Biomasa

El concepto de biomasa es muy extenso y comprende todo tipo de materia orgánica de origen reciente que haya derivado de animales y vegetales como resultado del proceso de conversión fotosintético directamente (como los vegetales) o indirectamente (por la digestión de los vegetales).

Durante la combustión de la biomasa, esta libera su energía, a menudo en forma de calor, y el carbono se oxida nuevamente pasando a dióxido de carbono para restituir el que fue absorbido durante el crecimiento de la planta. Esencialmente, el uso de la biomasa para la energía es la inversa de la fotosíntesis (proceso por el cual algunos organismos vivos, como las plantas, utilizan la energía solar para convertir los compuestos inorgánicos que asimilan (como el CO2) en compuestos orgánicos).

En todo proceso de conversión energética, un importante factor a considerar es el rendimiento con que éste tiene lugar, es decir, la fracción del total de energía incidente (energía solar) que queda convertida en biomasa. Teniendo en cuenta las reacciones que tienen lugar en la fotosíntesis, se puede obtener el valor teórico del rendimiento fotosintético que resulta ser, aproximadamente, de un 30%. Sin embargo, del total de la radiación solar que llega a la Tierra, sólo algo más del 40% es fotosintéticamente activa; además, sólo el 70% de ésta es absorbida por las hojas, ya que el resto suele ser reflejada, con lo cual, la eficacia máxima teórica del proceso será de alrededor del 8%. Por otra parte, las pérdidas de energía debidas a la respiración de las plantas llevan a un rendimiento máximo teórico de transformación de la energía solar en biomasa que no llega al 5%.
Aunque el rendimiento del proceso de conversión biológica de la energía solar pueda parecer bajo, se ha de considerar que los sistemas vivos que captan y convierten la energía solar se encuentran ampliamente distribuidos sobre tierras y aguas del planeta cubriendo una gran superficie, lo que determina que la cantidad de energía almacenada por fotosíntesis sea inmensa, alrededor de 8,5TW/h x año. Sin embargo, esta cifra, aunque se trate de estimaciones realistas, no debe conducir a un exagerado optimismo, puesto que para el uso de esta cantidad enorme de biomasa como fuente de energía existen varias limitaciones:

• Cerca del 40% de la biomasa que se produce en el mundo es de tipo acuático, localizada en los océanos y, por tanto, de difícil recolección.
• De la biomasa terrestre, gran parte se encuentra muy dispersa, lo que hace que los costes energéticos de recolección y transporte restrinjan el posible aprovechamiento de la biomasa producida en lugares relativamente alejados de los centros de utilización.
• La existencia de grandes zonas sin cultivar, la extensión limitada de las zonas cultivables y el tipo de materias primas energéticas en que la civilización actual basa su funcionamiento, impone ciertos condicionantes tanto a la producción de biomasa aprovechable como al estado en que ésta puede utilizarse.
  En resumen, la energía obtenida de la biomasa es una forma de energía renovable, ya que recicla el carbono y no añade dióxido de carbono al medio ambiente, en contraposición con los combustibles fósiles. De todas las fuentes renovables de energía, la biomasa se diferencia del resto en que almacena energía solar con eficiencia, además de ser la única fuente renovable de carbono que puede ser procesada convenientemente en combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.

Fuentes y tipos de biomasa

Atendiendo a su origen, la biomasa se puede clasificar en:

• Cultivos energéticos. Cultivos implantados con el fin exclusivo de obtener materiales destinados a su aprovechamiento energético como combustibles. Actualmente se obtienen pequeñas cantidades de energía procedentes de esta fuente, aunque están comenzando a emerger poco a poco.
  Los cultivos que pueden ser utilizados como productores de energía deben ser seleccionados de acuerdo a la premisa general de obtener la máxima cantidad posible de energía neta, compatible con las condiciones climáticas y del suelo de cada zona. A continuación se citan una serie de cultivos que se pueden aprovechar con fines energéticos:
  • Cultivos tradicionales. Son aquellos que el ser humano ha venido utilizando desde hace mucho tiempo, no sólo para la producción de alimentos sino también para la obtención de productos de interés industrial. Dentro de los cultivos con carácter energético cabe destacar los siguientes: cereales, caña de azúcar, sorgo dulce, maíz de tallo azucarado, remolacha, mandioca, girasol, plantaciones forestales.
  • Cultivos poco frecuentes. La principal ventaja de estos cultivos sería su posible adaptación a zonas marginales o áreas no aprovechables para fines alimentarios o industriales, con lo que se evitaría la competencia energía-alimentación. Dentro de este tipo de cultivos podemos considerar los cardos, la pataca, las chumberas, agaves, caña de Provenza, pasto elefante, helechos.
  • Cultivos acuáticos. La experiencia actual en la siembra, cuidado y recolección en el mar es mucho más reducida que en tierra, por lo que la explotación de estos cultivos se contempla a un plazo mayor que la de los terrestres. Dentro de los cultivos marinos cabe destacar las algas y las algas unicelulares. Por otro lado, la planta acuática de agua dulce que quizás haya recibido mayor atención en los últimos tiempos es el Jacinto de agua.
  • Cultivo de plantas productoras de combustibles líquidos. Existen plantas que producen sustancias, que con un tratamiento sencillo, pueden ser usadas como combustibles en los motores de combustión interna o diesel. Algunas especies que se podrían utilizar para la producción de energía son la palma africana, la palma babasu, la tabaiba, la joroba, el alga elástica, el joroba, el alga elástica, el menbrillo negro, el tártago, la copaiba, el árbol de caucho, el guayule y el tocuyo.
• Biomasa natural y residual. Consiste en los residuos o subproductos de:
  • Actividades forestales. Están constituidos por ramas, cortezas, virutas, serrín, hojas, tocones y raíces. Se originan en los tratamientos y aprovechamientos de las masas vegetales, tanto para la defensa y mejora de éstas como para la obtención de materias primas para el sector forestal:
    • Madera derivada de operaciones de limpieza y mantenimiento de montes. Los bosques, tanto los que tienen un uso maderero o de otra índole, como los que no son económicamente explotados (áreas protegidas o recreativas), necesitan operaciones periódicas de limpieza y mantenimiento, que mantengan su buena salud y ayuden a evitar sucesos como los incendios forestales. Entre estas operaciones se pueden incluir actividades como la eliminación de árboles dañados o enfermos, el desbroce del exceso de masa vegetal y la creación de cortafuegos. Todas estas actividades generan importantes cantidades de biomasa que podrían ser susceptibles de ser utilizadas como materia prima en biorrefinerías.
    • Residuos derivados de la explotación maderera. El aprovechamiento maderero de la masa arbórea se circunscribe a los troncos de los árboles, quedando el resto de partes la mayoría de las veces desaprovechadas y abandonadas en los mismos lugares en que se generan, a causa de su no rentabilidad. Estos residuos, que corresponden básicamente a la biomasa perteneciente a las copas de los árboles, que incluye ramas de diversos tamaños y calibres y la masa foliar, se obtienen tras las operaciones de corta, saca y transporte a pista . Para mejorar las condiciones de transporte y obtener un producto más manejable y de granulometría homogénea, es necesario realizar tratamientos in situ como el astillado y la compactación.
    • Residuos de industrias de primera y segunda transformación de la madera. Dentro del primer grupo se incluirían los aserraderos e industrias madereras, y dentro del segundo las industrias que utilizan esos productos primarios, como la industria del mueble, de embalajes y auxiliar de la construcción. Los residuos que generan este tipo de industrias constituyen un conjunto de materiales heterogéneos tales como astillas, cortezas, serrín, recortes, cilindros, finos y otros. Su tratamiento y manejo se realiza en las mismas instalaciones donde se producen, existiendo equipos adecuados para ello.
    • Residuos de industrias de pasta de papel y papeleras. En la manufactura de los productos del papel, la madera es convertida en fibra utilizando diversas tecnologías químicas y mecánicas de procesado. La aplicación de la tecnología más frecuente (Kraft pulping) convierte aproximadamente la mitad de la madera en fibra, mientras que la otra mitad se convierte en el denominado licor negro, un subproducto que contiene la fibra de madera no utilizada (rica en lignina) y diversos productos químicos valiosos. Generalmente, estas instalaciones queman el licor negro para producir energía para alimentar parte de sus propias necesidades energéticas. Este licor negro podría utilizarse en la biorrefinería como materia prima para la obtención de productos tales como adhesivos naturales y compuestos aromáticos, y para la producción de gas de síntesis mediante tecnologías de gasificación.
    • Residuos urbanos de madera y celulósicos. Los residuos incluidos en este apartado corresponden a los residuos sólidos urbanos de madera, tales como muebles y desechos de construcción y demolición, y de celulosa, como residuos de papel y cartón.
      La biomasa más estandarizada y popular son los denominados pellets que no son más que residuos procedentes de limpiezas forestales e industrias madereras, que son triturados y convertidos a virutas.
  • Agrícolas o agroalimentarias. En un sentido amplio, la biomasa agrícola es la producida en terrenos de uso agrícola. La mayor parte corresponde a los cultivos dedicados a alimentación humana y animal que, por razones obvias, no puede ser utilizada como materia prima para biorrefinerías, salvo los posibles excedentes generados en ese tipo de cultivos que no puedan ser dedicados para tales fines.
    La biomasa agrícola constituye un conjunto heterogéneo de materiales de naturaleza y composición diversos, entre los que se incluyen almidón, azúcares, celulosa y lignocelulosa, grasas y aceites, proteína y otros. Ello implica que su procesado debe seguir rutas y tecnologías diversas dependientes del tipo de material considerado, cuestión que claramente la diferencia de la biomasa forestal, que presenta una elevada homogeneidad (materiales lignocelulósicos). Sin embargo, este aspecto que, por un lado puede dificultar su manejo y procesado, supone por otro lado una gran ventaja, ya que debe permitir una mayor diversificación de los bioproductos potencialmente obtenibles, en comparación con la biomasa forestal.
    Dentro de la biomasa de origen agrícola se pueden establecer los siguientes grupos:
    • Residuos primarios de cultivos alimentarios. Este apartado hace referencia a los residuos y subproductos vegetales que se obtienen en los cultivos alimentarios y que están formados por aquellas partes de la planta que quedan tras retirar las fracciones de interés alimentario. Se puede distinguir entre residuos leñosos, los procedentes de las podas de olivos, frutales y viñedos, y residuos herbáceos, principalmente la paja de cereales y el cañote de maíz. En ambos casos, su composición es principalmente lignocelulósica, y presentan un marcado carácter estacional. Actualmente, sus usos principales son como forraje para alimentación animal y para fines energéticos, además de la fracción que se deja en los mismos campos de cultivo para favorecer su recuperación y sostenibilidad. Su abundancia y bajo coste hacen de ellos una de las materias primas de biomasa con mayor potencial de aprovechamiento en las futuras biorrefinerías.
    • Hierbas y pastos. En este grupo se incluyen las hierbas, pastos y plantas herbáceas verdes que tradicionalmente se han utilizado como forraje en alimentación animal. También se pueden incluir los cereales en sus fases tempranas, cuando son verdes y aún no han producido el grano. Se componen principalmente de una fracción sólida fibrosa (lignocelulosa) y de otra líquida rica en proteína y pigmentos. Alternativamente se pueden también emplear tras un proceso de fermentación parcial (silage), tras el cual la fracción soluble se enriquece en azúcares, ácidos orgánicos y aminoácidos. Este tipo de biomasa es el que se emplea en la denominada biorrefinería verde.
    • Residuos y subproductos de industrias agroalimentarias. Corresponden a los residuos y subproductos de naturaleza y composición variada que se generan en las industrias de envasado, transformación y elaboración de alimentos. Entre ellas se podrían citar las industrias aceiteras (orujo y alpechín), conserveras (restos de vegetales y frutas), de vinos (raspón, hollejo y semillas de uva), de cereales y derivados (cáscaras), cerveceras (grano y malta residuales), azucareras (melazas), molienda húmeda del maíz (licor de maceración del maíz -corn steep liquor-, germen, gluten), de frutos secos (cáscaras), queserías (lactosuero). Sus usos principales en la actualidad son el compostaje y la aplicación agrícola directa, la alimentación animal y la producción de alcohol.
  • Ganaderos. Proceden de las deyecciones del ganado, fundamentalmente el estiércol y los purines, que pueden utilizarse además de como abono y compostaje, para la generación de biogás.
    Tradicionalmente este tipo de residuos constituían la única fuente de nutrientes para los suelos agrícolas, pero con la aparición de los fertilizantes sintéticos han dejado de utilizarse los estiércoles en gran número de explotaciones. Por ello, en las explotaciones intensivas que no disponen de terrenos suficientes se tiende a recoger las deyecciones en diferentes tipos de depósitos para posteriormente eliminarlas o llevarlas a lugares en que puedan tener alguna utilidad.
    o Industriales. Sólo se consideran de interés los residuos de sectores industriales que puedan generar grandes cantidades de residuos de naturaleza orgánica. Las industrias que se pueden utilizar son las de conservas vegetales, producción de aceites y vinos, y frutos secos.
    o Residuos sólidos urbanos (RSU). Se denominan residuos sólidos urbanos a aquellos materiales generados en los procesos de fabricación, transformación, utilización, consumo o limpieza llevados a cabo en núcleos urbanos, como por ejemplo restos de comida, de jardinería y otros materiales fermentables. Se utilizan en compostaje y para generar biogás.
    El correcto tratamiento de los residuos sólidos urbanos implica dos fases: recogida y transporte, y aprovechamiento o eliminación.
  • Lodos de depuración de aguas residuales. Son residuos producidos en los procesos de depuración de aguas residuales urbanas, y que pueden ser empleados en la generación de biogás para su aprovechamiento energético.
  • Transformación química o biológica de determinadas especies vegetales o de los aceites domésticos usados para convertirlos en biocombustibles (metanol y etanol) y emplearlos como sustitutos o complementos del gasóleo y de la gasolina.
  • Emisiones de gas de vertederos controlados (biogás).

En España, los principales desarrollos en el área de biomasa se han centrado en el uso de residuos industriales, tanto forestales como agrícolas. Respecto a la biomasa forestal, ha sido utilizada tradicionalmente en el sector doméstico mediante sistemas poco eficientes, algo que está cambiando debido a la llegada al mercado, en los últimos años, de sistemas de calefacción y agua caliente modernos, de alta eficiencia y comodidad para el usuario. En cuanto a los residuos agrícolas, todavía no se ha generalizado su uso como biomasa, aunque existen algunos proyectos con paja o podas de olivo.

Procesos de extracción y transformación de los combustibles derivados de la biomasa

La biomasa sólida, tal y como se obtiene en origen, no suele presentar las características adecuadas para su utilización energética directa, por lo que muy frecuentemente es necesario desarrollar un proceso de adecuación o pretratamiento de la misma antes de su uso energético. Los procesos de extracción y transformación de los combustibles derivados de la biomasa son tan variados como las características de cada uno de ellos.
En general, los combustibles que requieren sistemas más complejos son los residuos derivados de las actividades forestales y agrícolas, y entre éstas últimas los de cultivos leñosos. Para su recolección se emplean una serie de trabajos que empiezan con la extracción de las zonas donde se encuentran, en muchos casos con grandes pendientes u otros impedimentos geográficos; siguen con el astillado o con el empaquetado y continúan con su transporte a plantas de transformación; su secado, natural o forzado, para eliminar al máximo el grado de humedad; y su adecuación para el consumo ya sea mediante un nuevo astillado o molturado, una peletización u otros procesos. Todo este proceso requiere de una maquinaria específica como tractores (forestales o agrícolas), autocargadores, astilladoras, empaquetadoras, camiones y, ya en las plantas de tratamiento, equipos de triturado (astilladoras fijas), molienda, secado y peletizado. Las plantas de tratamiento de biomasa no sólo reciben biomasa forestal o agrícola sino que también obtienen su materia prima de industrias forestales o agrícolas.
Respecto a los residuos de industrias forestales, estas plantas utilizan principalmente los procedentes de industrias de primera transformación de la madera, entre las que se encuentran los aserraderos. Las industrias de segunda transformación, como las del tablero y el mueble, aprovechan generalmente sus residuos como combustibles para autoabastecerse de calor y, en ocasiones, producir energía eléctrica, por tanto no necesitan enviarlo a plantas de tratamiento. Algo parecido ocurre con algunas industrias agrícolas o agroalimentarias, que aprovechan sus propios residuos como combustibles. Es el caso del orujillo derivado de la extracción de aceite de orujo de oliva; de la cascarilla de arroz de las maicerías; de la cáscara de piñón en la elaboración de frutos secos; o de los huesos de frutas de la industria conservera. Aquellos residuos que no son utilizados en estas fábricas entran en el mercado de los biocombustibles y son comercializados por empresas de almacenamiento y distribución que deben procurar que la biomasa no pierda sus propiedades. Para ello es necesario evitar la fermentación y la autocombustión en su almacenamiento, siendo necesario, en muchas ocasiones, utilizar sistemas de secado, astillado o peletizado / briquetado. Una vez obtenido el biocombustible resulta esencial seguir unas normas específicas para su caracterización, exigible no sólo por las diferencias entre ellos sino también con los combustibles de origen fósil (carbón, coque, gas natural, petróleo). Dentro de AENOR existe un comité técnico dedicado a la elaboración y publicación de normas que permiten caracterizar los biocombustibles sólidos españoles. Esta caracterización dará fiabilidad a la calidad de estos biocombustibles, permitirá establecer su precio en el mercado y definir su comportamiento en los procesos de conversión energética, indispensable para optimizar el diseño de los equipos energéticos y definir sus especificaciones técnicas.
Una de las principales características de un biocombustible sólido es su poder calorífico, tanto superior como inferior. El poder calorífico superior (PCS) se define como la energía liberada cuando una masa unitaria de biocombustible se quema con oxígeno en una bomba calorimétrica en condiciones normalizadas. Este PCS, obtenido en laboratorios especializados, permite conocer la energía contenida en la biomasa estudiada incluyendo aquella que se consumirá al evaporar el agua producida en la combustión. Por otra parte, a la energía que se obtiene una vez evaporada el agua producida en la combustión se la denomina poder calorífico inferior (PCI) y es necesario utilizar fórmulas empíricas para su determinación a partir del PCS. La determinación de la humedad de la biomasa es fundamental ya que influye en la disminución del poder calorífico y en el aumento del consumo de combustible.

Procesos y tecnologías de transformación de la biomasa

La baja densidad física y energética de gran parte de la biomasa, tal como se recupera de los residuos o se recolecta directamente del terreno, así como su contenido en humedad, determinan que en la mayoría de los casos no sea adecuada como tal para reemplazar a los combustibles fósiles. Se hace necesaria, pues, la transformación previa de la biomasa en combustibles de mayor densidad energética y física, contándose para ello básicamente con dos procedimientos:

1. Procesos termoquímicos. Se basan en someter la biomasa a la acción de altas temperaturas, en condiciones variables de oxidación. Pueden subdividirse en tres amplias categorías, dependiendo de que el calentamiento se lleve a cabo con:
   • Exceso de oxígeno - Combustión. La combustión es la forma más común de aprovechar la biomasa para producción de energía. Esta presenta sus particularidades dependiendo de si se realiza en el ámbito doméstico y residencial, en las industrias productoras del residuo o en centrales térmicas exclusivas. La gran diferencia, sin embargo, radica en el uso final de la energía producida, ya que el sistema variará si se trata de aplicaciones térmicas, para generar calor y agua caliente sanitaria, o eléctricas, para generar electricidad. En general los equipos que existen en el mercado permiten unos rendimientos de combustión que pueden alcanzar el 85% de media si cuentan con sistemas de recuperación de calor.
   • En presencia de cantidades limitadas de oxígeno - Gasificación. La gasificación es un proceso térmico que permite la conversión de un combustible sólido, tal como la biomasa en un combustible gaseoso, mediante un proceso de oxidación parcial a elevada temperatura. Se trata de un sistema más eficiente y avanzado que el de la combustión.
   • En ausencia de oxígeno - Pirolisis. Es la descomposición química de materia orgánica causada por el calentamiento en ausencia de oxígeno u otros reactivos.
2. Procesos bioquímicos. Son aquellos que se llevan a cabo mediante diversos tipos de microoganismos, ya sean contenidos en la biomasa original o añadidos durante el proceso. Estos microoganismos producen la degradación de las moléculas complejas que forman parte de la biomasa a compuestos más simples, de alta densidad energética. Se utilizan, fundamentalmente, para tratar biomasa natural o residual de alto contenido en humedad, siendo los más empleados:
   • Fermentación alcohólica. (denominada también como fermentación del etanol o incluso fermentación etílica) es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de oxígeno (O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya fórmula química es: CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico.
   • Digestión anaerobia. Se trata de una fermentación microbiana en rigurosas condiciones de ausencia de oxígeno (O2) que da lugar a una mezcla de productos gaseosos conocida como biogás y a una suspensión acuosa de productos sólidos.

Aplicaciones de la biomasa

La gran variedad de biomasas existentes unida al desarrollo de distintas tecnologías de transformación de ésta en energía, permiten plantear una gran cantidad de posibles aplicaciones entre las que destacan:

1. Producción Térmica. Es la forma convencional de aprovechar la biomasa natural y residual, a través de la combustión de la misma. Podemos encontrarnos desde calderas o estufas individuales, a calderas diseñadas para un bloque o edificio de viviendas, “District heating”, o usos industriales. Casi siempre se utilizan los productos de combustión directa, aunque en ocasiones también se emplea biogás.
   • Refrigeración. Podemos producir frio a partir de calderas o estufas de biomasa. De este modo, es posible utilizar la instalación durante todo el año para lograr la máxima rentabilidad del sistema.
2. Producción eléctrica.
   • Cogeneración. La cogeneración no es una tecnología sino un concepto de producción eficiente de energía, esta aprovecha una parte importante de la energía térmica en forma de vapor que normalmente se disiparía en la atmósfera, ya que es un procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil
   • Biogás. El biogás es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la acción de microorganismos, (bacterias metanogénicas, etc...), y otros factores, en ausencia de aire (esto es, en un ambiente anaeróbico). Cuando la materia orgánica se descompone en ausencia de oxígeno, actúa este tipo de bacterias, generando biogás.
3. Transporte. Quizá es la aplicación con mayores tasas de dependencia de los derivados del petróleo. Por eso los biocombustibles de origen vegetal tienen un interés estratégico, ante la vulnerabilidad del abastecimiento y la previsible subida progresiva de los precios, como se está viendo actualmente. Aunque el subsector está poco desarrollado, en general, España cuenta con capacidad técnica y recursos para desarrollarlo. Dado que la demanda potencial es muy elevada y la capacidad productora también, se perfila como un mercado de gran interés de futuro.
   • Biocarburantes. La producción de biocombustibles tales como el etanol y el biodiesel tienen el potencial de sustituir cantidades significativas de combustibles fósiles en diferentes aplicaciones.
4. Industria Química. El 75% de la biomasa está compuesta por hidratos de carbono y el 20% por la lignina contenida en los materiales lignocelulósicos, no es pues de extrañar que la mayor parte de los bioproductos químicos se deriven de estos dos componentes (ej. Monosacáridos, disacáridos, polosacáridos, tales como la sacarosa, la D-glucosa y la lactosa; etanol; furtural; D-sorbitol; Ácido láctico; Tensioactivos, Almidón; Celulosa; Quitosano; …). La biomasa tiene inmensas posibilidades como materia prima base sobre la que sustentar una Industria Química Orgánica alternativa a la derivada de los combustibles fósiles.