BIOMASA: ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE RESIDUOS VEGETALES PEDRO ELÍAS PATIÑO MARTINEZ UNIVERSIDAD DE SANTANDER DIRECCIÓN DE POSGRADOS MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS BUCARAMANGA 2014
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BIOMASA: ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA
DE GENERACIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE RESIDUOS VEGETALES
PEDRO ELÍAS PATIÑO MARTINEZ
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
DIRECCIÓN DE POSGRADOS
MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS
BUCARAMANGA
2014
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BIOMASA: ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA
DE GENERACIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE RESIDUOS VEGETALES
PEDRO ELÍAS PATIÑO MARTINEZ
Trabajo de tesis para optar el título de
Magíster en Sistemas Energéticos Avanzados
Director
Luis Oveimar Barbosa Jaimes
Doctor en Química
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
DIRECCIÓN DE POSGRADOS
MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS
BUCARAMANGA
2014
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4
5
AGRADECIMIENTOS
A Dios por darme salud y ponerme en mi camino personas tan valiosas para lograr
mis éxitos.
Especial agradecimiento a mi padres quienes con su amor y tolerancia me han
permitido cumplir mis metas.
A mis hijos Danielita y Dieguito por su amor sincero y su compañía en las horas de
arduo trasnocho, a mi esposa y hermanos quienes con su entusiasmo me motivan
a seguir adelante.
Al Dr. Luis Oveimar Barbosa, y a los profesores Francisco León y Rigoberto
Pinilla por su apoyo incondicional durante el desarrollo del proyecto.
Al Dr. Gilberto Carrillo y al Ing. Jairo Blanco por ser motivadores durante el
desarrollo de la Maestría y del proyecto.
6
CONTENIDO Introducción ..................................................................................................... 12
Capítulo 1 ......................................................................................................... 15
1. Planteamiento de la Investigación ............................................................ 15
1.1. Planteamiento del problema ..................................................................... 15
1.2. Pregunta de Investigación ........................................................................ 18
Capítulo 2 ......................................................................................................... 19
2.1 Objetivos .................................................................................................. 19
2.1.1 Objetivo General ...................................................................................... 19
2.1.2 Objetivos Específicos ............................................................................... 19
2.2 Justificación .............................................................................................. 20
CapÍtulo 3 ......................................................................................................... 22
Marco Teórico y conceptual ............................................................................. 22
3.1 Biomasa ................................................................................................... 22
3.2 Tipos de biomasa vegetal ........................................................................ 23
3.2.1 Forestal o de Bosques ....................................................................... 23
3.2.2 Biomasa residual y/o industrial .......................................................... 24
3.2.3 Biomasa Residual agrícola y de residuos de poda ............................ 24
3.2.4 Biomasa energética ........................................................................... 25
3.3 Estado actual de la Biomasa como recurso energético............................ 25
3.3.1 Unión Europea y Asia ........................................................................ 25
3.3.2 Países hispanoamericanos ................................................................ 27
3.3.3 Colombia ........................................................................................... 29
3.4 Tecnologías de transformación de la Biomasa ........................................ 32
3.4.1 Combustión directa ............................................................................ 32
3.4.2 Pirolisis .............................................................................................. 33
7
3.4.3 Gasificación ....................................................................................... 34
3.4.4 Digestión Anaerobia (DA) .................................................................. 36
3.5 Marco Legal de las energías renovables .................................................. 38
CapÍtulo 4 ......................................................................................................... 41
Desarrollo Metodológico .................................................................................. 41
4.1. Estimación de los recursos energéticos de la Universidad de Santander 41
4.2. Estimación del potencial energético de la Biomasa residual vegetal de la
Universidad de Santander .................................................................................. 48
CapÍtulo 5 ......................................................................................................... 51
5. Selección y Dimensionado de la Tecnología de Transformación ............ 51
5.1. Selección de la Tecnología de transformación ....................................... 51
5.2. Procesos Termoquímicos ......................................................................... 51
5.3. Procesos Biológicos o Bioquímicos ......................................................... 52
5.4. Dimensionado global de los componentes de la tecnología de conversión
57
5.5. Parámetros Ambientales .......................................................................... 57
5.6. Parámetros Operacionales ....................................................................... 58
5.7. Parámetros básicos del digestor anaerobio. ............................................ 59
5.7.1. Sistemas discontinuos .............................................................................. 64
6. Conclusiones ............................................................................................ 67
7. Bibliografía ............................................................................................... 69
8. Anexos ..................................................................................................... 78
8
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Termoquímica del proceso de Gasificación de Biomasa (Arauzo, 2006) ........... 35
Tabla 2. Etapas de la actuación de las poblaciones bacterianas en la DA (De Paz, 2005)
........................................................................................................................................ 37
Tabla 3. Características del biogás. ................................................................................. 38
Tabla 4. Consumo de energía eléctrica de la UDES Bucaramanga entre los años 2010 a
2012 (elaboración propia con datos de la empresa prestadora del servicio). ................... 41
Tabla 5. Costos del consumo de energía eléctrica de la UDES Bucaramanga entre los
años 2010 a 2012 (elaboración propia con datos de la empresa prestadora del servicio).42
Tabla 6. Equipos existentes en los laboratorios del bloque Yariguies ............................. 43
Tabla 7. Matriz de consumo de los laboratorios del bloque Yariguies de la Universidad de
Santander (Elaboración propia). ...................................................................................... 43
Tabla 8. Consumo de gas domiciliario natural de la UDES Bucaramanga entre los años
2010 a 2012(elaboración propia con datos de la empresa prestadora del servicio) ......... 44
Tabla 9. Costos del consumo de gas domiciliario natural de la UDES Bucaramanga entre
los años 2010 a 2012 (elaboración propia con datos de la empresa prestadora del
servicio). .......................................................................................................................... 44
Tabla 10. Humedad de los residuos vegetales de la Universidad de Santander
(elaboración propia con datos tomados de PHYLLIS, Data base for biomass and waste) 48
Tabla 11. Composición elemental de los residuos vegetales de la Universidad de
Santander (elaboración propia con datos tomados de PHYLLIS, Data base for biomass
and waste) ....................................................................................................................... 49
Tabla 12. Poder Calorífico Superior y porcentaje de cenizas de los residuos vegetales de
la Universidad de Santander (elaboración propia con datos tomados de PHYLLIS, Data
base for biomass and waste) ........................................................................................... 50
Tabla 13. Materiales y costo para la construcción del digestor de cúpula fija (Elaboración
propia) ............................................................................................................................. 66
9
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Almacenamiento de residuos de poda en la Universidad de Santander .......... 16
Figura 2. Comparación de las estimaciones de emisiones de gases de efecto invernadero
para las diferentes tecnologías de generación de electricidad (IPCC 2011) ..................... 17
Figura 3. Cambios observados en el promedio mundial de la temperatura. ..................... 18
Figura 4. Ecuación química de la Fotosíntesis ................................................................ 23
Figura 5. Aporte de las energías renovables para la generación de electricidad en los
países de la UE en el 2011(Euroserver 2012) ................................................................. 26
Figura 6. Cultivos generadores de Biomasa residual en Colombia (Elaboración propia con
base en ABRC) ................................................................................................................ 29
Figura 7. Animales del sector pecuario generadores de Biomasa residual en Colombia
(Elaboración propia con base en ABRC).......................................................................... 30
Figura 8. Componentes y diseño del digestor de Cúpula Fija (Mozambique 2011) .......... 65
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LISTA DE ANEXOS
Anexo A. Mapa del potencial energético de Biomasa residual de café en Colombia
(ABRC) ............................................................................................................................ 78
Anexo B. Potencial energético de Biomasa residual de café en Colombia (ABRC) ......... 80
Anexo C. Mapa del potencial energético de Biomasa residual de caña de azúcar en
Colombia (ABRC) ............................................................................................................ 81
Anexo D. Potencial energético de Biomasa residual de caña de azúcar en Colombia
(ABRC) ............................................................................................................................ 81
Anexo E. Mapa del potencial energético de Biomasa residual de banano en Colombia
(ABRC). ........................................................................................................................... 82
Anexo F. Potencial energético de Biomasa residual de banano en Colombia (ABRC). ... 82
Anexo G. Mapa del potencial energético de Biomasa residual de palma de aceite en
Colombia (ABRC) ............................................................................................................ 83
Anexo H. Potencial energético de Biomasa residual de banano en Colombia (ABRC) ... 83
Anexo I. Total del potencial energético de Biomasa residual de Colombia (ABRC) ........ 84
Anexo J. Potencial energético municipal de la biomasa residual del sector de los residuos
sólidos orgánicos urbanos de poda (Elaboración propia a partir de ABRC) ..................... 85
Anexo K. Residuos de poda natural y artificial del campus de la Universidad de Santander
sede Bucaramanga. ......................................................................................................... 86
Anexo L. Comparación entre tres procesos termoquímicos: Pirolisis, Gasificación y
combustión (Elaboración propia con base en la información de CER de Chile y otras
fuentes enunciadas en el texto de la tabla) ..................................................................... 87
Anexo M. Comparación entre tres procesos bioquímicos: Fermentación alcohólica,
digestión anaerobia y transesterificación (Elaboración propia con base en la información
de CER de Chile). ............................................................................................................ 88
Anexo N. Cálculos para la conversión de residuos de poda en Biogás ............................ 89
Anexo O. Diferencias y similitudes entre los modelos de biodigestores más conocidos
(PREMACA 2012) ............................................................................................................ 90
11
RESUMEN
Las energías renovables en los últimos 20 años han venido adquiriendo mayor
fuerza en el mercado energético mundial, ya que son importantes para mitigar la
deficiencia de combustibles fósiles y para disminuir la problemática ambiental
provocada por la generación de gases de efecto invernaderos.
Dentro de las energías renovables se encuentra la biomasa, esta es referida
principalmente a la energía solar convertida por la vegetación en más vegetación o
materia orgánica y posteriormente dicha materia orgánica puede ser convertida
en diferentes tipos de energía, acorde al uso que se le quiera dar. La biomasa
mediante el efecto antropogénico puede generar gran cantidad de residuos que si
no se les da buen uso puede llevar a diferentes problemáticas.
El manejo inadecuado de los residuos de poda en la Universidad de Santander ha
originado un problema de contaminación ambiental que perjudica a la comunidad
universitaria. En el campus universitario se genera una cantidad considerable de
residuos provenientes de la poda natural y artificial con un gran potencial para la
generación de biogás y energía eléctrica, para dicha generación se hizo una
cualificación y una cuantificación del potencial energético, y se analizaron las
diferentes tecnologías de transformación de residuos vegetales, entre estas se
determinó que la tecnología de transformación más factible desde el punto de
vista ambiental, energético, económico y social, es la digestión anaerobia. La
construcción de un digestor anaerobio se caracteriza porque requiere de unas
condiciones de diseño especiales, pero a su vez utiliza materiales de bajo costo y
de rápido montaje, además la Universidad de Santander tiene implementada una
política ambiental que apoya el desarrollo de proyectos de esta índole
12
ABSTRACT
Renewable energy in the last 20 years have been gaining strength in the global
energy market , as they are important to mitigate the deficiency of fossil fuels and
to reduce the environmental problems caused by the generation of greenhouse
gases effect.
Within renewable energy is biomass, this is primarily referred to solar energy
converted by the vegetation in more vegetation or organic matter and then said
organic matter can be converted into different types of energy , according to the
use you want to give . Biomass by anthropogenic effect can generate a lot of waste
if they are not given proper use can lead to various problems .
Inadequate management of garden waste at the University of Santander has
created a problem of environmental pollution that harms the university community.
On campus a considerable amount of waste from the natural and artificial pruning
creates a great potential for the generation of biogas and electricity generation for
such a qualification and quantification of the energy potential was made, and
analyzed the different processing technologies vegetable waste , among these was
determined that the most feasible technology transformation from the
environmental, energy , economic and social, is anaerobic digestion. The
construction of an anaerobic digester is characterized conditions requires special
design, but in turn uses inexpensive materials and erecting addition Santander
University has implemented an environmental policy that supports the development
of such projects
13
INTRODUCCIÓN
La biomasa desde el punto de vista energético, es el material orgánico proveniente
de procesos biológicos utilizable como fuente energía y que se puede obtener de
residuos vegetales, animales y microbiológicos. En los procesos de generación de
energía eléctrica y térmica, la biomasa con mayor potencial de utilización en
Colombia es la obtenida a partir de residuos vegetales provenientes de bosques
madereros, de la agroindustria como caña de azúcar (bagazo), palma africana,
arroz, café, maíz, plátano y flores, también los cultivos energéticos del futuro tales
como gramíneas de rápido crecimiento ricas en celulosa para la producción de
alcohol de segunda generación y otros combustibles (Corpoema, 2010).
La biomasa residual vegetal puede someterse a procesos termoquímicos
(combustión-pirolisis-gasificación-alta presión e hidrotratamiento), procesos de
conversión biológica (fermentación-digestión) y procesos químicos (esterificación-
modificación química); obteniendo combustibles sólidos, líquidos, gaseosos o
directamente en electricidad para ser utilizados como fuente de energía en el
sector doméstico, transporte, agroindustrial, entre otros (López, 2013).
El inadecuado almacenamiento de los residuos vegetales y la falta de
transformación de los mismos conllevan a problemas de contaminación ambiental
por la generación incontrolada de gases de efecto invernadero, y la proliferación
de vectores causantes de enfermedades de alto riesgo para la salud humana.
La Universidad de Santander-UDES genera aproximadamente 25 toneladas al año
de residuos vegetales provenientes de las actividades de poda artificial y natural,
estos residuos se caracterizan por su alto contenido de material lignocelulósico, el
cual permite generar productos energéticos y biomateriales (Álvarez y Col., 2012)
En el presente trabajo se incluye la revisión de los referentes sobre los procesos
de transformación de los residuos vegetales, determinación del tipo de tecnología
14
de transformación de residuos más viable para la universidad, estimación de la
carga eléctrica del sótano del edificio Yariguíes de la UDES, para calcular su
media mensual de energía diaria, la caracterización de los residuos vegetales
generados en todo el campus universitario y finalmente el dimensionado global del
sistema de conversión de residuos, todo lo anterior permite tomar decisiones para
mejorar el manejo de los residuos de biomasa, y a su vez generar un recurso
energético limpio para el consumo en el campus universitario
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CAPÍTULO 1
1. PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN
1.1. Planteamiento del problema
El aumento en la producción de energía eléctrica a partir de fuentes renovables
o fuentes naturales inagotables se ha convertido en una necesidad en países
desarrollados e incluso en vía de desarrollo. La razón de esta tendencia es que las
energías renovables contribuyen a la disminución de los gases de efecto
invernadero (GEI), disminuyen la dependencia energética especialmente en los
países con bajos porcentajes de fuentes no renovables, permiten la creación de
empleo y el desarrollo tecnológico; además del gran potencial energético y la
capacidad de regenerarse por medios naturales (André; De Castro, Cerda 2011).
En sus informes de los últimos años, la International Energy Agency (IEA) ha
señalado de modos sistemático que la energía renovable ha crecido rápidamente
en la última década, convirtiéndose en un importante componente de la oferta
energética (IEA 2011). Es indudable las ventajas que generan las energías
renovables al medio ambiente, sin embargo la implementación en países
subdesarrollados ha tenido gran dificultad, debido a su costo y la poca
investigación tecnológica. En consecuencia se hace necesario realizar estudios
que ayuden a esclarecer dichas dudas y permita tomar decisiones correctas, para
la implementación de nuevas tecnologías de generación de energía y que a su vez
favorezcan el medio ambiente.
En este sentido, en este trabajo de investigación se realizó un estudio profundo de
la posibilidad de reutilización de la biomasa residual de la universidad de
Santander, teniendo en cuenta los siguientes factores:
a. La universidad tiene una alta de producción de residuos provenientes de la
poda artificial y natural, correspondientes a aproximadamente 25 ton/año, la
poda se realiza cada 3 meses.
16
b. El manejo que se le da a los residuos es inadecuado, ya que son almacenados
de manera indiscriminada cerca a: las cañadas contiguas a la Universidad, a
los edificios educativos y alrededor de grandes árboles, provocando alto grado
de contaminación ambiental (figura 1), lo anterior provoca la proliferación de
vectores (ISTAS 2003).
c. La importancia que tienen las energías renovables desde el punto de vista
ambiental, ya que acorde a lo determinado por el Inregobernmental Panel on
Climate Change – IPCC (2011), la generación de CO2 es muy alta en los
combustibles fósiles (gas, petróleo, carbón) y en biomasa es muy baja (figura
2).
Figura 1. Almacenamiento de residuos de poda en la Universidad de Santander
d. La universidad presenta un consumo promedio mensual de energía de
28´000.000 de pesos (Vatia 2012), esto es una suma, representativa entre los
diferentes elementos del presupuesto que deben manejar. Adicional a esto la
universidad no cuenta con un estudio que permita establecer de manera
detallada los elementos que generan dicho consumo.
e. La universidad estableció una política ambiental o política verde donde se
compromete a “Desarrollar proyectos de investigación en innovación, ciencia y
tecnología, orientados hacia el mejoramiento de las condiciones ambientales
de las zonas de influencia directa e indirecta” (UDES verde 2012).
f. Impacto indirecto sobre el estado psicosocial de la comunidad universitaria, ya
que el manejo inadecuado de los residuos de poda afecta el equilibrio natural
y la estética del paisaje natural con el que cuenta el campus universitario y
que es utilizado como elemento de relajación ante el estrés académico.
17
Figura 2. Comparación de las estimaciones de emisiones de gases de efecto invernadero para las diferentes tecnologías de generación de electricidad (IPCC 2011)
g. El IPCC en el informe del 2007 confirma que el cambio climático es una
realidad, y es fundamentalmente por efecto antropogénico. Esta afirmación la
hace con base en el calentamiento del sistema climático, determinado por el
aumento observado del promedio mundial de temperatura del aire y del
océano, de la fusión generalizada de nieves y hielos, y del aumento del
promedio mundial del nivel del mar (Figura 3b).
Por lo anterior es evidenciable que la universidad tiene una alta demanda de
energía, a partir de fuentes convencionales, lo que indirectamente provoca
impacto ambiental. Por otra parte la universidad cuenta con fuentes energéticas
renovables no aprovechadas, provenientes de los residuos orgánicos de poda de
18
todas las áreas verdes que pueden ser utilizadas para producir biogás o energía
eléctrica. Además la universidad debe contribuir con la disminución de los efectos
de cambio climático.
Figura 3. Cambios observados en el promedio mundial de la temperatura, nivel del mar y cubierta de nieve del hemisferio norte en el período 1961-1990 (IPCC 2007)
1.2. Pregunta de Investigación
Considerando lo anterior se planteó la siguiente pregunta de investigación, ¿La
implementación de un sistema de generación de energía a partir de residuos de
poda podría disminuir los índices de contaminación ambiental, eliminar la
proliferación de vectores causantes de enfermedades en los humanos, disminuir
los costos generados en el consumo de energía eléctrica proveniente de la red, y
mejorar la estética del campus de la Universidad de Santander, Sede
Bucaramanga?
19
CAPÍTULO 2
2.1 OBJETIVOS
2.1.1 Objetivo General
Realizar un estudio de factibilidad para la implementación de un sistema de
generación de energía auxiliar a partir de fuentes renovables, mediante la
selección de una tecnología de conversión de biomasa residual, con el fin de
cubrir la demanda energética para un edificio educativo del campus Lagos del
Cacique de la Universidad de Santander UDES sede Bucaramanga.
2.1.2 Objetivos Específicos
Estimar los recursos energéticos consumidos por la Universidad de Santander-
sede Bucaramanga, durante un periodo de 12 meses, tomando como base los
datos de las empresas prestadoras de servicios domiciliarios mediante la
medición de la energía consumida por cada equipo y luminaria que funciona en
el edificio Educativo del campus universitario de la UDES.
Seleccionar una tecnología de conversión de biomasa residual para la
generación de energía mediante la comparación de los diferentes procesos de
transformación, utilizando como base los criterios ambiental energético,
económico y social
Caracterizar la biomasa residual vegetal del Campus Universitario, mediante la
cualificación y cuantificación de los residuos de flora provenientes de la poda
natural y artificial, y residuos orgánicos tipo madera generados en el campus
de la Universidad de Santander.
Estimar el potencial energético de la biomasa residual con base en la
información referente sobre caracterización de los residuos de flora orgánicos
no peligrosos mediante modelos matemáticos.
Dimensionar globalmente los componentes que hacen parte del sistema de
generación de energía.
20
2.2 JUSTIFICACIÓN
De acuerdo con estadísticas de la Agencia Internacional de Energía (IEA 1990 –
IEA 2011), las emisiones de CO2 en Colombia pasaron de 46,23 Mt de C02 a
66, 69 Mt de C02, es decir hay un aumento del 45% en los últimos 21 años (1990
al 2011), sin embargo a pesar del aumento de este agente contaminante, las
toneladas per cápita solo aumentaron en un 0,25%. La causa de los niveles altos
de C02 obedece al aumento de la población en un 42% en el mismo periodo de
tiempo.
En el Plan de Desarrollo 2013-2018 de la Universidad de Santander menciona
“La Universidad debe contribuir con la construcción de una "Sociedad del
Conocimiento" capaz de responder a los desafíos de la sostenibilidad económica
(generación de empleo), la sostenibilidad social (asegurar un desarrollo con
inclusión social) y la sostenibilidad ambiental (manejo sostenible de la
biodiversidad y del medio ambiente)”, Así mismo en los lineamientos de política
del servicio educativo establece que “de acuerdo con el compromiso de
sostenibilidad y responsabilidad ambiental, se promoverán acciones en pro del
aprovechamiento racional de los recursos naturales” y se establecen los siguientes
compromisos ambientales: Desarrollar proyectos de investigación en innovación,
ciencia y tecnología, orientados hacia el mejoramiento de las condiciones
ambientales de las zonas de influencia directa e indirecta; promover y ejecutar
proyectos de mejoramiento ambiental; prevenir, reducir y mitigar los impactos
ambientales negativos, generados en el curso de las actividades propias de la
institución; promover la conservación y uso eficiente de los recursos naturales;
desarrollar junto con los demás actores sociales: Estado, empresa y sociedad civil;
planes, proyectos y actividades que mejoren sus actuaciones en el contexto
ambiental, mediante programas de extensión y/o consultoría; sistematizar la
evaluación permanente de la ejecución de la política ambiental con fines de
mejoramiento continuo.
21
Por tal razón desde la Maestría en Sistemas Energéticos Avanzados se propone
apoyar esta iniciativa mediante el desarrollo de proyectos que permitan llevar a
cabo al interior de la universidad estrategias que mitiguen el impacto ambiental
generado por el alto consumo de formas de energía provenientes de fuentes no
renovables y/o que aumentan el efecto invernadero, siendo este último un factor
determinante en el calentamiento global el cual conlleva cambios climáticos que
afectan la flora y fauna del planeta.
El desarrollo de un sistema propio de generación de energía a partir de fuentes
renovables le permitirá a la UDES hacer parte de las empresas que van acorde al
Marco Normativo Nacional de Colombia, expresado en la Resolución 0551 de
2009 del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. Allí se adoptan
los requisitos y evidencias de contribución de los proyectos al desarrollo sostenible
de Colombia y se establece el procedimiento para la aprobación de proyectos de
reducción de emisiones de gases de efecto invernadero que optan por el
Mecanismo de Desarrollo Limpio.
22
CAPÍTULO 3
MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL
3.1 Biomasa
Según la Especificación Técnica Europea CEN/TS 14588 (PER 2011-2020), la
biomasa se define como “Todo material de origen biológico, excluyendo aquellos
que han sido englobados en formaciones geológicas sufriendo un proceso de
mineralización”.
También la biomasa es referida principalmente a la energía solar convertida por la
vegetación en más vegetación o materia orgánica y posteriormente dicha materia
orgánica puede ser convertida en diferentes tipos de energía, acorde al uso que
se le quiera dar.
En el contexto energético, el término biomasa se emplea para denominar a una
fuente de energía renovable basada en la utilización de la materia orgánica
formada por vía biológica o de los productos derivados de ésta (Fernández,
2003).
La biomasa es una energía renovable, ya que su contenido energético es el
resultado de la fotosíntesis, que es el proceso de conversión de la energía
lumínica del sol en energía química (ATP) utilizada posteriormente para la
transformación del dióxido de carbono (CO2) y el agua (H20) en carbohidratos y
oxígeno (O2), (figura 4). La fotosíntesis se divide en dos fases:
a. Lumínica (Fotoquímica o reacción de Hill): en esta fase la luz solar es
absorbida por las moléculas de clorofila que están almacenadas en los tilacoides
del cloroplasto, los electrones de la clorofila son lanzados a niveles energéticos
superiores oxidando la clorofila. La energía contenida en los electrones se usa
para transformar el ADP en ATP y en esta misma etapa las moléculas de H2O se
rompen liberando oxígeno (O2) (Mota 2009, Arismendi 2011).
23
Figura 4. Ecuación química de la Fotosíntesis (Elaboración del autor)
b. Fase Oscura o independiente de Luz: en esta fase el ATP formado en la fase
anterior se utiliza para convertir el CO2 en carbohidratos sencillos (C6H1206), esta
fase también es conocida como fase de fijación del Carbono. Los carbohidratos
son la forma química de almacenamiento de energía y que luego va a ser
transformada en otra fuente energética mediante los procesos de transformación
anaeróbicos (Arellano, 2006)
3.2 Tipos de biomasa vegetal
3.2.1 Forestal o de Bosques
Este tipo de biomasa ha sido la más explotada en el mundo con fines energéticos
y posiblemente siga siendo durante varias décadas. La explotación forestal para
obtener principalmente leña se ha tecnificado para aprovechar suficientemente
cualquier residuo resultante de dicha explotación, pero los resultados catastróficos
ambientales son muy altos. Lo anterior en razón a que la biomasa de los bosques
realiza una tasa alta de fijación de N2 y CO2; y ante la deficiencia que se pueda
presentar en estos nos vemos avocados al aumento del C02 atmosférico y así
mismo a fortalecimiento del efecto invernadero que a su vez provoca el
calentamiento global (Barrionuevo, 2013). En la región de la Amazonía colombiana
hay un potencial de biomasa superior a 11.000 Mton representadas en un área
aproximada de 435.000 Km2. La región Amazonas abarca gran parte del territorio
de Colombia, alrededor de un 40%, la mayor parte de su territorio es llano,
24
selvático, con una parte conocida como piedemonte amazónico, formado por las
estribaciones de la Cordillera Oriental Colombiana (López, 2012).
3.2.2 Biomasa residual y/o industrial
Es la que se genera como consecuencia de cualquier proceso en que se consuma
biomasa. Se produce en explotaciones agrícolas, forestales o ganaderas, así
como los residuos de origen orgánico generados en las industrias y en los núcleos
urbanos (Ciemat, 2008). La utilización de biomasa residual es, en principio,
atractiva, pero limitada: en general, es más importante la descontaminación que se
produce al eliminar estos residuos que la energía que se puede generar con su
aprovechamiento.
En muchos casos, sin embargo, pueden ser autosuficientes energéticamente a
las instalaciones que aprovechan sus propios residuos tales como granjas,
industrias papeleras, serrerías o depuradoras urbanas (Fernández 2005).
3.2.3 Biomasa Residual agrícola y de residuos de poda
Según Circe, 2006, como biomasa residual agrícola herbácea se ha considerado
la paja de cereal (trigo, cebada, centeno, etc.), la caña de maíz y girasol y la paja
de arroz, y la biomasa residual de poda es la obtenida en la poda de los cultivos
leñosos.
Según la composición de carbohidratos (compuestos más abundantes en la
biomasa vegetal), la biomasa se puede clasificar en:
Biomasa Lignocelulosa: en esta predominan las celulosas de hemicelulosa,
holocelulosa y lignina (Arroyo 2012., Yu-Chuan 2009).
Biomasa amilácea: En esta predomina hidratos de carbono como el almidón
y la inulina, estos son polisacáridos de reserva en los vegetales (Bastías,
2012).
Biomasa azúcarada: los hidratos de carbonos son azúcares monosacáridos
(glucosa o fructosa) o disacáridos como la sacarosa (Pejó, 2009)
25
3.2.4 Biomasa energética
Incluye los materiales de origen biológico que no pueden ser empleados con fines
alimenticios o biológicos.
3.3 Estado actual de la Biomasa como recurso energético
3.3.1 Unión Europea y Asia
La biomasa cubre actualmente el 14% de las necesidades energéticas mundiales,
en los países industrializados, sin embargo, solo cubre el 3% de la energía
primaria, con la excepción de los países nórdicos europeos, donde su utilización
para producción de calor en centrales avanzadas es bastante común (Demirbas,
2012). Los países en vía de desarrollo cubren con biomasa, en este caso con
consumo tradicional de leña, un 38% de su demanda energética. En algunos
países de África este porcentaje se eleva al 90%. Respecto a su uso en el mundo,
el 75% es doméstico tradicional y el 25% es un uso industrial.
Actualmente la biomasa tiene un consumo cada vez más creciente enfocado a una
utilización con tecnologías eficientes (Fernández, 2010). La producción de energía
primaria procedente de biomasa en los 25 países de la Unión Europea en 2006
fue de 62,4 millones de toneladas equivalentes de petróleo (Mtep). La cantidad
correspondiente en los años anteriores había sido de 59,3 en 2005, 55,6 en 2004
y 52,5 en 2003. Por tanto, el incremento anual de la producción fue del 5,9% en el
año 2004, 6,7% en 2005 y 5,3% en 2006(Cerda, 2008)
Según el Observatorio de Energías Renovables-euroserver el aporte de las
energías renovables en la unión europea (UE) en el 2011 esta discriminada de la
siguiente forma (figura 5): 46% hidráulica, 26,5% Eólica, 19,7% biomasa, el
restante 7,8% se distribuye entre las demás energías renovables. Para el caso de
la biomasa, el uso dado fue de la siguiente forma para el año 2011:
• Consumo de energía de biomasa sólida: 64,9 mtep
• Electricidad generada a partir de biomasa sólida: 72,8 TWh
26
• Producción de energía primaria de biomasa sólida: 78,8 mtep
Figura 5. Aporte de las energías renovables para la generación de electricidad en los países de la UE en el 2011(Euroserver 2012)
Finlandia es el país del mundo que más se nutre de energía procedente de
biomasa sólida, la cual supone el 30% de su consumo total de energía primaria y
aproximadamente el 20% de su producción de electricidad. En Finlandia se
impulsa la producción de calor y electricidad procedente de la biomasa con la
exención total del impuesto sobre la energía pagado por los consumidores finales.
Además hay subvenciones, que pueden llegar hasta el 30%, a las inversiones en
plantas de generación eléctrica con biomasa. Para financiar la producción de
electricidad procedente de fuentes renovables se utiliza la recaudación que se
obtiene con un impuesto sobre el CO2
aplicable a combustibles fósiles (Cerda
2008).
De los países de la comunidad Europea, España es uno de los países que tiene
un alta dependencia energética del exterior (supera el 80%), principalmente de los
combustibles fósiles, que condiciona enormemente la balanza comercial exterior.
A pesar de lo anterior. Según datos del Observatorio Nacional de Calderas de
Biomasa, a diciembre de 2012 se estima que España dispone de unos 4.000 MW
27
instalados, apoyados en algo más de 50.000 instalaciones. El grueso de
instalaciones recogidas en el ONCB es de uso doméstico, con el 86,6% de las
referencias, y el 20% en potencia (Ramos, 2013).
Para los países asiáticos, China es un gran país agrícola y uno de los más
abundantes recursos de paja en el mundo, produciendo más de 620 millones de
toneladas de paja en 2002 y representa alrededor del 33-45% del consumo de
energía para los medios de subsistencia en las zonas rurales (Zeng, 2007).
3.3.2 Países hispanoamericanos
En el encuentro Iberoamericano sobre desarrollo sostenible - Eima 8 2012,
Altino Ventura, Secretario de Planificación Energética del Ministerio de Minas y
Energía de Brasil (MME), hace una comparación entre la oferta energética de
Brasil con el resto del mundo. “Vemos un escenario interesante en Brasil cuando
lo comparamos al resto del mundo. En Brasil, el 45% de la energía proviene de
fuentes renovables, mientras que en el mundo sólo el 13% de la energía es
renovable. Con relación a la energía de fuentes fósiles, el mundo se abastece de
un 81%, entre petróleo, carbón y gas natural, y Brasil 53%”. Ventura, también
menciona que la producción de energía a partir de la biomasa se ha
incrementado, especialmente a partir de los derivados de la caña de azúcar
(etanol, bagazo y paja de caña).
Según la División de Industria y Energía de la Agencia de Ciencia y Tecnología de
Cuba, en este país la principal fuente de energía renovable es la biomasa, debido
a que no existen grandes afluentes hídricos, ni zonas con altas velocidades del
viento. El mayor potencial energético proviene de la biomasa cañera, también
están los bosques naturales y las plantaciones energéticas en desarrollo, los
residuos agroindustriales y los urbanos “la utilización de estas fuentes en la
generación de electricidad está muy vinculada al desarrollo de tecnologías
eficientes que permiten que esta producción sea competitiva con el uso de los
combustibles convencionales en las condiciones específicas de los países en
desarrollo” (Curbelo., Garea 2011).
28
En Bolivia se utiliza más energía con biomasa en los hogares rurales que
cualquier otra forma de energía. Sin embargo, las fuentes de biomasa nunca se
han utilizado para la producción comercial de energía eléctrica por parte de las
compañías eléctricas de Bolivia. El proyecto ESD, en cooperación con la
Cooperativa Eléctrica de Riberalta (CER), ha diseñado y está procediendo a la
instalación de un sistema de conversión de biomasa de un megavatio para
proporcionar energía eléctrica a la comunidad de Riberalta en el Departamento del
Beni. La combustión para la producción de energía eléctrica utilizará una mezcla
de 90% de cáscaras de castañas y 10% de deshechos de madera. Esto generará
energía para una población de 43.400 habitantes y también para la industria local
de la castaña que requiere más energía eléctrica a menores precios a fin de ser
más competitiva en el mercado mundial.
En Uruguay se viene gestionando desde el año 2010 el proyecto denominado
“Producción de Electricidad a partir de Biomasa en Uruguay (PROBIO)”. Este
proyecto es desarrollado directamente por el gobierno de Uruguay con el apoyo
del programa de desarrollo de la Naciones Unidas. Dicho proyecto “apunta al
desarrollo de generación de electricidad descentralizada conectada a la red de
suministro, proveniente de residuos de biomasa de la industria forestal doméstica”.
El proyecto abordará barreras políticas y de información y desarrollará modelos de
negocios para operadores privados. El mapeo de residuos a través de la
tecnología SIG y la optimización económica de los recursos disponibles
constituyen elementos innovadores. Se procurará una planta de biomasa de 5 MW
y la misma se construirá para demostrar la viabilidad del modelo de negocio
elegido y se utilizará como un caso de trabajo para racionalizar temas técnicos y
de permisividad”.
Para Poveda (2013), Latinoamérica tiene un gran potencial en biomasa como
recurso energético, gracias a las vastas extensiones agrícolas y forestales,
favoreciendo también las características geográficas y la variedad de climas. En
el caso de Brasil, el 60% de los proyectos sobre energías alternativas que se
están realizando se centran en la biomasa.
29
3.3.3 Colombia
Colombia se caracteriza por que tiene un gran potencial de biomasa a partir de
residuos vegetales, según información del Atlas de Biomasa de Colombia (ABRC),
el potencial energético fue calculado mediante los modelos matemáticos
utilizados en dicho Atlas (Anexo D). Para realizar el inventario descrito en el
ABRC, primero se seleccionaron las fuentes generadoras de Biomasa residual.
Acorde a la fígura 6 los cultivos generadores de biomasa residual son
permanentes y transitorios :
• Para el sector agricola se tuvo en cuenta el grado de productividad de los
cultivos, tanto transitorios como permanentes.
• Para el sector pecuario (figura 7) se seleccionó con base en el porcentaje
de participación de las diferentes actividades y en la disponibilidad de la
información relativa a los censos poblacionales por especie.
Figura 6. Cultivos generadores de Biomasa residual en Colombia (fuente: ABRC)
El estudio incluye los subsectores bovino, porcino y avícola. El estiércol generado
por estos subsectores es considerado como la biomasa residual.
30
Figura 7. Animales del sector pecuario generadores de Biomasa residual en Colombia (fuente: ABRC)
De acuerdo a FENAVI (Federación Nacional de Avicultores), y el DANE
(Departamento Administrativo Nacional de Estadística) la industria avícola
colombiana ha tenido un crecimiento sostenido en los últimos 5 años. Los
resultados del censo revelaron la existencia de 30 plantas de incubación, donde el
departamento del Valle del Cauca tiene 8 plantas, Santander y Cundinamarca 7
plantas, Tolima con 3 plantas y otras 5 en otros departamentos. Estas plantas
están según la resolución 1937 de 2003 del ICA (Instituto Colombiano
Agropecuario), en los artículos 7 y 8 establece que: “es prohibida la movilización y
comercialización de gallinaza, pollinaza sin tratamiento previo con el fin de
minimizar el riesgo sanitario y evitar la transmisión de agentes patógenos”. Lo
anterior significa que lo más recomendable es someter dichos residuos a procesos
de compostaje controlados.
A continuación se revisa todo el estudio realizado por la UPME, el IDEAM,
Colciencias y la Universidad Industrial de Santander, y que se expresa en el Atlas
de Biomasa Residual (2010); dicha información se presenta por sectores:
A. Café: Este producto tiene una alta producción en los departamentos de
Quindío, Tolima, Risaralda, Huila, Cauca, Caldas y Antioquía, con una
producción suficiente para cubrir las necesidades de consumo interno (Anexo
A) y para la exportación a todo el mundo, principalmente EE.UU. La producción
31
deja más de 5.050.000 toneladas por año de residuos con un potencial
energético de 49.100 TJ por año (Anexo B).
B. Caña de azúcar: este producto limita su producción a 5 departamentos y
especialmente al Valle del Cauca con mas del 80%de la produución total
(Figura 9. Anexo C). La producción deja más de 15.534.591 toneladas por año
de residuos con un potencial energético de 118.578 TJ por año. (Anexo D.).
C. Banano: este es un producto agrícola de gran producción en la región del
Urabá (departamento de Antioquía y Magdalena) y en menor proporción en el
Valle del Cauca y otros departamentos. Al igual que el café puede cubrir las
necesidades del país (Figura 10. Anexo E) y ser producto de exportación en
gran cantidad. La producción deja más de 11.500.000 toneladas por año de
residuos con un potencial energético de 6.600 TJ por año. (Anexo F).
D. Palma de Aceite: este producto se produce principalmente en los
departamentos de Cesar, Meta, Santander y Nariño (Anexo G) Estos dos
últimos suman aproximadamente el 50% de la producción total La producción
deja más de 1.660.074 toneladas por año de residuos con un potencial
energético de 16.013 TJ por año (ABRC) (Anexo H).
E. El total del potencial energético de la biomasa residual agrícola de Colombia
por especie se presenta en el anexo I. Lo anterior permite evidenciar que
Colombia tiene un potencial energético muy alto (331.645,71 TJ/año) a partir
de los residuos agrícolas, y permitiendo la disminución en la producción de los
gases de efecto invernadero mediante un buen manejo de dichos residuos.
F. En Colombia se tiene un estimado de residuo de poda mayores a 44815
ton/año, este generara aproximadamente un potencial energético de 318 TJ
por año (ABRC) (Anexo J).
32
3.4 Tecnologías de transformación de la Biomasa
En la figura 12 se pueden observar los procesos y tecnologías de transformación
a lo que se pueden someter los residuos vegetales, dichos procesos son de tres
clases (López, 2013):
1. Procesos termoquímicos: estos incluyen, la combustión (producción de bio-oil),
pirolisis (gas combustible), gasificación (H2, CO, CH4), Alta presión-Agua subcrítica
y el hidrotratamiento.
Figura 12. Tecnologías de transformación de la biomasa (fuente: UPME 2003).
2. Procesos de conversión biológica: incluyen la fermentación (bioetanol), y la
digestión (biogás: una mezcla principalmente de metano y dióxido de carbono).
3. Procesos químicos incluyen la Esterificación (Biodiesel), y las modificaciones
estructurales químicas (reacción de esterificación) (Dormo, 2004).
3.4.1 Combustión directa
Tiempo atrás la biomasa se ha empleado en pequeñas calderas domésticas para
generar calor. En general, se trata de sistemas de poca eficiencia energética
donde la biomasa no requiere tratamiento previo (Alemany, 2012). Para su
aprovechamiento industrial, es necesario recurrir a grandes instalaciones,
basadas en la generación de vapor a alta temperatura y presión / electricidad.
33
Acorde a la tecnología empleada, se distinguen tres (3) tipos de estas de menor a
mayor eficiencia (Jiménez, 2012):
• Calderas de lecho fijo o parrilla: El combustible, en astillas o trozos de varios
centímetros, se introduce sobre unas placas vibrantes o parrillas inclinadas, en las
que se quema al tiempo que se desplaza hacia un colector de cenizas en el
extremo opuesto a la inyección.
• Calderas de lecho fluido: El combustible se reduce a tamaños menores (mm) y
se mantiene en suspensión junto con partículas de arena («lecho»). En ocasiones
se añade al lecho un ciclón y el flujo es circulante, siendo arrastradas por el aire
usado en la combustión sólo las partículas de ceniza.
• Calderas de combustible pulverizado o lecho arrastrado. El combustible se muele
hasta tamaños típicamente menores de un milímetro, y se introduce en la caldera
a través de quemadores junto con el aire de combustión. Las partículas se van
quemando a lo largo de la caldera, y salen junto con los gases hacia las etapas de
filtrado y limpieza.
Co-combustión: la biomasa se lleva a una caldera alimentada con carbón,
sustituyendo parte de la potencia del hogar (10-15%). La principal ventaja es el
aprovechamiento de la estabilidad y eficiencia del conjunto de la caldera y la
reducción de incertidumbres tanto en el comportamiento como en el suministro de
la biomasa (Cheburini, 2010).
3.4.2 Pirolisis
Es la descomposición de la materia prima de biomasa por el calor. Este paso,
conocido también como desvolatilización es endotérmico y produce de 75 a 90%
de materiales volátiles en la forma de hidrocarburos líquidos, gaseosos y carbón
(Fernández, 2005, Giraldo, 2012).
Los hidrocarburos volátiles y carbón son posteriormente convertidos en gas de
síntesis en el segundo paso. Algunas de las reacciones más importantes que
intervienen en esta etapa son los siguientes (Ciferno, 2002):
34
Reacciones Exotérmicas:
(1) Combustión (biomasa volátil/carbón) + O2→ CO2
(2) Oxidación Parcial (biomasa volátil/carbón) + O2→ CO
(3) Metanización (biomasa volátil/carbón ) + H2→ CH4
(4) Cambio de agua-gas CO + H2O → CO2 + H2
(5) CO Metanización CO + 3H2→ CH4 + H2O
Reacciones Endotérmicas:
(6) Reacción de vapor de carbono (biomasa volátil/carbón) + H2O → CO + H2
(7) Reacción Boudouard (biomasa volátil/carbón) + CO2→ 2CO
En la tabla 1 se puede observar la termoquímica del proceso de gasificación
pirolisis (Arauzo, 2006).
3.4.3 Gasificación
Es un término genérico bajo cuya denominación se recogen todos los procesos en
los que se produce una combustión incompleta con defecto de oxígeno y en los
que se producen los siguientes gases: monóxido de carbono, dióxido de carbono,
hidrógeno, metano e hidrocarburos de cadena pequeña, en proporciones diversas,
según la composición de la materia prima y las condiciones del proceso. (García,
2005).
La gasificación es un proceso termoquímico en el que se transforma un
combustible sólido en uno gaseoso. El proceso está conformando por varios
fenómenos complejos que van desde los mecanismos de transferencia de masa y
energía en un sistema reactivo heterogéneo, derivando las etapas de secado y
devolatilización del combustible, para dar paso a la oxidación de los volátiles y el
carbón, con el consecuente cambio del diámetro de las partículas y las pérdidas
de presión en el lecho (Pérez 2010).
35
En el proceso de gasificación es necesario tener en cuenta el equilibrio
termodinámico y químico, y todas las variables relacionadas con:
a. Tipo de biomasa.
b. Porcentaje de humedad
c. Poder calorífico.
Tabla 1. Termoquímica del proceso de Gasificación de Biomasa (Arauzo, 2006)
Según La Cal Herrera (Conama, 2012) una opción tecnológica que permitiría al
agricultor reducir los costes de gestión de sus restos de podas, en función de si
los quema o si los pica y los deposita en el suelo como aporte orgánico obteniendo
un ingreso adicional por su venta, es la gasificación de los restos de las podas y
el aprovechamiento del calor generado.
Las reacciones en la gasificación se llevan a cabo a temperaturas elevadas, 800-
1500 oC, y presión atmosférica elevada de hasta 33 bar (480 psi). El oxidante
utilizado puede ser aire, oxígeno puro, vapor o una mezcla de estos gases
(MARTÍNEZ 2013). Debido a su mayor eficiencia y versatilidad, la gasificación es
vista como una evolución necesaria en el desarrollo de sistemas de energía de
36
biomasa. Esta tecnología ha sido probada principalmente en lecho fijo (Corriente
ascendente y corriente descendente) y sistemas de reacción de lecho fluidizado,
con menos información disponible acerca de la potencial de los reactores de flujo
arrastrado. Este último se beneficia de un diseño relativamente simple estructura
mecánica y robustez frente a condiciones severas de gasificación, la inversión y
los costos de operación son reducidos (Hernández 2010).
La gasificación de biomasa es una forma de conversión de energía que todavía se
mantiene en etapa de investigación y desarrollo con algunas aplicaciones en la
generación de electricidad. La actividad científico investigativa sobre el tema ha
estado centrada a la mejoría del diseño, modelación y evaluación de diferentes
tipos de gasificadores, las aplicaciones prácticas se han llevado a cabo
fundamentalmente a través de instalaciones de pequeña y mediana potencias
para la generación de energía eléctrica usando motores de combustión interna
(Lesme-Jaen, 2011).
3.4.4 Digestión Anaerobia (DA)
Es el proceso que se presenta por la acción de bacterias anaeróbicas (bacterias
cuyo metabolismo se realiza en ausencia de oxígeno). Estas bacterias se
desarrollan muy bien a temperaturas hasta de 30ºC, además realizan el proceso
en serie, degradan la materia orgánica en etapas sucesivas. En general, se
pueden diferenciar tres etapas fundamentales (Torres, 2012):
2. Hidrólisis-Acidogénesis.
3. Homoacetogénesis-acetogénesis.
4. Metanogénesis
En la tabla 2 (De Paz 2005) y la figura 13 (Castro, 2012) se observa la actuación
de las poblaciones bacterianas anaeróbicas en la DA. El producto de la DA es el
biogás, que es una mezcla formada por metano (CH4), dióxido de carbono (CO2),
37
y pequeñas cantidades de hidrógeno (H), sulfuro de hidrógeno (SH2) y nitrógeno
(N).
Tabla 2. Etapas de la actuación de las poblaciones bacterianas en la DA (De Paz, 2005)
Una de las opciones para producir etanol es por fermentación a partir de materias
primas ricas en carbohidratos (azúcar, almidón, celulosa, etcétera). Por tal razón,
es común designar al etanol obtenido por esta vía “bioetanol”. Entre estas
materias primas se encuentran las frutas y vegetales como la caña de azúcar y la
remolacha, los cereales (trigo, maíz, sorgo), los tubérculos (papas, yuca) y en
general, materias provenientes de ligno-celulosas o de residuos orgánicos
(Vásquez 2007).
Figura 13. Etapas y reacciones metabólicas de la digestión anaerobia (Castro 2012).
38
Según la Agencia Internacional de Energía (AIE, 2006), el potencial de esta fuente
de energía es considerable, pues se calcula que el bioetanol podría sustituir un
25% de la gasolina utilizada como combustible en el año 2025.
El biogás contiene entre 55 y 70% de CH4 (Tabla 3) (Villanueva, 2011), el cual
puede ser utilizado como una importante fuente energética en la combustión de
motores, en turbinas o calderas utilizados en diferentes usos industriales.
Tabla 3. Características del biogás.
Características CH4 CO2 H2-H2S
Biogás
60/40
Proporciones %
Volumen 55-70 27-44 1 100
Valor Calórico MJ/m3 35.8 10.8 21.5
Valor Calórico
KCal/m3 8600 2581 5140
Ignición % en aire 5-15 6-12
3.5 MARCO LEGAL DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES
La ley 697 del 2001 del congreso de Colombia, en el Artículo 1° declara el Uso
Racional y Eficiente de la Energía (URE) como un asunto de interés social, público
y de conveniencia nacional, fundamental para asegurar el abastecimiento
energético pleno y oportuno, la competitividad de la economía colombiana, la
protección al consumidor y la promoción del uso de energías no convencionales
de manera sostenible con el medio ambiente y los recursos naturales. Esta misma
ley en el Artículo 3º define fuentes no convencionales de energía, aquellas fuentes
de energía disponibles a nivel mundial que son ambientalmente sostenibles, pero
que en el país no son empleadas o son utilizadas de manera marginal y no se
comercializan ampliamente. Finalmente esta ley también apoya la investigación
básica y aplicada para que, con el tiempo, se reduzcan costos y se amplíe la
capacidad de energías como la eólica, la solar, la geotérmica o la de biomasa.
39
La Ley 788/02 exime del impuesto a la renta las ventas de energía con fuentes
renovables, durante quince años, si se obtienen los certificados de reducción de
emisiones de carbono previstos en el Protocolo de Kioto, los cuales generan
ingresos a los empresarios.
El decreto 2331 de 2007 del MME, que tiene por objeto la utilización o sustitución
en los edificios, cuyos usuarios sean entidades oficiales de cualquier orden, de
todas las bombillas incandescentes por bombillas ahorradoras de energía,
específicamente Lámparas Fluorescentes Compactas (LFC) de alta eficiencia.
Aplica para las instalaciones, edificios y sedes administrativas de proyectos y
empresas de todos los sectores económicos, incluyendo el sector eléctrico.
El decreto 2501 de 2007 del MME, que tiene por objeto propiciar el uso racional y
eficiente de energía eléctrica a aplicar en los productos utilizados en la
transformación de energía eléctrica tanto de fabricación nacional como
importados, para su comercialización en Colombia y en los productos destinados
para el uso final de energía eléctrica, tanto de fabricación nacional como
importados, para su comercialización en Colombia.
La resolución 18-019 de 2010, adopta el Plan de Acción Indicativo 2010 – 2015
para desarrollar el Programa de Uso Eficiente y Racional de la Energía y demás
formas de energía No convencionales – PROURE y se definen sus objetivos y
subprogramas. El plan define compromisos muy específicos para los sectores y en
particular para el de servicios públicos en materia de ahorro de energía. La
resolución 18 0540 de 2010 del MME, la cual modifica el Reglamento Técnico de
Iluminación y Alumbrado Público –RETILAP- y se establecen los requisitos de
eficacia mínima y vida útil de las fuentes lumínicas (Ministerio del Medio Ambiente,
2011). Con base en la política ambiental de la norma técnica colombiana-NTC ISO
1400, la cual impulsa la implementación y mejora del sistema de gestión ambiental
de una organización, de tal forma que pueda mantener y potencialmente mejorar
su desempeño ambiental (ICONTEC, 2004).
40
La UDES como institución de educación superior y en el marco de la
responsabilidad social, se compromete con la transformación social por medio de
su sistema de formación, incorporando en los procesos académicos a toda la
comunidad universitaria y a la comunidad de su área de influencia en procura de la
responsabilidad por la conservación y mejoramiento del medio ambiente; es así
como dentro de algunos compromisos esta (Udes Verde 2012):
• Desarrollar proyectos de investigación en innovación, ciencia y tecnología,
orientada al mejoramiento de las condiciones ambientales de las zonas de
influencia directa e indirecta.
• Impartir una formación integral ambiental en todos los programas de educación
superior.
• Suministrar una apropiada formación e información sobre temas ambientales a
todos los miembros de la comunidad universitaria.
• Desarrollar junto con los demás actores sociales, Estado, empresa y sociedad
civil, planes, proyectos y actividades que mejoren sus actuaciones en el contexto
ambiental.
41
CAPÍTULO 4
DESARROLLO METODOLÓGICO
4.1. Estimación de los recursos energéticos de la Universidad de Santander
Consumo y costos de energía eléctrica: en las tabla 4 y 5, se observa el consumo
y los costos de energía tomado del sistema interconectado Nacional en el período
comprendido entre el año 2010 y 2012. El consumo tiene un comportamiento
bimodal a lo largo del año académico, esto ocurre porque el grueso de la energía
proveniente del sistema interconectado es consumida en la el campus
universitario, siendo esta la más grande en área y la más concurrida de las
instalaciones de la UDES en Bucaramanga, pues es ocupada por una población
aproximada de 4800 personas, de la cual el 84% es conformada por los
estudiantes, quienes tienen una asistencia condicionada por los dos semestres
académicos, entre los cuáles hay dos periodos de vacaciones, cuando el consumo
de energía se reduce(Udes Verde 2013).
Tabla 4. Consumo de energía eléctrica de la UDES Bucaramanga entre los años 2010 a 2012 (Vatia).
Energía consumida en KWh
MES/AÑO 2010 2011 2012
ENERO 50,737 58,053 72,453
FEBRERO 89,319 83,932 100,898
MARZO 95,694 98,448 111,935
ABRIL 91726 83,676 93,277
MAYO 88,434 99,224 105,473
JUNIO 71,31 76,712 79,906
JULIO 69,723 75,775 86,677
AGOSTO 89,63 104,89 106,177
SEPTIEMBRE 91,081 106,033 110,433
OCTUBRE 94,156 101,132 101,132
NOVIEMBRE 81,379 94,728 94,728
DICIEMBRE 54,488 49,337 49,337
42
Tabla 5. Costos del consumo de energía eléctrica de la UDES Bucaramanga entre los años 2010 a 2012 (elaboración propia con datos de la empresa prestadora del servicio).
Estimación del consumo de energía eléctrica de sótano del edificio Yariguies
Se determinó la potencia y el número de equipos existentes en esta área que
consumen corriente directa y los que consumen corriente alterna (Tabla 6) y con
estos datos multiplicando por el número de horas de uso se determinó la matriz de
consumo diario (Tabla 7). Acorde al cálculo anterior, el consumo diario de
corriente directa o continua (Lmd DC) es de 4752 Wh, y el consumo diario de
corriente alterna es de 7432 Wh, por lo tanto el sótano del bloque Yariguies
consumiría un total de: 12188 Wh o 12,19 KWh en promedio diariamente. La
medición se realizó para un día de alta actividad académica (martes 20 de agosto
de 2013).
Costos del consumo de Energía eléctrica ($)
MES 2010 2011 2012
ENERO 16.802.630 18.073.297 23.547.198
FEBRERO 29.953.300 26.438.723 30.497.348
MARZO 28.505.665 31.610.135 34.040.801
ABRIL 27.310.449 26.763.752 29.006.209
MAYO 26.704.412 31.898.089 33.021.632
JUNIO 25.545.170 24.599.476 24.725.200
JULIO 23.386.690 23.174.457 27.247.714
AGOSTO 30.437.990 31.827.916 32.158.505
SEPTIEMBRE 31.260.140 32.069.829 32.504.965
OCTUBRE 31.390.218 31.596.648 29.768.107
NOVIEMBRE 26.880.890 29.805.995 27.883.096
DICIEMBRE 45.935.650 15.523.798 15.623.511
43
Tabla 6. Equipos existentes en los laboratorios del bloque Yariguies
Tabla 7. Matriz de consumo de los laboratorios del bloque Yariguíes de la Universidad de Santander.
PDC: Potencia de las cargas en corriente continua
PAC: Potencia de las cargas en corriente alterna
Equipo DC 24v Potencia (Kw) cantidad
Fluorescentes pasillos FP 0,024 5
Fluorescentes oficinas FO 0,024 8
Fluorescentes laboratorios FL 0,024 8
Fluorescentes baños FB 0,024 2
Fluorescentes externos FE 0,024 2
Teléfonos TE 0,02 4
Equipos AC 110v , 60Hz potencia (Kw) cantidad
Ventiladores VE 0,09 2
Computadores PC 0,25 4
Neveras NE 0,074 1
DVD DV 0,02 1
Televisores TE 0,03 2
Audio AU 0,04 2
Congelador CG 0,11 1
Hora FP FO FL FB FE TE VE PC NE DV TE AU CG horas
PDC PAC
0 1 1 1 2
0,048 0,092
1 1 1 1
0 0,092
2 1 1 1
0 0,092
3 1 1 1
0 0,092
4 1 1 1 2
0,048 0,092
5 1 1 1 2
0,048 0,092
6 1 0 1 1 2,2
0,136 0,092
7 1 0 1 1 2,2
0,208 0,092
8 1 1 0 1 1 1 1 5,2
0,328 0,352
9 1 1 1 1 0 1 1 1 6,2
0,568 1,092
10 1 1 1 0 1 1 1 1 1 7,2
0,52 1,192
11 1 0 1 1 1 1 4,2
0,208 0,332
12 1 0 1 1 2,2
0,208 0,092
13 0 1 1 1,2
0,016 0,092
14 0 1 1 1,2
0,016 0,092
15 1 1 1 0 1 1 1 5,2
0,448 0,272
16 1 1 0 1 1 1 4,2
0,4 1,092
17 1 1 1 0 1 1 1 5,2
0,52 1,092
18 1 1 1 0 1 1 1 1 6,2
0,448 0,352
19 1 1 1 0 1 1 4,2
0,376 0,092
20 1 0 1 1 2,2
0,064 0,092
21 1 1 1 2
0,048 0,092
22 1 1 1 3
0,048 0,184
23 1 1 1 3
0,048 0,184
T(h/d) 6 8 9 2 9 3 0 4 4 13 1 1 3 13
44
Consumo de gas domiciliario natural
En las tablas 8 y 9, se observa el consumo y el costo de gas natural domiciliario
en el período comprendido entre el año 2010 y 2012. Este consumo tiene un
comportamiento bimodal a lo largo del año académico, donde el gas es utilizado
principalmente en dos edificios del campus universitario para el desarrollo de
actividades experimentales en los laboratorios. Durante el periodo de vacaciones
(diciembre, enero, junio y julio) disminuye su consumo.
Tabla 8. Consumo de gas domiciliario natural de la UDES Bucaramanga entre los años 2010 a 2012
Tabla 9. Costos del consumo de gas domiciliario natural de la UDES Bucaramanga entre los años 2010 a 2012.
Gas consumido en m3
MES/AÑO 2010 2011 2012
ENERO 34 98 31
FEBRERO 97 87 60
MARZO 98 79 90
ABRIL 86 91 74
MAYO 97 88 63
JUNIO 60 44 36
JULIO 53 44 55
AGOSTO 150 56 60
SEPTIEMBRE 197 71 96
OCTUBRE 167 84 93
NOVIEMBRE 166 79 79
DICIEMBRE 138 42 27
Costos del consumo de gas natural
MES/AÑO 2010 2011 2012
ENERO $ 595.740 $ 554.850 $ 60.160
FEBRERO $ 568.920 $ 554.440 $ 82.770
MARZO $ 674.810 $ 574.560 $ 69.210
ABRIL $ 552.140 $ 564.540 $ 65.130
MAYO $ 560.040 $ 529.950 $ 35.970
JUNIO $ 518.240 $ 1.066.070 $ 35.970
JULIO $ 599.590 $ 580.980 $ 57.540
AGOSTO $ 640.420 $ 562.310 $ 225.130
SEPTIEMBRE $ 620.960 $ 581.220 $ 235.960
OCTUBRE $ 604.020 $ 583.370 $ 229.970
NOVIEMBRE $ 580.580 $ 551.410 $ 198.130
DICIEMBRE $ 593.010 $ 545.150 $ 191.360
45
Estimación del potencial de Biomasa residual vegetal de la Universidad de
Santander
La universidad de Santander se caracteriza por que se encuentra inmersa en un
bosque de 2400 m2, y un entorno hacia el lado nororiental de 18 hectáreas de
bosque natural (figura 14), la planta física está rodeada de grandes árboles y
plantas ornamentales (Figura 15)
Figura 14. Universidad de Santander y su entorno
Figura 15. Planta física de la Universidad de Santander y su entorno (fuente: www.udesverde.com)
El departamento de servicios generales del campus de la Universidad de
Santander realiza las actividades de poda artificial de las áreas verdes cada 3
46
meses o con mayor intensidad si las variaciones climáticas lo determinan, es
decir, en períodos de lluvia se pueden realizar cada dos meses en algunas áreas.
La flora presente se caracteriza por una gran variedad de árboles, arbustos,
herbáceas y plantas ornamentales.
Determinación del inventario cualitativo de flora de la Universidad de Santander
La universidad se dividio en pequeñas parcelas nombradas a corde con la
nomenclatura de la universidad, establecidada desde el Departamento de planta
física, los nombres de las parcelas son las siguientes: Biblioteca, canchas, área
orquidiario, credito y cartera, tanques, bloque motilones, laboratorios de
veterinaria, invernaderos, parqueadero Yariguies, parqueadero chibcha, el polvorín
y plazoleta del libro.
4.1.1.1. Especies arboreas identificadas
La identificación de las especies de arboles del campus de la Universidad de
Santander se hizo con base en el conocimiento del autor y el estudio detallado
de especies arbóreas de la UDES publicado en la pagina web de Udes verde. Las
especies identificadas son:
Mangifera indica Familia: Anacardiaceae “Mango”
Quararibea cordata Familia: Bombacaceae “Zapote”
Anacardium excelsum Familia: : Anacardiaceae “Caracoli”
Terminalia catappa Familia: : Rosaceae “Almendro”
Inga edulis Familia: : Fabaceae “Guamo”
Psidium guajaba Familia: : Myrtaceae “Guayabo”
Bauhinia purpurea Familia: : Caesalpiniaceae “Pata de vaca”
Musa paradisiaca Familia: Musaceae. “Platano ”
Theobroma Cacao L. Familia: : Malvaceae “Cacao ”
Jacaranda caucana Familia: Bignoniaceae “Gualanday”
Persea americana Familia: Lauráceas “Aguacate”
Citrus Limón Familia: Rutáceas “Limón”
Cassia siamea Familia: Mimosaceae “Acacia amarilla”
Tabebuia rosea Familia: Bignoniaceae “Guayacan Rosado
47
Araucaria sp Familia: Araucariaceae “Araucaria”
Artocarpus altilis Familia: Moraceae “Árbol del pan”
Calliandria pittieri Familia: Mimosaceae “Carbonero Blanco”
Chrysalidocarpus lutescens Familia:Arecaceae “Palma areca ”
Ficus benjamina Familia: Moraceae “Caucho Benjamin”
Licania tomentosa Familia: Chrisobalanaceae. “Oiti”
Yucca gloriosa Familia: Liliaceae “Daga española”
Syzygium malaccense Familia: Myrtaceae “Pomarroso”
Cecropia sp Familia: Cecopiaceae “Yarumo”
Roystonea regia Familia: Arecaceae (antes Palmaceae). “Palma real”
4.1.1.2. Especies herbaceas y ornamentales identificadas
Arachis pintoi Familia fabaceae “Mani forragero”
Hibiscus rosa sinensis Familia malvaceae “cayeno”
Duranta Familia verbenaceae
Anthurium andraenum Familia araceae “Anturio o Lirio flamingo”
Heliconia wagneriana Familia heliconiaceae
Bromelia binotii Familia bromeliaceae “bromelia”
Cesped silvestre Familia poaceae
Solenostemon sp Familia lamiaceae “coleos”
Determinación de los residuos de poda identificados
En el anexo K, se observa la cuantificación de los residuos de poda, esta
cuantificación se hizo en dos procesos de poda de los cuatro realizados durante el
año 2013. La primer cuantificación se realizó en el periodo comprendido entre el
28 de febrero hasta el 19 de abril, y la segunda se realizó en el período
comprendido entre el 14 de agosto hasta el 8 de septiembre. Teniendo en cuenta
que los dos procesos de poda fueron en períodos de tiempo similares en cuanto a
condiciones climáticos, y que la cantidades de residuos de cada área también fue
muy parecida, se promedió este valor y se multiplico por cuatro (4) que es el
número de veces por año en que se realiza el proceso de poda.
48
4.2. Estimación del potencial energético de la Biomasa residual vegetal de la Universidad de Santander
Caracterización fisicoquímica: se realiza mediante la determinación de la humedad
relativa, composición elemental, cenizas, valor calorífico superior y densidad.
• Humedad relativa:
Antes de realizar el análisis elemental de una muestra vegetal, es necesario
determinar la cantidad de agua que posee el material, es decir se hace la hace la
determinación de la humedad relativa. Para la determinación de este parámetro
solo es necesario tener una estufa, una balanza analítica, un desecador y un
crisol. El procedimiento consiste en pesar una determinada cantidad de muestra
dentro de un crisol (Muestra 1: M1), luego llevarlo a una estufa que este a una
temperatura de 105oC durante 4 horas, luego de este tiempo se traslada a un
desecador, allí se deja hasta que la muestra este a temperatura ambiente,
aproximadamente 15 minutos, luego se procede a pesar nuevamente el crisol con
la muestra (Muestra 2: M2). El cálculo de la humedad se realiza utilizando la
siguiente formula: % Humedad = M1 – M2 X 100
M1 Según la base de datos PHYLLIS, Data base for biomass and waste, siguiendo la
clasificación ECN Phyllis, en la tabla 10 se observa la humedad para los residuos
vegetales más comunes en la Universidad de Santander.
Tabla 10. Humedad de los residuos vegetales de la Universidad de Santander
(fuente: PHYLLIS, Data base for biomass and waste)
*La humedad de los restos de jardín también han sido reportados por Francisco y
Rodríguez (2011)
Tipo de residuo Humedad (%)
Pastos y Gramíneas 71
Residuos de Madera 48.9
Ramas 39.8
Hierbas 85
Restos de Jardín* 67
49
• Composición elemental
El análisis elemental incluye cuantificar en la muestra el porcentaje en peso de
carbono (C), hidrógeno (H), azufre (S) y nitrógeno (N) (Castells y cols, 2005).
También es necesario realizar análisis de cenizas, proteínas y un análisis de
componentes estructurales: celulosa, hemicelulosa y lignina. En la tabla 11 se
observa la composición elemental de los residuos vegetales más comunes en la
Universidad de Santander (PHYLLIS, Data base for biomass and waste).
Tabla 11. Composición elemental de los residuos vegetales de la Universidad de Santander (fuente: PHYLLIS, Data base for biomass and waste)
• Cenizas y valor calorífico superior
Las cenizas es la cantidad de sólidos no combustibles presentes en la materia, el
poder calórico de un residuo se reduce de acuerdo al contenido de cenizas, ello
disminuye la actividad del proceso y por ende la generación energética (AGÜERO
2004).
El Poder Calorífico Superior es la cantidad de energía liberada cuando una masa
unitaria de biocombustible se quema con oxígeno en una bomba calorimétrica en
condiciones normalizadas (Sánchez 2012). En la tabla 12 se observa el Poder
Calorífico Superior y porcentaje de cenizas de los residuos vegetales más
comunes en la Universidad de Santander (PHYLLIS, Data base for biomass and
waste).
Tipo de residuo Composición Elemental C-H-N-S-O
Pastos y Gramíneas
Residuos de Madera 49,5 – 6 – 0,2 – 0,1 -42,7
Ramas 49 – 6 – 0,3 – 0,1 – 42
Hierbas 45,14 – 5,55 – 1,43 – 0,17- 40,52
Restos de Jardín 47,8 – 6 – 3,4 – 0,3 - 38
50
Tabla 12. Poder Calorífico Superior y porcentaje de cenizas de los residuos vegetales de la Universidad de Santander (fuente: PHYLLIS, Data base for biomass and waste)
• Densidad y peso específico
Estas características son importantes para el transporte y almacenamiento de
residuos, ya que ellas me permiten determinar el volumen del área o los
contenedores de almacenamiento. La Facultad de Ingenierías de la Universidad
Nacional del centro de la provincia de Buenos Aires (UNICEN 2011), reporta el
peso específico de los residuos de Madera y residuos de jardinería así
respectivamente: 237 Kg/m3 y 101 Kg/m3.
Tipo de residuo PCS (MJ/Kg) Cenizas (%)
Pastos y Gramíneas 18.78 3.25
Residuos de Madera 18,51 3,06
Ramas 12,10 1,02
Hierbas 16,62 18,4
51
CAPÍTULO 5
5. Selección y Dimensionado de la Tecnología de Transformación
5.1. Selección de la Tecnología de transformación
Para seleccionar de la tecnología para la transformación de residuos biomásicos
provenientes de las actividades de poda natural y artificial, se tiene en cuenta los
siguientes criterios: Ambiental, Económico, Energético y social. Para dicha
selección se analizaron seis (6) tipos de tecnologías y se determina la más
viable para ser implementada en el menor tiempo posible en el campus
universitario
5.2. Procesos Termoquímicos
Los procesos de conversión termoquímicos utilizan calor como fuente de energía
para transformar la biomasa y obtener productos con alto valor energético (vapor y
gas combustible). Estos productos pueden usarse para generar calor y energía
eléctrica. En el anexo L, se observan los tres procesos termoquímicos más
utilizados en el mundo y que a su vez han sido desarrollados en diversos países
del mundo.
Análisis comparativo de los procesos termoquímicos
Para la gasificación es necesario acondicionar y tratar a la biomasa previamente
para que tenga el tamaño y la forma adecuada, también hay que tener en cuenta
otras características como:
a) Que la humedad relativa sea entre 0-20%
b) La granulometría: 2-15 mm
c) La densidad mínima debe ser de 200-250 kg/m3
d) El contenido en cenizas: < 10%
e) Los reactores de los gasificadores deben tener una temperatura entre 700 °C y
1,500 °C, y la presión puede oscilar entre 1 y 30 atmósferas (SENER 210).
52
Otro aspecto determinante es que la presencia alta de impurezas y subproductos
en la corriente de salida, así como la relación CO/H2 insuficiente obliga a realizar
tratamientos adicionales para acondicionar los gases (DUFOUR 2011).
La pirólisis es un proceso que permite el desarrollo de unidades de producción a
pequeña escala. Para Dufour (2011) existe un creciente interés en los últimos 20
años (1991 a 2010) por esta tecnología, lo cual se evidencia en un aumento de la
publicación de artículos sobre este tema, de menos de 50 artículos en el año
1991 a más de 600 artículos en el 2010 (Anexo L). Otro aspecto importante de
esta tecnología es que cualquier tipo de biomasa puede ser utilizado, sin embargo
esta fuente debe tener una humedad menor al 10% y, se necesita moler
adecuadamente el material para producir partículas lo suficientemente pequeñas
para asegurar una reacción rápida (IEA, 2012).
Bioenergy (2013) reporta que la combustión ha tenido buen despliegue, ya que
el mercado de estufas de pellets continúa en pleno auge en países como Italia,
Francia o España; en Suecia no termina de arrancar. En Austria y Alemania se
observa un mercado de calderas en crecimiento, en contraste con el lento avance
en los países vecinos del este (Anexo L). En Irlanda el mercado de estufas y
calderas de pellets ha ralentizado su crecimiento, y en Reino Unido permanecen a
la espera de la aprobación de la nueva ley de incentivos para la instalación de
estufas y calderas (RHI,Renewable Heating Incentive). Lo anterior permite
observar que la combustión a pequeña escala es posible en países donde la
producción de calor es necesaria, este no es el caso de Colombia, donde el
mercado de la energía está orientado hacia la electricidad y el gas a nivel
doméstico, industrial y comercial.
5.3. Procesos Biológicos o Bioquímicos
Estos procesos se caracterizan porque la conversión de la biomasa ocurre
mediante reacciones químicas y biológicas asociadas a los procesos metabólicos
53
de una gran variedad de micro-organismos (Rodríguez, 2010). Para estos
procesos es necesario que el sustrato tenga alto contenido de agua (Humedad
mayor al 50%), como resultado de estos procesos se obtienen productos de alto
poder energético (Anexo M).
Análisis comparativo de los procesos Bioquímicos
La Fermentación alcohólica se realiza a partir de jugos azucarados de
productos agrícolas ricos en ellos: tallo de la caña de azúcar o del sorgo
azucarado, raíz de remolacha o melazas de azucarería, o a partir de productos
que contienen almidón o insulina: granos de cereales, tubérculos de patatas. Una
tercera posibilidad es usar biomasa lignocelulósica de la que, por hidrólisis de la
celulosa, se puede obtener glucosa fermentable. Los dos primeros casos son la
fuente mayoritaria de bioetanol en la actualidad. El tercer caso es el más atrayente
por la abundancia y bajo precio de la biomasa lignocelulósica, pero tiene por
delante todavía una etapa de I+D (Fernández., Ballesteros 2012). De las
anteriores fuentes, solo la biomasa lignocelulósica hace parte de los residuos de
poda del campus universitario de la Universidad de Santander.
La digestión anaerobia puede aplicarse a todo tipo de residuos por separado o
mediante co-generación y es un proceso muy recomendado, según IDEA (2007)
“El proceso controlado de digestión anaerobia es idóneo para la reducción de
emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos
orgánicos y el mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los productos
tratados”. Otro aspecto importante es que el producto energético de esta
tecnología “ biogás” contiene entre 50 – 70% de metano, CH4 (entre 50-70%).
este gas es un combustible energético importante mediante su combustión en
motores, en turbinas o en calderas, solo o combinado.
El proceso de Transesterificación es utilizado especialmente para la conversión
de grasa animal en biodiesel o se utilizan semillas oleaginosas como girasol,
54
canola, soya, e higuerilla. Estas últimas son por lo general el producto de los
cultivos energéticos.
El producto de la transesterificación es muy parecido al gasóleo obtenido del
petróleo, es útil en motores de ciclo diésel. En Noruega y Escocia se ha utilizado
desde hace dos décadas y en los últimos años se ha expandido por Europa,
especialmente Alemania, Italia e Inglaterra. Este combustible presenta las
siguientes ventajas:
Es un combustible producido mediante una tecnología amigable con el
medio ambiente.
Puede autoabastecer de combustible a los países agrícolas en todo el
mundo.
Su rendimiento en motores diesel es alto.
No es necesario hacer cambios en los motores comunes.
Para la selección de la tecnología se tienen en cuenta los criterios ambiental,
costos de implementación y mantenimiento, características del residuo, y
pertinencia social
a. Ambiental: todas las tecnologías (termoquímicas como biológicas) tienen
bajos niveles de generación de gases de efecto invernadero, lo anterior
debido a que se están utilizando residuos con bajo contenido de Azufre (S)
y de Nitrógeno (N) lo que genera cantidades muy bajas de Óxidos de
Nitrógeno (NOx) y Óxidos de Azufre (SOx) que son los causantes del daño
a la capa de ozono. Sin embargo durante el montaje del proceso de
conversión todas las tecnologías pueden afectar el recurso suelo, aire y los
niveles freáticos si no hay un control ambiental de los residuos de
construcción.
b. Costos de implementación y mantenimiento: la implementación de los
procesos termoquímicos requiere de plantas con tecnología avanzada para
que el proceso sea eficiente, es decir, se requieren equipos con
mecanismos de control para entrada de sustrato (residuo), salida de
55
productos, temperatura, presión, etc (Moratorio, 2012); y materiales de alta
resistencia térmica. En tanto que los procesos bioquímicos tienen menos
robustez tecnológica, los controles de mantenimiento son más simples y no
requieren de un equipamiento especial, allí solo se necesita una sonda
multiparamétrica para control de pH, temperatura, y presión de oxigeno
(pO2), entre otros.
El diseño, construcción y mantenimiento de las plantas para los procesos
termoquímicos requiere de personal calificado en diferentes áreas del
conocimiento, mientras que para los procesos bioquímicos el montaje es
sencillo porque en el caso de la fermentación y la esterificación se utiliza
equipamiento de fácil consecución, y para la digestión anaerobia se utilizan
materiales muy comerciales y de bajo costo.
c. Características del residuo: una de las principales características que
determinan el tipo de tecnología a utilizar es la humedad, ya que los
procesos termoquímicos requieren de un porcentaje de humedad relativa
menor que 50(<50), esto en razón a que los procesos pierden eficiencia
gastando calor en el proceso de evaporación del agua cuando la humedad
es muy alta. Los procesos biológicos si pueden utilizar biomasa con
humedad mayor a 50 (>50) porque el agua es necesaria como medio para
la acción de los microorganismos o las enzimas que realizan la degradación
de la biomasa. Otro aspecto importante es la composición química de la
biomasa, la cantidad de celulosa y sus derivados asegura una buena
generación de combustibles (sólidos, líquidos y gaseosos), por lo tanto los
procesos termoquímicos, la fermentación y la digestión anaerobia deben
utilizar combustibles con altas concentraciones de este tipo de moléculas
químicas, la transesterificación utiliza es la grasa neutra presente en la
biomasa animal y vegetal. Los residuos de poda vegetal de la Universidad
de Santander son en su mayoría ricos en material lignocelulósico.
d. Pertinencia social: es un parámetro muy importante dentro de la decisión
que se tome para implementar un sistema de transformación de biomasa,
ya que este depende de la oportunidad y la necesidad de implementación.
56
La Universidad de Santander realiza un inadecuado manejo de los residuos
de poda, por tanto es necesario que muy oportunamente se implemente un
proceso de transformación para disminuir los índices de contaminación, y a
su vez debe ser un proceso de bajo costo económico ya que los residuos
vegetales que se generan no son los suficientes para implementar un
sistema Industrial a gran escala.
Acorde a los cuatro (4) criterios anteriores, la tecnología más viable para la
conversión de los residuos vegetales generados durante poda natural y artificial en
la Universidad de Santander es la Digestión anaerobia, ya que es dichos residuos
presenta una humedad promedio de 62,5%(tabla 10), la implementación y el
mantenimiento tiene un bajo costo en relación con los demás procesos de
transformación (tabla 13), el tiempo de implementación puede ser menor a tres (3)
meses. En del anexo O se observa la tabla comparativa de tres sistemas de
biodigestor, entre estos el que cumple con los parámetros necesarios para
realizar un buen proceso de transformación de residuos, es el de tipo cúpula fija o
chino, este sistema se puede construir con materiales de fácil consecución,
requiere un área pequeña para su establecimiento, tiene una vida útil de
aproximadamente 20 años y puede procesar cualquier tipo de residuo.
Rendimiento energético de la biomasa residual vegetal de la Universidad de
Santander
Energéticamente la Universidad produce 25 toneladas (25.000 Kg) de residuos de
biomasa vegetal por año (2,033 por mes), luego mediante procesos de
transformación bioquímica por digestión anaerobia generaría 301 m3 de Biogás al
mes, y posteriormente utilizando un motor de combustión interna de una eficiencia
aproximada de 33% (Viquez, 2011) genera aproximadamente 503 KWh/mes
(Tabla 13)
Acorde al estudio de cargas realizado a los laboratorios del edificio Yariguíes de
la Universidad de Santander (tabla 7), el consumo mensual de estos laboratorios
es de aproximadamente 380 KWh/mes, lo que significa que los 503 KWh de
57
energía generada a partir de los residuos de poda puede cubrir la demanda
energética del bloque.
Tabla 13. Rendimiento energético de la biomasa residual de la Universidad de Santander
Tipo de residuo Kg/año masa
húmedad
% del total de
residuos
Promedio Kg/mes
masa seca *
Biogás m3/mes **
Electricidad (KWh)/mes
***
Pastos y gramíneas 7.500,0 30,0 181,3 64,2 126,8
Residuos de Madera "troncos"
3.000,0 12,0 127,8 45,2 89,4
Ramas de árboles 5.000,0 20,0 250,8 88,8 175,5
Hierbas "Maní forrajero"
8.000,0 32,0 250,0 88,5 174,9
Restos de jardín "ornamentales"
1.500,0 6,0 41,3 14,6 28,9
Total 25.000 100 851 301 595
* La masa seca se obtiene del cociente la masa húmeda menos el porcentaje (%) de humedad
expresado en la tabla 10
** Los metros cúbicos (m3) de biogás se obtienen de multiplicar los kg de masa seca por 0.354m
3
reportado Bolaños -Unal (2013)Palmira mediante la metodología PBM (Potencial Bioquímico del
Metano).
*** Los KWh se calculan multiplicando los Kilogramos (Kg) de masa seca por 2,12 kWh
reportados por Bolaños -Unal (2013 Palmira
5.4. Dimensionado global de los componentes de la tecnología de conversión
5.5. Parámetros Ambientales
En el dimensionado de un biodigestor hay que tener en cuenta los siguientes
parámetros, necesarios para controlar y mantener el proceso funcionando en
forma óptima (IDEA 2007):
• pH, que debe mantenerse cercano a la neutralidad.
• Alcalinidad, para asegurar la capacidad tampón y evitar la acidificación. Es
recomendable una alcalinidad superior a 1,5 g/l CaCO3.
• Potencial redox, con valores recomendables inferiores a -350 mV.
58
• Nutrientes, con valores que aseguren el crecimiento de los micro-
organismos.
• Tóxicos e inhibidores, cuya concentración ha de ser la mínima posible.
5.6. Parámetros Operacionales
Hacen referencia a las condiciones de trabajo de los reactores (IDEA, 2007.,
Avendaño, 2010):
Temperatura: podrá operarse en los rangos psicrofílico (temperatura
ambiente), mesofílico (temperaturas en torno a los 35 oC) o termofílico
(temperaturas en torno a los 55 oC). Las tasas de crecimiento y reacción
aumentan conforme lo hace el rango de temperatura, pero también la
sensibilidad a algunos inhibidores, como el amoníaco. En el rango termofílico
se aseguran tasas superiores de destrucción de patógenos. Por debajo de los
15ºC el proceso fermentativo se ralentiza, por lo que la producción de biogás
resulta extremadamente lenta. En caso de trabajar a temperaturas inferiores se
requeriría un tamaño del digestor mayor, lo que implica un mayor coste. A
temperaturas menores a 5ºC la digestión se detiene casi completamente.
Agitación: en función de la tipología de reactor debe transferirse al sistema el
nivel de energía necesario para favorecer la transferencia de substrato a cada
población o agregados de bacterias, así como homogeneizar para mantener
concentraciones medias bajas de inhibidores.
Tiempo de retención: este parámetro marca la duración del proceso de
digestión anaerobia. La fracción de materia orgánica que se degrada aumenta
conforme lo hace el tiempo que permanece esta en el interior del digestor,
donde a mayor temperatura menor será este tiempo, y viceversa (Avendaño
2010). El tiempo de retención también es definido como el cociente entre el
volumen y el caudal de tratamiento, es decir, el tiempo medio de permanencia
del influente en el reactor, sometido a la acción de los microrganismos (IDEA
2007). En la Figura 5 se indica la tendencia general de los índices de
eliminación de materia orgánica (expresada en forma de sólidos volátiles, SV) y
59
de producción específica de gas, por unidad de volumen de reactor, en función
del tiempo de retención. Notar que existe un tiempo mínimo por debajo del cual
el reactor no presenta actividad, que la eliminación de materia orgánica sigue
una tendencia asintótica, con una eliminación completa a tiempo infinito, y una
producción de gas por unidad de volumen de reactor con un máximo para un
tiempo de retención correspondiente a una eliminación de substrato entre el 40
y el 60%.
Velocidad de carga orgánica (OLR en inglés): Es la cantidad de materia
orgánica introducida por unidad de volumen y tiempo. Valores bajos implican
baja concentración en el influente y/o elevado tiempo de retención. El
incremento en la OLR implica una reducción en la producción de gas por
unidad de materia orgánica introducida, debiendo encontrar un valor optimo
técnico/ecónomico para cada instalación y residuo a tratar
5.7. Parámetros básicos del digestor anaerobio.
Un biodigestor está formado por un tanque hermético donde ocurre la
fermentación y un depósito que sirve para el almacenaje de gas. Las dos partes
pueden estar juntas o separadas y el tanque de gas puede ser de campana fija o
flotante. En el caso del biodigestor de polietileno, el tanque de digestión y de
recolección de gas, conforman uno sólo. El proceso de digestión ocurre en la
parte inferior del recipiente, y en la parte superior se colecta el gas (Mozambique
2011). La figura 16 muestra el esquema básico de un biodigestor.
Figura 16. Esquema básico de un biodigestor (CEDECAP 2007)
A: Tubería de entrada del biodigestor.
60
B: Tubería de salida del biodigestor
C: Tanque donde se va a digerir la mezcla de biomasa
D: Cámara de colección de gas.
E: Tubería de salida del gas.
F: Recipiente de recolección de Biol.
G: Recipiente de entrada para la carga
El biodigestor, posee una tubería de entrada a través del cual se suministra la
materia, y una tubería de salida por la cual el material ya digerido por la acción
bacteriana sale del biodigestor. Los materiales que ingresan y abandonan el
biodigestor se denominan afluente y efluente respectivamente.
El proceso de digestión anaerobia que ocurre en el interior del biodigestor libera la
energía química contenida en la materia orgánica, la cual se convierte en biogás.
La duración de la reducción del material biológico depende de los micro-
organismos encargados de las distintas fases y de sus temperaturas óptimas de
crecimiento.
Características del digestor
Para una buena operación, es necesario que el digestor reúna las siguientes
características (Cedecap, 2007):
- Hermético, para evitar fugas del biogás o entradas de aire.
- Térmicamente aislado, para evitar cambios bruscos de temperatura.
- El contenedor primario de gas deberá contar con una válvula de seguridad.
- Deberán tener acceso para mantenimiento.
- Deberá contar con un medio para romper las natas que se forman.
Tipos de digestores
Los digestores o biodigestores conocidos también como plantas (productoras o de
producción) de biogás, son recintos o tanques cerrados donde la materia orgánica
y el agua residual permanecen un período de tiempo para lograr su
descomposición produciendo biogás y bioabono (Arboleda – González 2009).
61
Los tipos de digestores más utilizados de tecnología simple son los siguientes:
Reactor de mezcla completa sin recirculación: Consiste en un reactor en el que
se mantiene una distribución uniforme de concentraciones, tanto de substrato
como de microorganismos (Figura 17.a). Esto se consigue mediante un sistema de
agitación. Ésta puede ser mecánica (agitador de hélice o palas, de eje vertical u
horizontal) o neumática (recirculación de biogás a presión), y nunca violenta. Esta
tipología de reactor no ofrece problemas de diseño y es el más utilizado para
residuos. Comparativamente a otros reactores, el tiempo de retención necesario
es alto, debido a que la concentración de cualquier especie, que se mantiene en el
reactor en régimen estacionario, es la misma que la que se pretende en el
efluente. Si la velocidad de reacción depende de la concentración, como es el
caso de los procesos biológicos, la velocidad será baja, y la forma de compensarla
es aumentando el tiempo de reacción (IDAE 2007)
Reactor de mezcla completa con recirculación: Este sistema tiene el nombre
de reactor anaerobio de contacto y sería equivalente al sistema de fangos activos
aerobios para el tratamiento de aguas residuales (ver Figura 17.b).
Se comprueba que regulando la recirculación es posible conseguir tiempos de
retención hidráulica más bajos que en un reactor simple de mezcla completa. Esto
es a costa de aumentar el tiempo de retención de los microorganismos, gracias a
su confinamiento en el sistema mediante la separación en el decantador y re-
circulación. Debido a la necesaria separación de microorganismos en el
decantador, este sistema sólo es aplicable a aguas residuales de alta carga
orgánica (aguas residuales de azucareras, cerveceras, etc.), para las que sea
posible una separación de fases líquido-sólido, con la fracción sólida consistente
básicamente en flóculos biológicos. Antes del decantador se debe disponer de un
sistema de desgasificación, sin el cual la decantación se puede ver impedida.
62
Reactor con retención de biomasa, sin recirculación: Si se consigue retener
bacterias en el interior del reactor, evitando la configuración de reactor de mezcla
completa, es posible reducir el tiempo de retención por debajo del reactor RMC
tomado como referencia. Los métodos de retención de biomasa son básicamente
dos:
a) Inmovilización sobre un soporte (filtros anaerobios y lechos fluidizados);
b) Agregación o floculación de biomasa y su retención por gravedad (reactores
de lecho de lodos).
Estos sistemas se esquematizan en la Figura 18 y se comentan a continuación.
Aunque los reactores de flujo pistón (Figura 17.c) no estarían encuadrados en este
apartado, el hecho de que la tasa de crecimiento de micro-organismos sea más
elevada a la entrada del reactor, donde la concentración de sustrato también es
más elevada, hace que la concentración media en el reactor sea superior a la
correspondiente a mezcla completa, o en todo caso superior a la de salida, con lo
cual el tiempo de retención será inferior. Este tipo de reactor ha sido aplicado a
diferentes tipos de residuos orgánicos, como fracción orgánica de residuos
municipales (configuración vertical y flujo ascendente), residuos de porcino y
bovino, y una de las dificultades es la debida a la falta de homogenización en la
sección transversal a la dirección del flujo, en las configuraciones horizontales, lo
cual se puede evitar mediante un sistema de agitación transversal (reintroducción
de biogás a presión en la base del digestor si el reactor es horizontal, por
ejemplo).
63
Figura 17. Reactores sin retención interior de biomasa (IDEA 2007)
Figura 8. Reactores con retención interior de biomasa (IDAE 2007)
64
5.7.1. Sistemas discontinuos
En un sistema discontinuo, la curva de evolución temporal de la producción de
biogás sigue la misma tendencia que la curva típica del crecimiento de micro-
organismos (latencia, crecimiento exponencial, estacionalidad y decrecimiento).
Aquí el concepto de tiempo de retención no tiene sentido y se hablaría de tiempo
de digestión.
Para conseguir una producción de biogás cercana a la continuidad deben
combinarse varios reactores discontinuos con puestas en marcha intercaladas en
el tiempo. Estos reactores han sido aplicados a residuos con una alta
concentración de sólidos que dificultan la adopción de sistemas de bombeo, tales
como residuos de ganado vacuno con lecho de paja (IDEA, 2007). Acorde a
PREMACA (2012) los digestores de flujo continuo, flujo discontinuo y sistema de
dos etapas no son muy utilizados a pequeña y mediana escala, y son tecnologías
que están orientadas específicamente al tratamiento de aguas residuales. Es
probable que no se implementen en una ecoempresa pequeña o mediana. Por
esta razón Premaca propone “implementar modelos de biodigestores que son más
conocidos por la población general, que históricamente han sido aplicados a
pequeña y mediana escala y que, en la actualidad, su aplicación es factible para
las ecoempresas, estos sistemas son: Biodigestor tubular o salchicha, cúpula fija,
campana flotante o tipo hindú. En el anexo O, se observa algunas diferencias y
similitudes de los tres tipos de biodigestores.
Componentes del biodigestor de cúpula fija
En la figura 8, se observa el diseño y los componentes de un biodigestor de
cúpula fija (Mozambique 2011). El tanque de mezcla permite homogenizar el
sustrato fresco, el tanque de compensación es para evitar el sobrellenado de la
planta, cuando se genera gas, este desplaza la mezcla hacia el tanque de
compensación, y cuando el gas es consumido la mezcla vuelve al interior del
65
digestor. Es una parte importante para acumular el gas cuando hay picos de
producción y éste no puede ser consumido. La presión del gas aumenta con el
volumen de gas producido, es decir, con la diferencia de niveles en los dos
tanques.
Figura 8. Componentes y diseño del digestor de Cúpula Fija (Mozambique 2011)
El digestor se construye con una estructura rígida a base de ladrillos, piedra y
hormigón; el interior es cubierto por una capa delgada de mortero o cemento para
hacerlo firme
Materiales y costos para la construcción del Digestor de cúpula fija.
En la tabla 13, se observan los materiales necesarios para la construcción del
biodigestor de cúpula fija. en esta tabla no se incluye los valores de
mantenimiento, ya que estos pueden ser asumidos directamente por el
Departamento de Planta Física de la Universidad de Santander. Los costos
expresados en dicha tabla corresponden a los cotizados por proveedores de
66
materiales de construcción de la ciudad de Bucaramanga, el 15 de Enero del
2014.
Tabla 14. Materiales y costo para la construcción del digestor de cúpula fija (Elaboración propia)
Elemento Cantidad Valor Unitario
($)
Valor total
($)
Proveedor
Ladrillo H10 600 720 432.000 Ladrillos y Tubos
Cemento
CEMEX
20 25.000 500.000 Distribuciones
Colombia
Arena 4 m3 60.000 240.00 Distribuciones
Colombia
Piedra 3 m3 50.000 150.000 Particular
Tubos y
accesorios de
PVC
10 30.000 300.000 Distribuciones
Colombia
Mano de obra
para
adecuación del
área
6 30.000 180.000 Personal de
Mantenimiento
UDES
Construcción
del Digestor
1 1.200.000 1.200.000 Contratista
particular
Diseño y
Gestión
1 500.000 500.000 Personal
Ingenierías UDES
Total 3.502.000
67
6. CONCLUSIONES
La Universidad de Santander (UDES) tiene un alto consumo en recursos
energéticos representados: a) Energía eléctrica con un promedio mensual de
86.446 KWh y un costo promedio mensual de $27.986.656, y b) Gas domiciliario
natural con un promedio mensual de 82,5 m3 y un costo promedio mensual de
$440.128, lo anterior con base en los datos promedio correspondientes al periodo
enero de 2010 a diciembre 2012.
La Universidad genera veinte y cinco mil (25.000) Kg de residuos de biomasa,
estos residuos energéticamente se estima que generan 301 m3/mes que
transformados a energía eléctrica corresponden a 595 KWh, con lo que se puede
cubrir respectivamente la demanda 100% de gas que para el año 2012 el pico
más alto de consumo estuvo en 96 m3 durante el mes de septiembre (tabla 8), o
cubrir la demanda de electricidad de los laboratorios del sótano del Edificio
Yariguíes, que según datos reportados en el estudio de cargas(tabla 7)
corresponde a 365,7 KWh al mes
La tecnología más factible para la Universidad de Santander es la digestión
anaerobia, porque es ambientalmente equilibrada, es decir no genera gases de
efecto invernadero y durante la construcción del sistema no genera mayor impacto
al suelo y al aire. Así mismo esta tecnología de conversión en relación con los
demás procesos bioquímicos y con los procesos termoquímicos tiene un costo de
implementación y mantenimiento más bajo.
El recurso biomásico vegetal para la generación de energía está asegurado, ya
que la Universidad tiene una amplia biodiversidad de especies arbóreas,
arbustivas y herbáceas de constante proliferación, toda esta variedad de plantas
genera continuamente residuos de poda natural y requiere periódicamente el
mantenimiento mediante mecanismos de poda artificial.
68
El manejo adecuado de los residuos de poda en la Universidad de Santander
disminuiría los índices de contaminación y evita la proliferación de vectores
porque los residuos vegetales no se estarían almacenando indiscriminadamente
en cualquier sitio.
La Universidad estaría aprovechando unos recursos renovables para disminuir los
costos en consumo energético, y además la conversión permite obtener residuos
sólidos que pueden ser utilizados para la fertilización de las plantas ornamentales
que rodean toda la planta física de la universidad.
Con este tipo de proyectos la Universidad de Santander será un referente del
manejo ambiental de recursos y en la implementación de estrategias que
permitan disminuir la huella de carbono.
69
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78
8. ANEXOS
Anexo A. Mapa del potencial energético de Biomasa residual de café en Colombia (ABRC)
79
80
Anexo B. Potencial energético de Biomasa residual de café en Colombia (ABRC)
81
Anexo C. Mapa del potencial energético de Biomasa residual de caña de azúcar en Colombia (ABRC)
Anexo D. Potencial energético de Biomasa residual de caña de azúcar en Colombia (ABRC)
82
Anexo E. Mapa del potencial energético de Biomasa residual de banano en Colombia (ABRC).
Anexo F. Potencial energético de Biomasa residual de banano en Colombia (ABRC).
83
Anexo G. Mapa del potencial energético de Biomasa residual de palma de aceite en Colombia (ABRC)
Anexo H. Potencial energético de Biomasa residual de banano en Colombia (ABRC)
84
Anexo I. Total del potencial energético de Biomasa residual de Colombia (ABRC)
85
Anexo J. Potencial energético municipal de la biomasa residual del sector de los residuos sólidos orgánicos urbanos de poda (Elaboración propia a partir de ABRC)
Ciudad Cantidad Anual de residuo
(t/año)
Potencial Energético
(TJ/año)
Bogotá 7892 53,95
Medellín 7156 25,89
Cali 2232 14,76
Barranquilla 1988 26,10
Bucaramanga 5037 23,52
Cartagena 7922 103,97
Cúcuta 4212 19,66
Ibagué 3685 25,19
Manizales 3832 13,86
Montería 855 11,23
Total 44811 318,13
86
Anexo K. Residuos de poda natural y artificial del campus de la Universidad de Santander sede Bucaramanga.
Área
Cantidad en
Kg/poda
Cantidad en
Ton/año Características del residuo
Biblioteca 108 0,432 Herbáceas tipo maní forrajero y duranta
Canchas 290 1,160 Gramíneas y hojarasca de diversos árboles
Orquidiario
Inferior 510 2,040
Gramíneas, hojarasca y tallos diversos
árboles
Crédito y
cartera 850 3,400 Hojarasca, tallos y ramas diversos árboles
Orquidiario
superior 455 1,820 Hojarasca diversos árboles y gramíneas
Tanques 412 1,648 Hojarasca diversos árboles y gramíneas
Bloque 2
(Motilones) 560 2,240
Maní forrajero, Hojarasca y ramas diversos
árboles
b. de
veterinaria 358 1,432
Maní forrajero, Hojarasca y ramas diversos
árboles
Invernaderos 224 0,896
Hojarasca y ramas diversos árboles,
gramíneas
Parqueaderos
Yariguies 315 1,260
Gramíneas, Hojarasca, ramas diversos
árboles
Parqueaderos
Bloque 4 412 1,648
Maní forrajero, Hojarasca y ramas diversos
árboles
El polvorín 1510 6,040 Gramíneas y ramas de diversos árboles
Cafetería
Plazoleta del
libro 260 1,040
Maní forrajero, Hojarasca y ramas diversos
árboles
Total 6264
25,026
87
Anexo L. Comparación entre tres procesos termoquímicos: Pirolisis, Gasificación y combustión (Elaboración propia con base en la información de CER de Chile y otras fuentes enunciadas en el texto de la tabla)
Factor PIROLISIS (sin O2)
COMBUSTIÓN (con O2)
GASIFICACIÓN (poco O2)
Producto
Gas combustible compuesto por monóxido de carbono (CO) e hidrogeno (H2), para la obtención de calor o electricidad
Energía térmica o eléctri ca
Syngas: CO e H2 Energía térmica o eléctrica
Ambiental ( GEI) Baja Baja
Baja
Eficiencia
60-75% (Castillo 2009)
15 a 38% electricidad (EPA 2008) y 70% energía térmica (ETSAP/IEA, 2010)
35% y 40% (NREL, 2010)
Costos
1.200 y 3.700 USD/kW [IEA, 2008] El costo medio de la energía esta entre 14,8 a 21,8 centavos USD/kWh
Entre 650 y 1.500 USD/ kW, [NREL, 2009]. El costo medio de la energía está entre 1,5 y 4 centavos USD/kW h
Entre 1200 y 1700 USD/ kW para generación de electricidad (IEA 2008, Tech. Perspectives). el costo medio de la energía está entre 14,8 y 21.8 centavos USD/kWh
Tecnología
(Equipamento)
Turbinas a syngas Ciclos combinados
Energía térmica: Caldera de Combustión Energía eléctrica: Conjunto turbina generador
Gasificadores Doméstico e Industrial
Uso/País Industrial Finlandia y Canadá
Comercial Chile
Industrial EEUU, Japón, India y Europa en general.
88
Anexo M. Comparación entre tres procesos bioquímicos: Fermentación alcohólica, digestión anaerobia y transesterificación (Elaboración propia con base en la información de CER de Chile).
Factor Fermentación Digestión anaerobia Transesterificación
Producto
Combustible líquido: Etanol
Gas combustible: CH4, CO2) y otros gases como H2S. Residuo sólido : fertilizante agrícola
Esteres grasos : etil o metil ester, estos pueden ser mezclados con diesel o usados directamente como combustibles en motores comunes
Ambiental( GEI)
Baja
Baja
Baja
Eficiencia
El rendimiento teórico proceso, es 0,28 m
3/ton
para arroz y trigo y 0,37 m
3/ton para maíz
[UTFSM - ODEPA, 2007].
La eficiencia estimada de conversión puede ser cercana a 26 - 32% (40 – 85% en caso de cogeneración) [IEA/ETSAP, 2010].
98% [UTFSM - ODEPA, 2007]
Costos
670 USD por m3 de gas producido , el costo de operación y mantenimiento depende de la materia prima vegetal utilizada (64%) y otros componentes como son energía (17%) y químicos (11%) [UTFSM - ODEPA, 2007]
3.700-5.300 USD/kW,
290 y 320 USD por m3 de combustible producido anualmente. Por su parte, los costos de operación y mantenimiento dependen de la materia prima vegetal utilizada (72%) y otros componentes como químicos (6%) [UTFSM - ODEPA, 2007].
Tecnología
(Equipamento)
Reactor Mezcladores Sistema de calefacción. Extractor de gas
Reactor Decantador Centrifuga Purificador de Glicerina
ETSAP: Programa de Análisis de Sistemas de Tecnología de la Energía ODEPA: Oficina de Estudios y políticas agrarias UTFSM: Universidad Técnica Federico Santa María IEA: International Energy Agency
89
Anexo N. Cálculos para la conversión de residuos de poda en Biogás
Detalle Cantidad Observación
Toneladas de residuos de poda producidas
en el campus de la Universidad de Santander
durante un año
25 Datos tomados in situ durante los proceso
de poda
Toneladas de residuos de poda producidas
en el campus de la Universidad de Santander
durante un año en peso seco
9.5 La humedad promedio de los residuos de
poda es de 62%
Litros de Biogás producidos por Kilogramo de
residuo
354 La determinación fue realizada por la Dra.
Luz Stella Cadavid investigadora de la
Universidad Nacional de Palmira
Total de Biogás en metros cúbicos producidos
a partir de las 10 toneladas de residuos (masa
seca) producidos en la Universidad de
Santander durante un año
3363 El total de kilogramos de residuo se
multiplica por el total de litros de Biogás, y
luego los litros se convierten a metros
cúbicos
Total de metros cúbicos de gas generados en
un mes
280,25
Total de metros cúbicos de gas generados en
un mes teniendo en cuenta la eficiencia del
proceso de generación
84 La eficiencia de la Digestión anaerobia
reportada por la literatura es del 20 al
40%, por lo tanto se toma 30% como
promedio para realizar el cálculo.
90
Anexo O. Diferencias y similitudes entre los modelos de biodigestores más conocidos (PREMACA 2012)
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