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Energía de Biomasa

Desde los primeros «hombres de las cavernas», la gente ha utilizado la energía de la biomasa para encender fuego de leña, cocinar o calentarse.

La biomasa es orgánica en el sentido de que está compuesta de material de organismos vivos, como plantas y animales. Los materiales de biomasa más comunes que se utilizan para generar energía son las plantas, la madera y los residuos. Estos se denominan materias primas de biomasa. La energía de biomasa también puede ser una fuente de energía no renovable.

La biomasa contiene energía derivada por primera vez del sol: las plantas absorben la energía del sol a través de la fotosíntesis y convierten el dióxido de carbono y el agua en nutrientes (carbohidratos).

La energía de estos organismos se puede transformar en energía utilizable por medios directos e indirectos. La biomasa se puede quemar para generar calor (directo), convertir en electricidad (directa) o transformar en biocombustible (indirecto).

Conversión térmica

La biomasa puede quemarse mediante conversión térmica y utilizarse para producir energía. La conversión térmica implica calentar la materia prima de biomasa para quemarla, deshidratarla o estabilizarla. Las materias primas de biomasa más conocidas para la conversión térmica son materias primas como los residuos sólidos urbanos y los residuos de papel o fábricas de papel.

Se crean diferentes tipos de energía a través de la cocción directa, la cocombustión, la pirólisis, la gasificación y la descomposición anaeróbica.

Sin embargo, antes de que se pueda quemar la biomasa, se debe secar. Este proceso químico se llama tostado. Durante el tostado, la biomasa se calienta a una temperatura entre 200 ° y 320 ° Celsius. La biomasa se seca tan completamente que pierde su capacidad para absorber humedad o pudrirse. Pierde alrededor del 20% de su masa original, pero retiene el 90% de su energía. La energía y la masa perdidas se pueden utilizar para alimentar el proceso de tostado.

Durante el tostado, la biomasa se convierte en un material seco y ennegrecido. Luego se comprime en briquetas. Las briquetas de biomasa son muy hidrófobas en el sentido de que repelen el agua. Esto permite mantenerlos en áreas húmedas. Las briquetas tienen una alta densidad energética y son fáciles de quemar durante la cocción directa o en cocción conjunta.

Combustión directa y co-combustión

La mayoría de las briquetas se queman directamente. El vapor producido durante el proceso de cocción alimenta una turbina, que hace girar un generador y produce electricidad. Esta electricidad se puede utilizar para la producción o para calentar edificios.

La biomasa también puede quemarse conjuntamente o quemarse con un combustible fósil. La biomasa se quema con mayor frecuencia en centrales eléctricas de carbón. La co-combustión elimina la necesidad de nuevas plantas de procesamiento de biomasa. La co-combustión también alivia la demanda de carbón. Esto reduce la cantidad de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero liberados por la quema de combustibles fósiles.

Pirólisis

La pirólisis es un método relacionado para calentar biomasa. Durante la pirólisis, la biomasa se calienta de 200 ° a 300 ° C sin presencia de oxígeno. Esto evita que se queme y provoca la alteración química de la biomasa.

La pirólisis produce un líquido oscuro llamado aceite de pirólisis, un gas sintético llamado gas de síntesis y un residuo sólido llamado biocarbón. Todos estos componentes se pueden utilizar para producir energía.

El aceite de pirólisis, a veces llamado bioaceite o biocrudo, es un tipo de alquitrán. Puede quemarse para generar electricidad y también se utiliza como componente en otros combustibles y plásticos. Los científicos e ingenieros están estudiando el aceite de pirólisis como una posible alternativa al petróleo.

El gas de síntesis se puede convertir en combustible (como el gas natural sintético). También se puede convertir en metano y utilizarse como sustituto del gas natural.

El biocarbón es un tipo de carbón. El biocarbón es un sólido rico en carbono que es particularmente útil en agricultura. El biocarbón enriquece el suelo y evita que filtre pesticidas y otros nutrientes a la escorrentía. El biocarbón también es un excelente sumidero de carbono. Los sumideros de carbono son depósitos de sustancias químicas que contienen carbono, incluidos los gases de efecto invernadero.

Gasificación

La biomasa también se puede convertir directamente en energía mediante la gasificación. Durante el proceso de gasificación, una materia prima de biomasa se calienta a más de 700 ° C con una cantidad controlada de oxígeno. Las moléculas se descomponen y producen gas de síntesis y desechos.

El gas de síntesis es una combinación de hidrógeno y monóxido de carbono. Durante la gasificación, el gas de síntesis se limpia de azufre, material particulado, mercurio y otros contaminantes. El gas de síntesis limpio se puede quemar para producir calor o electricidad, o convertirlo en biocombustibles de transporte, productos químicos y fertilizantes.

La escoria se forma como un líquido cristalino fundido. Se puede utilizar para hacer tejas, hormigón o asfalto.

Se están construyendo plantas de gasificación industrial en todo el mundo. Asia y Australia están construyendo y operando la mayoría de las plantas, aunque actualmente se está construyendo una de las plantas de gasificación más grandes del mundo en Stockton-on-Tees, Inglaterra. Esta planta finalmente podrá convertir más de 350.000 toneladas de RSU en energía suficiente para abastecer a 50.000 hogares.

Descomposición anaeróbica

La descomposición anaeróbica es el proceso en el que los microorganismos, generalmente bacterias, descomponen el material en ausencia de oxígeno. La descomposición anaeróbica es un proceso importante en los rellenos sanitarios, donde la biomasa se tritura y comprime, creando un ambiente anaeróbico (o pobre en oxígeno).

En un ambiente anaeróbico, la biomasa se descompone y produce metano, que es una valiosa fuente de energía. Este metano puede reemplazar a los combustibles fósiles.

Además de los rellenos sanitarios, la descomposición anaeróbica también se puede implementar en granjas y granjas. El estiércol y otros desechos animales se pueden convertir para satisfacer de manera sostenible las necesidades energéticas de la granja.

Biocombustible

La biomasa es la única fuente de energía renovable que se puede convertir en biocombustibles líquidos como el etanol y el biodiésel. El biocombustible se utiliza para propulsar vehículos y se produce mediante gasificación en países como Suecia, Austria y Estados Unidos.

El etanol se produce fermentando biomasa rica en carbohidratos, como caña de azúcar, trigo o maíz. El biodiesel se elabora a partir de la combinación de etanol con grasa animal, grasa de cocina reciclada o aceite vegetal.

Los biocombustibles no funcionan tan eficientemente como la gasolina. Sin embargo, se pueden mezclar con gasolina para impulsar vehículos y maquinaria de manera eficiente y no liberan las emisiones asociadas con los combustibles fósiles.

El etanol requiere acres de tierra agrícola para cultivar cultivos biológicos (generalmente maíz). Aproximadamente 1,515 litros de etanol se producen a partir de un acre de maíz. Pero esta superficie, por tanto, no está disponible para cultivos destinados a la alimentación u otros usos. Cultivar suficiente maíz para producir etanol también crea presión sobre el medio ambiente debido a la falta de variación en la siembra y al alto uso de pesticidas.

El etanol se ha convertido en un sustituto de la madera popular en las chimeneas residenciales. Cuando se quema, emite calor en forma de llamas y vapor de agua en lugar de humo.

Biochar

El biocarbón, producido durante la pirólisis, es valioso para uso agrícola y ambiental.

Cuando la biomasa se pudre o se quema (naturalmente o por la actividad humana), libera grandes cantidades de metano y dióxido de carbono a la atmósfera. Sin embargo, cuando la biomasa se carboniza, secuestra o almacena su contenido de carbono. Cuando se vuelve a añadir biocarbón al suelo, puede seguir absorbiendo carbono y formar grandes depósitos subterráneos de carbono secuestrado (sumideros de carbono) que pueden generar emisiones de carbono negativas y un suelo más sano.

El biocarbón también ayuda a enriquecer el suelo. Es poroso. Cuando se vuelve a agregar al suelo, el biocarbón absorbe y retiene agua y nutrientes.
El biocarbón se utiliza en la selva amazónica brasileña en un proceso llamado corte y carbonización. El cultivo de roza y carbonización reemplaza a roza y quema, lo que aumenta temporalmente los nutrientes del suelo pero pierde el 97% de su contenido de carbono. Durante el corte y el carbón, las plantas carbonizadas (biochar) se devuelven al suelo y el suelo retiene el 50% de su carbono. Esto mejora el suelo y conduce a un crecimiento de plantas significativamente mayor.

Licor negro

Cuando la madera se convierte en papel, produce una sustancia tóxica de alta energía llamada licor negro. Hasta la década de 1930, el licor negro de las fábricas de papel se consideraba un producto de desecho y se vertía en fuentes de agua cercanas.

Sin embargo, el licor negro retiene más del 50% de la energía de la biomasa de madera. Con la invención de la caldera de recuperación en la década de 1930, el licor negro se pudo reciclar y utilizar para alimentar el molino. En los Estados Unidos, las fábricas de papel usan casi todo su licor negro para hacer funcionar sus fábricas y, como resultado, la industria forestal es una de las más eficientes energéticamente del país.

Más recientemente, Suecia ha experimentado con la gasificación de licor negro para producir gas de síntesis, que luego puede usarse para generar electricidad.

Pilas de combustible de hidrógeno

La biomasa es rica en hidrógeno, que puede extraerse químicamente y utilizarse para generar energía y propulsar vehículos. Las pilas de combustible estacionarias se utilizan para generar electricidad en lugares remotos, como naves espaciales y áreas silvestres. El Parque Nacional de Yosemite en el estado estadounidense de California, por ejemplo, utiliza pilas de combustible de hidrógeno para proporcionar electricidad y agua caliente a su edificio de administración.

Las pilas de combustible de hidrógeno pueden tener un potencial aún mayor como fuente de energía alternativa para vehículos. El Departamento de Energía de EE. UU. Estima que la biomasa tiene el potencial de producir 40 millones de toneladas de hidrógeno al año. Sería suficiente para alimentar 150 millones de vehículos.

Actualmente, las pilas de combustible de hidrógeno se utilizan para impulsar autobuses, carretillas elevadoras, barcos y submarinos y se están probando en aviones y otros vehículos.

Sin embargo, existe un debate sobre si esta tecnología será sostenible o económicamente viable. La energía requerida para aislar, comprimir, empaquetar y transportar hidrógeno no deja una gran cantidad de energía para uso práctico.

Biomasa y medio ambiente

La biomasa es una parte integral del ciclo del carbono de la Tierra. El ciclo del carbono es el proceso por el cual se intercambia carbono entre todas las capas de la Tierra: atmósfera, hidrosfera, biosfera y litosfera.

El ciclo del carbono adopta muchas formas. El carbono ayuda a regular la cantidad de luz solar que ingresa a la atmósfera terrestre. Se intercambia a través de la fotosíntesis, descomposición, respiración y actividad humana. El carbono que se absorbe del suelo cuando un organismo se descompone, por ejemplo, se puede reciclar cuando una planta libera nutrientes basados ​​en carbono en la biosfera a través de la fotosíntesis. En las condiciones adecuadas, el organismo en descomposición puede convertirse en turba, carbón o aceite antes de ser extraído mediante la actividad natural o humana.

Entre períodos comerciales, el carbono se secuestra o almacena. El carbono de los combustibles fósiles se ha secuestrado durante millones de años. Cuando los combustibles fósiles se extraen y se queman para obtener energía, su carbono secuestrado se libera a la atmósfera. Los combustibles fósiles no reabsorben carbono.

A diferencia de los combustibles fósiles, la biomasa proviene de organismos vivos recientemente. El carbono en la biomasa puede seguir comercializándose en el ciclo del carbono.

Sin embargo, para que la Tierra continúe con eficacia el proceso del ciclo del carbono, los materiales de biomasa, como plantas y bosques, deben cultivarse de manera sostenible. Se necesitan décadas para que los árboles y las plantas, como la varilla antipánico, absorban y secuestran carbono. Desarraigar o alterar el suelo puede ser extremadamente perjudicial para el proceso. Un suministro constante y variado de árboles, cultivos y otras plantas es vital para mantener un medio ambiente saludable.

Un combustible de algas

Las algas son un organismo único que tiene un enorme potencial como fuente de energía de biomasa. Las algas, cuya forma más familiar son las algas, producen energía a través de la fotosíntesis a un ritmo mucho más rápido que cualquier otra materia prima de biocombustible, ¡hasta 30 veces más rápido que los cultivos alimentarios!
Las algas se pueden cultivar en el agua del océano, por lo que no agotan los recursos de agua dulce. Tampoco requiere suelo y, por lo tanto, no reduce la tierra cultivable que potencialmente podría producir cultivos alimentarios. Aunque las algas liberan dióxido de carbono cuando se queman, pueden cultivarse y reponerse como un organismo vivo. Cuando se repone, libera oxígeno y absorbe contaminantes y emisiones de carbono.

Las algas ocupan mucho menos espacio que otros cultivos de biocombustibles. El Departamento de Energía de EE. UU. Estima que solo se necesitarían unos 38,850 kilómetros cuadrados (15,000 millas cuadradas, un área de menos de la mitad del tamaño del estado de Maine en EE. UU.) Para cultivar suficientes algas para reemplazar todas las necesidades de energía alimentadas con petróleo. los Estados Unidos .

Las algas contienen aceites que se pueden convertir en biocombustible. En Aquaflow Bionomic Corporation en Nueva Zelanda, por ejemplo, las algas se procesan con calor y presión. Esto crea un «crudo verde» que tiene propiedades similares al crudo y se puede utilizar como biocombustible.

El crecimiento de algas, la fotosíntesis y la producción de energía aumentan cuando se burbujea dióxido de carbono a través de ellas. Las algas son un gran filtro que absorbe las emisiones de carbono. Bioenergy Ventures, una empresa escocesa, ha desarrollado un sistema en el que las emisiones de carbono de una destilería de whisky se canalizan hacia un grupo de algas. Las algas florecen con el dióxido de carbono adicional. Cuando las algas mueren (después de aproximadamente una semana) se cosechan y sus lípidos (aceites) se convierten en biocombustible o alimento para peces.

Las algas tienen un enorme potencial como fuente de energía alternativa. Sin embargo, procesarlo en formas utilizables es caro. Aunque se estima que produce de 10 a 100 veces más combustible que otros cultivos de biocombustibles, en 2010 costó 5.000 dólares la tonelada. Es probable que el costo disminuya, pero actualmente está fuera del alcance de la mayoría de las economías en desarrollo.

Ventajas y desventajas de la biomasa

Ventajas

La biomasa es una fuente de energía limpia y renovable. Su energía inicial proviene del sol y la biomasa de plantas o algas puede volver a crecer en un período de tiempo relativamente corto. Los árboles, los cultivos y los residuos sólidos urbanos están constantemente disponibles y pueden gestionarse de forma sostenible.

Si los árboles y los cultivos se cultivan de forma sostenible, pueden compensar las emisiones de carbono cuando absorben dióxido de carbono a través de la respiración. En algunos procesos de bioenergía, la cantidad de carbono reabsorbido incluso supera las emisiones de carbono liberadas durante el procesamiento o uso del combustible.

Muchas materias primas de biomasa, como la varilla de pánico, se pueden cosechar en tierras marginales o pastizales, donde no compiten con los cultivos alimentarios.

A diferencia de otras fuentes de energía renovable, como la eólica o la solar, la energía de biomasa se almacena dentro del cuerpo y se puede recolectar cuando sea necesario.

Desventajas

Si las materias primas de biomasa no se reponen tan rápido como se utilizan, pueden volverse no renovables. Por ejemplo, un bosque puede tardar cientos de años en recuperarse. Este es todavía un período de tiempo mucho, mucho más corto que un combustible fósil como la turba. Pueden pasar 900 años para que solo un metro de turba se reconstituya.

La mayor parte de la biomasa requiere el desarrollo de tierras cultivables. Esto significa que la tierra utilizada para cultivos de biocombustibles como el maíz y la soja no está disponible para cultivar alimentos o proporcionar hábitats naturales.

Las áreas boscosas que han madurado durante décadas (los llamados «bosques primarios») son capaces de secuestrar más carbono que las áreas recién plantadas. Por lo tanto, si las áreas boscosas no se talan, se replantan de manera sostenible y no se les da tiempo para crecer y secuestrar carbono, los beneficios de usar madera como combustible no se compensan con el crecimiento de árboles.

La mayoría de las plantas de biomasa requieren combustibles fósiles para ser económicamente eficientes. Una enorme planta en construcción cerca de Port Talbot, Gales, por ejemplo, requerirá combustibles fósiles importados de América del Norte, lo que contrarrestará parte de la sostenibilidad de la empresa.

La biomasa tiene una «densidad energética» más baja que los combustibles fósiles. Hasta el 50% de la biomasa es agua, que se pierde en el proceso de conversión de energía. Los científicos e ingenieros estiman que no es rentable transportar biomasa a más de 160 kilómetros de donde se procesa. Sin embargo, convertir biomasa en pellets (a diferencia de astillas de madera o briquetas más grandes) puede aumentar la densidad energética del combustible y hacerlo más beneficioso para el transporte.

La combustión de biomasa libera monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno y otros contaminantes y partículas. Si estos contaminantes no se capturan y reciclan, la quema de biomasa puede crear smog e incluso superar la cantidad de contaminantes liberados por los combustibles fósiles.

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