ANDRÉS MORATO, DANIEL SERRANO, SERGIO SÁNCHEZ-DELGADO, A. SORIA-VERDUGODEPARTAMENTO DE INGENIERÍA TÉRMICA Y DE FLUIDOS, UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

biomasa

Aprovechamiento energético de Cynara Cardunculus L. (Cardo común) en reactor de lecho fluidizado

El artículo analiza una tecnología, cada vez más desarrollada, basada en la transformación termoquímica de la biomasa como fuente de energía térmica.

Según el Banco Mundial, en los últi-mos 4 años se puede observar un crecimiento medio anual del Pro-

ducto Interior Bruto mundial que asciende a un 2,85%, siendo la media de la Unión Europea el 0,9%. Dentro de esta informa-ción, se ha de prestar especial atención a cuatro economías emergentes como Chi-na, India, Brasil y Pakistán, que están cre-ciendo a un ritmo medio anual del 17,5%, 6,65%, 3,32% y 3,1%, respectivamente. A este dato se ha de añadir que estos cua-tro países representan aproximadamente el 42,1% de la población mundial, que asciende a un total de aproximadamente 7500 millones de habitantes. Estos datos hacen pensar que casi la mitad de la po-blación mundial está siendo protagonista de un aumento de su desarrollo industrial y por lo tanto de un gran consumo energé-tico necesario para el crecimiento de estas economías emergentes.

Si a este escenario se suman los cono-cidos inconvenientes del empleo de com-bustibles fósiles como fuente mayoritaria de energía, se hace necesario abrir nuevas vías de generación de energía basadas en el carácter renovable y en la reducción de la contaminación medioambiental asocia-da a dicha generación. Para ello existen ya muchas iniciativas industriales, incluso algunas ya forman parte real del mercado eléctrico mundial, con las que contribuir a cubrir las demandas energéticas en conti-nuo crecimiento sin suponer un perjuicio ni para el medio ambiente ni para el ser humano. Entre estas fuentes renovables de energía destacan por su contribución a la generación eléctrica la energía eólica, la solar fotovoltaica y la solar termoeléctrica. Mediante el presente artículo se preten-

de analizar una tecnología, cada vez más desarrollada, basada en la transformación termoquímica de la biomasa como fuente de energía térmica.

La Real Academia Española de la Lengua define el término biomasa como “materia orgánica originada en un proceso bioló-gico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía”, por lo tanto, muchas son las sustancias susceptibles de ser consideradas como biomasa en fun-ción de sus diferentes orígenes. Del mis-mo modo, existen diversos procesos apli-cables para transformar distintos tipos de biomasa en otras fuentes de energía (tér-mica, eléctrica, mecánica). Si centramos nuestra atención, dentro de los diferentes orígenes de la biomasa, en los cultivos energéticos, podemos realizar una prime-ra calificación en tres tipos: oleaginosos (empleados en la producción de biodie-sel), alcoholígenos (empleados en la pro-ducción de bioetanol) y los cultivos ligno-celulósicos (empleados en la producción de combustibles sólidos y/o bioetanol). Dentro de los cultivos energéticos ligno-celulósicos destaca el cultivo Cynara Car-

dunculus L. o cardo común, como fuente de energía térmica renovable, dado que se considera que la emisión de CO2 a la atmósfera en cualquier proceso de trans-formación termoquímica es equivalente al consumido por la planta en su proceso de crecimiento.

La variedad Cynara Cardunculus L. se presenta como una especie perenne, con un alto grado de adaptabilidad a zonas áridas dentro del clima mediterráneo, necesitando muy poco abastecimiento hídrico y teniendo en condiciones nor-males de crecimiento una producción de unas 12 toneladas de masa seca por hectárea, pudiendo además producir en torno a 2 toneladas por hectárea de se-millas con alto contenido en aceite, sus-ceptible de ser transformado en biodiésel. El poder calorífico inferior de este cultivo energético (considerando la planta ente-ra) es ligeramente inferior al del carbón, pudiendo alcanzar valores de 15-16 MJ/kg. Además el cardo cuenta con un con-tenido en materia volátil en torno al 75%, valor sensiblemente superior al correspon-diente al carbón, que favorece el proceso de transformación termoquímica de este tipo de biomasa. Sin embargo, cuenta también con una alta concentración de alcalinos en su estructura, siendo mayo-ritaria la presencia de sodio (Na) y potasio (K), pudiéndose alcanzar concentraciones de aproximadamente 170 mg y 400 mg respectivamente por cada 100 gr de car-do. El poder calorífico y el contenido en materia volátil hacen que el cardo se pre-sente como un cultivo energético adecua-do para su transformación termoquímica, sin embargo, el elevado contenido en al-calinos hace que se deba prestar especial

Mediante mecanismos de transformación

adecuados, se pretende convertir

la energía química del combustible en

energía térmica

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atención al proceso de transformación de este tipo de biomasa.

Mediante mecanismos de transformación adecuados, se pretende convertir la ener-gía química del combustible en energía térmica, a estos procesos se les denomina procesos de transformación termoquímica, siendo los más comunes la pirólisis, la com-bustión y la gasificación. Todos ellos son procesos en los que se produce el contac-to entre biomasa y una corriente de gas a elevada temperatura, diferenciándose entre ellos en función de la cantidad de agente oxidante (O2) presente en la corriente de gas. El proceso de pirolización se produce en ausencia de O2, obteniendo un resi-duo carbonoso (char), gases condensables y productos gaseosos susceptibles de ser quemados en otro sistema. Por otro lado, en la gasificación el O2 está presente en la corriente de gas, pero en un porcen-taje sustancialmente menor al necesario para producir la combustión completa del combustible, obteniendo una corriente de gas combustible (fundamentalmente hi-drógeno, H2, monóxido de carbono, CO, y metano, CH4) con alto poder calorífico. Por último, la combustión se realiza con un contenido en O2 en la corriente de gas suficiente para oxidar todos los átomos de carbono del combustible para producir dió-xido de carbono, CO2, y todos los átomos de hidrógeno para producir agua, produ-ciendo la oxidación completa de la biomasa y obteniendo una gran cantidad de energía térmica, una corriente de gases de escape y un residuo incombustible o cenizas. Debi-do al carácter lignocelulósico de la Cynara Cardunculus L. se opta por la gasificación de la misma como método más eficiente de aprovechamiento energético del cultivo, ya

que se puede obtener un gas combustible convertible posteriormente en un motor térmico con una alta eficiencia asociada.

Desde el punto de vista de la operación industrial de la gasificación de biomasa, se ha de optar por reactores de operación continua, donde existe un flujo continuo de abastecimiento de biomasa y por lo tanto un flujo continuo de gas combusti-ble producido. Por otro lado, debido a la heterogeneidad de la biomasa en cuanto a composición, granulometría, contenido en humedad, etc, los lechos fluidizados se presentan como un reactor muy adecua-do a la hora de transformar la biomasa. El principio de operación de este tipo de reactores se basa en la inyección de un agente fluidizante (gas) en la parte baja del reactor, estando éste lleno de partícu-las sólidas de pequeño tamaño (fase densa del lecho). Estas partículas están sometidas a una fuerza de empuje debida al gas que las rodea provocando en ellas cierta sus-tentación. En función del exceso de gas introducido las partículas pueden llegar a comportarse como un fluido, producién-dose la aparición de burbujas. Los reacto-res en lecho fluido cuentan fundamental-mente con dos ventajas que los distinguen del resto; por un lado el medio se com-porta como un fluido teniendo grandes coeficientes de mezcla y provocando una homogeneidad de la temperatura en todo el reactor, por otro lado cuentan con una gran capacidad de almacenamiento tér-mico debido a las propiedades sólidas de las partículas que lo componen. Estas dos características hacen que sea un reactor adecuado para la gasificación de biomasa.

Sin embargo, la gasificación de la bio-masa en lecho fluidizado conlleva también

ciertas dificultades. En primer lugar, la co-rriente de gas combustible obtenida de los procesos de gasificación contiene una gran cantidad de alquitranes (tras) que se con-densan con gran facilidad obstruyendo los conductos, intercambiadores, filtros, etc, pudiendo provocar el fallo de la operación de la planta. Estos alquitranes sólo pueden ser eliminados por craqueo térmico o por disolución química. Otro de los problemas de la gasificación de biomasa es el alto contenido en alqualinos, fundamental-mente Na y K. Estos componentes presen-tes en las cenizas de la biomasa, pueden originar compuestos de bajo punto de fusión, provocando no sólo problemas de corrosión sino problemas de operación del reactor por la formación de aglomerados que cambian la granulometría de la fase densa y por lo tanto las condiciones de operación del reactor. Estos efectos adver-sos se pueden controlar con la utilización de agentes catalíticos como fase densa del lecho fluido, tales como la dolomita, sepio-lita, kaolin… Estos agentes catalíticos au-mentan la eficiencia de la conversión y me-joran la operación de la planta. También han de realizarse procesos de renovación de la carga con el fin de retirar del reactor los posibles aglomerados que se forman durante la operación del mismo.

Los procesos de transformación termo-química de biomasa de forma general, y en particular los reactores de biomasa en lecho fluido, cuentan actualmente con un gran interés entre la comunidad científi-ca, habiéndose construido en los últimos años numerosas instalaciones industriales en el mundo. En el caso de los procesos de gasificación del cardo en lecho fluido, se ha analizado en detalle el proceso de conversión en un reactor a escala labora-torio (con un diámetro de 53 mm) en las instalaciones de la universidad Carlos III de Madrid. Se obtuvo un grado de con-versión del cardo en el reactor muy eleva-do empleando sepiolita como fase densa del lecho, debido a la menor densidad de este tipo de material que favorece la circulación del cardo por todo el lecho, reduciendo los problemas derivados de la transformación del combustible. Estos re-sultados preliminares en lechos de escala laboratorio son muy esperanzadores de cara a mejorar los procesos de conversión en reactores industriales 7

Izquierda, Cynara Cardunculus L. Arriba derecha, reactor en lecho fluido. Debajo, pélets de cardo

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