Universidad de El Salvador Facultad de Ingeniería y Arquitectura Escuela de Ingeniería Mecánica
Tema de investigación:
GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE UN CICLO COMBINADO DE GAS Y VAPOR EN UNA FINCA RURAL, UTILIZANDO BIOGÁS COMO COMBUSTIBLE.
Presentan: Caballero Pacheco, Carlos Armando ..... CP12008 Campos Bernal, Víctor Alejandro ......... CB11027 Mejía Chávez, Alfredo Leonel ............... MC11012 Grupo #8 Termodinámica II, ciclo II – 2014
Docente: Ing. Gustavo Salomón Torres Ríos Lazo
Cuidad Universitaria, 23 de septiembre de 2014
ÍNDICE DE CONTENIDOS
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Presentación y desarrollo de los temas 1. Generalidades 1.1. Problemática ambiental y energética . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Propuesta de solución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3. Ventajas y desventajas del sistema . . . . . . . . . . . . . . . 2 2. Ciclo combinado de potencia de gas y vapor 2.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2. Mejoras en el desempeño y la eficiência térmica . . . . . . 7 2.2.1. Análisis de las mejoras del ciclo de vapor . . . . 10 2.2.2. Análisis de las mejoras del ciclo de gas . . . . . . 11 3. Biocombustibles 3.1. ¿Qué son los biocombustibles? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.1. Biomasa natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.1.2. Biomasa residual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.3. Biomasa de cultivos energéticos . . . . . . . . . . . 28 3.1.4. Potencial de la energía de la biomasa . . . . . . . 31 3.2. Tipos de biocombustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.1. Combustión directa de la biomasa . . . . . . . . . . 36 3.2.2. Biogás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.2.1. Obtención del biogás . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.2.1.1. Gasificación y pirólisis . . . . . . 40 3.2.2.1.2. Procesos biológicos . . . . . . . . 42 4. Aplicación del biogás como combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.1. Composición y refinamiento del biogás . . . . . . . . . . . . 48 4.2. Sustitución de un combustible por biogás . . . . . . . . . . . 52 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
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INTRODUCCIÓN La energía eléctrica es actualmente una necesidad humana, nuestra vida no sería la misma si no dispusiéramos de ella: se requiere energía eléctrica para hacer funcionar la maquinaria en los talleres y fábricas, se necesita la energía eléctrica para iluminar los hogares, las carreteras, para sacar de la oscuridad a las personas, se necesita también en la producción alimenticia, en las telecomunicaciones, en fin, en todos los aspectos de la vida cotidiana se debe utilizar energía eléctrica de manera directa o indirecta. Surge a partir de la necesidad de cuidar el medio ambiente al mismo tiempo que se produce energía la posibilidad de usar materia orgánica como combustible en un ciclo de gas y vapor combinado, obteniendo así muchos beneficios a corto y largo plazo, como lo son el aprovechamiento de lo que antes era tratado como desperdicio, autosostenibilidad, desarrollo del área rural y generación de empleo. El biocombustible es una alternativa ecológicamente viable, pues en nuestro país existe el potencial de explotar el recurso renovable de la biomasa, aprovechando tanto los desperdicios de madera, zafra, arroz, maíz, entre otros cultivos, así como también el cultivo de biomasa (plantaciones orientadas al aprovechamiento de sus cultivos como combustible), incluso se puede aprovechar lo menos valioso que existe para producir energía limpia y así evitar el daño que se produce al medio ambiente si se dejan a su suerte: las deposiciones de animales. Se pueden encontrar muchas maneras alternativas a las que el día de hoy se tienen para aprovechar al máximo los recursos renovables, reducir el impacto ambiental que la industria y la vida cotidiana producen y mejorar la calidad de vida de las personas que habitan en este país y el mundo entero.
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JUSTIFICACIÓN
Los altos costos de los combustibles fósiles, la compra de energía a grandes empresas y la dificultad que conlleva transportar esa energía desde el lugar en el que es generada hasta los más remotos asentamientos rurales del país hace que sea necesario tomar serias acciones, lo que ha llevado a muchos profesionales a investigar acerca de la manera más adecuada para abastecer esa demanda energética, y un paradigma que debe siempre tenerse en cuenta es buscar la manera de que el impacto ambiental sea mínimo o nulo. La utilización del biocombustible es determinante para la reducción de las dificultades mencionadas anteriormente, porque puede generarse directamente en el sitio donde se va a utilizar y obtenerse de diversas fuentes (industria maderera, ganadera, láctea, papelera y en rellenos sanitarios), puede ser almacenada para su uso posterior o incluso comercializarse, es un recurso económico y se ayuda al medio ambiente cuando es tratado, ya que muchas veces la biomasa residual es tratada como desperdicio y su descomposición supone focos de infección y contaminación. El enfoque de esta investigación es la biomasa de residuos animales, precisamente las deyecciones sólidas del ganado y las aves de corral, cuyo potencial energético es muy grande, así como grandes son las ventajas que suponen su aprovechamiento, entre las que podemos citar:
Evitar la proliferación de moscas y las enfermedades que estas transmiten al ser humano, producto del contacto de estas con heces y materia orgánica en descomposición. Eliminación de malos olores provenientes de la acumulación del estiércol a cielo abierto, así como evitar quejas de los lugareños e incluso multas. Obtener energía limpia y de muy alto valor como combustible al mismo tiempo que se evita la contaminación al medio ambiente.
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OBJETIVOS Los objetivos de esta investigación están orientados a:
Comprender, explicar y saber diferenciar entre los distintos tipos de biocombustible que existen, las aplicaciones que cada uno tiene y sus formas de obtención, el tratamiento que debe darse a sus residuos y seleccionar el tipo más apropiado de biocombustible que se debe usar dependiendo el rubro y el tipo de materia prima que se pretende utilizar.
Difundir en nuestro país la cultura del biocombustible, que nos hará una sociedad autosostenible y capaz de proteger al medio ambiente utilizando para ello los recursos que la tierra misma nos brinda, con energía limpia y a precios más accesibles comparados a otros combustibles y otras formas de energía.
Como estudiantes de Ingeniería Mecánica plantear el desarrollo e implementación de tecnologías que permitan transformar la biomasa en energía eléctrica y potencia mecánica, con el fin de solucionar el déficit energético, optimizar e industrializar las operaciones que se dan día con día en las fábricas y proteger al medio ambiente reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.
Considerar las limitaciones que la biomasa tiene frente a otros combustibles tradicionales, y al mismo tiempo comprender las ventajas que presenta la utilización de biomasa y el impacto que tendría en nuestra sociedad una migración parcial hacia los biocombustibles.
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1. GENERALIDADES 1.1.
PROBLEMÁTICA AMBIENTAL Y ENERGÉTICA
En nuestro país existen muchas generadoras de energía, pero aún así existe la necesidad de comprar energía a otros países de la región durante épocas de sequía y en horas pico para las grandes fábricas. Esa deficiencia en cuanto al suministro de energía es alarmante, pues el presupuesto del país se ve mermado, de manera que es necesario e imperativo buscar cómo generar nuestra propia energía, es decir, cómo ser autosostenibles. La generación hidroeléctrica está muy de moda en el país, de momento se planea expandir la central 5 de noviembre, para instalar más capacidad de generación, pero aún así depende demasiado del recurso hídrico, durante una sequía la energía es menor y por tanto, su precio se eleva. Hay que buscar aún más alternativas. 1.2.
PROPUESTA DE SOLUCIÓN
En esta oportunidad presentamos una solución alternativa y rentable para suplir la energía eléctrica incluso en aquellas zonas rurales que aún no cuentan con el servicio, y que utiliza recursos naturales renovables para la generación de vapor y energía eléctrica: biomasa. Consta de un Ciclo combinado de gas y vapor, en cuya caldera se quemará combustible biomásico en reemplazo de combustibles derivados del petróleo y aprovechando al máximo la disponibilidad de materia prima, sea cual sea el rubro en la zona donde estará instalada la central: papeleras, aserraderos, granjas avícolas o ganaderas. Se propone esta solución porque, en proporciones adecuadas, es un sistema autosostenible, es decir, lo que se produce en la fábrica o granja pasa luego a ser materia prima en la producción del biocombustible, que luego es consumido en la generación de energía eléctrica para hacer funcionar a las grandes máquinas, la maquinaria produce y luego sus residuos serán nuevamente transformados en una forma más útil como lo es el combustible biomásico, y el ciclo sigue y se repite.
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1.3.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL SISTEMA
Como todo en esta vida, no puede existir nada perfecto. Pero como ingenieros, se debe buscar acercarse lo más posible a la perfección. Aquí presentaremos las ventajas y las desventajas que tiene un sistema de generación termoeléctrico que funciona con biocombustible. Ventajas
Desventajas
Es un recurso renovable e ilimitado si se usa con moderación. Las emisiones de CO2 se equilibran en el ambiente. Sustituyen directamente a los combustibles fósiles, en especial en el mercado de los automotores. Bajo contenido de azufre y bajo porcentaje de cenizas. Gran variedad de productos finales: sólidos, líquidos y gaseosos. Se puede reducir en gran medida la contaminación en el ecosistema al aprovechar los desperdicios ganaderos y de la actividad humana en la obtención de biogás. Recuperación de suelos áridos al sembrar cultivos energéticos. Posibilidad de usar los biocombustibles de manera combinada en las calderas con quemadores mixtos y ciclos combinados de gas y vapor.
Sería irreversiblemente dañino si se consume la biomasa a un ritmo más acelerado del que es generado. Al utilizar los residuos sólidos humanos (RSU) para la obtención de biogás pueden producirse gases tóxicos si no se clasifican previamente los desechos. Gran parte de las tierras que están destinadas al cultivo de alimentos serían cultivadas con plantas aptas para ser transformadas en combustible.
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2. CICLO COMBINADO DE POTENCIA DE GAS Y VAPOR 2.1.
FUNCIONAMIENTO
El ciclo combinado de generación de potencia está basado en dos sistemas distintos: un ciclo de vapor de agua y un ciclo de gas. El ciclo Brayton de gas es la primer etapa del circuito termodinámico, y en ella se consume biogás como combustible, los gases de escape de esta combustión son impulsados hasta encontrarse con la turbina de gas, cuyos álabes están conectados a un eje que es el responsable de la generación de energía mecánica, que es transformada luego en energía eléctrica con ayuda de un generador. El fluido de de este ciclo no es llevado a sus condiciones iniciales, por lo que se denomina ciclo abierto, los gases de escape abandonan el sistema aún estando calientes. Este calor es aprovechado por el ciclo Rankine para sobrecalentar el agua hasta el estado de vapor, y dicha energía térmica es transformada en energía mecánica por la turbina de vapor. A diferencia del ciclo Brayton, el ciclo Rankine si es un ciclo cerrado, el calor con el que abandona el agua las últimas etapas de la turbina puede aprovecharse en aquellos procesos donde se requiere temperatura (o precisamente vapor), como en la industria alimenticia y textil. De no ser aprovechado este calor, es liberado hacia el ambiente o hacia otra sustancia, con tal de hacer que el agua llegue hacia sus condiciones iniciales y repetir el ciclo. Sea cual sea el combustible elegido, es posible generar electricidad en una planta termoeléctrica, pero la contaminación generada durante el proceso depende del tipo de combustible que se elija. Y por ello en esta investigación se ha dirigido la atención hacia la biomasa. En la sección siguiente se profundizará mas en ello, el enfoque de este punto es el funcionamiento de un ciclo combinado Brayton - Rankine. En la siguiente figura se expone un ciclo Rankine básico, es decir que tiene solamente sus componentes básicos que son: bomba de agua, caldera, turbina y condensador.
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Figura 1: Diagrama conceptual de una central convencional de turbina de vapor
El ciclio que se muestra a continuación es el ciclo Brayton de potencia a gas, que muestra sus principales componentes: compresor, cámara de combustión y turbina. Como se había mencionado antes, el fluido de trabajo no realiza un ciclo completo, aunque una idealización es asumir que vuelve a sus condiciones iniciales.
Figura 2: Diagrama conceptual de una central de turbina de gas.
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Es incluso posible la concepción de un sistema mixto de potencia de gas/vapor, combinando ambos sistemas como se muestra a continuación:
Figura 3: Diagrama conceptual de una central de ciclo combinado de gas y vapor.
Los esquemas de las figuras 2 y 3 son exclusivamente de uso con biogás, el esquema de la figura 1 puede funcionar con biocombustibles de toda clase. En esta investigación el enfoque es la central de potencia de gas y vapor, que es el ciclo combinado más básico (ver figura 4) y cuyo desempeño se puede mejorar implementando para ello modificaciones en su diseño, las cuales serán detalladas más adelante. El ciclo combinado utiliza se estudia como dos ciclos separados debido a su complejidad y a la naturaleza distinta de sus fluidos de trabajo. En esta investigación nos centraremos en un ciclo ideal de gas funcionando con biogás y un ciclo ideal de vapor funcionando con agua. El sentido del flujo de trabajo en la dirección de las agujas del reloj en un diagrama termodinámico nos indica un proceso donde se produce o se genera trabajo técnico sobre un eje que puede ser acoplado a un generador para producir energía eléctrica. En la figura 5 se muestra el diagrama termodinámico del ciclo combinado.
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Figura 4: Ciclo de potencia a gas y vapor, mostrando las direcciones del flujo y las interacciones de calor y trabajo presentes. Figura 5: Diagrama T-s del ciclo combinado.
PROCESOS DEL CICLO COMBINADO DE GAS-VAPOR CICLO BRAYTON
CICLO RANKINE
5-6: Compresión isentrópica del aire.
1-2: Compresión isentrópica del agua.
6-7: Absorción de calor a presión de 2-3: Absorción de calor de los gases de la mezcla de gases a P = cte.
escape en el agua, a P = cte.
7-8: Expansión isentrópica de los gases 3-4: Expansión isentrópica del vapor de de combustión en una turbina.
agua en una turbina.
8-9: Rechazo de calor de los gases de 4-1: Rechazo de calor del vapor hacia la escape hacia el ciclo de vapor.
atmósfera o hacia otro fluido.
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2.2.
MEJORAS EN EL DESEMPEÑO Y LA EFICIENCIA TÉRMICA
El ciclo Rankine mas básico expuesto en la sección anterior tiene una eficiencia térmica relativamente baja, entre el 30% y 40%. Esto significa que transforma en energía mecánica solamente una fracción de toda la energía térmica que el vapor transporta. El ciclo Brayton tiene una eficiencia aun más baja, que ronda el 20%. ¿Por qué combinarlos entonces? Es posible mejorar el rendimiento del ciclo, agregando etapas que aprovechen lo que la turbina que las precede no pudo. Esto consiste en colocar una serie de turbinas, que operan en distintos rangos de temperatura y presión con el objetivo de generar más potencia. Estas nuevas etapas que se agregan tienen la particularidad de que sus álabes aumentan de tamaño a medida disminuye la presión, con el objetivo de mantener constante la fuerza que hace rotar al eje.
Figura 6: Etapas sucesivas en un ciclo de potencia a turbinas.
El cuerpo 1 (C1) es el que recibe la mayor presión a su entrada (P1e), y luego de la expansión del fluido a través de la turbina, este escapa a una presión P1s. La presión cae cuando el fluido atraviesa las tuberías (de lo contrario, no fluyera o lo haría en sentido inverso) hasta un valor P2e, donde se expande al pasar entre los álabes (de mayor tamaño que los de la primera turbina), sale a una presión P2s y finalmente llega hasta el cuerpo 3, donde los álabes son muy grandes y la presión de salida es insuficiente para accionar otra turbina, por lo que el fluido que sale de esta etapa es enviado a la siguiente etapa (no se muestra la tubería en el diagrama). Si bien el sistema anterior es rentable, puede mejorarse si las salidas de cada etapa se recalientan, esto significa que cada ducto de escape de vapor reingresará a la caldera o que cada tubería de salida de gas reciba una inyección extra de combustible, para el caso de las turbinas a vapor y a gas respectivamente. En las turbinas de vapor se hace para que se eleve la temperatura del vapor y así asegurarse que a los álabes llegue solamente vapor sobrecalentado y evitar la erosión temprana de los mismos. En el caso de las
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turbinas a gas, se recalienta para tener una mayor disponibilidad de energía, la cual depende de la temperatura del fluido de trabajo. El recalentamiento nace exactamente por lo expuesto anteriormente; de no ser por limitaciones metalúrgicas que impiden elevar la temperatura de operación del vapor o del gas, el recalentamiento sería un proceso innecesario porque se haría desde antes de ingresar a las turbinas. Se muestra a continuación un esquema de una central termoeléctrica con recalentamiento:
Figura 7: Ciclo de vapor con recalentamiento.
Figura 8: Recalentamiento en un ciclo de potencia de gas. 8
El recalentamiento ideal se realiza con el propósito de llevar el fluido de trabajo hasta la misma temperatura con la que salió de la caldera el vapor (o la temperatura con la que abandonan los gases la cámara de combustión). El análisis que debe hacerse a esta clase de sistemas es similar al que se hizo en el ciclo simple expuesto al inicio de este apartado, teniendo cuidado en el recalentamiento, pues para elevar la temperatura del vapor de agua en esa etapa la caldera debe suministrarle calor, y esa energía en forma de calor no puede ser despreciada. En el caso del ciclo de gas, el calor proviene del consumo adicional de combustible y también debe tomarse en cuenta. El recalentamiento no es la única alternativa que se tiene para incrementar la eficiencia del ciclo, aunque debido a la naturaleza muy distinta de los ciclos de trabajo se estudiarán por separado; primero el ciclo de vapor y luego el de gas.
Figura 9: Diagrama termodinámico del proceso de recalentamiento del agua. Para el recalentamiento del ciclo Brayton se dibuja solo el proceso, dado que la mezcla de gases no es una sustancia pura.
Para el ciclo de vapor se tienen las alternativas siguientes para mejorar la eficiencia, además del recalentamiento:
Disminución en la presión del condensador. Incremento de la presión en la caldera. Sobrecalentamiento del vapor. Regeneración.
Para el ciclo de gas, los medios para conseguir una mayor eficiencia, sin contar el recalentamiento son:
Interenfriamiento. Regeneración. 9
2.2.1.
ANÁLISIS DE LAS MEJORAS DEL CICLO DE VAPOR.
Disminución de la presión del condensador: En la figura 10 se muestra el proceso de disminución de la presión, y el área delimitada por los puntos 4’, 1’, 2’, 2, 1 y 4 representa el incremento en el trabajo técnico disponible. Este incremento en el trabajo técnico tiene un efecto negativo: analizando de nuevo el gráfico de la figura 10 se puede ver que la calidad del vapor ha disminuido en las etapas finales de la turbina. Figura 10: Reducción de la presión del condensador desde P4 hasta P4’.
Incremento de la presión en la caldera: Otra variante en la presión del circuito es aumentar la presión de operación de la caldera, esto con el objetivo de aumentar el calor transferido hacia el agua, con tal de aumentar la disponibilidad energética del vapor, aunque se reduce la calidad del vapor. Como se mencionó anteriormente en el recalentamiento, este método está limitado solo por consideraciones metalúrgicas, ya que la presión y temperatura elevadas pueden hacer que los materiales con que está construida la caldera o los ductos que transportan el vapor fallen. Figura 11: Incremento en la presión de la caldera 10
Sobrecalentamiento del vapor: Esta variante es conocida también como ciclo supercrítico, y se aplica esta descripción a todo ciclo que trabaje en una región más allá del punto crítico. Combina los dos métodos anteriores, garantizando una calidad alta en las etapas finales del ciclo y aumentando el trabajo técnico disponible. Para optar por este método es necesario utilizar materiales que soporten las altas temperaturas y presiones a las que están expuestos en esas extremas condiciones. Figura 12: Ciclo supercrítico
Regeneración: La última y más usada de todas las posibles formas de incrementar la eficiencia térmica de un ciclo de vapor es la regeneración, que consiste en utilizar la energía térmica del fluido de trabajo en un punto para hacer que el agua en otro punto se caliente. Esto se puede conseguir de dos formas, una es mezclando dos corrientes de agua a diferentes temperaturas y en fases diferentes, y otra es transfiriendo el calor desde un fluido a otro sin combinarlos, y para conseguirlo se utilizan calentadores abiertos y calentadores cerrados, respectivamente. El calentador abierto (figura 15) es aquel que combina dos corrientes de un mismo fluido a diferentes temperaturas y en diferentes fases (por lo general una corriente de líquido y un flujo de vapor), para que cuando se alcance el equilibrio térmico se obtenga agua en estado líquido a una temperatura elevada, idealmente hasta el estado de saturación. Es en esencia una cámara de mezcla, por tanto, las presiones en las ramas de entrada deben ser iguales para que el fluido abandone el calentador por el conducto adecuado (hay que tener presente que la transferencia de masa se origina por la diferencia finita de presiones). Para poder usar un calentador abierto hay que extraer una fracción del vapor antes de que se expanda en la turbina, a esta técnica se le llama sangrado.
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El calentador cerrado difiere del abierto en cuanto a que las corrientes de fluido no se mezclan (figura 16), pudiendo estar a presiones distintas o, en un caso especial, ser fluidos distintos. La transferencia de calor es menos efectiva que en el calentador abierto, y su instalación, puesta en marcha y mantenimiento son más complicados debido a la compleja red de tuberías que lo conforman. Regeneración usando calentador abierto (CAA abierto)
Figura 13: Ciclo Rankine con regeneración usando CAA abierto
Hay que notar en el esquema anterior que de la turbina se desprenden dos ramas, nombradas y e 1-y, que indican que el flujo total es dividido en dos partes, siendo y el sangrado que se mencionó previamente, y 1-y la parte restante del fluido de trabajo que recorre la totalidad de la turbina, generando trabajo técnico a medida avanza. Podría creerse que hacer una extracción previa de vapor reduce en gran medida la potencia generada por la turbina, pero es al contrario: se utiliza el vapor extraído para precalentar el agua que viene desde el condensador y con ello se aumenta la temperatura promedio a la que el calor es transferido al agua.
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Regeneración usando calentador cerrado (CAA cerrado) Se muestra un esquema de una planta de potencia con CAA cerrado:
Figura 14: Ciclo Rankine con regeneración usando CAA cerrado
Es en esencia un intercambiador de calor donde no ocurre mezcla, pero analizando detenidamente el diagrama podemos notar que las dos corrientes de fluido deben mezclarse para mantener constante el flujo másico del sistema (se realiza el sangrado, pero debe volver a juntarse la totalidad del agua antes de reiniciar el ciclo). Las diferencias entre los sistemas que usan calentadores abiertos y cerrados se pueden enunciar de la siguiente manera: Hay mayor transferencia de calor en los calentadores abiertos, ya que se permite que ambas corrientes de fluido entren en contacto. En los calentadores cerrados, el área efectiva para la transferencia de calor depende de la superficie total que abarquen las tuberías que forman al calentador, las pérdidas que representan tener que invertir energía en calentar no solamente al vapor sino al ducto mismo hacen de los sistemas de regeneración con calentador abierto sean la mejor opción si lo que se busca es temperatura alta a la entrada de la caldera. 13
El inconveniente principal de los sistemas abiertos, y que es al mismo tiempo la ventaja de los cerrados, reside en la dependencia de las bombas para los primeros, por lo general una bomba para cada rama de entrada al calentador, de lo contrario surgiría el problema de que el flujo viaja en dirección errónea. Dicho planteamiento (presiones distintas durante la transferencia de calor) no representa un problema para los calentadores cerrados, ya que las tuberías condicionan la dirección del flujo. Este tipo de calentadores posee una construcción más compleja por la red de tuberías que lo conforman. En algunas etapas de la compleja red de un calentador cerrado se puede airear el fluido de trabajo debido a la condensación que sufre. Hay que recordar que el oxígeno, así como otros gases que se pueden producir al interior de la planta de potencia, son altamente oxidantes y si se permite que alcancen partes como la caldera, la turbina u otros componentes susceptibles pueden dañarlos prematuramente. Es por ello que se utilizan las trampas y desaireadores. Las trampas estrangulan el líquido, pero atrapan el vapor. Los desaireadores sirven para expulsar todo el aire que el proceso ha acumulado, similar a un proceso de purga. Ningún sistema es malo, y en la práctica se utilizan ambos tipos combinados como se muestra en la figura 17.
Figura 15: Esquema de un calentador abierto de agua de alimentación real. 14
Figura 16: Esquema de un calentador cerrado de agua de alimentación real. Se distinguen cuatro ramas en el circuito, dos de ellas las entradas del vapor sangrado y la del agua de alimentación, y sus salidas respectivas.
Figura 17: Ciclo Rankine de potencia usando los dos tipos de calentadores de agua de alimentación (CAA): abierto y cerrado. 15
2.2.2.
ANÁLISIS DE LAS MEJORAS DEL CICLO DE POTENCIA DE GAS
Previamente se habían mencionado algunas modificaciones al ciclo básico de potencia de gas, como el recalentamiento y las expansiones en turbinas sucesivas, ahora se estudiarán las mejoras en el ciclo Brayton. Interenfriamiento: Consiste en la compresión del aire por etapas, y como su nombre lo indica, entre compresiones el gas es enfriado. ¿Por qué se realiza el interenfriamiento? Su objetivo es minimizar el trabajo del compresor, asemejando la compresión que idealmente es isentrópica hasta que este próxima a un proceso isotérmico. Recordando que el trabajo de un proceso politrópico Pvn = cte está determinado por el exponente politrópico mismo:
Siendo n=k el proceso isentrópico, 1
Figura 18: Minimización del trabajo del compresor al aproximarse a un proceso isotérmico (Pv = cte)
La presión a la que se realiza el interenfriamiento para garantizar que la reducción de trabajo de entrada es máxima viene dada por la derivada de la suma de los trabajos politrópicos, desde la presión 1 hasta la presión x, y desde el punto x hasta la presión 2, y derivada con respecto a la presión Px, dando como resultado que la relación de presión en ambas etapas debe ser la misma.
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Regeneración: La regeneración del ciclo Brayton es muy similar a la del ciclo Rankine, a diferencia que en el ciclo de gas no existen los calentadores abiertos. La regeneración se da al precalentar el aire que sale del compresor aprovechando los gases de escape calientes de la etapa final del ciclo, para que la combustión sea más fácil; en el modelo ideal la regeneración implica que se requiere menos calor de una fuente externa para hacer que la combustión se complete.
Figura 19: Regeneración en el ciclo Brayton, aprovechando los gases de combustión a temperaturas elevadas se puede precalentar el aire comprimido para facilitar la quema del combustible.
Las siguientes tres figuras son un ciclo ideal de potencia a vapor, un ciclo ideal de potencia a gas y un ciclo combinado, cada uno con la implementación de sus mejoras. El análisis que debe darse a cada uno de los sistemas termodinámicos ha de contemplar lo siguiente: Debe cuantificarse el calor de recalentamiento, ya que forma parte del calor total de entrada, en la regeneración no, debido a que se usa el calor de escape (ciclo Brayton) o el calor de una etapa previa del vapor (ciclo Rankine). Las extracciones de vapor en las etapas de expansión en una turbina (sangrados) deben unirse y sumar el total del agua empleada en el circuito, no se pierde ni se gana agua durante el sangrado de una turbina.
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Figura 20: Ciclo Rankine con recalentamiento y regeneración con ambos tipos de calentador de agua de alimentación.
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Figura 21: Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración.
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Figura 22: Ciclo de potencia vapor y gas combinado, implementando
recalentamiento en el ciclo Rankine.
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3. BIOCOMBUSTIBLES 3.1.
¿Qué son los biocombustibles?
Los combustibles que se obtienen a partir de materia orgánica son conocidos como biocombustibles, y han existido desde siempre. En conjunto a toda la materia viva u orgánica se le conoce como biomasa, pero es más común refererirse a la biomasa como toda aquella materia que tiene potencial de generar energía a partir de su combustión o transformación química y física. Existe biomasa renovable y no renovable, hablar de la no renovable es referirse al petróleo, al gas natural, al carbón que se extrae de las minas y en fin a todos los combustibles fósiles. La biomasa renovable constituye en efecto todo aquello que está en las siguientes categorías: Biomasa de origen vegetal: Biomasa natural, cultivos energéticos. Biomasa de origen animal: Excrementos y purines. Biomasa de origen humano: Residuos Sólidos Urbanos (RSU)
provenientes de viviendas, comercios, fábricas, etc. La biomasa es la energía del sol almacenada en los seres vivos, vegetales o animales por medio del proceso de fotosíntesis (vegetales) y la digestión (comida) de estos vegetales por los animales. Se trata, por tanto, de un pequeño porcentaje de la energía solar que llega a la Tierra. Debe señalarse que la biomasa puede ser primaria cuando es producto de la fotosíntesis, y secundaria cuando esta recibe la energía solar de forma indirecta (es el caso de las heces y fangos residuales). Desde el punto de vista del aprovechamiento energético, podemos clasificar a la biomasa en dos categorías: biomasa de residuos y biomasa de cultivos energéticos. Los residuos provienen de la acción del hombre como de la misma naturaleza (poda preventiva, astillas y aserrín de madera, ramas que se quiebran con el viento, deposiciones del ganado, etc.) Los cultivos energéticos son sembradíos de diversas plantas con un alto potencial de producir energía, directamente sometidas a combustión o transformados en procesos termoquímicos y/o fisicoquímicos. 21
Figura 23: Diversas formas de energía solar.
Como se mencionó anteriormente, existen múltiples maneras de aprovechar la energía que la biomasa tiene almacenada, y la más sencilla es llevarla directamente a la combustión en una caldera, para producir vapor y así accionar una turbina, que acoplada con un generador puede transformar el trabajo técnico en electricidad. Una segunda técnica consiste en someter la biomasa a procesos termoquímicos, como por ejemplo carbonización, gasificación y pirólisis, con el objetivo de obtener así productos líquidos y gaseosos que pueden ser empleados en un proceso de combustión y producir calor o generar electricidad. Un ejemplo de estas transformaciones es la obtención de etanol a partir de la caña de azúcar. Otra
técnica
requiere el uso de procesos fisicoquímicos, tal como la transesterificación, para obtener combustibles líquidos que pueden ser destinados a la combustión para producir potencia en un motor de combustión, para generar calor y electricidad. Un producto obtenido a partir de este proceso es el biodiesel.
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Existen también técnicas de conversión bioquímica (fermentación alcohólica, digestión anaeróbica y descomposición aeróbica), que son procesos con o sin presencia de oxígeno, y que pueden generar como resultado combustibles líquidos y gaseosos, además de subproductos como lodos ricos en minerales que pueden utilizarse para regar cultivos. Un ejemplo de producto obtenido a partir de la digestión anaeróbica es el biogás o gas metano, del cual se hablará en detalle en secciones posteriores.
Figura 24: Diversas fuentes de biomasa.
Algo que hay que notar es que la biomasa puede considerarse como una sustitución directa de los combustibles fósiles, en particular del carbón, puesto que se quema o gasifica de manera análoga a como lo hace el carbón, y así produce también la misma clase de emisiones. Reside acá la importancia de sustituir al carbón por la biomasa: ambos emiten gases de efecto invernadero (CO2 en particular). Podría suponerse que ambas son igual de dañinas, pero no es así: La biomasa vegetal se genera a partir del proceso de la fotosíntesis, se absorbe dióxido de carbono y agua en las plantas, y mediante la energía solar, estos se transforman en glucosa y oxígeno, siendo este último liberado hacia el ambiente. 23
Al quemar la biomasa, se libera CO2 y una pequeña fracción de vapor de agua (dependiendo de la humedad que esta tenga en el momento de la combustión), es decir, se devuelven al medio ambiente los componentes que inicialmente se absorbieron por la planta: no se ha generado ningún dióxido de carbono extra, y por tanto se mantiene un equilibrio ambiental que al quemar combustible fósil no se da. El carbón natural y las demás formas de combustible fósil generan CO2 pero dicho componente no formaba inicialmente parte de nuestro ambiente, produciéndose así contaminación y daño al ecosistema.
Figura 25: Proceso de la fotosíntesis.
3.1.1.
Biomasa natural
La biomasa natural constituye una fuente muy importante de combustible, pero debe tenerse sumo cuidado en su explotación: hay que recordar que las plantas son los pulmones de este planeta, y su consumo irracional resultará catastrófico en lugar de ser de beneficio. Las plantas consumen el CO2 y liberan oxígeno, vital para la supervivencia de las especies en la Tierra. Actualmente, la industria maderera explota de manera indiscriminada este valioso recurso en el bosque del Amazonas, y el impacto que esto produce es irreversible
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y se empieza a notar: el aumento de la temperatura promedio no ha parado desde hace ya algunos años, y se teme que siga aumentando.
Figura 26: Selvas tropicales.
3.1.2.
Biomasa residual
La biomasa residual comprende los subproductos derivados de determinadas actividades ganaderas, agrícolas, forestales, industriales, domésticas, etc., que suelen denominarse biomasa residual: Los residuos ganaderos constituyen una parte de la denominada biomasa animal. Este tipo de residuos está formado por determinados subproductos generados por animales vivos (por ejemplo material de la cama y deyecciones sólidas, que constituyen el denominado estiércol y material procedente de deyecciones líquidas y agua de lavado, o muertos (por ejemplo, huesos, pellejos, etc.), que son biodegradables y pueden descomponerse utilizando mecanismos apropiados para generar biogás. Hay que señalar que un porcentaje de los residuos procedentes de mataderos se suelen utilizar como materia prima en determinadas industrias (jabones, albúmina, etc.). 25
Figura 27 (arriba): La industria ganadera es una fuente importante de biomasa residual. Figura 28 (abajo): La agricultura y las madereras producen residuos con potencial uso energético.
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Los residuos agrícolas se caracterizan por su estacionalidad y se obtienen de los restos de cultivos o de limpiezas que se hacen del campo para evitar las plagas o los incendios. Estos residuos pueden ser clasificados en dos grupos: los residuos herbáceos (plantas verdes, pajas, cascarillas de cereales, tallos, etc.) y los residuos leñosos (restos de podas, ramas, etc.). Los residuos herbáceos que tienen valor energético, y que no se destinan a la alimentación de animales (uso más frecuente), pueden emplearse como combustibles. Los residuos sólidos urbanos (RSU) son, según la definición de biomasa residual, una parte de los desechos (basura) que la humanidad genera en su domicilio (restos de alimentos, papel, etc.). Este tipo de residuos se incluyen dentro de la denominada biomasa vegetal, sin embargo, su aprovechamiento energético presenta algunas diferencias con los del resto de la biomasa (algunos desechos pueden ser nocivos y producir subproductos tóxicos de no tratarse adecuadamente). El tratamiento y eliminación de estos residuos constituye un problema cada día más agobiante debido a su incesante crecimiento, a medida que aumenta la población y el nivel de vida de la misma. Si cada día el reciclaje se practicara en mayor medida, se ahorrarían millones de dólares en la extracción y fabricación del aluminio, plomo y otros metales, así como también en la industria el vidrio y el papel, ambos materiales pueden reciclarse y así se evita seguir creando más y más unidades, que al final terminan en la basura.
Figura 29: Promontorios de basura, potencialmente tratables y usables como combustible. 27
3.1.3.
Biomasa de cultivos energéticos
Los cultivos realizados con el propósito exclusivo de obtener materiales con características especiales para ser aprovechados energéticamente. Estos cultivos se denominan cultivos energéticos y, normalmente, se clasifican en cuatro tipos:
Cultivos tradicionales: Se trata de cultivos que el hombre ha utilizado desde hace mucho tiempo, para su alimentación o su uso en la industria. Su utilización como biomasa compite directamente con su uso alimenticio. Ejemplos: maíz, trigo, caña de azúcar, remolacha.
Figura 30: Caña de azúcar, maíz, remolacha y trigo
Cultivos poco frecuentes: Cultivos que pueden implantarse en terrenos no aptos para la siembra de cultivos destinados a la alimentación. Por su naturaleza poco común, no compiten por terreno con los cultivos alimenticios. Ejemplos: pita (Agave americana), cardo (Cynara cardunculus). Cultivos acuáticos: La mayor parte del planeta está ocupada por agua, en donde siempre incide una gran cantidad de radiación solar. Ejemplos: las algas Macrocystis pyrifera y Nereocystis luektana, Jacinto de agua (Eichornia crassipes).
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Figura 31: Izquierda: Pita (Agave americana, derecha: Cardo (Cynara cardunculus L)
Figura 32: Izquierda: Alga gigante (Macrocystis pyrifera), derecha: Jacinto de agua (Eichhorna crassipes)
Cultivos óptimos: Esta clase de cultivos poseen propiedades similares a las de los hidrocarburos, y con un sencillo tratamiento puede extraerse de ellas combustibles líquidos, como el etanol. Ejemplos: Palma africana (Elaeis guineensis) y Tartago (Euphorbia lathyris)
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Figura 33: Izquierda: Palma africana (Elaeis guineensis), derecha: Tártago (Euphorbia lathyris)
En definitiva, la biomasa de los residuos y de los cultivos energéticos constituye, esencialmente, como ya se ha mencionado, energía química almacenada. Esta energía puede ser transformada por el hombre mediante diferentes tratamientos, en función del tipo de recurso, para aprovecharla mediante la producción de calor, generación eléctrica, o destinarla como combustible para el transporte. Evidentemente, la biomasa al quemarse produce anhídrido carbónico (CO2) y agua (H2O); ambos elementos presentes en la composición de la atmósfera terrestre. Sin embargo, los constantes ciclos a que están sometidos estos componentes les permiten volver a pasar a la materia vegetal en el proceso de crecimiento de las plantas. Es decir, se trata de un proceso cíclico en el que la composición de la atmósfera se mantiene dentro de valores constantes. Los combustibles extraídos de la biomasa presentan un muy bajo contenido de azufre, no forman escorias en su combustión y tienen bajo contenido en cenizas. A diferencia, los combustibles fósiles emiten grandes cantidades de CO2, que ya no formaban parte de la dinámica de la biosfera, contribuyendo a elevar la proporción de este gas en la atmósfera y, consecuentemente, a la producción del llamado efecto invernadero (calentamiento por retención de la radiación solar reflejada), y a la generación de otros problemas ambientales, tales como la lluvia ácida o el deterioro de la capa de ozono, debido a la producción de elementos extraños a la
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atmósfera (óxidos de azufre, carbono y nitrógeno, partículas, hollines, metales pesados). 3.1.4.
Potencial de la energía de la biomasa
Como ya se ha indicado, la biomasa constituye energía solar almacenada en forma de energía química. El rendimiento teórico de este proceso de conversión es bastante bajo, ya que es inferior al 5%. Sin embargo, la biomasa se encuentra muy distribuida sobre la superficie de la Tierra, estimándose que la energía anual almacenada por la biomasa es de más de 8 millones de TWh (aproximadamente el 40% de esta energía se genera en ámbito acuático). Actualmente, solo se utiliza una ínfima parte de la energía de la biomasa como combustible. Sin embargo, no existe forma sostenible en la que se pueda hacer uso de la producción entera anual de la biomasa, incluso aunque se quisiera. El combustible constituye, en cualquier caso, solo uno de los cuatro usos contrapuestos de la biomasa. Comida, forraje y fibra deben compartir el recurso (comida para los humanos, forraje para los animales domésticos y salvajes, y fibra para la fabricación de papel, tejidos, etc.). Además, no todo el potencial de la biomasa renovable puede ser explotado debido a diversos condicionantes: elevados costes de recolección y transporte, localización en el mundo acuático, etc. Dada la naturaleza tan diversa de los biocombustibles y las amplias variaciones en sus condiciones locales, es evidente que cualquier evaluación del potencial mundial debe apoyarse en análisis detallados de las contribuciones individuales dentro de regiones específicas o países. Como en la estimación de cualquier recurso, se deben tener en cuenta factores medioambientales y sociales, así como consideraciones técnicas y económicas. Los estudios realizados a escala mundial (Conferencia de las Naciones Unidas sobre Medioambiente y Desarrollo), sugieren que el suministro de energía anual procedente de la biomasa, en la mitad de este siglo, podrá alcanzar alrededor de la mitad del consumo actual total de energía primaria. Como se podrá ver en la página siguiente, El Salvador está en una región con una alta densidad de biomasa por hectárea, aprovechar el recurso para ayudar a suplir la deficiencia energética debería ser una prioridad. De acuerdo a lo que se ha podido leer párrafos arriba, no toda la biomasa disponible debe ser usada, y no toda la biomasa utilizable debe consumirse en la generación de energía y combustibles: la economía y la canasta básica local depende mucho del cultivo tradicional (granos básicos, café, caña de azúcar) y de la agricultura (forraje para
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el ganado). Todas esas consideraciones deben hacerse al evaluar la cantidad disponible de biomasa Figura 34: Distribución de la biomasa a nivel mundial.
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3.2.
TIPOS DE BIOCOMBUSTIBLE
La biomasa fue la principal fuente de energía en todo el mundo antes de la revolución industrial. Hoy en día, la energía puede obtenerse de muchas formas, y la que se pretende sea tomada de nuevo como la principal fuente de energía es, en efecto, la biomasa. Si se utiliza responsablemente, el recurso puede durar ilimitadamente, cada día los progresos en el campo de la eficiencia energética son más notables, al punto que en algunos países se manejan combustibles obtenidos a partir de procesos termoquímicos, con biomasa como materia prima, como es el caso del etanol, que puede ser mezclado en cualquier proporción con la gasolina y hacer funcionar un automóvil, hay autos que funcionan incluso al 100% de etanol. Se tiene también la iniciativa del biodiesel y el biogás, obtenidos mediante procesos de transesterificación y digestión anaeróbica, respectivamente. Se detallarán todos los tipos de biomasa más adelante. La biomasa es un recurso que se presenta en una variedad de materiales diferentes: madera, aserrín, paja, restos de semillas, estiércol, desechos de papel, desechos domésticos, aguas residuales, etc. Las características de algunos materiales permiten que éstos puedan emplearse como combustibles directamente, sin embargo, otros requieren de una serie de tratamientos previos, que precisan distintas tecnologías antes de su aprovechamiento. Como es de esperar, la biomasa está presente en múltiples formas y para poder utilizarse debe someterse a una serie de tratamientos dependiendo el tipo de aplicación a la que está destinado su consumo y a la naturaleza del material mismo. Muchos de los recursos pueden utilizarse tal y como se obtienen de la naturaleza, para generar calor mediante la combustión directa de los mismos. En cambio, existen ciertos tipos de recursos energéticos que obligadamente deben pasar por procesos físicos, térmicos y químicos de transformación, pudiéndose producir energía que puede almacenarse y usarse luego, como lo es el biogás, el etanol, los pellets y briquetas, etc. Los recién mencionados pellets y briquetas no son otra cosa que biomasa refinada y posteriormente compactada, y su función es la de sustituir al carbón y a la leña, porque en esencia sus componentes son los mismos pero altamente concentrados, debido a su pequeño volumen y a la gran capacidad energética que tienen, son ampliamente utilizados en calderas y hornos.
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La siguiente imagen muestra los tipos de biomasa y los procesos a los que deben ser sometidos para su aprovechamiento, y las aplicaciones que tienen:
Figura 35: Tipos de biomasa, procesos a los que deben ser sometidos y aplicación.
Los procesos de transformación de la biomasa a sustancias energéticamente aprovechables pueden ir desde lo más sencillo hasta lo más complejo, dependiendo de la dificultad de obtención, el tiempo que se requiere para llevarlo a una forma más útil, la energía que hay que invertir y el esfuerzo que se necesita para garantizar que el recurso se renueve con el tiempo. Si no se cumplieran estas etapas necesarias, la biomasa no sería un recurso renovable y el daño al medio ambiente sería irreversible. Hay que notar que de los procesos de transformación de la biomasa podemos obtener subproductos con valor energético y comercial, un ejemplo de eficiencia es el lodo que se obtiene del proceso de digestión anaeróbica, cuyo contenido en minerales es alto y sirve para fertilizar los pastos y cultivos. Otro ejemplo es la pasta que queda al triturar y extraer el aceite de las semillas, que puede ser tratada y luego servir como alimento para aves. Y el ejemplo más significativo es sin duda el proceso de transesterificación, cuyo producto principal es el biodiesel, pero el subproducto que se obtiene también tiene una alta demanda, y es la glicerina.
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Cada proceso tiene su complejidad, y en el siguiente esquema se muestra:
Figura 36: Procesos de transformación en función de su complejidad (descendente)
Figura 37: Pellets y briquetas siendo usadas como combustible.
La biomasa, como ya se citó en páginas anteriores, puede ser directamente aprovechada al someterla a su combustión. Se detallará entonces cómo es que se aprovecha y cuánta energía puede conseguirse al aprovecharla de esta manera.
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3.2.1
COMBUSTIÓN DIRECTA DE LA BIOMASA:
La combustión directa es el sistema más antiguo de extracción de energía de la biomasa. En el proceso de combustión la materia orgánica (combustible) reacciona químicamente con el oxígeno (carburante) en una reacción exotérmica (cede calor al medio), obteniéndose dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y, si los elementos azufre y nitrógeno forman parte de los reactivos, óxidos de azufre (SO x) y nitrógeno (NyOz). Los factores fundamentales que afectan al proceso son: características físicas, químicas y energéticas de la biomasa (combustible), el porcentaje de oxígeno y la temperatura a la que se realiza la misma (entre 600 °C y 1300 °C). Entre las características físicas de la biomasa sobresale, por su importancia, el grado de humedad de la misma. Se aconseja que el grado de humedad sea inferior a 15% (biomasa seca), ya que en la evaporación del agua contenida en la biomasa se consume parte de la energía liberada en la combustión. Si se utiliza biomasa seca pueden lograse rendimientos del orden del 80%, frente a los rendimientos conseguidos (60%) cuando se utiliza biomasa húmeda (humedad > 50%). Asimismo, la granulometría (tamaño) y la densidad son características que influyen en la duración del proceso de combustión y en los equipos utilizados en el tratamiento y en la propia combustión. En cuanto a las características químicas, hay que señalar que el contenido en azufre de la biomasa vegetal es mínimo, por lo que prácticamente no se producen emisiones a la atmósfera de óxidos de azufre. Las propiedades energéticas de la biomasa vienen dadas por el denominado Poder Calorífico Superior (PCS), cuya unidad más frecuente es kcal/kg, y que se define como la cantidad de calor desprendido por la combustión completa de un kilogramo de combustible a presión constante. Sin embargo, se suele utilizar con mayor frecuencia el denominado Poder Calorífico Inferior (PCI), ya que éste refleja la cantidad de calor desprendido, una vez se ha descontado el calor absorbido en la evaporación del agua contenida en la biomasa. Partiendo de la composición elemental de la biomasa, el contenido energético de la misma puede ser estimado mediante la ecuación siguiente, cuyo resultado viene dado en kcal/kg:
Donde S, H, O y C son la proporción en peso en tanto por uno del combustible en azufre, hidrógeno, oxígeno y carbono, respectivamente. 36
Como en toda reacción de combustión, el oxígeno debe ser suficiente para lograr una combustión completa, de lo contrario, se está en presencia de una combustión incompleta y se obtiene carbón (hollín) y monóxido de carbono. El PCI (kcal/kg), referido a la humedad en base seca, para una humedad h y considerando un concentrado de hidrógeno del 6% y un calor de vaporización del agua de 585 kcal/kg, viene dado por:
En la siguiente tabla se indican los PCS y los PCI de algunas biomasas, en base al porcentaje de humedad h y una concentración de hidrógeno en base seca de 6.
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La humedad en base seca h y la humedad en base húmeda h’ se relacionan por la siguiente ecuación:
Mediante la combustión directa de la biomasa se produce la transformación de la energía química almacenada en ella en energía calorífica. La combustión directa de la biomasa puede llevarse a cabo en hogares para calentamiento directo (chimeneas, hornos de leña, estufas de leña, etc.), o mediante el uso de sistemas de calefacción (calderas). Asimismo, el calor generado al quemar la biomasa directamente puede ser usado en plantas industriales para calefacción y producir vapor, que puede ser empleado en la generación de electricidad.
Figura 38: Aprovechamiento por combustión directa de la biomasa.
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Figura 39: Aprovechamiento de la biomasa por combustión directa en una caldera, especialmente diseñada para funcionar con biomasa sólida.
Los otros métodos para la obtención y el aprovechamiento de la biomasa no se tratarán en esta investigación, a excepción de la digestión anaeróbica, de la cual se hablará y profundizará en la siguiente sección. 3.2.2.
BIOGÁS
Biogás es el nombre que se le da a cualquier gas procedente de fuentes orgánicas, con uso potencial como combustible para diversas aplicaciones, y se obtiene mediante procesos termoquímicos, biológicos y/o fisicoquímicos. El biogás tiene propiedades inflamables debido a su componente mayoritario, el metano (fórmula química: CH4), proveniente de la descomposición de la materia orgánica y a la acción de bacterias acetogénicas. La composición del biogás está muy distante de ser algo estable, pudiendo variar el contenido en metano desde un 30% hasta un 60%, todo depende de la fuente que lo produzca.
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3.2.2.1.
OBTENCIÓN DEL BIOGÁS
Puede obtenerse biogás principalmente usando cuatro tipos de procesos: gasificación, pirólisis, fermentación alcohólica y digestión anaeróbica. 3.2.2.1.1
GASIFICACIÓN Y PIRÓLISIS
La gasificación y la pirólisis son similares en cuanto a la materia prima que van a transformar, biomasa sólida; en ambos casos se busca convertir un combustible en otro de mayor poder energético o mayor eficiencia por unidad de volumen, hay que recordar que de la madera no todo es aprovechable: la humedad, las cenizas que se forman, el tamaño de las piezas, son factores determinantes para su aprovechamiento como tal. La gasificación consiste en la oxidación parcial de la materia prima en presencia de poco aire u oxígeno insuficiente. Se obtienen gases que continen CO, CO2, H2, CH4 y H2O, entre otros compuestos en menor concentración, al nivel de unas cuantas a miles de PPM. Las concentraciones de los compuestos antes mencionados dependen en gran medida del material utilizado como materia prima, el grado de humedad, tamaño y uniformidad de las partículas que componen al material; aunque también son variables del proceso la presión y temperatura a la que se llevan a cabo los procedimientos. El tipo de gasificador es otro factor que determina el producto final obtenido. Las condiciones generales que se deben respetar son: Humedad inferior al 15%, temperatura mayor de 700°C y menor a 1500°C, presión entre 1 y 30 veces la atmosférica. Se obtienen más productos y de mejor calidad al usar la gasificación con oxígeno en lugar de aire, por supuesto que la mano de obra, los gastos de operación, mantenimiento y la materia prima son mayores.
Figura 40: Proceso de gasificación usando aire atmosférico, donde se obtiene el gas de bajo poder calorífico. 40
Figura 41: Gasificación usando oxígeno. La complejidad del proceso se justifica por los combustibles obtenidos al final del proceso, con mayor potencial energético que los obtenidos usando aire.
La pirólisis se distingue de la gasificación porque se produce en ausencia total de oxígeno, a temperaturas más bajas (250°C ~ 500°C) y los productos que se obtienen pueden ser sólios, líquidos y gaseosos. Es posible incluso someter al tratamiento de pirolisis los RSU. Al igual que en la gasificación, las variables que afectan el proceso son la temperatura, presión, tiempo de operación y el tipo de biomasa utilizada (residuos ganaderos, vegetales o desechos urbanos). En la pirólisis gobierna el tiempo de operación y la temperatura, en una aplicación especial que es la pirólisis súbita, los tiempos son muy cortos y las temperaturas muy altas (, produciéndose combustibles ricos en hidrógeno, con aplicaciones más avanzadas como las pilas de hidrógeno. En la siguiente página (figura 42) se muestran los distintos procesos a los que es sometida la biomasa durante la pirólisis.
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Figura 42: Esquema conceptual del proceso de pirólisis.
3.2.2.1.2
PROCESOS BIOLÓGICOS DE OBTENCIÓN DE COMBUSTIBLES
Los biocombustibles pueden obtenerse a partir de procesos biológicos, dependiendo de la materia prima así es el producto final obtenido. Uno de estos procesos es la fermentación alcohólica, que transforma las azúcares (hidratos de carbono simples) y los almidones y celulosas (hidratos de carbono complejos) en alcohol, principalmente alcohol metílico y alcohol etílico, siendo este último el que más posibilidades de desarrollo e implementación presenta. Los alcoholes son combustibles líquidos, y su mayor campo de aplicación es el mercado automotriz, llegando incluso a sustituir directamente a los derivados del petróleo como en Brasil, donde se comercializa más etanol que gasolina desde hace más de 30 años. Las fuentes más comunes de etanol son la caña de azúcar y el maíz (usados en Brasil y EE.UU. respectivamente). El uso del etanol en los vehículos que funcionan a gasolina y a diesel, en los motores a gasolina por lo general no se requiere ningún cambio sustancial, pero en los motores diesel se necesitan hacer algunos cambios importantes.
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Figura 43: Procesos de obtención del etanol, en función de su materia prima: Azúcares, almidones y celulosas.
Figura 44: Comercialización del etanol y metanol como combustibles de automóviles (izquierda); camión pesado de carga funcionando con E-100 (100% etanol) como combustible (derecha).
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El otro camino que se debe seguir para la obtención de combustible por procesos biológicos es la digestión anaeróbica, que al igual que la pirólisis, es un proceso en ausencia de aire. En este caso, la descomposición se produce por la acción de bacterias, y en la pirólisis se produce debido a las altas temperaturas. El biogás puede obtenerse a partir de residuos vegetales y ganaderos, de la industria láctea, de la actividad humana y de materia orgánica en descomposición. Sus componentes principales son el metano y el dióxido de carbono, junto con otros compuestos en proporciones menores dependiendo de la fuente. La digestión anaeróbica se da en 3 etapas: Etapa de hidrólisis: descomposición de la biomasa en azúcares. Etapa acetogénica: transformación de los azúcares en ácidos orgánicos. Etapa metanogénica: transformación de los ácidos en gases.
Figura 45: Transformación de la biomasa residual en biogás y su posterior uso como combustible.
La cantidad de biogás obtenido y la calidad del mismo dependen de la composición y el tipo de biomasa, la acidez del medio (pH), el contenido de sólidos (la mezcla no debe ser muy líquida para que las bacterias puedan alimentarse, ni muy sólida para que las bacterias puedan desplazarse), y el tiempo de retención 44
hidráulica, que es el tiempo que la mezcla permanece bajo tratamiento en el recinto especialmente diseñado para la producción del biogás. La instalación designada para la obtención del biogás a partir de la biomasa es llamada BIODIGESTOR o REACTOR ANAERÓBICO, y son edificaciones herméticas que almacenan (o son llenadas continuamente) de biomasa y agua en una proporción 3 agua – 1 biomasa ó 4 agua – 1 biomasa. La mezcla de alimentación debe ser homogénea para que las bacterias puedan nutrirse en toda la mezcla (de lo contrario habrán zonas sin capacidad de sostener a las bacterias y zonas donde la digestión sea completa, esto hace que se desperdicie el recurso). Para tal propósito, la mezcla debe estar homogenizada antes de verterla al digestor, o instalar un agitador mecánico. Los biodigestores se subdividen a su vez en dos clases: digestor continuo y digestor discontinuo, dando su nombre cada uno al tipo de alimentación de mezcla. El digestor discontinuo se llena de mezcla y luego se deja dentro de él durante su tiempo de retención hidráulica (20 a 60 días), se extrae el biogás y luego es vaciada la materia no digerida, y es posteriormente llenado con una nueva mezcla de residuos y agua. Al contrario, un digestor continuo no cesa su actividad en ningún momento. Es constantemente alimentado con mezcla y el biogás es extraído continuamente, de ahí su nombre. De la descripción del biodigestor continuo nace un nuevo concepto; si el digestor es alimentado constantemente, y tiene un volumen limitado, ¿cómo se dispone de nuevo espacio cada vez que el digestor es llenado? La respuesta es que la mezcla agotada (sin más potencial para generar biogás), esencialmente agua con disoluciones de otros compuestos y minerales, es extraída y usada como fertilizante al regar con ella, y los sólidos que forman esa masa son usados como alimento para aves y animales de granja. Al usar biodigestores para disponer de los residuos agrícolas, lácteos y residuos urbanos orgánicos se soluciona una problemática muy recurrente: los malos olores que estas sustancias despiden cuando se descomponen en presencia de aire. Las bacterias anaeróbicas descomponen la biomasa residual y generan gas metano y otros gases como producto de su propio metabolismo, eliminando los males olores y ayudando al saneamiento ambiental, ya que tener esos desperdicios a cielo abierto es foco de enfermedades y contaminación.
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El fertilizante genérico obtenido como subproducto de la digestión anaeróbica es muy preciado, y una ventaja que proporciona sostenibilidad a corto y largo plazo.
Figura 46: Biodigestor en una gran empresa. La burbuja de plástico negro está llena con el biogás. Salida del biogás Diferencia entre el nivel de entrada y salida
Recinto del gas
Entrada de purines
Salida de purines
agua + estiércol = Fermentación
Nivel del piso
Nivel de la mezcla
Figura 47: Digestor de polietileno flexible (para uso familiar y a pequeña escala). Son ampliamente usados en países que están en vías de desarrollo en los que no es factible ni rentable una instalación de concreto. Al igual que la figura 32, el biogás es retenido dentro de la burbuja de plástico.
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El biogás proporciona muchas ventajas, pero su implementación tiene ciertas dificultades, no en cuanto al uso que se le dé al gas ni al funcionamiento de un digestor, el temor de la gente reside en el hecho de que hay que alimentar al digestor con materia fecal (deyecciones de animales de granja) y el temor de que ese olor aún permanezca en el gas que la población usaría para cocinar. El biogás no tiene mal olor, el mal olor de la materia fecal y la materia orgánica proviene de la putrefacción y la acción de bacterias en presencia de aire, por lo que es totalmente seguro su uso hogareño en cocinas. Supone una ventaja enorme al eliminar día con día las acumulaciones de estiércol, se obtiene un fertilizante muy valioso y de origen natural (los químicos dañan el suelo y los mantos acuíferos debajo de este, produciendo daño a largo plazo para todas las especies) y evitando que al cocinar con leña se expongan los pulmones de las personas al humo producido por su combustión, protegiéndose así los sectores más vulnerables de la población de las enfermedades pulmonares. En dos estudios realizados en una región rural de Honduras, con unos cuantos meses de separación entre ellos, se consultó a las personas si utilizarían un biodigestor para la producción de biogás y usarlo en sus actividades diarias, la gente en el primer ensayo respondió muy negativamente, pero unos cuantos se arriesgaron e instalaron un sistema completo, donado por la cooperación internacional en sus viviendas. Al ver los resultados que dichas personas percibían tras la instalación de dicho sistema, la población entera buscó medios para implementar el biodigestor en sus hogares. Despejados todos los temores que involucraba el funcionamiento, alimentación y mantenimiento del digestor, ahora es una práctica muy común tener un sistema de biodigestor en las zonas rurales de Suramérica. En nuestra región no ha sido muy divulgado, solo a nivel industrial.
Figura 48: Biodigestor casero de bajo costo, usando una manga tubular de polietileno.
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4. APLICACIÓN DEL BIOGÁS COMO COMBUSTIBLE El enfoque de esta investigación es el biogás obtenido a partir de la digestión anaeróbica, debido a que en El Salvador existen muchas potenciales fuentes que suministren este recurso a gran escala (granjas avícolas, ganaderas, procesadoras de productos lácteos) y el aprovechamiento que se le puede dar al biogás va mas allá de las necesidades de las empresas mismas: el excedente de la generación eléctrica puede venderse a la red nacional y ayudar al medio ambiente a la vez, ya que cuando se minimiza el consumo de productos derivados del petróleo se disminuyen los costos de operación, se evita lanzar al año millones de toneladas de emisiones de efecto invernadero, las empresas se vuelven autosostenibles y se abren fuentes de empleo. 4.1
COMPOSICIÓN Y REFINAMIENTO DEL BIOGÁS
Pero para utilizar el biogás primero hay que someterlo a una serie de procesos mecánicos y químicos, con tal de obtener un producto limpio, seguro y amigable con el medio ambiente. La refinación del biogás persigue un aumento sustancial en la cantidad de metano presente en el gas, el metano contenido en el biogás recién extraído oscila entre 30-60%. Para algunos usos es más que suficiente el 30%, pero para ser considerado sustituto del gas natural debe contener por lo menos 90% de metano.
Figura 49: Componentes esenciales del biogás recién extraído de un digestor anaeróbico.
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El poder calorífico del biogás depende en gran medida de su contenido en metano, es por ello que se busca aumentar su concentración con tal de utilizarlo directamente como sustituto del gas natural. Sin refinar, su poder calorífico oscila entre 18 y 23 MJ/m³. El refinamiento se divide en etapas, dependiendo del uso final que pretenda darse al biogás, pudiendo ser este opcional en algunos casos e indispensable en otros.
Figura 50: Esquema jerarquizado de los procesos de refinamiento del biogás y las posteriores aplicaciones del mismo.
Figura 51: Uso final del biogás e intensidad de tratamiento al que debe someterse para un óptimo aprovechamiento.
Eliminación del agua El agua en el biogás hace que la combustión requiera de mayor energía, puesto que hay que vaporizar primero el agua, además que daña los componentes de las turbinas, motores u otros dispositivos que transformen la energía térmica en mecánica y/o eléctrica y no estén diseñados para soportar el agua. 49
El agua puede también ser diluyente para otras sustancias peligrosas que puedan estar presentes en el biogás, el más significativo es el sulfuro de hidrógeno, que en presencia de agua forma el ácido sulfhídrico (explicado a detalle más adelante). Eliminación del CO2 El dióxido de carbono aparece en un porcentaje muy importante en la mezcla de gases que conforman al biogás. Con el fin de lograr que la concentración de metano aumente, deben hacerlo los otros componentes y el CO2 no es la excepción. En segundo lugar, reducir el contenido en dióxido de carbono ayuda a que las emisiones de este se reduzcan, ya que no participa de la combustión, es decir, aparece como producto final sin reaccionar, sumándose al CO2 generado al quemar el combustible. El CO2 puede ser aprovechado en otras áreas, como la refrigeración y las bebidas carbonatadas, no debe solo ser separado del biogás y vuelto a lanzar a la atmósfera. Eliminación del H2S El sulfuro de hidrógeno es una sustancia tóxica, inflamable y muy corrosiva, aparte de tener un olor muy similar al de los huevos podridos (en concentraciones de unas cuantas ppm es detectable por este característico olor, y se considera una sobreexposición mortal cuando dicha concentración esta próxima a las 100 partículas por millón). Se autoinflama a una temperatura inferior a -60°C y es muy soluble en agua, llamándose a su disolución ácido sulfhídrico, sustancia capaz de dañar los componentes de cualquier sistema mecánico si no se trata adecuadamente su composición. Eliminación de siloxanos y otros componentes Los siloxanos son los principales formadores de depósitos de “sales” de silicio en las partes mecánicas de un sistema termodinámico, disminuyendo la vida útil de los componentes expuestos. Su eliminación del biogás se realiza con filtros simples, su composición no es mayor al 2% en la mezcla de gases pero esta baja concentración no debe ignorarse, pues tiene efectos a largo plazo como lo son la erosión de los álabes en las turbinas y la formación de depósitos en quemadores, álabes, y en toda la maquinaria. La importancia del biogás como sustituto del gas natural y otros combustibles derivados del petróleo ha despertado el interés por desarrollar métodos más eficientes para su filtrado y purificación, como lo son los filtros de carbón activado y los catalizadores selectivos que permiten el paso de ciertas sustancias y retienen otras, con el fin de proteger al medio ambiente, a las especies y a la maquinaria.
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Figura 52: Formación de depósitos de sílice en una pieza de maquinaria, al fondo se muestra otra pieza igual.
Figura 53: Izquierda – Álabe de una turbina sometido a la acción corrosiva del H2S. Derecha – Álabe de turbina en buen estado.
Figura 54: Uso del CO2 en la industria Izquierda: Como extintor de gases – Derecha: En las bebidas carbonatadas. 51
4.2
SUSTITUCIÓN DE UN COMBUSTIBLE POR BIOGÁS
Cuando ya ha sido filtrado y purificado el biogás, es necesario someterlo a unas pruebas específicas para cuantificar qué tan compatible es el nuevo gas cuando va a reemplazar a otro, por ejemplo gas natural o gas licuado del petróleo (GLP). Estas pruebas evalúan: Capacidad calorífica del nuevo combustible (Índice de Wobbe = ). (PCS: poder calorífico superior; GE: densidad relativa del gas respecto al aire) Estabilidad de la flama (dimensiones y temperatura constante). Formación de hollín sobre las superficies que entran en contacto con la llama. Tendencia a la retrollama (la llama crece hacia adentro en la tubería). Desprendimiento de la llama (separación grande entre la llama y el quemador) Tendencia a las puntas amarillas (menor temperatura y formación de hollín). Todo esto para garantizar que el gas que se usará como combustible cumplirá la misma función y se obtendrá un desempeño similar en comparación con el anterior. De no ser posible la equiparación total de los parámetros antes mencionados, es posible reajustar la maquinaria para que el desempeño mejore cuando es más factible usar el gas sometido a prueba. Estas modificaciones en los parámetros de funcionamiento del equipo incluyen: Redimensionamiento de las tuberías (diámetros y longitudes del circuito). Cambio de los quemadores e inyectores (optimizar la quema del combustible) Modificar las temperaturas y presiones de operación Asegurar un factor de aireación óptimo (garantizar una combustión completa) Ajustar el flujo másico de combustible (para generar la potencia requerida) Como se mencionó antes, el objetivo de purificar al biogás es para acercarlo lo más posible al gas natural (97% metano), por lo que un biogás con 90% de metano puede considerarse un sustituto apropiado en la mayoría de aplicaciones.
Figura 55: Utilización del biogás refinado en los automóviles. 52
La aplicación del biogás como combustible es muy variada: desde cocinar los alimentos hasta la generación de potencia en una turbina a gas, las ventajas que presenta el biogás son las mismas que las del gas natural (básicamente su composición es similar), a excepción que el CO2 proveniente de la quema del biogás forma parte originalmente de la atmósfera (como se explicó al inicio de este documento) y el que es expulsado por el gas natural y todos los hidrocarburos provenientes del petróleo no forma parte de la atmósfera terrestre habitual y este exceso de dióxido de carbono provoca el efecto invernadero (aumento en la retención de la radiación solar dentro de los confines de la atmósfera). El biogás es un recurso ecológico muy importante y su aprovechamiento en el futuro puede suponer a nuestro planeta un alivio en cuanto a la contaminación del medio ambiente, que en los últimos años ha crecido sin detenerse.
Figura 56: La contaminación por CO2 que los automóviles expulsan ha llegado a ser alarmante, ya que puede crear deficiencias respiratorias en los sectores más vulnerables.
Figura 57: El dióxido de carbono es también expulsado a la atmósfera en proporciones muy grandes por las industrias. Los países desarrollados son los principales responsables de la contaminación en todas las escalas (RSU, emisiones de gases, radiación, etc). 53
El biogás es un combustible alternativo, y puede utilizarse en un ciclo combinado de gas-vapor para producir potencia mecánica, eléctrica y calor. El ciclo de gas y vapor es un ciclo combinado porque en realidad son dos ciclos en uno, con fluidos de trabajo independientes y potencias desarrolladas de manera individual, sus componentes, análisis y modificaciones se analizaron en el punto 2 de esta investigación. Una vez ha sido refinado el biogás y se cumplen los parámetros óptimos de operación, la generación de energía eléctrica usando un ciclo combinado requiere solamente el acople de un generador al eje de las turbinas, y mediante la conversión adecuada (frecuencias, voltaje y corriente) brindar la energía eléctrica necesaria a la maquinaria y a toda la instalación (luminarias, ventiladores, equipo hidráulico y neumático, etc), y vender el excedente a la red pública. En la zona rural es posible trabajar con una instalación “aislada”, es decir, estar desconectado de la red pública, siempre y cuando no exista una instalación eléctrica previa. De existir una conexión a la red nacional, puede optarse por tener un conmutador que permita seleccionar qué fuente de energía usar, la que genera la misma instalación o la que es comercializada por la red local Para poder comercializar la electricidad generada, es necesario cumplir ciertos requisitos como la frecuencia (en ciclos/segundo o Hertz) y el voltaje entregado (en voltios y sus múltiplos), y garantizar que se cumple toda la normativa legal y comercial existente. La ley de El Salvador premia a los que produzcan electricidad con fuentes de energía renovables comprando la energía a precio preferencial. Mayor información disponible en el Reglamento de la ley General de Electricidad: http://www.siget.gob.sv/index.php/servicios/descargables/documentos/category/2 1-reglamento-de-la-ley-general-de-electricidad?download=40%3Areglamento-dela-ley-general-de-electricidad El biogás si bien es un combustible apropiado para la generación eléctrica, puede usarse también como combustible en otras aplicaciones dinámicas, como la generación de potencia mecánica y empuje en aviones, en automóviles livianos y de carga, comercializado en tambos o directamente por tubos hasta los hogares, ser utilizado directamente en el sitio de su producción.
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CONCLUSIONES De esta investigación se concluyen los siguientes aspectos: La biomasa es un recurso natural muy valioso que se ha utilizado desde que el humano apareció en la tierra, y su aprovechamiento ha sido objeto de constante investigación en los últimos años, al punto que se han desarrollado métodos para obtener mejores combustibles a partir de fuentes naturales renovables. Usando la biomasa como combustible se puede minimizar el consumo de combustibles fósiles; ambos tienen cosas en común, como la emisión de importantes cantidades de CO2 hacia la atmósfera, sin embargo, el dióxido de carbono existente en la biomasa formaba parte de la atmósfera, de donde la planta lo tomó durante su crecimiento, y el combustible derivado del petróleo aporta más CO2 que originalmente no pertenecía al ecosistema, contaminando el medio ambiente a corto y largo plazo. La combustión de la biomasa mantiene equilibrada la concentración del dióxido de carbono en el ecosistema. Aprovechando un proceso natural llamado digestión anaeróbica, se puede obtener biogás a partir de residuos vegetales y animales, materia orgánica cuya descomposición al aire libre supone riesgos para la salud de las personas que viven en sus inmediaciones y para el medio ambiente en general. Al mismo tiempo que se ayuda a prevenir la salud y a disminuir la contaminación, se obtiene combustible de muy alta calidad, que puede ser explotado en cualquier lugar del mundo y cuyo potencial energético puede ser mejorado al punto que puede sustituir al gas natural y otros gases derivados del petróleo. El biogás puede ser implementado como combustible en un ciclo combinado de gas y vapor, brindando sostenibilidad y autonomía a quien lo produce, pues puede utilizarlo para generar electricidad, potencia mecánica y calor, reduciendo sus propios costos, automatizando y optimizando los procesos que antes requerían el uso de energía eléctrica de la red nacional, comercializando el excedente de su combustible o su electricidad generada y así recuperar la inversión que una planta de potencia requiere. Es alarmante el nivel de contaminación ocasionada por las emisiones de CO2 debidas a todos los dispositivos que consumen combustibles fósiles para su operación, por ello es de gran importancia difundir la cultura de las energías renovables, ya que tienen muchas ventajas frente a los derivados del petróleo y muy pocas desventajas, que pueden ser superadas si se dedica tiempo a estudiarlas y aprender a aprovecharlas al máximo. Las energías renovables no deben ser consideradas como una alternativa a corto plazo, sino como una solución definitiva a la problemática energética mundial.
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BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES CONSULTADAS Número de fuente: 1 Título: Autores: Editorial:
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Editoriales:
TIPO: Libro de texto en PDF Centrales de energías renovables – Generación de energía eléctrica con energías renovables José Antonio Carta González, Roque Calero Pérez, Antonio Colmenar Santos, Manuel-Alonso Castro Gil PEARSON Educación - UNED
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TIPO: Libro en PDF Biodigestores familiares: Guía de diseño y manual de instalación Jaime Martí Herrero Cooperación Técnica Alemana – GTZ Energía, Bolivia
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