BIOETANOL

El alcohol etílico o etanol es un producto químico obtenido a partir de la fermentación de los azúcares que se encuentran en los productos vegetales, tales como cereales, remolacha, caía de azúcar, sorgo o biomasa. Estos azúcares están combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa. Las plantas crecen gracias al proceso de fotosíntesis, en el que la luz del sol, el dióxido de carbono de la atmósfera, el agua y los nutrientes de la tierra forman moléculas orgánicas complejas como el azúcar, los hidratos de carbono y la celulosa, que se concentra en la parte fibrosa la planta. 

Este es un artículo extraído del libro CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE BIOMASA

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Definición y características

El bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia orgánica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como combustible. El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10%, E5 y E10 respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales.

Un obstáculo importante es la legislación europea sobre la volatilidad de las gasolinas que fija la proporción de etanol en mezclas E5. Concentraciones más elevadas, autorizadas en Suecia y Estados Unidos, implica que se debe disponer de un vehículo flexible (FFV), con un depósito, motor y sistema de combustible único capaz de funcionar con gasolina y etanol, solos o mezclados en cualquier proporción. La otra alternativa para su uso es en forma de aditivo de la gasolina como etil-tercbutil éter (ETBE).

Las especificaciones para la utilización de bioetanol se compendian en la norma Europea de Gasolinas EN 228, en España se encuentra transpuesta la Directiva 2003/17/CE relativa a la calidad de las gasolinas y gasóleo, en el Real Decreto R.D. 61/2006 de las especificaciones y uso de biocarburantes. 

Procesos de obtención de bioetanol

El bioetanol se obtiene a partir de la remolacha (u otras plantas ricas en azúcares), de cereales, de alcohol vínico o de biomasa, mediante un proceso de destilación. En España la producción industrial emplea principalmente cereal como materia prima básica, con posibilidad de utilizar los excedentes de la industria remolachera transformados en jugos azucarados de bajo costo.  

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En general, se utilizan tres familias de productos para la obtención del alcohol: 

  • Azucares, procedentes de la caña o la remolacha, por ejemplo.
  • Cereales, mediante la fermentación de los azúcares del almidón.
  • Biomasa, por la fermentación de los azúcares contenidos en la celulosa y hemicelulosa.

El esquema general de fabricación del bioetanol (diagrama 1), muestra las siguientes fases en el proceso

  • Dilución:

Es la adición del agua para ajustar la cantidad de azúcar en la mezcla o (en última instancia) la cantidad de alcohol en el producto. Es necesaria porque la levadura, usada más adelante en el proceso de fermentación, puede morir debido a una concentración demasiado grande del alcohol.

  • Conversión:

La conversión es el proceso de convertir el almidón/celulosa en azúcares fermentables. Puede ser lograda por el uso de la malta, extractos de enzimas contenidas en la malta, o por el tratamiento del almidón (o de la celulosa) con el ácido en un proceso de hidrólisis ácida.

  • Fermentación:

La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras, básicamente. De la fermentación alcohólica se obtienen un gran número de productos, entre ellos el alcohol

  • Destilación o Deshidratación: 

La destilación es la operación de separar, mediante calor, los diferentes componentes líquidos de una mezcla (etanol/agua). Una forma de destilación, conocida desde la antigüedad, es la obtención de alcohol aplicando calor a una mezcla fermentada.

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Otra alternativa a las cosechas dedicadas a fines energéticos, son los materiales lignocelulïícos son los que ofrecen un mayor potencial para la producción de bioetanol, el uso de residuos de procesos agrícolas, forestales o industriales, con alto contenido en biomasa. Estos residuos pueden ir desde la paja de cereal a las "limpias" forestales, pasando por los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) o las cáscaras de cereal o de arroz. Los residuos tienen la ventaja de su bajo coste, ya que son la parte no necesaria de otros productos o procesos, salvo cuando son utilizados en la alimentación del ganado. Los RSU tienen un alto contenido en materia orgánica, como papel o madera, que los hace una potencial fuente de materia prima, aunque debido a su diversa procedencia pueden contener otros materiales cuyo pre proceso de separación incremente mucho el precio de la obtención del bioalcohol.

También pueden utilizarse residuos generados en algunas industrias, como la papelera, la hortofrutícola o la fracción orgánica de residuos sólidos industriales. Muchos de estos residuos no sólo tienen valor económico en el contexto donde se generan sino que pueden ser causa de problemas ambientales durante su eliminación [Cabrera, J. A., 2006].

Los residuos de biomasa contienen mezclas complejas de carbohidratos, llamados celulosa, hemicelulosa y lignina. Para obtener los azúcares de la biomasa, ésta es tratada con ácidos o enzimas que facilitan su obtención. La celulosa y hemicelulosa son hidrolizadas por enzimas o diluidas por ácidos para obtener sacarosa, que es entonces fermentada. Los principales métodos para extraer estos azúcares son tres: la hidrólisis con ácidos concentrados, la hidrólisis con ácidos diluidos y la hidrólisis enzimática.

Otro ejemplo de proceso de obtención de bioetanol a partir de alcohol vínico, lo lleva a cabo la empresa Acciona-Energía en la planta de Alcázar de Juan, donde se procede a la limpieza y deshidratación del alcohol bruto, adquirido en las licitaciones que realiza trimestralmente el Fondo Español de Garantía Agraria (FEGA), para elevar su pureza del 92 % al 99,9 % y comercializarlo, una vez desnaturalizado, como bioetanol. El proceso comprende las siguientes fases:

  • Desulfuración: eliminación del anhídrido sulfuroso (SO2) presente en el alcohol bruto.
  • Deshidratación: reducción del contenido en agua mediante su tamizado con zeolitas, sustancias que captan las moléculas de agua.
  • Desmetilización: proceso en el que el alcohol ya deshidratado (99,9%) ve separado su contenido de metanol. Esta sustancia resulta corrosiva para los vehículos y puede ser comercializada como producto químico o combustible
  • Almacenamiento en depósitos: desde ellos el producto se trasporta por tuberías a la cisterna de carga y en ese trayecto se le añade una sustancia que desnaturaliza el bioetanol para evitar así su derivación al consumo humano. 

Subproductos  de la obtención de bioetanol

Los subproductos generados en la producción de bioetanol, así como el volumen de los mismos, dependen en parte de la materia prima utilizada. En general se pueden agrupar en dos tipos:

  • Materiales lignocelulïícos: tallos, bagazo, etc., correspondientes a las partes estructurales de la planta. En general se utilizan para valorización energética en cogeneración, especialmente para cubrir las necesidades energéticas de la fase de destilación del bioetanol, aunque también se puede vender el excedente a la red eléctrica (con precio primado).
  • Materiales alimenticios: pulpa y granos de destilería de maíz desecados con solubles (DDGS), que son los restos energéticos de la planta después de la fermentación y destilación del bioetanol. Tienen interés para el mercado de piensos animales por su riqueza en proteína y valor energético. La caña de azúcar es la planta más aprovechable por el bagazo generado para su combustión y generación energética. La remolacha azucarera genera, por su parte, unas 0,75 ton de pulpa por tonelada de bioetanol producido.

La producción de bioetanol a partir de trigo o maíz genera en torno a 1,2 ton de DDGS por tonelada de bioetanol. En general, existen dos filosofías alimenticias en cuanto al empleo del DDGS. Cuando el pienso está en el 15 % o menos de la dieta, el DDGS sirve como una fuente de proteína suplementaria. Cuando el pienso está en los niveles más altos (superior al 15 % de la dieta de la materia seca) su papel primario es como fuente de energía. El DDGS está compuesto de grasa "en un 10-15 %", de fibra neutra detergente "en un 40-55 %", de proteína de crudo (CP) "en un 30-35 %" y de ceniza en un 5 %.

Balance energético de la producción de bioetanol

Para que el etanol contribuya perceptiblemente a las necesidades de combustible para el transporte, necesitaría tener un balance energético neto positivo. Para evaluar la energía neta del etanol hay que considerar cuatro variables: la cantidad de energía contenida en el producto final del etanol, la cantidad de energía consumida directamente para hacer el etanol, la calidad del etanol resultante comparado con la calidad de la gasolina refinada y la energía consumida indirectamente para hacer la planta de proceso de etanol.

Aunque es un asunto que crea discusión, algunas investigaciones que hagan caso de la calidad de la energía sugieren que el proceso toma tanta o más energía combustible fósil (en las formas de gas natural, diesel y de carbón) para crear una cantidad equivalente de energía bajo la forma de etanol. Es decir, la energía necesitada para funcionar los tractores, para producir el fertilizante, para procesar el etanol, y la energía asociada al desgaste y al rasgón en todo el equipo usado en el proceso (conocido como amortización del activo por los economistas) puede ser mayor que la energía derivada del etanol al quemarse.

Se suelen citar dos defectos de esta argumentación como respuesta, en primer lugar el no dar importancia a la calidad de la energía del bioetanol, cuyos efectos económicos son importantes. Si se compara la calidad de la energía con los costes de descontaminación del suelo que provocan los derrames de gasolina al ambiente y los costes "módicos" de la contaminación atmosférica (porque no se puede descontaminar la atmósfera), resultado de la refinación y de la gasolina quemada. Por otro lado, el desarrollo de las plantas de etanol implica un prejuicio contra este producto basado estrictamente sobre la pre-existencia de la capacidad de refinación de la gasolina. La decisión última se debería fundar sobre razonamientos económicos y sociales a largo plazo.

El primer argumento, sin embargo, sigue debatiéndose. No tiene sentido quemar 1 litro de etanol si requiere quemar 2 litros de gasolina (o incluso de etanol) para crear ese litro. La mayor parte de la discusión científica actual en lo que al etanol se refiere gira actualmente alrededor de las aplicaciones en las fronteras del sistema. Esto se refiere a lo completo que pueda ser el esquema de entradas y salidas de energía. Se discute si se deben incluir temas como la energía requerida para alimentar a la gente que cuida y procesa el maíz, para levantar y reparar las cercas de la granja, incluso la cantidad de energía que consume un tractor.

Además, no hay acuerdo en qué clase de valor dar para el resto del maíz, como el tallo por ejemplo, lo que se conoce comúnmente como coproducto. Algunos estudios propugnan que es mejor dejarlo en el campo para proteger el suelo contra la erosión y para agregar materia orgánica. Mientras que otros queman el coproducto para accionar la planta del etanol, pero no evitan la erosión del suelo que resulta, lo cual requerirá más energía en forma de fertilizante.

Dependiendo del estudio, la energía neta varía de 0,7 a 1,5 unidades de etanol por unidad de energía de combustible fósil consumida. En comparación si el combustible fósil utilizado para extraer etanol se hubiese utilizado para extraer petróleo y gas se hubiesen llenado 15 unidades de gasolina, que es un orden de magnitud mayor. Pero, la extracción no es igual que la producción. Cada litro de petróleo extraído es un litro de petróleo agotado.

Para comparar el balance energético de la producción de la gasolina a la producción de etanol, debe calcularse también la energía requerida para producir el petróleo de la atmósfera y para meterlo nuevamente dentro de la tierra, un proceso que haría que la eficiencia de la producción de la gasolina fuese fraccionaria comparada a la del etanol. Se calcula que se necesita un balance energético de 200 %, o 2 unidades de etanol por unidad de combustible fósil invertida, antes de que la producción en masa del etanol llegue a ser económicamente factible. 

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INDICE COMPLETO DEL LIBRO "CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE BIOMASA"

1 LA BIOMASA 

 1.1 QUÉ ES LA BIOMASA          
 1.2 LA BIOMASA COMO FUENTE ENERGÉTICA                                                    
 1.3 LA COMBUSTIÓN Y EL EFECTO INVERNADERO 
 1.4 LA PRODUCCIÓN MUNDIAL DE BIOMASA 
 1.5 APLICACIONES DE LA BIOMASA EN LAS INDUSTRIAS 
 1.6 LA IMPORTANCIA ECONÓMICA DE LA BIOMASA 
 1.7 EL PLAN DE ENERGÍAS RENOVABLES 2005-2010 
 1.8 VENTAJAS Y DESVENTAJAS EN EL USO DE BIOMASA 
 1.9 LA GENERACIÓN ELÉCTRICA A PARTIR DE BIOMASA 
 1.10 PLANTAS DE BIOMASA EN ESPAÑA 
             1.10.1 Plantas de biomasa en Andalucía 
             1.10.2 Resto de España 
 2 TIPOS DE BIOMASA 
 2.1 BIOMASA NATURAL 
 2.2 BIOMASA RESIDUAL 
             2.2.1 Residuos agrícolas 
             2.2.2 Residuos forestales 
             2.2.3 Residuos de industrias agrícolas y agroalimentarias 
             2.2.4 Residuos de industrias forestales 
             2.2.5 Residuos ganaderos 
             2.2.6 Residuos urbanos 
 2.3 EXCEDENTES AGRÍCOLAS 
 2.4 CULTIVOS ENERGÉTICOS 
             2.4.1 Qué son los cultivos energéticos 
             2.4.2 Características que deben tener los cultivos energéticos 
             2.4.3 Clasificación de los cultivos energéticos 
             2.4.4 Los cultivos energéticos en España 
             2.4.5 Ventajas e inconvenientes de los cultivos energéticos 
             2.4.6 Aspectos económicos a tener en cuenta 
             2.4.7 Aspectos medioambientales a tener en cuenta 
             2.4.8 La paulownia 
             2.4.9 El cardo 
             2.4.10 La planta de tabaco 
 3 PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN DE LA BIOMASA 
 3.1 PROCESOS FÍSICOS 
 3.2 PROCESOS TERMOQUÍMICOS 
             3.2.1 Combustión 
             3.2.2 Gasificación 
             3.2.3 Pirolisis 
 3.3 PROCESOS BIOLÓGICOS 
             3.3.1 La fermentación alcohólica 
             3.3.2 La fermentación metánica 
 3.4 PROCESOS QUÍMICOS: TRANSESTERIFICACIÓN 
 4 LA COMBUSTIÓN 
 4.1 QUÉ ES LA COMBUSTIÓN 
 4.2 REACCIONES QUÍMICAS DEL PROCESO 
 4.3 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA BIOMASA 
 4.4 EL PODER CALORÍFICO DE LA BIOMASA 
             4.4.1 Poder calorífico superior e inferior 
             4.4.2 Poder calorífico de diversas biomasas 
 4.5 TIPOS DE COMBUSTIÓN 
             4.5.1. Combustión completa 
             4.5.2. Combustión incompleta 
             4.5.3. Combustión estequiométrica 
             4.5.4. Combustión con exceso de aire 
             4.5.5. Combustión con defecto de aire o rica 
 5 EL MERCADO ELÉCTRICO
 5.1 EL MERCADO ELÉCTRICO 
 5.2 LOS 6 MERCADOS INTRADIARIOS 
             5.2.1 Ofertas de venta en los mercados intradiarios 
             5.2.2 Ofertas de compra en los mercados intradiarios 
             5.2.3. Procesos de casación y resultados 
 5.3 LA OPERACIÓN DEL SISTEMA 
             5.3.1 Mercados de servicios de ajuste del sistema 
             5.3.2 Solución de restricciones técnicas 
             5.3.3 Servicios complementarios 
 5.4 EL MERCADO ELÉCTRICO Y LAS ENERGÍAS RENOVABLES 
             5.4.1 La venta a tarifa 
             5.4.2 La venta a mercado + prima 
             5.4.3 Contratos bilaterales 
             5.4.4 Los mercados intradiarios 
             5.4.5 Desvíos 
             5.4.6 Complementos 
             5.4.7 La retribución final 
 6 SITUACIÓN ACTUAL Y MARCO LEGISLATIVO 
 6.1 LEY 54/1997 
 6.2 LEY  17/2007 
 6.3 RD 1955/2000 
 6.4 RD 661/2007 
 6.5 RDL 6/2009 
 6.6 RD 1565/2010 
 6.7 RDL1/2008 SOBRE EVALUACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL 
 7 LAS CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE BIOMASA
 7.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE UNA CENTRAL DE BIOMASA 
 7.2 MODOS DE FUNCIONAMIENTO HABITUALES 
             7.2.1 Funcionamiento en paralelo con la red 
             7.2.2 Funcionamiento en isla 
             7.2.3 Funcionamiento sin la central de generación 
 7.3 PARÁMETROS CARACTERÍSITICOS DE UNA P. DE BIOMASA 
 7.4 SISTEMAS QUE COMPONEN UNA PLANTA DE BIOMASA 
 8 PRETRATAMIENTO DE LA BIOMASA 
 8.1 ALMACENAMIENTO DE LA BIOMASA 
             8.1.1 Tipos de almacenes 
             8.1.2 Criterios de selección del tipo de almacenamiento 
             8.1.3 Controles a efectuar en el parque de biomasa 
 8.2 TRANSPORTE HASTA LA CALDERA 
 8.3 NECESIDAD DE LOS TRATAMIENTOS PREVIOS 
 8.4 EL SECADO 
 8.5 ASTILLADO 
 8.6 MOLIENDA 
 8.7 CRIBADO 
 8.8 PELLETS 

 8.9 ALMACENAMIENTO INTERMEDIO 

 8.10 PESAJE: EL CONTROL DE LA CANTIDAD INTRODUCIDA 
 8.11 DOSIFICACIÓN EN LA CALDERA 
 

9 LA CALDERA DE COMBUSTIÓN DE BIOMASA 

 9.1 LA CALDERA DE COMBUSTIÓN 
 9.2 FASES EN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN DE BIOMASA 
 9.3 TIPOS DE CALDERA SEGÚN LA CIRCULACIÓN DE AGUA 
             9.3.1 Calderas pirotubulares 
             9.3.2 Calderas acuotubulares 
 9.4 TIPOS DE CALDERAS SEGÚN LA FORMA DE COMBUSTIÓN 
             9.4.1 Calderas de parrillas móviles 
             9.4.2 Calderas de lecho fluidizado 
             9.4.3 Calderas de quemador de suspensión 
             9.4.4 Comparación de tecnologías parrilla—lecho fluido 
 9.5 TIPOS DE CALDERAS SEGÚN LA PRESIÓN DEL HOGAR 
 9.6 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE CALDERAS DE BIOMASA 
 9.7 LA ENTRADA DE AIRE COMBUSTIBLE 
 9.8 LA ENTRADA DE COMBUSTIBLE 
 9.9 EL HOGAR. ZONA DE RADIACIÓN 
 9.10 EL SOBRECALENTADOR 
 9.11 EL EVAPORADOR 
 9.12 EL ECONOMIZADOR 
 9.13 SALIDA DE GASES 
             9.13.1 Separadores ciclónicos 
             9.13.2 Filtros de mangas 
             9.13.3 Electrofiltros 
             9.13.4 Sistema de monitorización continua de emisiones gaseosas
 9.14 SALIDA DE CENIZAS 
 9.15 PROBLEMAS EN CALDERAS DE BIOMASA 
 10 EL CICLO AGUA-VAPOR 
 10.1 EL CICLO RANKINE 
 10.2 LA FUNCIÓN DEL CICLO AGUA-VAPOR 
 10.3 EL ESQUEMA DE CICLO AGUA-VAPOR 
 10.4 EL CONDENSADOR 
 10.5 LAS BOMBAS DE CONDENSADO 
 10.6 PRECALENTADORES DE BAJA PRESIÓN 
 10.7 TANQUE DE AGUA DE ALIMENTACIÓN 
 10.8 BOMBAS DE AGUA DE ALIMENTACIÓN 
 10.9 PRECALENTADORES DE ALTA PRESIÓN 
 10.10 VÁLVULA DE BY-PASS DE ALTA PRESIÓN 
 11 LA TURBINA DE VAPOR 
 11.1 LA TURBINA DE VAPOR, UNA MÁQUINA EXPERIMENTADA 
 11.2 CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS DE VAPOR 
             11.2.1 Según la transformación de e. potencial en rotación 
             11.2.2 Según la presión a la entrada de la turbina 
             11.2.3 Según la presión del vapor de salida 
             11.2.4 Según la dirección del flujo en el rotor 
             11.2.5 Según la presencia de tomas intermedias de vapor 
             11.2.6 Según su conexión mecánica con otras turbinas 
 11.3 PARTES PRINCIPALES DE UNA TURBINA DE VAPOR 
             11.3.1 Sistema de admisión 
             11.3.2 El rotor 
             11.3.3 La carcasa 
             11.3.4 Álabes 
             11.3.5 Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales 
             11.3.6 Cojinete de empuje o axial 
             11.3.7 Sistema de lubricación 
             11.3.8 Sistema de extracción de vahos 
             11.3.9 Sistema de refrigeración de aceite 
             11.3.10 Sistema de aceite de control 
             11.3.11 Sistema de sellado de vapor 
             11.3.12 Virador 
 11.4 EL SISTEMA DE CONTROL 
 11.5 ELEMENTOS AUXILIARES DE LA TURBINA 
             11.5.1 Bancada 
             11.5.2 Nave de turbina 
             11.5.3 Puente grúa 
             11.5.4 Reductor 
 12 SISTEMAS ELÉCTRICOS DE ALTA Y BAJA TENSIÓN 
 12.1 EL GENERADOR ELÉCTRICO 
 12.2. LOS SISTEMAS DE ALTA Y MEDIA TENSIÓN 
             12.2.1 Transformador principal 
             12.2.2 Transformador de servicios auxiliares 
             12.2.3 Interruptor de máquina 
             12.2.4 Interruptor automático 
             12.2.5 Seccionadores de barras y línea 
             12.2.6 Barra de media tensión 
             12.2.7 Línea de evacuación 
             12.2.8 Protección contra rayos 
             12.2.9 Red de tierras 
             12.2.10 Transformadores tensión (TT) 
             12.2.11 Transformadores de intensidad (TI) 
             12.2.12 Protecciones 
 12.3 EL SISTEMA DE BAJA TENSIÓN 
 13 SISTEMAS AUXILIARES 
 13.1 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN PRINCIPAL 
             13.1.1 Circuito abierto 
             13.1.2 Circuito semiabierto con torre de refrigeración 
             13.1.3 Circuito cerrado, con aerocondensador 
 13.2 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN DE EQUIPOS 
 13.3 PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA (PTA) 
 13.4 PLANTA DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES 
 13.5 SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO

  13.6 SISTEMA CONTRAINCENDIOS

 

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