La energía de la biomasa, puede ser aprovechada de diferentes formas, y entre ellas, la más evidente consiste en utilizar el calor que produce su combustión ya sea directamente, o bien produciendo vapor con el fin de generar electricidad, o producir energía en una unidad de cogeneración de calor y electricidad. El calor residual puede ser transmitido a una red de calefacción urbana o en un proceso industrial (secar leña o pellets). Asi mismo, se puede obtener energía a partir de la biomasa, por gasificación, fermentación y producción de combustibles líquidos.

La biomasa utilizable incluye residuos de bosques (manejo silvícola, aserraderos, construcción e industria), maderas de especies de rápido crecimiento, residuos agrícolas, residuos de cultivos azucareros, cereales, leñosos, oleaginosos, residuos sólidos urbanos, residuos domésticos e industriales.

La utilización de residuos forestales es una técnica muy conocida y comercialmente viable en varios países. En la producción de madera de construcción o de celulosa, sólo se utiliza una parte del árbol y, a veces, se rechaza hasta el 50%. Las ramas y la copa representan entre el 30 y el 40% del peso total de las coníferas y más del 50% de los árboles perennes. La retirada de estos residuos en los lugares de cosecha, facilitan las labores de plantación y reduce los riesgos de enfermedades para las nuevas poblaciones, aunque, también se retira una parte de los elementos nutritivos. Las virutas y aserrín procedentes de la transformación de la madera, así como los residuos de las papeleras también son residuos energéticos que se utilizan por ejemplo en una planta de ORC (Organic Ranking Cycle) - Cogeneración.

Los residuos agrícolas contienen residuos de origen animal, incluidos los residuos de la cría de ganado intensivo, paja y otros residuos vegetales que pueden formar una fuente de energía importante. Muy interesante es el uso de pasto y maíz en un proceso de fermentación para la producción de biogás (energía eléctrica) y biometano como sustituto de gas natural en la comuna.

Los aceites vegetales, por su parte, pueden servir de combustible para el transporte con resultados equiparables a los de los carburantes fósiles. Los cultivos energéticos, y los aceites vegetales reciclados también pueden ser utilizados para los mismos fines. También se puede hacer uso de residuos domésticos, el cual deberá estar estrechamente relacionado con programas de reciclado, reducción y reutilización de los residuos por parte de la comunidad, además de un importante tratamiento en vertedero, pues de ello dependerá la capacidad de estos para producir biogás el cual puede ser utilizado directamente como calefacción.

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COGENERACION

La cogeneración es el procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil por medio de vapor o agua caliente entre otros, motivo por el cual los sistemas de cogeneración deben estar ligados a un centro consumidor de esta energía térmica.

La gran ventaja de la cogeneración es la eficiencia energética que se puede obtener, entendiendo por tal la energía útil que se obtiene sobre la energía química primaria teórica del combustible utilizado.

Al generar electricidad mediante un motor térmico o una turbina, el aprovechamiento de la energía química del combustible es del 25% al 40% solamente, y el resto debe disiparse en forma de calor. Con la cogeneración se aprovecha una parte importante de la energía térmica que normalmente se disiparía en la atmósfera.

Estos sistemas funcionan bien cuando la demanda de calor o frío es bastante estable, puesto que de no serlo, una de dos: o la generación de electricidad varía también acompasadamente, o es necesario tener unos disipadores de calor para liberarse del calor sobrante cuando la demanda es escasa.

La introducción de estos fluidos orgánicos trae diferencias fundamentales en la concepción del ciclo ORC diferenciándolo del ciclo rankine tradicional, haciéndolo ideal para fuentes de baja temperatura, lo que lo hace un complemento ideal para fuentes renovables como la energía solar o la combustión de biomasa, además de su posible aplicación en la cogeneración industrial, de manera de aumentar la eficiencia energética de los procesos.

Organic Rankine Cycle y Rankine Cycle como ciclo de CoGeneración

Un proceso ORC (Organic Rankine Cycle), es similar a un ciclo rankine de vapor convencional, excepto que el fluido de trabajo es un fluido orgánico de elevada masa molecular, en vez de agua.

Algunos fluidos ocupados comúnmente son: refrigerantes como el octafluoropropano (R-218) o el isobutano (R600-A), algunos siloxanos y otros fluidos como tolueno o benceno.

Otra característica de estos fluidos son su baja presión y temperatura crítica, lo que los hace ideales para el aprovechamiento de fuentes de baja temperatura. Por otro lado estos fluidos pueden ser expandidos a muy bajas presiones en la turbina, lo que permite un aumento en la eficiencia del ciclo.

Muchos fluidos siguen siendo estudiados y modificados por las empresas productoras para mejorar la eficiencia y para disminuir su impacto ambiental, hay que recordar que muchos de ellos son CFC’s, además de tener problemas de toxicidad e inflamabilidad. Para resolver esto los proveedores tienden cada vez más a estudiar los fluidos que se utilizan como refrigerantes en desmedro de otros candidatos como el tolueno o el benceno y sus compuestos, pues los refrigerantes tienen un mayor desarrollo en la industria frigorífica que es la principal en el desarrollo de la tecnología ORC.

La introducción de estos fluidos orgánicos trae diferencias fundamentales en la concepción del ciclo ORC diferenciándolo del ciclo rankine tradicional, haciéndolo ideal para fuentes de baja temperatura, lo que lo hace un complemento ideal para fuentes renovables como la energía solar o la combustión de biomasa, además de su posible aplicación en la cogeneración industrial, de manera de aumentar la eficiencia energética de los procesos.

La eficiencia total del sistema depende de la eficiencia de la caldera de aceite térmico y de la presencia del economizador. Las eficiencias de la caldera de aceite térmico (calor de aceite térmico/valor mas bajo de calentamiento de biomasa) entre 75 y 80% son posibles con calderas de aceite térmico modernas que llevan a una eficiencia eléctrica total que puede exceder el 14%. La eficiencia térmica total puede alcanzar cerca de un 90% cuando está instalado el economizador. El poder de condensación del vapor presente en los gases de salida puede ser recuperado en un condensador de gas de conducto de humos adicional, permitiendo alcanzar una eficiencia térmica de sobre el 100% del valor de calentado mas bajo.

Las unidades son operadas controlando sólo la temperatura y flujo del aceite térmico y el flujo de agua de refrigeración. La unidad se adapta a las condiciones variables de alimentación, produciendo la electricidad que puede ser producida dependiendo de las condiciones de alimentación. El resultado es un sistema que, gracias a la alta inercia del aceite térmico y al buen desempeño de la carga parcial de la unidad ORC, se adapta fácilmente a los cambios inevitables típicos de la combustión de la biomasa con composición variable. Esto permite hacer funcionar sistemas de cogeneración de la misma manera que los sistemas de calefacción tradicionales con calderas de agua, sin requerimiento de sistemas de control adicionales u operadores expertos.

Diferencias entre un ORC y un ciclo Rankine tradicional

Los ciclos rankine que funcionan con agua comúnmente utilizan varias etapas de recalentamiento intermedio en las turbinas distinguiéndose principalmente turbinas de baja, media y alta presión, pues el agua al expandirse se enfría cayendo en la zona saturada y, como una turbina puede soportar el desgaste de un porcentaje mínimo de calidad en el vapor (aproximadamente un 95%), se aplican estas etapas de recalentamiento para poder aprovechar la energía que aún tiene el vapor y aumentar la eficiencia.

Lo anterior no ocurre en un ORC pues el fluido no se enfría en la turbina por lo que nunca se consigue calidad en la expansión, requiriéndose de esta manera una turbina solo de una etapa, reduciendo así la complejidad de la planta.

Por otro lado en los ciclos rankine de vapor de agua comúnmente se extrae una línea de vapor desde la turbina en un punto intermedio de la expansión para precalentar el agua que entra en la caldera, aumentando la eficiencia del ciclo. Este paso también se suprime en un ciclo ORC pues el fluido al sobrecalentarse en su paso por la turbina sale de ella a alta temperatura (comparado con la temperatura de entrada a la turbina), por lo que se utiliza una etapa de recuperación de calor, utilizando el mismo fluido que sale de la turbina para precalentar el que entra en la caldera, simplificando aún más este ciclo.

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Los ciclos rankine que funcionan con agua comúnmente utilizan varias etapas de recalentamiento intermedio en las turbinas distinguiéndose principalmente turbinas de baja, media y alta presión, pues el agua al expandirse se enfría cayendo en la zona saturada y, como una turbina puede soportar el desgaste de un porcentaje mínimo de calidad en el vapor (aproximadamente un 95%), se aplican estas etapas de recalentamiento para poder aprovechar la energía que aún tiene el vapor y aumentar la eficiencia.

Lo anterior no ocurre en un ORC pues el fluido no se enfría en la turbina por lo que nunca se consigue calidad en la expansión, requiriéndose de esta manera una turbina solo de una etapa, reduciendo así la complejidad de la planta.

Por otro lado en los ciclos rankine de vapor de agua comúnmente se extrae una línea de vapor desde la turbina en un punto intermedio de la expansión para precalentar el agua que entra en la caldera, aumentando la eficiencia del ciclo. Este paso también se suprime en un ciclo ORC pues el fluido al sobrecalentarse en su paso por la turbina sale de ella a alta temperatura (comparado con la temperatura de entrada a la turbina), por lo que se utiliza una etapa de recuperación de calor, utilizando el mismo fluido que sale de la turbina para precalentar el que entra en la caldera, simplificando aún más este ciclo.

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Entre los distintos portadores energéticos, el Biometano resulta un conveniente sustituto de varios energéticos primarios. Como biocombustible para el sector transporte, el Biometano tiene un buen desempeño, no es necesario mezclarlo con los derivados del petróleo, y representa una buena opción para la transición hacia el hidrógeno como combustible del futuro.

El metano es el principal componente del gas natural, siendo un importante portador de energía y una materia prima ampliamente usada con fines industriales y privados. El uso del metano se ha extendido a través de Sudamérica, especialmente en los países del cono sur. Las estimaciones a partir de los estudios más recientes de la Agencia Internacional de Energía indican que la demanda por gas natural en Latinoamérica crecerá a una tasa promedio anual del 3.6% hasta el año 2015.

La utilización de residuos forestales es una técnica muy conocida y comercialmente viable en varios países. En la producción de madera de construcción o de celulosa, sólo se utiliza una parte del árbol y, a veces, se rechaza hasta el 50%. Las ramas y la copa representan entre el 30 y el 40% del peso total de las coníferas y más del 50% de los árboles perennes. La retirada de estos residuos en los lugares de cosecha, facilitan las labores de plantación y reduce los riesgos de enfermedades para las nuevas poblaciones, aunque, también se retira una parte de los elementos nutritivos. Las virutas y aserrín procedentes de la transformación de la madera, así como los residuos de las papeleras también son residuos energéticos que se utilizan por ejemplo en una planta de ORC (Organic Ranking Cycle) - Cogeneración.

En Chile el consumo de gas natural como fuente primaria de energía ha aumentado desde los 78,5 PJ en 1990 a los 297,7 PJ en el año 2005, ocupando así el 27,2% de la matriz energética. En base a una regresión lineal para el periodo 1997 – 2006, se proyecta que para el 2010 esta participación en la matriz energética primaria aumente a un 30,4%.

En contraste a los biocombustibles comunes, el Biometano es producido a partir de la biomasa residual generada en el sector agrícola y forestal, con una bajísima o prácticamente nula emisión de carbono, disponiendo entonces de manera inmediata y sostenida de ventajas para controlar las emisiones de gases con efecto invernadero y con ello hacer uso de los mecanismos y metodologías existentes para la emisión de bonos de carbono mediante la implementación de MDL. Por otra parte, el uso de biomasa residual no ocasiona un conflicto con la seguridad alimentaria, ni exige el uso intensivo del suelo dedicado a sólo ciertos tipos de cultivos agrícolas o de plantaciones forestales.

Entre otras ventajas, el Biometano:

• Es un combustible totalmente renovable
• Es posible la producción local
• Cuenta con una gran disponibilidad de materias primas
• Reduce los basurales y rellenos sanitarios
• Reduce las emisiones de carbono como resultado de la combustión en motores de automóviles
• Neutro en emisiones de dióxido de carbono
• Los restos de putrefacción se pueden usar como fertilizantes
• Aprovecha la misma red de distribución de gas natural
• Puede servir para producir electricidad en lugares distantes o aislados
• Brinda nuevas oportunidades de negocio en torno a la imagen ecológica
• Fuente sustentable de energía renovable no convencional para el sector transporte.

A pesar de la crítica situación energética de Chile, la industria de los biocombustibles aún no emerge en este país como una sólida opción para resolver la vulnerabilidad energética en que se encuentra a causa de su gran dependencia externa. Entonces, dado que muchas zonas de Chile y Latinoamérica presentan un elevado potencial de biomasa agrícola y forestal para obtener biocombustibles, deben estudiarse de manera urgente las vías para implementar su producción, incluyendo también a los de segunda generación. Mediante este proyecto de investigación, la producción de Biometano a partir de las vías bioquímica (biogás) y termoquímica (Bio-SNG) será investigado con especial atención a las condiciones particulares de las regiones seleccionadas en Chile y Latinoamérica.

Las tecnologías de conversión difieren significativamente de acuerdo al tipo de biomasa, a los principios teóricos relativos a la conversión, al estado de la tecnología, a la capacidad instalada, a la experiencia técnica disponible y a la permanente demanda por investigación y desarrollo. Ambos tipos de conversión se complementan y resultan ideales para producir Biometano junto a otras formas de bioenergía.