RECURSOS POTENCIALES DE ENERGÍA RENOVABLE EN EL ESTADO DE SINALOA, MÉXICO

RECURSOS POTENCIALES DE ENERGÍA RENOVABLE EN EL ESTADO DE SINALOA, MÉXICO

José Arturo León Velázquez (CV)

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3.4.3 Energía de la Biomasa

Biomasa “es toda la masa viviente que existe sobre la tierra, o, más exactamente, en una estrecha capa superficial de la misma denominada Biosfera”;1 la biomasa constituye un sistema que la Naturaleza utiliza para almacenar energía. La biomasa “está formada por materiales de las plantas (como madera y desechos agrícolas) y desecho de animales que se pueden quemar de manera directa como un combustible sólido o convertirse en biocombustibles gaseosos o líquidos”. 2
La fuente de energía en la biomasa es el material orgánico formado por los seres vivos. La producción de la biomasa de origen animal ocurre a partir de la vegetal, la cual a su vez se da por medio de la fotosíntesis,3 siendo nuevamente el sol la fuente de energía.4 De los 173,000 TW  en forma de radiaciones que llegan del sol a la tierra sólo 70 TW se convierten en materia orgánica vía fotosíntesis, que es equivalente aproximadamente a tres veces el consumo mundial de energía primaria en la actualidad.
Los combustibles fósiles son la biomasa que ha sido procesada por la naturaleza a lo largo de millones de años, hasta convertirse en combustibles fósiles con una densidad de energía5 mayor que la de la biomasa de producción reciente. Las fuentes más importantes de biomasa son los campos forestales y agrícolas pues en ellos se producen residuos (rastrojos) que normalmente son dejados en el campo al consumirse sólo un bajo porcentaje de ellos con fines energéticos. También  los procesos de secado de granos generan subproductos que son usados para generación de calor en sistemas de combustión directa; por ejemplo: el  bagazo de caña de azúcar, la cascarilla de café y la de arroz. Por otro lado, los centros urbanos generan grandes cantidades de basura compuestas en gran parte, por materia orgánica que puede ser convertida en energía.6

3.4.3.1 Propiedades de la Biomasa

a) Propiedades Físicas, Químicas y Energéticas

En el estudio de factibilidad técnico económica de un proceso de conversión de biomasa en energía, es necesario considerar las siguientes variables: el tipo de biomasa, su composición química y física, el contenido de humedad, el porcentaje de cenizas, el poder calórico, la densidad aparente y la recolección transporte y manejo.7

  • Tipo de biomasa: El estado físico de la biomasa se clasifica de acuerdo  al tipo de recurso.
  • Composición química: La tabla 3.19 muestra la composición para varios tipos de biomasa. Se incluye el carbón mineral como punto de comparación:
  • Valor calórico: a continuación en la tabla 3.20 se muestra el valor calorífico bruto8 de algunas formas de biomasa. Los valores pueden variar según el contenido de cenizas, sin embargo la humedad relativa es el factor más importante que determina el valor calorífico.

b) Contenido de Humedad: Para combustibles de biomasa, la humedad relativa, 9 es el factor más crítico, pues determina la energía que se puede obtener por medio de la combustión. Cuando se quema la biomasa, primero se necesita evaporar el agua antes de que el calor esté disponible. El valor de la humedad se expresa en base seca o en base húmeda,10 el valor en base húmeda siempre es más bajo que en base seca. En la figura 3.16 se muestra el valor calorífico en función de la humedad relativa.

3.4.3.2 Biocombustibles

Los biocombustibles “son cualquiera de los combustibles sólidos, líquidos o gaseosos que se derivan de los materiales orgánicos que forman parte de la biomasa”.11 Tradicionalmente, la energía de la biomasa se ha utilizado en forma de leña para calentar y cocinar en el hogar. Actualmente existen tecnologías para su conversión energética en productos de más valor, como es la combustión, gasificación o pirolisis en la que se generan aceites y otros subproductos que también pueden comercializarse.12
Últimamente se considera la posibilidad de recurrir a los denominados cultivos energéticos13 como fuentes de energía, aprovechando las tierras marginales (tierras no aptas para el cultivo agrícola) y no solamente la obtención de un balance de CO2 nulo.
Según las condiciones climáticas y de suelos disponibles, los cultivos energéticos más comunes pueden ser madera para quemar, plantas para hacerlas fermentar para obtener bioetanol y metanol; y cultivos de semillas ricas en aceites, como la soja, el girasol, el coco, la colza o la palma, que últimamente se han comercializado como combustibles para vehículos con el nombre de biodiesel. 14
En los cultivos energéticos es de importancia relevante tener una idea de la cantidad de energía que se puede generar por hectárea de terreno y de cómo se puede optimizar el rendimiento, así mismo el tipo de clima, la naturaleza del suelo, el agua disponible, de los nutrientes y de que la planta elegida como cultivo energético sea la adecuada para el tipo de suelo.15

La biomasa desempeña un papel primordial en el mantenimiento de la atmósfera, en la prevención de la erosión de los suelos, en la conservación de la diversidad de las especies y en el equilibrio de los sistemas ecológicos; de tal forma que sólo serían sostenibles y aceptables aquellos esquemas de explotación de biomasa que respeten mencionados equilibrios y además tener en cuenta la contribución que hace la biomasa a la alimentación de los seres humano y animales y a la construcción, la fabricación de papel, etc., y no solamente enfocarse a la generación de energía por medio de los cultivos energéticos.16
La Conferencia de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente y el Desarrollo (UNCED por sus siglas en inglés), ha estimado que hacia la mitad del presente siglo la biomasa podría aportar al consumo de energía humano alrededor de 200 Ej,17 la mitad del consumo actual mundial en energía primaria. En la tabla 3.23, se listan las diferentes formas de biomasa y su posible aportación energética a la cifra anterior. La UNCED estima de que, en todo el mundo, podrían existir alrededor de 2,000 millones de tierras no utilizadas, las cuales podrían ser productivas para la obtención de alimentos y para la producción de energía a partir de biomasa. En Latinoamérica podría haber 150 millones de hectáreas de tierras degradadas, que podrían reforestarse y hasta 100 millones de hectáreas en África, si se realizaran plantaciones de biomasa en esas regiones con una productividad de 300 Gj Ha-1 año-1, se podrían alcanzar producciones anuales de energía de 47 Ej en Latinoamérica y de 31 Ej en África, convirtiendo a esas regiones en exportadores de biocombustibles. 18

Los biocombustibles se clasifican de acuerdo a su estado físico, según el origen, su uso final y según el proceso de conversión19 , como se muestra en la tabla 3.25.

a) Las próximas Generaciones de Biocombustibles y sus Materias Primas

El proceso de emergencia y configuración de la cadena mundial de biocombustibles se caracteriza por un muy alto dinamismo en materia de investigación, desarrollo tecnológico e innovación. 20 Los principales jugadores del mercado mundial, con Estados Unidos, la UE y Brasil a la cabeza, están invirtiendo significativos presupuestos en I&D, tanto a nivel público como privado, en el marco de amplias   plataformas de investigación y desarrollo, multidisciplinarias e integradas, en donde confluyen la botánica, la I&D agrícola, la ingeniería genética, la biotecnología, la biología sintética y la ciencia y tecnología industrial. Considerando tanto a la materia prima utilizada como a la tecnología de conversión, los biocombustibles pueden clasificarse en las siguientes generaciones:21

  • Biocombustibles de primera generación: constituyen la generación actual de biocombustibles, basados en la utilización de materias primas que también tienen usos alimentarios (maíz, caña de azúcar, remolacha azucarera, soja, palma, etc.) y tecnologías sencillas de fermentación (bioetanol) y transesterificación (biodiesel). 22
  • Biocombustibles de generación 1,5:abarca a los biocombustibles producidos con las tecnologías convencionales y con materias primas menos sensibles a la competencia con la producción de alimentos. Entre estas materias primas se encuentran diversas especies arbustivas o arbóreas perennes y otras alternativas con potencial para desarrollarse en zonas áridas o semiáridas y tierras marginales, degradadas o abandonadas, tales como el ricino, la jatropha, el cardo, el sorgo dulce, el topinambur, entre otros. El ricino constituye la alternativa más avanzada en cuanto a desarrollo agrícola dada la experiencia vigente en la producción de su aceite, mientras que el resto se encuentra en fases avanzadas de investigación y desarrollo para su producción a escala comercial.
  • Biocombustibles de segunda generación:representan un cambio en la tecnología de conversión que permite reemplazar los azúcares, el almidón y los aceites de las materias primas utilizadas por la primera generación, por diversas formas de biomasa lignocelulósica (residuos agrícolas y forestales primarios y secundarios, hierbas perennes, árboles de crecimiento rápido, etc.). La conversión de biomasa lignocelulósica en biocombustibles da lugar a la obtención de bioetanol celulósico, biocombustibles sintéticos y bio-oil. Los biocombustibles de segunda generación, dejarían atrás el dilema biocombustibles vs alimentos. 23
  • Biocombustibles de tercera generación:esta generación se basa en la utilización de cultivos energéticos especialmente diseñados o adaptados (a través de técnicas avanzadas de genética molecular, genómica y el diseño tradicional de cultivos transgénicos, etc.), a los efectos de obtener materias primas más eficientes para la conversión en biocombustibles y bioproductos. La biotecnología y el campo emergente de la biología sintética resultarán fundamentales para el desarrollo de los biocombustibles de tercera generación, que representarían balances energéticos y ambientales altamente positivos y una coexistencia factible con la producción de alimentos. 24 Las algas cuentan con un pequeña huella ecológica (no necesita mucha tierra y agua), y puede consumir dióxido de carbono como fertilizante. Se cultiva en un sistema de bucle cerrado (closed loop system), todos los factores de entrada pueden ser ajustados y controlados. Esto hace a la alga potencialmente únicas (capaz de ser cultivada en cualquier lugar) y la materia prima para biocombustibles  altamente escalable. Las algas como materia prima para biocombustibles resuelven los problemas de alimentos vs combustible, el problema de la tierra, la huella ecológica y el problema de escalabilidad; y además las algas se alimentan de CO2.
  • Biocombustibles de cuarta generación: representarían un avance revolucionario en la mitigación del cambio climático al incorporar el concepto de bioenergía con balance negativo de carbono. 25 Estos desarrollos implican una evolución incremental de la tercera generación, a partir de la obtención de materias primas especialmente diseñadas para la captura de grandes cantidades de CO2.26
b) Procesos empleados para extraer Energía de la Biomasa

Los métodos que se utilizan para extraer energía de la biomasa son:27

  • Combustión directa de biomasa vegetal o primaria (es un proceso poco eficiente).
  • Combustión tras un proceso físico simple de selección y separación (astillado, compresión y secado al aire).
  • Procesado termoquímico (procesos como la pirolisis, gasificación y licuefacción).
  • Procesado bioquímico (proceso promovido por bacterias como la digestión anaerobia y la fermentación para la producción de combustibles gaseosos o líquidos de mayor grado, estabilidad y densidad energética).
  • Combustión directa

El proceso de combustión directa de biomasa vegetal o primarias suele ser un proceso poco eficiente y tiene lugar en dos etapas, en las que se queman los dos tipos de combustibles que forman parte de un combustible sólido.28 Por una parte existen materiales volátiles, que se emiten en forma de una mezcla de vapores o de aceites y alquitranes vaporizados al elevarse la temperatura del combustible y que dan lugar a los súbitos avivamientos de la llama al quemar la madera o carbón; el sólido restante está compuesto por carbonilla y materia inerte. La carbonilla es carbón que se quema produciendo CO2 y de la materia inerte quedan escorias y cenizas. 29

  • Pirolisis y gasificación

La pirolisis “es la descomposición fisicoquímica de la materia orgánica bajo la acción del calor y en ausencia de un medio oxidante”,30 es el método tradicional de obtención de carbón vegetal, las materias primas más adecuadas son la madera y la basura.
Los productos de la pirolisis son gases, vapores, líquidos, aceites y carbonilla. En algunos casos se utiliza la pirolisis en la obtención de combustibles líquidos y es necesario trabajar en ausencia total de oxígeno y a altas temperaturas del rango de 250°C a 600°C. Al inicio se forma el vapor piroleñoso (mezcla de hidrógeno, CO, CO2 e hidrocarburos), después se forman compuestos líquidos (aceites, alcoholes y ácidos), y finalmente queda un residuo sólido denominado coque, que está compuesto de alquitrán, carbón y cenizas. 31
Los residuos forestales y agrícolas y los residuos sólidos urbanos (RSU) o basura, son sometidos al proceso de pirolisis.
La pirolisis convencional es una tecnología menos contaminante que otras técnicas de extracción y tratamiento de combustibles de biomasa, esta técnica ha sido usada en plantas de tratamiento de plásticos o de neumáticos usados.32
Si se quiere producir productos en su mayor parte gaseosos, al proceso se le denomina gasificación. La figura 3.20 muestra un esquema de proceso de gasificación simple que partiendo de carbón, conduce al denominado gas de ciudad.33

Procesos más complejos, aplicados al carbón como material de partida, produce el denominado gas de síntesis.

El gas de síntesis se puede utilizar en la generación de metano o de metanol, de acuerdo  con las reacciones globales siguientes:

2 CO + 2 H2                 CH4 + CO2
CO + 2 H2                    CH3OH

El metanol es líquido a la temperatura ordinaria y presenta una densidad de energía de 23 Gj ton-1. La reacción global de formación de metanol a partir de gas de síntesis es la suma de una serie de procesos químicos, en las que se requiere alcanzar elevadas presiones (150 atm) y temperaturas del orden de 330°C y trabajar en presencia de catalizadores, en plantas de tratamientos que requieren inversiones cuantiosas. 34

  • Proceso Bioquímico de la Biomasa

Otra forma de obtener combustibles a partir de biomasa vegetal o primaria es someterla a tratamientos bioquímicos como la fermentación alcohólica, la digestión anaeróbica y la biofotolisis.35

  • La fermentación alcohólica es un proceso biológico anaeróbico mediante el cual los azúcares contenidos en la biomasa se convierten en alcohol etílico por intermedio de la levadura o de ciertas bacterias.

La fermentación consiste en la producción de alcohol por la acción de levaduras que descomponen la glucosa proveniente de materias azucaradas o amiláceas en dos moléculas de etanol y desprendimiento de CO2.

C6H12O6                 2 CH3CH2OH + 2 CO2

El proceso global consiste de tres etapas: pretratamiento, fermentación y separación del alcohol. 36
Los métodos de pretratamiento e hidrólisis extraen azúcares al convertir los almidones y la celulosa en glucosa y eliminando partículas sólidas. El proceso de hidrólisis puede ser químico (hidrólisis ácida) o enzimático (hidrólisis de enzimas).
Las concentraciones de etanol obtenidas de la fermentación son del orden de 15% en volumen. Si se desea etanol puro o más concentrado se requiere un tercer paso de destilación que requiere cantidades importantes de energía. 37
El contenido energético del etano es 30Mj kg-1 y su índice de octano varía entre 89 y 100, por lo que es un combustible idóneo para los motores de combustión interna.38

  • La digestión anaeróbica es un proceso de descomposición de biomasa que se produce en ausencia de aire y que es provocado por microorganismos, similares a las bacterias, denominados archeas. 39 En ciénegas pantanosas, donde se descompone vegetación en el fondo, se genera el proceso denominado gas de los pantanos (metano), y también es responsable de la producción de metano que se observa en los cultivos de arroz.

La descomposición anaeróbica de estiércol de origen animal y de basuras domésticas enterradas produce el denominado biogás (mezcla de metano y dióxido de carbono con nitrógeno), se produce  a partir de residuos generados en explotaciones ganaderas intensivas con alta concentración de ganado. Los residuos sólidos urbanos (RSU) contienen una fracción orgánica que puede ser sometida a digestión anaerobia en biorreactores, para producir biogás. También se puede producir biogás a partir de los lodos de las aguas residuales urbanas y las cantidades generadas pueden ser importantes en ciudades de más de cien mil habitantes. 40

La biofotolisis es la producción de hidrógeno por medio de organismos vivos como las algas y las cianobacterias. 41 La producción de biocombustibles a partir de microalgas es la mejor alternativa ecológica frente a la producción de combustibles fósiles. A pesar del beneficio ecológico, siempre existe un porcentaje de emisiones de carbono (CO2) que no se recupera con el secuestro de carbono por parte de las microalgas. El hidrógeno es un gas combustible 100% ecológico (su combustión produce vapor de agua) que también puede ser producido biológicamente por diversos microrganismos y utilizando distintas vías metabólicas. Así entonces, la producción biológica de hidrógeno se realiza en diferentes biorreactores según sea el bioproceso metabólico realizado y el tipo de microrganismo utilizado. 42
Existen cuatro bioprocesos metabólicos por los que puede producirse biológicamente el hidrógeno:

  •  Biofotólisis del agua (Directa e Indirecta)
  • Fotofermentación
  • Water-shift reaction biológica
  • Fermentación oscura

3.4.3.3 Cultivos Energéticos

En los últimos años se han venido utilizando tierras dedicadas tradicionalmente a cultivos agrícolas (las cuales han dejado de ser rentables) en la plantación de cultivos energéticos.43 Estos cultivos tienen que tener una productividad elevada y poder ser trabajados con maquinaria agrícola convencional y no degradar el suelo, su balance energético debe ser positivo y deben permitir una recuperación de las tierras después de finalizados. 44
Estos cultivos contribuyen a una mejora de la fijación de CO2 de la atmósfera, a una protección del suelo contra la erosión y a incrementar su contenido en materia orgánica.
El cultivo más extendido en el mundo es la caña de azúcar para obtener etanol, pero también es posible extraer etanol de otros tipos de cultivos como el sorgo, la soja y el trigo entre otros.

3.4.3.4 Biocarburantes

Los biocarburantes “son combustibles líquidos que se obtienen de diferentes transformaciones de materia vegetal y animal, que pueden ser utilizados para sustituir a los combustibles fósiles en motores de combustión interna”. 45 Los biocarburantes más importantes son el bioetanol y el biodiesel. Algunas semillas de oleaginosas, producen aceites vegetales (ésteres de la glicerina con ácidos grasos), que se comportan en forma similar a los hidrocarburos en cuanto a su uso en motores de combustión interna. Los aceites vegetales presentan contenidos de energía entre 37 y 30 Gj ton-1, similares al del gasóleo (o diésel) que es de 42 Gj ton-1 y superiores al del etanol (30 Gj ton-1). Las mezclas con elevados contenidos en aceite vegetal pueden provocar obstrucciones en los inyectores y depositarse en determinadas partes del motor, debido a su elevada viscosidad. Para disminuir la viscosidad de los aceites vegetales se les somete a un proceso de hidrólisis catalizado por una base como KOH, con lo cual se obtienen ácidos grasos y glicerina. Los ácidos grasos son sometidos a un proceso de esterificación con metanol, con lo que se obtiene los ésteres metílicos, que son menos viscosos y se queman mejor en los motores de explosión convencionales.46 Estos ésteres metílicos son los que forman el biodiesel, en la figura 3.24, se muestra simplificado del proceso en la elaboración del biodiesel.

Los biocarburantes presentan una serie de ventajas entre las que se pueden mencionar las siguientes: 47

  • Ofrecen nuevas actividades al sector agrícola
  • Permiten mantener la actividad de sectores industriales relacionados con la producción de productos agrícolas, como las industrias de fertilizantes, maquinaria agrícola, o producción de semillas.
  • Crean puestos de trabajos en el sector agrario y en industrias relacionados con el mismo.
  • Reducen el ritmo de emisiones de CO2.
  • Reducen las emisiones de Pb de las gasolinas y de otros productos tóxicos, así como de derivados de azufre.
  • Reducen parte de la dependencia energética externa, al ser sustitutivos de los hidrocarburos.

1 Op. cit. Energías renovables, p. 218.

2 Op. cit. Ciencia ambiental- Desarrollo sostenible Un enfoque integral., p. 229.

3 Fotosíntesis, es el proceso químico que realizan las plantas verdes para producir con la energía del sol glucosa a partir de agua y dióxido de carbono. Se libera oxígeno como subproducto.

4 Blanca Elena Jiménez, La Contaminación Ambiental en México, México, D.F., Editorial Limusa S.A. de C.V., 2002, p. 817.

5 Densidad de energía es la cantidad de energía contenida en la unidad de masa del combustible como metano, etanol o carbón de madera.

6 BUN-CA, Manual de Biomasa [en línea]: Recursos en línea de BUN-CA, [San José, Costa Rica] < http://www.bun-ca.org/publicaciones/BIOMASA.pdf> [Consulta: 27 enero, 2014].

7 Ibid

8 El valor calorífico bruto es la cantidad total de energía que se liberaría vía combustión, dividido por el peso. El neto es la cantidad de energía disponible después de la evaporación del agua en la biomasa.

9 Humedad relativa es la cantidad de agua presente en la biomasa, expresada como un porcentaje del peso.

10 El valor de la humedad en base seca es la fracción del peso de agua dentro de la biomasa y el peso total del material, y el contenido de humedad en base húmeda es la fracción del peso del agua dentro de la biomasa y el peso total del material.

11 Op. cit. Energías Renovables., p.222.

12 Thoma Ulrich, Gabriela Dominguez et al, De lo Insostenible a lo Sustentable-Propuestas básicas, indicadores y casos de éxito para tomar decisiones sustentables en México, México,  Grupo Editorial y de Investigación Polaris, S.A. de C.V., 2013, p. 206.

13 Cultivos energéticos son plantas que se cultivan con la finalidad específica de que sirvan como fuente de energía.

14 Op. cit. Energías Renovables, p.245.

15 Ídem, pp. 246-247.

16 Op. cit. Energías Renovables, p. 48

17 Un Ej (exajoule) equivale a 1018 joules.

18 Op. cit. Energías Renovables, pp. 248-249.

19 Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura, Manual de Biocombustibles [en línea]: Recursos en Línea de Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura, [San José Costa Rica],<1http://www.iica.int/Esp/Programas/Innovacion/Publicaciones_TeI/B2223E.pdf> [Consulta: 14 de febrero, 2014].

20Ibid

21 Op.cit. Manual de Biocombustibles

22 Ibid.

23 Ibid.

24 Ibid.

25 El balance negativo de carbono significa que el dióxido de carbono liberado durante la producción y utilización del biocombustible es menor que el capturado o consumido durante el cultivo de la materia prima y la producción del biocombustible. En este caso se superaría incluso el desempeño de otras energías renovables, como la solar y la eólica, que generan energía neutral en carbono.

26 Op. cit. Manual de biocombustibles.

27 Op. cit. Energías renovables, p. 249.

28 OP. cit. Energías renovables, p. 252.

29 Ibid.

30 Op.cit. La Contaminación Ambiental en México, p. 831.

31 Op. cit. Energías renovables, p. 253.

32 Op. cit. Energías Renovables, p. 254.

33 Op.cit. Energías Renovables, p. 256.

34 Op. cit. Energías Renovables, p. 258.

35 Ibid.

36 Op. cit., La contaminación Ambiental en México, p. 827.

37 Ibid.

38 Op. cit. Energías Renovables, p. 258

39 Op. cit. Energías Renovables, p. 263.

40 Op. cit. Energías Renovalbes, p. 264.

41 Op. cit. Energías Renovables, p. 276.

42 Reinhardt Acuña, Producción biotecnológica de hidrogeno y uso de biorreactores. Recuperado de < http://bioreactorcrc.wordpress.com/2012/03/25/produccin-biotecnolgica-de-hidrgeno-y-uso-de-foto-bioreactores/> [Consulta: 3 febrero, 2014].

43 Cultivos energéticos son cultivos destinados específicamente a la producción de materiales combustibles.

44 Op. cit. Energías Renovables, p. 276.

45 Op. cit. Energías Renovables, p. 280.

46 Ibid.

47 Op. cit. Energías renovables, p. 284.