Procesos Físicos en la Transformación de Biomasa

Estos procesos se aplican en las etapas iniciales para adecuar la biomasa (BM) a su aprovechamiento energético. Su objetivo es homogeneizar el material y facilitar su manejo, sin alterar sus características fisicoquímicas.

a) Transporte

El transporte puede ser previo o posterior al manejo de la BM, generalmente desde el lugar de generación al de transformación o aprovechamiento. Diversos sistemas se utilizan:

• Cintas o bandas transportadoras: Para materiales gruesos a granel y distancias cortas.
• Transportadores de cadena: Para materiales con piezas grandes e irregulares.
• Transportadores de tornillo sinfín: Para materiales finos y homogéneos.
• Elevadores de cangilones: Para transporte vertical.
• Transporte neumático: Para materiales finos.

b) Almacenamiento

• Tolvas: Almacenamiento temporal (horas) asociado a la producción de biocombustibles sólidos.
• Silos:
  • Cerrados: Almacenamiento prolongado. Pueden ser aéreos (cilíndricos) o subterráneos.
  • Abiertos: Almacenamiento temporal. Pueden ser aéreos o subterráneos (para RSU y residuos ganaderos).

c) Secado

• Secado natural: Aprovecha la temperatura y humedad ambiente. Se debe controlar la cantidad almacenada (máximo 40-50 m³) para evitar fermentaciones y posibles incendios.
• Secado forzado: Utiliza secadores. Según el movimiento de la BM:
  • Neumático: Para partículas pequeñas con poca humedad.
  • Rotatorio: Para partículas mayores y con más humedad. Pueden ser directos (convección), indirectos (conducción) o mixtos.
  Según el sentido del flujo:
  • Corrientes paralelas: BM y flujo térmico en el mismo sentido.
  • Contracorriente: BM y flujo térmico en sentidos opuestos.

Recolección y Procesamiento de Biomasa

d) Recolección o recogida

• BM agraria:
  • Agrícola: Recolección específica para fines energéticos.
  • Ganadera: En el lugar de generación.
  • Forestal: Depende del lugar y accesos.
• BM residual agroindustrial y forestal: Automática en el lugar de generación.
• BM residual antropogénica:
  • Lodos de depuradora: Conducidos a EDAR por tuberías.
  • RSU: Depositados en contenedores.

e) Disgregación

De balas de residuos agrícolas o forestales, o bolsas de RSU.

f) Astillado

Equipos robustos que pueden ser:

• Estáticos: Fijos.
• Semimóviles: Con ruedas.
• Remolcados: Enganchados a tractores.
• Autopropulsados: Autónomos.

g) Triturado

Máquinas con martillos, garras o dientes.

h) Molienda

Proceso que requiere energía para homogeneizar la BM.

i) Cribado y Tamizado

Separación por granulometría (cribado para centímetros, tamizado para milímetros).

j) Retención

• Ciclones: Bajo coste y mantenimiento, separan polvo por fuerza centrífuga.
• Filtros: Telas que retienen polvo, separan partículas más pequeñas pero requieren mayor mantenimiento.

k) Densificación

Similar al pelletizado y briquetado.

l) Pelletizado

Compactación en pellets mediante rodillos sobre una matriz. La BM debe tener 8-15% de humedad y tamaño de partícula de 0.5-1 cm.

m) Briquetado

Similar al pelletizado, produce briquetas.

Procesos Químicos

a) Hidrólisis

Forma compuestos sencillos a partir de complejos. Puede ser ácida o enzimática. Previa a la fermentación. El bioetanol se produce a partir de BM azucarada y amilácea, aunque la lignocelulósica es interesante.

• Ácida concentrada: Con H₂SO₄ al 70-77%, proporción 1:25 con la BM, a 50 ºC. Alto rendimiento y coste.
• Ácida diluida: Eficaz y simple. 0.7% de H₂SO₄ con la hemicelulosa a 190 ºC.

b) Extracción

Separación de componentes con productos químicos. La acetona separa un extracto similar al petróleo y un refinado con proteínas y carbohidratos (transformable a bioetanol).

c) Transesterificación

Obtiene biodiésel y glicerina a partir de aceite vegetal y alcohol, con catalizador. Se transforma el aceite en éster para motores.

• Discontinua: En reactores con agitación, a 65 ºC, durante 20 minutos a 1 hora.
• Continua: Reactores de tanque agitado, mayor tiempo de residencia. Posibilidad de altas temperaturas y presiones.
• Esterificación: Para aceites con 30% de ácidos grasos libres, con catalizador ácido (H₂SO₄).
• Combinada (esterificación-transesterificación): Refinado con catalizador ácido, separación por centrifugación, secado y transesterificación.

Procesos Termoquímicos

a) Combustión

Reacción química exotérmica: Combustible (C + H₂ + S) + Aire (O₂ + N₂) → Humos (CO₂ + H₂O + SO₂ + N₂) + Calor.

• Completa: Oxidación total del carbono a CO₂, hidrógeno a H₂O y azufre a SO₂.
• Incompleta: Compuestos parcialmente oxidados (CO) y material sin quemar. Genera pérdidas de energía y contaminación.
• Estequiométrica: Combustión con la cantidad justa de oxígeno.

Aplicaciones:

• Doméstica (calefacción y ACS).
• Hornos (ladrillos y bovedillas).
• Secaderos (directos e indirectos).
• Calderas (energía eléctrica y/o térmica).

b) Gasificación

Transformación de materia sólida o líquida en gas combustible con poder calorífico moderado, mediante calor, agente gasificante y bajo oxígeno. Para residuos lignocelulósicos con menos del 40% de humedad.

Etapas:

• Enfriamiento del gas con recuperación de calor.
• Limpieza del gas.
• Generación de energía.

c) Pirólisis

Degradación de la BM por calor en ausencia de oxígeno. Produce carbón, alquitranes y gases. Puede ser independiente o combinada con combustión o gasificación.

Procesos Biológicos

a) Hidrólisis Enzimática

Degradación de celulosa y hemicelulosa a azúcares mediante celulasas, para posterior fermentación y obtención de bioetanol. Ventajas: temperatura ambiente, presión atmosférica, alto rendimiento, sin productos químicos.

b) Fermentación Alcohólica

Generación de alcoholes a partir de azúcares mediante levaduras. Tipos:

• Discontinua: Se detiene al agotar el sustrato o alcanzar la concentración óptima. Costes altos y bajo rendimiento.
• Continua: Aporte regular de sustrato, volumen constante en el fermentador.

c) Fermentación Anaeróbica

Degradación de materia orgánica sin oxígeno, mediante bacterias, produce biogás. Se puede aplicar a residuos agrícolas, ganaderos, lodos de EDAR, residuos industriales orgánicos y RSU. La codigestión combina dos tipos de biomasa.

Biocombustibles Sólidos

1. Leñas

Partes de árboles o arbustos para fines energéticos. Proceden de podas, claras y restos de cortas. Especies forestales (pinos, acacias, eucaliptos, etc.) y agrícolas (frutales, vid, etc.).

2. Astillas

Fragmentos de materiales leñosos (madera y/o corteza). Se usan para fabricar pellets y briquetas. Proceden de industrias de primera o segunda transformación.

3. Pellets

Biocombustible sólido densificado a partir de materiales molidos de biomasa agraria.

4. Briquetas

Similar a los pellets pero de mayor tamaño. Diversas formas (rectangulares, hexagonales, etc.).

5. Carbón Vegetal

Producto de la combustión incompleta de la madera. Mayor contenido en carbono que la madera, más resistente a microorganismos.

Biocombustibles Líquidos (Biocarburantes)

1. Bioetanol

Combustible para vehículos (E5 a E85). E5 no requiere modificaciones, E15+ requiere vehículos flexifuel. Se usa para producir ETBE (aditivo para gasolinas).

2. Biodiésel

Obtenido por transesterificación de aceites vegetales (brutos o usados). Adquiere propiedades similares al gasóleo. Ventajas e inconvenientes en su uso.

3. Aceite Pirolítico

Fracción líquida de la pirólisis, usable como combustible o materia prima química. Condiciones para su obtención: baja humedad, tamaño de partícula pequeño, calentamiento rápido, pirólisis a 500 ºC con vapor, enfriamiento rápido.

Biocombustibles Gaseosos

1. Biogás

Tipos de BM para fermentación anaerobia: residuos ganaderos, agroindustriales, lodos de EDAR, RSU.

• Gas de vertedero: Producido por digestión anaerobia de RSU. Principalmente CH₄ y CO₂. 100 m³ por tonelada de residuo. Se elimina en antorcha si no se aprovecha. PCI de 4200 Kcal/m³. Aplicaciones: generación eléctrica y/o térmica, conversión a gas natural.
• Biogás por digestión anaerobia: Composición variable según la materia prima y el proceso. Se almacena en gasómetros. Aplicaciones: producción de electricidad, generación eléctrica y/o térmica, biocarburante gaseoso.

2. Gas de gasificación o pirólisis

• Gas de gasificación: Composición variable según la materia prima, el gasificador y las condiciones. Aplicaciones: generación eléctrica (motores a gas, turbina de gas, ciclo combinado).
• Gas de pirólisis: Composición variable según las condiciones. A mayor temperatura, mayor fracción gaseosa y PCI. Aplicaciones: generación eléctrica (motores a gas, turbina de gas, ciclo combinado).