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03/08/2006

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¿Qué es la bioenergía?Definición y potenciales

Taller Práctico sobre Bioenergía3 de agosto de 2006, Monterrey N.L México

Dr. Oliver ProbstDepartamento de Física yCátedra de Investigación en EnergíaTecnológico de Monterrey

BiomasaFotosíntesis (1)

Biomasa = todo tipo de materia l i lvegetal o animal

Todo contenido energético de la biomasa se debe a energía solar energía solar almacenadaalmacenada químicamente

La captación de energía solar inicial se realiza mediante un solo proceso, la fotosíntesisfotosíntesis, la cual o e en l pl nt e de

Taller Práctico sobre Bioenergía, Oliver Probst, ITESM Monterrey, 3 de Agosto de 2006

ocurre en las plantas verdes

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Fotosíntesis (2)

R ió á l

2

-24

-322

Oproteinassaminoácido

toscarbohidra

otrosSONOOHCO

x

nmlk

+⎪

⎪⎪⎪

⎬

⎫

⎪

⎪⎪⎪

⎨

⎧

→

++++

Reacción más general


pigmentoslípidos

⎪⎪⎪

⎭⎪⎪⎪

⎩

Fuente: Enciclopedia Británica

Fotosíntesis (3)

LUZ

ADP ATP NADPH2

NADP

Agua OxígenoFoto-reacción


COMPUESTOS ORGANICOSENERGETICOS

CO2AguaReacción

oscura


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Fotosíntesis (4)

Eficiencia

Eficiencia fotosintéticaEficiencia fotosintéticapara la producción de glucosaglucosa:

η = 31%

≈ ηlight x ηdark

= 38% x 83%

Sin embargo, eficiencias prácticas son mucho más pequeñas:(i) <5% (nivel planta)(ii) <1% (nivel cultivo)


Ecosistema Eficiencia [%] Agricultura intensiva (por ejemplo, caña de azucar) 1 .. 2.5


Agricultura normal, humedales, selvas húmedas, lagos de poca profundidad 0.3 .. 1 Selvas montañosas, prados, lagos profundos 0.05 .. 0.3 Mar profundo 0.1 Desiertos 0.05%

Fuente: K. Heinloth, “Energie”

Usos energéticos de la biomasa (“bioenergía”)

Sólido, por ej.: – Leña– Bagazo

Líquido, por ej.: – Alcoholes (etanol y

La biomasa occurre en los tres estados de la materia


– Alcoholes (etanol y metanol)

– BiodieselGaseoso, por ej.:– Biogas– Materia sólida gasficada

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Usos de la bioenergía

Leña– Combustible– Materia prima para biogas y

alcoholes

Alcoholes y Biodiesel– Combustible para motores de

combustión

BiogasCombustible


– Combustible– Generación eléctrica– Cogeneración

Bioenergía: Opciones tecnológicas

Conversión termoquímica Conversión bioquímica

Fuente:World Energy

Assessment (2000)


Calor Electricidad Combustibles

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Panorama de la bioenergía

La biomasabiomasa (cualquier materia vegetal o animal) t ib t l t l 15% d l í 15% d l í contribuye actualmente el 15% de la energía 15% de la energía

primariaprimaria en el mundo; la mayor parte se usa en los paises en vias de desarrollo

Sin embargo, los esquemas de uso (sobre todo en el Tercer Mundo) son muchas veces no sostenibles, es decir, la biomasa consumida no se sustituye. Además, l t l ít l í di t idi t i i fi i ti fi i t


las tecnologíastecnologías son rudimentariasrudimentarias e ineficientesineficientes.

Ventajas del uso de la biomasa (1)

No ha emisiones netas de CONo ha emisiones netas de CO ( i d l No hay emisiones netas de CONo hay emisiones netas de CO22 (suponiendo que la biomasa se consume al mismo ritmo de la reposición)

Reducción neta de emisionesReducción neta de emisiones al sustituir de combustibles fósiles por biomasa

La biomasa es un recurso universalmente disponible lo cual reduce problemas reduce problemas geoest atégicosgeoest atégicos i d l l li ió


geoestratégicosgeoestratégicos asociados a la localización de los recursos fósiles en pocos puntos del planeta → Aumento de la seguridad Aumento de la seguridad mundialmundial

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Ventajas del uso de la biomasa (2)

Un uso intensivo de la biomasa para propósitos éti d d d ll l d ll l

Creación de alternativasCreación de alternativas para sectores agrícolas enproblemados con un mayor valor agregado y/o

Potencial para la recultivación de tierras recultivación de tierras degradadasdegradadas (deforestadas, erosionadas)

energéticos puede ayudar a desarrollar las desarrollar las regiones ruralesregiones rurales y reducir el crecimiento de reducir el crecimiento de las cuidadeslas cuidades


enproblemados con un mayor valor agregado y/o un menor costo de producción. Ejemplos: Sector citrícola, ingenios azucareros.

Reducción de subsidios para la agricultura Reducción de subsidios para la agricultura en los paises desarrollados

Problemas asociados al uso de la biomasa

Actualmente, domina la explotación no controlada de , pla biomasa:– Deforestación masiva– Contribución al calentamiento global– Pérdida de biodiversidad– Erosión y desertificación etc.

Plantaciones “energéticas” dedicadas pueden contrarrestar estos efectos; sin embargo existen


contrarrestar estos efectos; sin embargo existen impactos ambientales potenciales debido a – Monocultivos– Uso intensivo de fertilizantes– Cambios de uso de tierra

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Tecnologías para el uso eficiente de la biomasa

Tecnologías para la obtención de combustiblescombustibles para la combustión combustión eficienteeficiente

Tecnologías para la obtención de combustiblescombustibles para el transportetransporte


Tecnologías para la generación de electricidadelectricidad

Potencial de la biomasa

Biomasa requerida para sustitución de carbón (electricidad) y gasolina

45t l í t l

15

20

25

30

35

40

gía

pri

mar

a [

EJ/

año]

tecnología actual

tecnología delfuturo próximo

Celdas decombustible

bosquesgasolina(coches)


0

5

10

Uso actual deenergía fósil

(1990)

Suministrosustentable de

biomasaestimado

Ener

g

Biomasa primaria requerida para tres diferentes esquemas de tecnología

plantaciones

residuos

electricidad(carbón)

Fuente: Larson (1993)

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Suposiciones de la gráfica (1)

Escenario de referenciaEscenario de referencia (EU 1990):– Electricidad producida en plantas carboeléctricas (56%)– Gasolina para coches particulares

“Tecnología actual”:“Tecnología actual”:– Uso de bioetanol (eficiencia de conversión 55%)– Coches de 9.4 litros/100km (20% más eficientes que en 1990)– Generación eléctrica en plantas de vapor (HR=15.4MJ/kWh)



Suposiciones de la gráfica (2)

“Tecnología del futuro cercano”:“Tecnología del futuro cercano”:gg– Uso de bioetanol (eficiencia de conversión 63%)– Coches de 6.9 litros/km– Generación eléctrica con turbinas de gas con gasificación

integrada (HR=8.4MJ/kWh)

“Celdas de combustible”:“Celdas de combustible”:– Uso de bio-hidrógeno (eficiencia de conversión 69%)– Coches de 3.1 litros/km


Coches de 3.1 litros/km– Generación eléctrica en plantas de celdas de combustible con

generación de hidrógeno integrada de 55%

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Consumo Mundial de

Irradiancia solar sobre México(3 13 x 1015

Potencial de la biomasaOferta Energética del Sol

Irradiancia solar sobre los continentes

de la tierra

Energía Primaria1985

(7.4 x 1013 kWh/año)

(3.13 x 10kWh/año)


(2.4 x 1017 kWh/año)

La oferta energética del sol es muchas veces mayoral consumo mundial actual de energía; sin embargo,la energía solar llega a la superficie de la tierra muy“diluida” o esparcida.

Insolación5.6 x 10 6

Reflexión1.7 Reemisión

(infrarrojo)

Potencial (3)Balance energético de la Tierra

3.9 x 10 6

Calor sensibe(atmósfera/océanos)

2.6 x 10 6

Viento, olas,corrientas marinas 1170

Ciclo del agua:Evaporación y condensación1 3 x10 6


1.3 x 10

Fotosíntesis3150

Combustiónde fuentes fósiles

250 (1985)

Energíageotérmica

1100

Nuclear15 (1985)

Mareas95

flujos naturalesflujos artificiales

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Potencial de la biomasa (4)

La fotosíntesis produce 220 millardos de toneladas220 millardos de toneladas (2.2 x 1011 t ) d bi bi l ñ i l t 10 1011 tons.) de biomasa secabiomasa seca al año, equivalente a 10 veces el consumo mundial de energía primariaMenos del 1.5% es usado actualmente para fines energéticosTres categorías principales:

–– ResiduosResiduos (incluyendo a productos secundarios de la producción de comida, fibra y productos forestales, >110 EJ/año>110 EJ/año)

–– Selvas existentesSelvas existentes (maderas de baja calidad pero útiles para la


Selvas existentesSelvas existentes (maderas de baja calidad pero útiles para la conversión energética, 105 EJ/año105 EJ/año). Posible pérdida de biodiversidad

–– Plantaciones energéticasPlantaciones energéticas (>300EJ/año>300EJ/año)

Fuente: Hall et al (1993),citado en Larson (1993)

Potencial (5)Potencial (5)

ConceptosConceptos

Patrones de consumoPatrones de consumo (estilo de vida vs. (consumismo)

Potencial teóricoPotencial teórico (puede variar en función de cambios climáticos y de la contaminación regional)

Potencial técnicoPotencial técnico (potencial técnicamente realizable según el estado de arte contemplando restricciones sociales y

líti )


políticas)

Potencial económicoPotencial económico (depende en gran medida de la evaluación política de las diferentes fuentes)

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Potencial de la biomasa (6)

Cifras en EJ/año (1018J/año)

Región

Residuos recuperables Cultivos dedicados

Potencial total de biomasa

Cultivos Selvas Excreta Total EU/Canadá 1.7 3.8 0.4 5.9 34.8 40.7 Europa 1.3 2.0 0.5 3.8 11.4 15.2 Japón 0.1 0.2 - 0.3 0.9 1.2 Australia/Nueva Zelandia 0.3 0.2 0.2 0.6 17.9 18.5 ex-Unión Soviética 0.9 2.0 0.4 3.3 46.5 49.8 América Latina 2.4 1.2 0.9 4.5 51.4 55.9 Africa 0 7 1 2 0 7 2 6 52 9 55 5


Africa 0.7 1.2 0.7 2.6 52.9 55.5 China 1.9 0.9 0.6 3.4 16.3 19.7 Asia (sin China) 3.2 2.2 1.4 6.8 33.4 40.2 Oceania - - - - 1.4 1.4

TOTAL 12.5 13.7 5.1 31.2 266.9 298.1

Fuente: Hall et al (1993),citado en Larson (1993)

300

350

Potencial de la biomasa [% consumo de energía primaria]

Porcentaje

100

150

200

250

j


0

50

Norteamérica Japón, Australia, Nueva Zelanda

América Latina China MUNDORegión

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Composición:Biomasa vs. carbón

Proximate analysis(weight %) Ultimate analysis (weight %)

Higerheatingvalue_______( g )________

FixedVolatile carbon Ash

_____________ y ( g )__________

Carbon Hydrogen Oxygen Nitrogen Sulfur Ash(GJ pertonne)

Biomass Red alder Black locust Poplar Douglas fir Casuarina Eucalyptus grandis Leucaena Sugarcane bagasseC l

87.1080.9482.3287.3078.9482.5580.9473.78

12.5018.2616.3512.6019.6616.9317.5314.95

0.400.801.330.101.400.521.5311.27

49.5550.7348.4550.6448.6148.3349.2044.80

6.065.715.856.185.835.896.055.35

43.7841.9343.6943.0043.3645.1342.7439.55

0.130.570.470.060.590.150.470.38

0.070.010.010.010.010.010.030.01

0.411.051.530.101.590.491.519.91

19.3019.7119.3820.3719.4419.3519.0717.33


Coal West Kentucky bituminous Illinois No. 6 bituminous Wyoming sub-bituminous East Texas lignite

33.1237.5044.6844.55

48.1843.4046.1238.86

18.7018.189.2016.59

65.7865.3468.7560.98

4.624.204.894.45

4.866.5915.5515.82

1.261.020.891.08

4.744.550.691.08

18.7418.309.2416.65

27.8126.6726.7824.36


Composición:Ventajas y desventajas

Biomasa contiene menos carbono fijado, cenizas, menos carbono fijado, cenizas, azufre, nitrógenoazufre, nitrógeno que el carbón y mucho más mucho más oxígenooxígeno

Por lo tanto, biomasa puede más facilmente convertirse en combustiblescombustibles o electricidad a través de procesos químicos o termoquímicos que el carbón

Ejemplo: No remoción de azufreNo remoción de azufre requerida (menor costo de tecnología)

P t l d i t i t i bilid di bilid d l

Ventajas


Por otro lado, existe una cierta variabilidadvariabilidad en las propiedades fisico-químicas

Biomas tiene una menor densidadmenor densidad (complica el manejo) y un mayor contenido de humedadmayor contenido de humedad(aumenta el costo)

Desventajas

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Costo de biomasaen cultivos energéticos

Pl nt ione de g n e l e án ne e i p q e l Plantaciones de gran escala serán necesarias para que la biomasa aporte una fracción importante de la demanda mundial

Costo de biomasa en base a maderas– Clima templado US$3.5..4.5/GJ (actual)– Clima templado US$2/GJ (esperado)– Eucalipto (Brazil) <US$1.5/GJ (actual)


Costo de biomasa en base a cultivos con dos coechas/año– Clima templado US$2.5/GJ (actual)– Clima tropical <US$2/GJ (actual)

Costo de biomasa en plantaciones (EU)

Tipo de biomasa y lugar

Rendimiento promedio (tons MS/ha/año)

Costo total entrega (1990$/GJ)

Costos actuales (1990) Hybrid poplar (Great Lake states) 8.0 4.3 Black locust (Great Plains states) 11.5 3.4 Switchgrass (Iowa) 7.9 2.5

Costos proyectados (2000)


p y ( )Hybrid poplar (Great Lake states) 16.0 2.1 Black locust (Great Plains states) 18.0 1.9

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Costo del transporte

El transporte muchas veces limita el tamaño de una planta de conversión de biomasaplanta de conversión de biomasa

Las economías de escala tienden a favorecer plantas grandes, pero la naturaleza dispersa del naturaleza dispersa del recursorecurso biológico y la eficiencia relativamente eficiencia relativamente bajabaja de las plantas generadoras existentes limita la capacidad generadora a típicamente 100..150MW100..150MWfuelfuel

E ió l t b lé t ib lé t i d l


En comparación, plantas carboeléctricascarboeléctricas son del órden de 800..4000MW800..4000MWfuelfuel

Con plantaciones de alta densidad energética y plantas generadoras de tecnología avanzada el tamaño de las biotermoeléctricas aumentará


La situación en Brazil (cont.)

Costo de transporteCosto de t a spo te[US$/GJ] para troncos(50% humedad)

1.5

1

0 5

Utilización de la tierra 0.05

Utilización de la tierra 0.60

Rendimiento[tons. MS/ha/año]

51015



0.5

Tasa de producciónde biomasa [MW]500

la tierra 0.6015

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La situación en Brazil (noreste)

Costo promedio de US$1.5/GJUS$1.5/GJ

Incluye un costo de US$0 36/GJUS$0 36/GJ por concepto de Incluye un costo de US$0.36/GJUS$0.36/GJ por concepto de transportetransporte

Tasa de suministro de biomasa de 150MW150MWfuelfuel

Factor de utilización de tierra 60%60%

Rendimiento 10 tons.materia seca/ha/año10 tons.materia seca/ha/año

Poder calorífico 20GJ/ton20GJ/ton. Materia seca de madera

Así, 150MWfuel corresponde a 40,000has40,000has (400km2)


Con los parámetros anteriores plantas generadoras de biomasa pueden alcanzar una capacidad de 500MWfuel sin pasarse de un costo de US$2/GJ

Requerimientos de tierraen condiciones de Brazil

20km

Planta de 150MWfuel/50MWel


20km

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Requerimientos de tierraComparación entre diferentes

fuentes renovables

Requerimientos de tierra

Fuente renovable para electricidad [ha/MWp] para producción de hidrógeno [ha/MWave]

Biomasa 235 152 Sistemas fotovoltáicos 1.3 6.0 Sistemas termosolareléctricos 4.0 18 Generadores eólicos 4.7..16 20..104 Hidroeléctricas 16..900 50..2,800


Fuente: Larson (1993), con datosde un estudio de Ogden&Nitsch(1992)

Suposiciones de la tabla (1)

Biomasa: – Productividad de 15tons/ha/año– Poder calorífico 20GJ/año– Eficiencias de conversión 45% (electricidad) y 69%

(hidrógeno)

Sistemas fotovoltáicos:– Páneles con orientación fija– Cobertura de tierra 50%


Cobertura de tierra 50%– Eficiencia 15%– Eficiencia electrolizador 80% (HHV H2)– Pérdidas adicionales 4%– Insolación 271W/m2 (promedio del suroeste de EU)

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Suposiciones de la tabla (2)

Sistemas termosolareléctricos:– cobertura de tierra 25%– eficiencia 10%

Generadores eólicos:– Turbinas de 340kW (diámetro D=33m)– Regiones con recurso eólico uni-/bidimensional: Distancia

entre turbinas de 1.5D (⊥ viento), distancia ||viento 10D– Regiones con recurso eólico más variable: Área por


eg o es co ecu so eó co ás a ab e ea poaerogenerador 5D x 10D

– Factor de planta 26% (clase de viento 4)

Hidroeléctricas:– Datos basados en casos de estudio

Anexo: Metodologíapara determinar el potencial

técnico (regional) de la biomasaTierra cultivable

Criterio p/determinar porcentaje de porcentaje de

terrritorioterrritorio dedicado a “energy crops”

Identificar cultivos cultivos típicostípicos de la región

y conocer su potencial potencial

energéticoenergético (kcal/kg)

Determinar si existe la infraestructurainfraestructura

necesaria (caminos, ferrocarril, líneas eléctricas, etc.)

Cálculo de productividadproductividad del

terreno (Ton/(ha*año))

(Anuario Estadístico de la Prod. Agrícola)

Cálculo del producto totalproducto total,

según:Terreno destinadoCultivoRendimiento


Cálculo energía energía bruta almacenadabruta almacenada

(J):Producto total x

pot. energético x factor de conversión

Selección de la tecnologíatecnología:

Combustión directaGasificación

etc.

Cálculo de la energía neta

(kWh)

definición y potenciales - instituto nacional de ... · ecosistema eficiencia [%] agricultura...

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