Universidad Politécnica de Zacatecas
Seminario de Ing. en Energía de la Biomasa
Investigación sobre: Poder Calorífico de Residuos Agrícolas
Docente. I.Q. Verónica Ávila Vázquez
Alumnos: Iván Cuevas
Iván Castillo
ÍNDICE
- Introducción
- Desarrollo
- Poder Calorífico
- Ejemplo de Bagazo de Caña
- Conclusiones
- Referencias
INTRODUCCIÓN
Desde el punto de vista ambiental, el aprovechamiento energético de la biomasa no contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, dado que el balance de emisiones de CO2 a la atmósfera es neutro. En efecto, el CO2 generado en la combustión de la biomasa es reabsorbido mediante la fotosíntesis en el crecimiento de las plantas necesarias para su producción y, por lo tanto, no aumenta la cantidad de CO2 presente en la atmósfera. Al contrario, en el caso de los combustibles fósiles, el carbono que se libera a la atmósfera es el que está fijo a la tierra desde hace millones de años.
En lo que al aprovechamiento energético se refiere, la biomasa se caracteriza por tener un bajo contenido de carbono, un elevado contenido de oxígeno y compuestos volátiles. Estos compuestos volátiles (formados por cadenas largas del tipo CnHm, y presencia de CO2, CO e H2) son los que concentran una gran parte del poder calorífico de la biomasa. El poder calorífico de la biomasa depende mucho del tipo de biomasa considerada y de su humedad. Así, normalmente estos valores de poder calorífico de la biomasa se pueden dar en base seca o en base húmeda.
DESARROLLO
En general, se puede considerar que el poder calorífico de la biomasa puede oscilar entre las 3000 y 3500 kcal/kg para
los residuos lignocelulósicos (residuos forestales y otros desechos de plantas),
entre las 2000 y 2500 kcal/kg para los residuos urbanos y, finalmente,
desde las 10000 kcal/kg para los
combustibles líquidos provenientes de cultivos energéticos. Estas
características, juntamente con el bajo contenido de azufre de la biomasa, la
convierten en un producto especialmente atractivo para ser aprovechado
energéticamente.
Fig. 1. Clasificación
para energía de la Biomasa
El poder calorífico de un combustible es la cantidad de
energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad de masa
de combustible. Es la cantidad de calor que entrega un kilogramo, o un metro cúbico, de
combustible al oxidarse en forma completa.
El poder calorífico expresa la energía máxima que puede liberar la unión
química entre un combustible y el comburente y es igual a la energía que
mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible, menos la energía
utilizada en la formación de nuevas moléculas en las materias (generalmente
gases) formadas en la combustión. La magnitud del poder calorífico puede variar según como se mida. Según
la forma de medir se utiliza la expresión poder calorífico superior (PCS) y
poder calorífico inferior (PCI).
Poder calorífico
superior (PCS): Es la
cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de 1 Kg de
combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado
y se contabiliza, por consiguiente, el calor desprendido en este cambio de
fase.
Poder calorífico
inferior (PCI): Es la
cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de 1 kg de
combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de
agua de la combustión, ya que no se produce cambio de fase, y se expulsa como
vapor.
Fig. 2. Poder calorífico de maderas y residuos agrícolas.
(*)El poder calorífico de la
madera verde disminuye si aumenta la humedad de la misma. En la siguiente
figura se da el coeficiente por el que hay que multiplicar el poder calorífico
para obtener el valor real.
Fig. 3. Coeficientes de la madera húmeda.
La generación de residuos agrícolas debe completarse con la retirada de los mismos para poder facilitar el cultivo posterior. Pensando en un aprovechamiento de estos residuos sólo será viable la recogida en las parcelas con un tamaño adecuado y en zonas donde se pueda acopiar una cantidad que justifique económicamente la retirada.
Fig. 4. Generación
de residuos de diversos cultivos.
Estos desechos se obtienen de los
restos de cultivos o de limpiezas que se hacen del campo para evitar las plagas
o los incendios y pueden aparecer en estado sólido, como la leña, o en estado
líquido, como los purines u otros elementos residuales obtenidos en actividades
agropecuarias. Los dos grupos de residuos se generan por necesidades
forestales, no energéticas, y son materiales que no tienen calidad suficiente
para otras aplicaciones que no sean las energéticas.
Fig. 5. Poder calorífico medio de algunos residuos procedentes de
cultivos.
Cuando
la biomasa procede de árboles urbanos o cercanos a carreteras tiene un color
negruzco debido a las artículas contaminantes expulsadas por los vehículos y
que se han adherido a la corteza. Se denomina estéreo a una agrupación de
biomasa que ocupa un metro cúbico de volumen aparente. A la relación entre lo
que ocupan realmente las leñas (volumen real o sólido) y un estéreo (volumen
aparente) se le denomina coeficiente de apilado. Es decir: Volumen real o
sólido / metro cúbico aparente = coeficiente de apilado.
La
humedad es muy importante desde el punto de vista del aprovechamiento
energético, pues es la que más influye en el poder calorífico de los
biocombustibles, junto a la especie. Puede medirse en baseseca o en base
húmeda. Si denominamos h la humedad en base seca y H la humedad en base húmeda,
las fórmulas para obtener h y H son:
h =
(Ph - P0) / P0 H = (Ph - P0) / Ph
donde
Ph es el peso húmedo, es decir el peso a la humedad h y P0 es el peso de esa
misma leña después de haber sido secada en estufa a 103±2ºC hasta haber perdido
toda su humedad. Como P0 < Ph ,entonces H < h, siendo H = h / (1+h) , h =
H / (1-H). La humedad es importante en el transporte. Cuando transportamos
biomasas húmedas transportamos agua. La biomasa más húmeda, a igualdad de otras
circunstancias, siempre es más barata. Cuando se compre biomasa han de
considerarse dos variables: el peso y su humedad.
La
densidad se calcula en función de la densidad de la madera y de la corteza:
donde
mm y mc son masas de madera y corteza y db, dm y dc densidades de biomasa,
madera y corteza. A veces lo que se conoce es el porcentaje en corteza de una
biomasa, en este caso:
donde
pc es el tanto por uno en corteza. La variable química más importante a la hora
de definir un biocombustible sólido forestal es su poder calorífico. De forma
aproximada, conociendo la composición química de un combustible puede conocerse
su poder calorífico empleando la fórmula de Dulong-Petit:
PCI
= 8100 c + 2500 s + 34000 (h - o/8)
donde
PCI es medido en kcal/kg, c, s, h y o son el tanto por uno en masa de carbono,
azufre, hidrógeno y oxígeno. Si se aplica esta fórmula directamente hay dos
errores; el primero debido a la inexactitud de la misma y el segundo debido a
los errores cometidos al realizar el análisis químico elemental. Safizadeh
(1982) señala como composición química media de la biomasa forestal (en masa).
Una fórmula para calcular el poder calorífico en función de la humedad es la
propuesta por Marcos (2001):
PCI
= (PCS0/(1+H)) - 665*(0,54+H)/(1+H)
donde
PCS0 es el poder calorífico superior anhidro y H la humedad en peso húmedo.
Estudios más detallados relacionados con las fórmulas del poder calorífico de
la biomasa forestal pueden verse en Arola (1976), Hough (1969), Dumon (1982),
Kollman (1959), Gimeno y Marcos (varias). Diversas son las variables que
condicionan la obtención de biomasa forestal en el monte: pendiente,
resistencia y rugosidad del terreno, distancia media de transporte, densidad de
vías de saca, densidad de la masa, disponibilidad o interés social por utilizar
un grado de mecanización más o menos alto.
Ejemplo
Para
el bagazo seco se propone la siguiente expresión:
PCIS
= PCSS – 5400 H (kcal/kg)
H:
kg de hidrógeno / kg de combustible
Esta
expresión corresponde al valor del PCI del combustible seco. En el caso de
bagazo seco con la siguiente composición elemental media:
Carbono = 0.47 kg/kg de bagazo
Hidrógeno = 0.065 “
Oxígeno = 0.44 “
Cenizas = 0.025 “
Resulta: PCIS = 4600 – 5400 x 0.065 = 4250
(kcal/kg de
bagazo seco)
Bagazo húmedo
El
bagazo que se emplea en la práctica contiene una cierta cantidad de agua que en
estado de vapor se pierde por la chimenea junto con los gases calientes,
productos de la combustión. El PCI del Bagazo Húmedo, se determina
teóricamentea partir del PCSS y la composición centesimal del bagazo húmedo.
El
Manual de Hugot da los siguientes valores caloríficos de los componentes del
bagazo:
Fibra f
(%) 4.600 kcal/kg
Azúcar s
(%) 4.000 "
Agua w (%) 0 “
Al
valor calorífico de la fibra y del azúcar, le resta el calor de vaporización
del agua y del vapor resultante de la combustión del hidrógeno para calcular el
PCI:
PCI
(bag húmedo) = 4600 x f /100 + 4000 x s / 100 - 5400 x H x (100 - w) /100 - 600
x w/100
Para
H = 0,065 kg/kg de bagazo, resulta:
PCI
(bagazo húmedo) = 46 f + 40 s – 2,5 w – 350 (kcal/kg)
Se
considera la influencia de otras impurezas del bagazo y reemplaza en la
expresión anterior el valor de:
f =
100 – 1,25 s – w, por lo que finalmente
resulta:
PCI
(bagazo húmedo) = 4250 – 48,50 w – 7,5 s (kcal/kg)
También
considera una forma más simple para calcular el PCI del Bagazo Húmedo a partir
del valor del PCS del Bagazo Húmedo:
PCS
(bagazo húmedo) = 4600 (1 – w/100)
PCI
(bagazo húmedo) = PCS – 600 E
Donde
E es el agua producto de la combustión del hidrógeno más el contenido de
humedad:
E =
9 x H x (1 – w/100) + w/100
Reemplazando
resulta la conocida expresión para el PCI del Bagazo Húmedo:
PCI
(bagazo húmedo) = 4250 – 48,50 x w
(kcal/kg)
CONCLUSIONES
Es notable que el avance de la tecnología nos ha facilitado tanto la vida como la investigación y procesos que faciliten esta misma. Los valores que contienen las tablas, es una prueba de que ya nos es facil darnos una idea del poder calorifico con el que cuenta cada residuo agricola o forestal, la cdandonos a relantidad de desechos por área o tonelada, ayudándonos a realizar cálculos sobre un área determinada que deseemos estudiar y evaluar.
En base a los experimentos y las pruebas que se realizaron para tomar estos valores, podemos tener una idea de que sería mas viable sembrar en los cultivos energéticos y favorecer la alimentación del hombre así como aprovechar los residuos con su alto poder calorífico como biomasa, para la producción de energía.
·
Secretaría de Energía de Argentina. Energías
Renovables, Energía Biomasa. Ed. de la Secretaría de Energía. Argentina, 2008.
Interesante articulo de aspectos básicos de la energía disponible en la biomasa que siempre deben tenerse en cuenta al momento de definir inversiones y equipos...
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