además, al ser una fuente de energía renovable puede ayudar a mitigar el cambio climático, siempre y cuando se produzca de manera sostenible.
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2. Tecnologías en el manejo y disposición de la biomasa residual y biomasa natura.
2.1.1 Recurso biomásico
Los recursos biomásico, incluyen cualquier fuente de materia orgánica, como desechos agrícolas y forestales, plantas acuáticas, desechos animales y basura urbana. Su disponibilidad varía de región a región, de acuerdo con el clima, el tipo de suelo, la geografía, la densidad de la población, las actividades productivas, etc; por eso, los correspondientes aspectos de infraestructura, manejo y recolección del material deben adaptarse a las condiciones específicas del proceso en el que se deseen explotar
2.1.2 Fuentes de biomasa
Las fuentes de biomasa que pueden ser usadas para la producción de energía cubren un amplio rango de materiales y fuentes: los residuos de la industria forestal y la agricultura, los desechos urbanos y las plantaciones energéticas, se usan, generalmente, para procesos modernos de conversión que involucran la generación de energía a gran escala, enfocados hacia la sustitución de combustibles fósiles.
2.1.3 Procesos de conversión de energía
Las tecnologías de conversión incluyen desde procesos 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 de biomasa más relevantes, los cuales se pueden clasificar en tres categorías:
Procesos de combustión directa. Procesos termo-químicos. Procesos bio-químicos.
Procesos de combustión directa:
Esta es la forma más antigua y más común, hasta hoy, para extraer la energía de la biomasa. Los sistemas de combustión directa son aplicados para generar calor, el cual puede ser utilizado directamente, como por ejemplo, para la cocción de alimentos o para el secado de productos agrícolas. Además, éste se puede aprovechar en la producción de vapor
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para procesos industriales y electricidad. Las tecnologías de combustión directa van desde sistemas simples, como estufas, hornos y calderas, hasta otros más avanzados como combustión de lecho fluidizado.
Procesos termo-químicos:
Estos procesos transforman la biomasa en un producto de más alto valor, con una densidad y un valor calorífico mayor, los cuales hacen más conveniente su utilización y transporte. Cuando la biomasa es quemada bajo condiciones controladas, sin hacerlo completamente, su estructura se rompe en compuestos gaseosos, líquidos y sólidos que pueden ser usados como combustible para generar calor y electricidad. Dependiendo de la tecnología, el producto final es un combustible sólido, gaseoso, o combustible líquido. El proceso básico se llama pirólisis o carbonización.
Procesos bioquímicos:
Estos procesos utilizan las características bio-químicas 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 termo-químicos.
Actualmente, la combustión directa es el proceso más aplicado para usos energéticos de la biomasa. Procesos más avanzados como la gasificación y la digestión anaeróbica han sido desarrollados como alternativas más eficientes y convenientes, y para facilitar el uso de la biomasa con equipos modernos. Sin embargo, hasta la fecha, la aplicación de estos últimos no es tan común por tener un costo más alto y la complejidad de su aplicación.
2.1.4 Aspectos ambientales de la biomasa
El aprovechamiento de la biomasa como fuente de energía ofrece un amplio rango de beneficios ambientales: puede contribuir a mitigar el cambio climático y el efecto invernadero, reducir la lluvia ácida, prevenir la erosión de los suelos y la contaminación de las fuentes de agua, reducir la presión provocada por la basura urbana, enriquecer el hábitat de la vida silvestre y ayudar a mantener la salud humana y estabilidad de los ecosistemas.
2.1.5 Aspectos económicos de la biomasa
En general, los costes de inversión para instalaciones de biomasa son superiores a sus homólogos para instalaciones de combustibles convencionales. Esto se debe, no sólo a la falta de desarrollo de sistemas de producción en serie para algunos componentes, sino que también influyen
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las características especiales requeridas por los equipos para poder utilizar biomasa de forma eficiente. En cambio, cuando nos referimos a los costes de operación o explotación de plantas de biomasa, su comparación frente a combustibles convencionales puede ser favorable o no según el tipo de aplicación. La principal componente de los costes de explotación en este tipo de instalaciones es la compra de la biomasa. Los costes debidos al suministro de la biomasa varían según la cantidad demandada, la distancia de transporte y los posibles tratamientos para mejorar su calidad, como el secado, el astillado o la peletización. A ello hay que añadir la disponibilidad del combustible, su estacionalidad y la variación de los precios, íntimamente ligados al comportamiento de las cosechas, en el caso de residuos agrícolas y de la industria agroalimentaria.
2.1.6 ventajas y desventajas de la biomasa
Ventajas
La biomasa es una fuente renovable de energía y su uso no contribuye a acelerar el calentamiento global; de hecho, permite reducir los niveles de dióxido de carbono y los residuos de los procesos de conversión, aumentando los contenidos de carbono de la biosfera.
La captura del metano de los desechos agrícolas y los rellenos sanitarios, y la sustitución de derivados del petróleo, ayudan a mitigar el efecto invernadero y la contaminación de los acuíferos.
Los combustibles biomásicos contienen niveles insignificantes de sulfuro y no contribuyen a las emanaciones que provocan “lluvia ácida”.
La combustión de biomasa produce menos ceniza que la de carbón mineral y puede usarse como insumo orgánico en los suelos.
La conversión de los residuos forestales, agrícolas y urbanos para la generación de energía reduce significativamente los problemas que trae el manejo de estos desechos.
La biomasa es un recurso local que no está sujeto a las fluctuaciones de precios de la energía, provocadas por las variaciones en el mercado internacional de las importaciones de combustibles. En países en desarrollo, su uso reduciría la presión económica que impone la importación de los derivados del petróleo.
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Desventajas
Por su naturaleza, la biomasa tiene una baja densidad relativa de energía; es decir, se requiere su disponibilidad en grandes volúmenes para producir potencia, en comparación con los combustibles fósiles, por lo que el transporte y manejo se encarecen y se reduce la producción neta de energía. La clave para este problema es ubicar el proceso de conversión cerca de las fuentes de producción de biomasa, como aserraderos, ingenios azucareros y granjas, donde los desechos de aserrío, el bagazo de caña y las excretas de animales están presentes.
Su combustión incompleta produce materia orgánica, monóxido de carbono (CO) y otros gases. Si se usa combustión a altas temperaturas, también se producen óxidos de nitrógeno. A escala doméstica, el impacto de estas emanaciones sobre la salud familiar es importante.
La producción y el procesamiento de la biomasa pueden requerir importantes insumos, como combustible para vehículos y fertilizantes, lo que da como resultado un balance energético reducido en el proceso de conversión. Es necesario minimizar el uso de estos insumos y maximizar los procesos de recuperación de energía.
Aún no existe una plataforma económica y política generalizada para facilitar el desarrollo de las tecnologías de biomasa, en cuanto a impuestos, subsidios y políticas que cubren, por lo general, el uso de hidrocarburos. Los precios de la energía no compensan los beneficios ambientales de la biomasa o de otros recursos energéticos renovables.
El potencial calórico de la biomasa es muy dependiente de las variaciones en el contenido de humedad, clima y la densidad de la materia prima.
2.1.7 Beneficios socioeconómicos
A lo largo de la Historia de la Humanidad, la aparición de los núcleos rurales, en primer lugar, y posteriormente de las grandes urbes ha estado asociada a las actividades productivas y mercantiles de las distintas regiones. Cuanto mayor fuera esta actividad, mayor sería el núcleo de población. De forma
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inversa, durante estos últimos años la mejora de las técnicas de producción en el sector agroforestal ha disminuido las necesidades de una población estable, cercana a las áreas de producción. La disminución de los precios de muchos productos rurales ha provocado un descenso en los ingresos de este sector, quedando en muchos casos como empleo marginal.
El fomento de la producción de biomasa para uso energético permite el desarrollo de una nueva actividad en las áreas rurales, sobre la base de un mercado con una demanda continua y sin fluctuaciones, que genera puestos de trabajo estables, bien remunerados y supone una nueva fuente de ingresos para las industrias locales. Esta oferta de empleo permite fijar la población en los núcleos rurales evitando algunos de los problemas sociales derivados de la migración hacia las grandes ciudades, como son el abandono de las actividades del mundo rural, el abandono de nuestros pueblos y la aparición de zonas marginales y desempleo en las grandes ciudades.
El aumento de ingresos de las industrias locales y el aumento de la población dan lugar a la aparición de nuevas infraestructuras y servicios en áreas rurales, como son las carreteras, los centros hospitalarios y educativos, y los servicios a la población en general. Esta sinergia aumenta aún más el empleo y la calidad de vida en los núcleos rurales.
Desde el punto de vista de los agricultores, la posibilidad de dedicar parte de sus terrenos a prácticas distintas de las tradicionales (alimentación humana o animal, sector del papel, del mueble, etc.) supone un equilibrio en sus ingresos anuales a través de un mercado más amplio para sus productos. En definitiva, se incentiva el desarrollo rural al poner en valor tierras yermas o nuevas áreas agrícolas en las que se pueden implantar cultivos energéticos. A su vez, se le da un valor a los residuos para que sean aprovechados y reutilizados, como los rastrojos y los restos de trabajos selvícolas.
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3. Trabajos de investigación en el Estado Falcón, Venezuela.
La universidad Nacional Experimental Francisco De Miranda (UNEFM) ha realizado diversos trabajos de investigación en el estado falcón con el apoyo de entidades gubernamentales, referente a la temática de la biomasa, cabe destacar que la amplia mayoría de estos trabajos de investigación son realizados por estudiantes de la carrera ingeniería agronómica. Así como también se han dictado talleres en el Complejo Académico El Sabino de la Universidad Nacional Experimental Francisco De Miranda, UNEFM, como parte de un curso general denominado “Campo de Acción del Ingeniero en la industria Química”, en cuanto a lo que concierne a la biomasa los talleres dictados por catedráticos de la UNEFM, fueron: Aprovechamiento energético de la Biomasa Residual, dictado por la profesora Angie Marín; y, Producción de Biodiesel, dictado por la profesora Yolimar Fernández. Dentro de los trabajos investigativos más complejos y mejor estructurados se encuentran los siguientes:
Dinámica de la biomasa microbiana (C y N) en un suelo de la península de Paraguaná tratado con residuos orgánicos.Yudith Acosta, Jorge Paolini.
La biomasa microbiana (BM) define el componente funcional de la microbiota del suelo, responsable principalmente de la descomposición de la materia orgánica y el reciclaje de nutrientes. Además, se ha considerado que puede ser usado como un indicador ecológico sensible a los cambios ambientales. La dinámica en el tiempo del carbono y nitrógeno de la BM(C-BM y N-BM) fue evaluada, empleando el método de fumigación extracción, en un suelo de la Península de Paraguaná (estado Falcón) tratado con tres residuos orgánicos: lodo residual, estiércol de chivo y residuo industrial de sábila (aloe vera) a dosis de 1 y 2%.Las mezclas se incubaron aeróbicamente durante 64 días, determinándose que la incorporación de los materiales orgánicos al suelo incrementó significativamente el C-BM en relación al suelo control, durante todo el tiempo del experimento. Al final de la incubación, este aumento fue proporcional a la dosis, siendo para 2%, mayor en el tratamiento con residuo de sábila (485 μgCg-1) en relación al control (243 μg C g-1) y menor en el del lodo residual (454 μg C g-1) (LSD=54). La tendencia del N-BM (N-reactivo a ninhidrina) fue contraria, aunque, al final del experimento, los valores para los mismos tratamientos, fueron significativamente mayores (12y6μgNg-1 suelo, respectivamente) [Mínima Diferencia Significativa (MDS)=1] al valor del control (4 μgNg-1 suelo). Se evidenció que estas
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variaciones están controladas ampliamente por la cantidad y la calidad de la materia orgánica incorporada con el residuo.
Cambios en la Biomasa Microbiana y la Actividad Enzimática Inducidos por la Rotación de Cultivos en un Suelo Bajo Producción de Hortalizas en el estado Falcón, VenezuelaFrank Zamora, José Pastor Mogollón, Nectali Rodríguez.
El presente trabajo se realizó en el municipio Federación, estado Falcón, el cual es una de las principales zonas productoras de hortalizas de piso bajo. El objetivo del trabajo fue evaluar el efecto de diferentes sistemas de rotación de cultivos, sobre los parámetros biológicos y bioquímicos del suelo, con el fin de establecer indicadores de calidad de éste recurso. Se tomaron muestras a dos profundidades, de 0-10cmy de 10-20 cm, en dos sistemas diferentes de rotación de cultivos, uno que incluye un ciclo de tomate alternado con cebolla (T-C-T) y otro sistema donde se realiza el monocultivo de tomate (T-T-T). Las variables biológicas y bioquímicas estudiadas fueron el carbono de la biomasa microbiana del suelo (C-BM), y la actividad de la fosfatasa alcalina y la deshidrogenasa. Los resultados obtenidos indican que el suelo donde se implementó el sistema de rotación de cultivos (T-C-T) presentó mayores niveles de C-BM en la capa superficial, aproximadamente un40%mayor en comparación al sistema T-T-T. En este parámetro no se observaron diferencias significativas en la profundidad de 10-20 cm, con un valor promedio de 246 μg C g-1 suelo. La actividad deshidrogenásica presentó la misma tendencia que el C-BM, presentando valores promedio de 80 μg de TFF (trifenilformazan) g-1 suelo 24h-1 en el sistema T-C-T, mientras que en el sistema T-T-T se midieron valores en promedio de 36 μg TFFg-1 suelo 24h-1. Esto resultó en una reducción significativa (p<0,05) en el sistema de monocultivo de tomate, en aproximadamente un 45%, en comparación al sistema donde se incluye la cebolla como parte de la rotación. La fosfatasa alcalina no mostró ningún poder discriminatorio en los sistemas de rotación de cultivos evaluados.
Cambios en el carbono orgánico del suelo bajo sistemas Agrícolas intensivos en la península de paraguaná, estado falcón (Departamento de Ambiente y Tecnología Agrícola, UNEFM, Departamento de Química, IUTAG, Coro, Estado Falcón.
El trabajo tuvo como objetivo evaluar el efecto de los principales sistemas agrícolas de la Península de Paraguaná, sobre el carbono orgánico del suelo (COS) y el carbono de la biomasa microbiana (C-BM). Para ello se tomaron muestras superficiales de suelo (0-25 cm) en cinco áreas agrícolas de la
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zona, ubicadas en la provincia de humedad del semiárido. En la medida que los sistemas agrícolas fueron más intensivos, se encontró una disminución de las reservas de COS la cual estuvo en el orden de un 50 a un 86%. El C-BM también siguió la misma tendencia del COS, encontrándose valores porcentuales de disminución entre un 36 y un 68% producto del manejo agrícola intensivo. Estas variables estudiadas resultaron ser excelentes indicadores del proceso de desertificación que se viene presentando en estas zonas semiáridas de Venezuela, producto de un agotamiento de las reservas de carbón o orgánico del suelo.
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4. Conclusión
Para finalizar, podemos plantearnos la pregunta ¿qué es la biomasa? Un científico diría: “biomasa es toda materia orgánica susceptible de aprovechamiento energético”. Pero la realidad de la biomasa es más profunda, estamos hablando de un vector energético que, a corto plazo, puede ser básico en nuestra sociedad, tanto desde el punto de vista energético y ambiental, como para el desarrollo socioeconómico de las zonas rurales.
De acuerdo a la investigación planteada, se concluye que, a nivel regional, el potencial de generación a partir de la biomasa puede ser viable, esto corroborado por los resultados obtenidos de trabajos de investigación previos en los cuales se obtuvieron recolectaron datos que pueden ser de la base para desarrollar futuros trabajos de investigación.
Actualmente, más del 80% de nuestro abastecimiento energético proviene de energías fósiles, otro 13% de energía nuclear, y solamente alrededor del 6% de Energías Renovables. Este 94% no renovable conlleva importantes implicaciones medioambientales. Por tanto invertir en el uso nuevas tecnologías como las generadas por la biomasa conllevaría a contribuir con el plantea de qué forma reduciendo las emisiones de gases de efectos invernaderos, supone una gran inversión y habría que realizar estimados de costos pero que a largo plazo también ayudaría a contribuir con la mejora de las economías a gran escala, desde el punto de vista energético las plantas de generación eléctrica a partir de la biomasa puede resultar interesante al tener dependiendo de las zonas donde se encuentren una potencia cercana a los 10 Mw o superiores.
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