Producción de calor y cogeneración a partir de biomasa

Producción de calor y cogeneración a partir de biomasa

La biomasa puede convertirse en bioenergía mediante procesos termoquímicos, biológicos y químicos. La conversión termoquímica de la biomasa es la más común [109] y es muy adecuada para la conversión de biomasa sólida en energía. Existen principalmente cinco vías termoquímicas disponibles para la producción de calor y CHP: combustión, gasificación, pirólisis, procesamiento hidrotérmico e hidrólisis a azúcares (Fig. 12).la pirólisis rápida es principalmente adecuada para la producción de bioaceite [110]. Sin embargo, el costo, la corrosividad y la inestabilidad durante el almacenamiento han impedido su utilización comercial [111] (en Europa sólo unas pocas plantas de pirólisis comercial están en funcionamiento [112]). El bioaceite también puede producirse mediante el procesamiento hidrotérmico de la biomasa, especialmente de las materias primas húmedas, como los subproductos de la molienda de granos por vía húmeda [113]. Sin embargo, la tecnología de los sistemas de producción está todavía en fase de demostración [60, 113,114]. La termopolimerización de la biomasa seguida de la mejora catalítica del azúcar para convertirlo en moléculas de combustible está todavía en fase de investigación [111]. La pirólisis lenta se utiliza tradicionalmente para producir carbón vegetal, que no tiene un uso industrial significativo en Europa [2]. En cuanto a la gasificación,

la tecnología está todavía en una etapa comercial temprana [60], pero actualmente se utiliza, en pequeña medida, para la producción de electricidad o CHP [99]. De las vías termoquímicas presentadas en la Fig. 12, la combustión es la más utilizada y madura [115, 116] (más del 90% de la generación de bioenergía depende de la combustión [109]). Las tecnologías mencionadas son tecnologías de conversión primaria, que convierten la biomasa sólida en calor o combustibles. Cuando el calor se genera por combustión, puede utilizarse directamente o, alternativamente, convertirse en electricidad. Para esto último se necesitan tecnologías de conversión de energía secundaria. En este proceso, no sólo puede utilizarse la electricidad generada, sino también el calor rechazado. Existen diversas tecnologías de conversión secundaria (turbinas de vapor, en-ginas de vapor, ciclos orgánicos Rankine (ORC), motores Stirling, motores de combustión interna (ICE), turbinas de gas y microturbinas), y su utilización depende también de las tecnologías de conversión primaria. 4.1. Tecnologías de producción de calor CombustiónLos generadores de calor de proceso típicos son las calderas, los secadores, los hornos, los hornos y las estufas. La gama completa de temperaturas que requieren los procesos industriales puede ser cubierta por diferentes tipos de biomasa [10]. Algunos procesos industriales requieren el calentamiento continuo de grandes cantidades de biomasa, otros requieren el calentamiento preciso de pequeños lotes. Las tecnologías de combustión abarcan, por lo tanto, una amplia gama de escalas, desde unos pocos kilovatios hasta multi-megavatios. La elección del sistema de combustión depende no sólo de la demanda de energía, sino también de las características del combustible, el costo y el rendimiento de las tecnologías y la legislación (para un análisis detallado véase, por ejemplo, las refs. 103, 109, 117

4.1.1.1. Calentamiento directo. Ciertos procesos industriales requieren altas temperaturas y un equipo de combustión específico que transfiera el calor directamente de los gases de combustión al proceso [8]. El calentamiento directo también se utiliza para producir calor a baja o media temperatura (por ejemplo, en la industria de la cornalina [120]). Se remite al lector a las siguientes referencias para la descripción de los detalles del equipo de combustión específico utilizado en los siguientes sectores industriales: hierro y acero [35, 121], química y petroquímica [122-126], minerales no metálicos [127-130], pasta y papel [33], alimentos, bebidas y tabaco [131], y metales no ferrosos [132]. Una opción para la producción de calor a alta temperatura con combustión conjunta de biomasa y carbón (combustión simultánea de estos dos combustibles). Se aplica potencialmente en las instalaciones existentes de combustión de carbón con pocas modificaciones y un mejor rendimiento ambiental [133.134]. Aunque se utiliza principalmente para la generación de electricidad, también es adoptada por usuarios industriales (por ejemplo, en la industria del cemento [135]), ampliando el uso industrial de la biomasa [103]. La co-combustión de biomasa con carbón es una estrategia de bajo costo para asegurar la reducción de las emisiones netas de CO2, SOx, y a menudo de NOx [136]. En comparación con las instalaciones dedicadas a la biomasa, la co-combustión puede aumentar la eficiencia sin necesidad de un suministro continuo de biomasa [137]. Calefacción indirecta. El calor de baja y media temperatura suele transferirse al proceso a través de un medio de entrega de calor (típicamente vapor) [8]. Aunque la biomasa no se utiliza ampliamente para la producción de vapor de proceso, existe un gran potencial para producir vapor de baja y media temperatura (< 400 °C) a partir de la biomasa [9]. Las calderas de combustión son la tecnología más utilizada para la conversión de biomasa sólida en energía térmica en la mayoría de las industrias [118]. Las tecnologías que se utilizan normalmente para los sistemas de menor capacidad (< 20 MWth) son las calderas de lecho fijo y para las calderas de lecho fluidificado más altas (> 20-30MWth)[8]. La combustión pulverizada de biomasa también puede ser utilizada, como en la industria de los tableros de aglomerado [109], pero esto no es tan común, y la tecnología se utiliza generalmente en las centrales térmicas para la generación de electricidad [101]. Dependiendo de las propiedades de la biomasa, la técnica de alimentación de combustible y el tipo de rejilla utilizada, los sistemas de combustión de lecho fijo tienen configuraciones diferentes. Ejemplos de tecnologías maduras son los hornos de parrilla estacionarios, de pistón, móviles o vibratorios, los hornos de fogón o de cigarros (una descripción de estas tecnologías se puede encontrar en las refs. 109, 138-140). La combustión en lecho fluidizado se basa en dos tecnologías maduras: la combustión en lecho fluidizado burbujeante y la combustión en lecho fluidizado circulante [141, 142]. Ambos sistemas funcionan a presiones atmosféricas, pero existen versiones presurizadas que funcionan a presiones más altas. Las investigaciones actuales no se centran en la combustión en lecho fluido presurizado [143]. Normalmente, las calderas de lecho fijo se utilizan para capacidades menores que las calderas de lecho fluido, y presentan costes y rendimientos más bajos. La eficiencia del sistema de conversión es esencial para determinar el rendimiento de los sistemas de bioenergía. El tipo de combustible y el exceso de aire tienen un efecto decisivo en la eficiencia (los combustibles con bajos valores de calentamiento y alto contenido de humedad pueden dar lugar a eficiencias un 25% inferiores a las de los combustibles con bajo contenido de humedad y alto contenido de energía, y cada reducción del 15% de aire inexistente puede dar lugar a un aumento de la eficiencia de alrededor del 1% [144]). Los costos de los sistemas de combustión de biomasa para la producción de calor son bastante variables en función de la tecnología de conversión y el tipo de equipo de control de las emisiones utilizado, la capacidad de almacenamiento de la materia prima y el hecho de que se produzca o no un preprocesamiento de la biomasa (por ejemplo, el tamaño o la reducción por humedad). Otros factores que pueden influir en el costo total de los sistemas de biomasa son los relacionados con las tuberías, la electricidad y las obras civiles [145-147]. 148], los costos de inversión en sistemas de calefacción a leña se sitúan en el rango de 323-827 USD/kWth y los costos anuales de operación y mantenimiento (excluyendo los costos de combustible) varían entre 69 y 127 USD/kWth. En la figura 13 se presenta la compilación de los costos de inversión específicos de los sistemas de calefacción de biomasa en relación con la capacidad instalada. Los datos se refieren a diferentes lugares y años y se presentan en valores nominales (es decir, se utilizaron los datos originales, que sólo se convirtieron a euros cuando fue necesario). Los valores son ilustrativos, pero indican claramente que una mayor capacidad del sistema conduce a menores inversiones específicas. Hemos comparado los costos nominales con los reales (calculados con el precio al consumidor [2] y la CEPCI [149] en índices) y básicamente se pueden sacar las mismas conclusiones. GasificaciónLa gasificación se utiliza para convertir la biomasa en una mezcla combustible de gas de bajo peso molecular (gas de síntesis), que luego puede quemarse. Aunque el carbón fue el primer combustible que se gasificó, la biomasa se gasifica más fácilmente que el carbón debido a su mayor contenido de materias volátiles [111]. El panorama de la gasificación de la biomasa puede encontrarse, por ejemplo, en las Refs. 99, 116, 154-157. La gasificación de la biomasa sólida en una caldera de gasificación de biomasa de acoplamiento cerrado es una tecnología disponible en el mercado [150]. Existen dos tipos de ga-sificadores: los gasificadores calentados directa e indirectamente. Se diferencian en la forma en que el calor es suministrado a las reacciones de gasificación. En el primero, se promueve la oxidación parcial para generar el calor requerido, en el segundo el calor es transferido por un intercambiador de calor. El valor calórico del gas de síntesis es más elevado en los gasificadores de calentamiento indirecto (típicamente 18-20 MJ/Nm3), comparado con los gasificadores de calentamiento directo (típicamente 5-14 MJ/Nm3)[99]. En los gasificadores de calentamiento directo, el aire es el oxidante más utilizado, pero también se han utilizado diferentes combinaciones de nitrógeno, vapor y oxígeno[99]. Al igual que en la combustión, la gasificación puede ocurrir en reactores de lecho infixado o fluidificado. También se han desarrollado reactores de flujo continuo, pero su aplicación con la biomasa es limitada [99]. Los reactores de lecho fijo se desarrollaron para aplicaciones de menor escala y son sencillos de operar y mantener [99]. Pueden dividirse en gasificadores de corriente ascendente y corriente descendente. En los gasificadores de corriente ascendente, el oxidante y la biomasa fluyen en contracorriente y, a pesar de su sencillez, se forman grandes cantidades de alquitrán, lo que puede causar problemas de funcionamiento [99]. En el diseño de corrientes paralelas (gasificadores de corriente descendente) los alquitranes se convierten de manera mucho más eficiente [99]. Los gasificadores de lecho fluidizado se dividen en reactores de lecho fluidizado burbujeante y circulante [157]. La gasificación de la biomasa y la subsiguiente combustión del gas de síntesis puede producir calor de proceso a alta temperatura [9]. Sin embargo, la producción de calor de proceso mediante la gasificación es una de las aplicaciones de menor valor del gas de síntesis, por lo que es más común combinar la gasificación con tecnología secundaria para producir CHP [99]. La producción de calor con ga-sificación es menos costosa que la producción de electricidad porque los requisitos de calidad del gas de síntesis no son tan estrictos. Una de las ventajas sobre la combustión de biomasa directa.

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