Uso de biomasa para la generación de energía en centrales térmicas

Uso de la biomasa para la generación de energía eléctrica en  centrales térmicas en Argentina      La  competitividad  del  sector  agroindustrial,  el  conocimiento  técnico y la abundancia de tierras  cultivables  hacen  de  la  Argentina un país con un alto potencial en la generación de biomasa. El  presente  trabajo  explora  la  posibilidad  de  combinar  estos  factores   para  brindar  una  solución  conjunta  a  dos  problemáticas:  la  mitigación  de  las  emisiones de gases de efecto invernadero y  el autoabastecimiento energético.  El  objetivo es desarrollar un modelo de  aplicación de la biomasa para la generación de energía  eléctrica  que  sea  a  la  vez  viable  económicamente  y  sustentable  desde  el  punto  de  vista  ambiental.  Contexto actual de la energía de biomasa  En  la  Argentina  y  en  el  mundo, la discusión sobre el cambio climático está latente y el impacto  que  puede  tener  el  uso  de  fuentes  de  energía  renovables  cobra  especial  importancia.  En  este  marco, como principales iniciativas en materia de políticas públicas podemos mencionar:  ● PROBIOMASA  (Proyecto  para  la  promoción   de  la  energía  derivada de biomasa) es  una  iniciativa  que  busca  incrementar  la  producción  de  energía  térmica  y  eléctrica  derivada de biomasa a nivel local, provincial y nacional.  ● La  ley  26.190,  que  establece  el  “Régimen  de  fomento  nacional para el uso  de fuentes  renovables  de  energía  destinada  a  la  producción  de  energía  eléctrica”.  Los beneficios  de  esta  ley  incluyen  un  régimen  de  inversión  y  remuneración  adicional  respecto  del  precio de mercado de la energía.  Actualmente,  varios  proyectos  en  operación  en  Argentina  utilizan  para  el  autoabastecimiento  de  energía  eléctrica  sus  propios  residuos  de  biomasa  como  combustible:  cáscara  de  maní,  bagazo  de  caña  de  azúcar,  residuos  leñosos  de  la  industria   forestal,  son  ejemplos  de  subproductos empleados para tal fin. 

Desarrollo 

El  presente  trabajo  explora  una  propuesta  concreta  para  el  aprovechamiento  de  la  biomasa  como combustible en la generación de energía eléctrica.   La  viabilidad  de  dicha  propuesta  dependerá  de  factores  económicos,  técnicos,  ambientales  y  sociales.  Hay  tres  aspectos  fundamentales  para  definir  si  el  proyecto es o no factible desde el punto de  vista  económico:  el  desarrollo  de  una  plantación  destinada a proveer la biomasa, el transporte  de  la  misma  y  las  adaptaciones  que  se  tengan  que  hacer  en  la  central  para  la  recepción,  manipulación,  acondicionamiento  y  combustión  de  la  biomasa.  Se  analizarán  los  costos  en  cada etapa, para obtener el costo final por unidad de energía de la biomasa en la central.  Los  aspectos  técnicos  se  refieren  a  la  elección  de  una  alternativa  tecnológica  que  permita  hacer  uso  del  combustible  de  biomasa  en  las  instalaciones  de  una  central  eléctrica  sin realizar  importantes modificaciones en sus equipos existentes.  Se  analizará  también  el  impacto  que  el  proyecto  pueda  tener  sobre  el  medio  ambiente.  En  particular  interesa  saber  si  la  utilización  de  la  biomasa  ayuda  a  mitigar  las  emisiones  de  gases  de efecto invernadero.  La  dimensión  social  se  hace  presente  en el marco de la discusión  entre  el uso que se le da a la  tierra,  ya  sea  para  generar  alimentos  o  energía.  Es  una  condición  necesaria  para  la  viabilidad  de  un  proyecto  de  estas  características  la  elección  de  tierras  que  no  compitan  en  su  uso  con  fuentes de alimentos.  Teniendo  en  cuenta  todas  estas  cuestiones,  se  define un modelo de aplicación que consiste en  reemplazar  parte  del  consumo  de  combustibles  de  origen  fósil  en  la  central  termoeléctrica  Central  Puerto  por  combustible  de   biomasa,  obtenido  a  partir  de  plantaciones  desarrolladas  específicamente para esa finalidad.  En  general,  el  principal  impedimento  para  los  proyectos  de  generación  con  biomasa  es  la  necesidad de cercanía entre las fuentes y la demanda de combustible. En el caso propuesto, se  hace  uso  de  la  Hidrovía  del  río  Paraná  para  aprovechar   el  transporte  por  barcaza  y  de  esta  forma  poder  integrar  el  potencial  de  biomasa  de  la  región   con  la  demanda  energética  de  Buenos Aires.  Demanda de combustibles 

Central  Puerto  cuenta  con  seis  unidades  de  Turbina  con  Caldera  a  vapor,  que  suman  una  potencia  instalada  de  1009  MW  de  generación  eléctrica.  La  caldera  está  diseñada  para  quemar  indistintamente  gas  natural  o  fuel  oil.  En  general  se prefiere el primero de éstos por su  menor  costo  pero,  durante  el  invierno, cuando aumenta la demanda domiciliaria de gas natural  y  esto  genera  a   su  vez  una  menor  disponibilidad  de  este  combustible  para  su  uso  en  generación  de  energía  eléctrica,  se  quema   fuel  oil  o  una  mezcla  de  ambos.  Por  lo  tanto,  la  opción  más  rentable  sería  la  de  disponer  de  la biomasa en invierno, para reemplazar parte del  consumo de fuel oil.  Localización  La  provincia  de  Entre  Ríos,  en  la  zona  del  delta  del  río  Paraná,  posee  extensiones  de  tierras  que  actualmente  no son explotadas, en donde se podría desarrollar el cultivo de la  biomasa sin  tener una competencia por el uso de la tierra con otro tipo de producción.  El  hecho  de  hacer  uso  de  tierras  que  actualmente  no están siendo  explotadas sirve a un doble  propósito.  En  primer  lugar,  el  no  competir  por  el  uso  de  la  tierra  con  proyectos  generadores  de  alimentos  es  una  condición  necesaria  para  la  sustentabilidad  del  modelo  propuesto.  En  segundo  lugar,  el  precio  que  se  debe pagar por estas tierras es menor  al que habría que pagar  por  tierras  aptas  para  cultivos  tradicionales.  Más  aún,  la  puesta  en  valor  de  estas  tierras  y  su  utilización productiva podrían influir significativamente en el desarrollo económico de la región.  Cultivo energético  El  switchgrass,  también  conocido  como  pasto  varilla,  es  un  pasto  perenne  de  estación  cálida,  hallado  naturalmente  en  EE.UU.  y  México.  Su  rápido  crecimiento  permite  obtener  un  rendimiento  promedio  de 15 toneladas secas por año por hectárea cosechada, lo que equivale  en términos de energía a 6 toneladas de fuel oil o 238 MMbtu de gas natural.  Este  cultivo  ha  sido  estudiado  ampliamente  debido  a  su  gran  potencial  como  generador  de  combustible  de  biomasa.  Es  una  especie  muy  resistente,  requiere  relativamente  pocos  cuidados  y  puede  crecer  en  tierras  marginales  y  sobrevivir  hasta  15  años  sin  necesidad  de  resiembra.  Se  han  estudiado  los  rendimientos  del  switchgrass  con  una  o  varias  cosechas  al  año  y  en  distintos  momentos  del  año.  La  alternativa  más  recomendada  es  cosechar una vez al año y en 

invierno.  Este  momento  coincide   con  el  pico  de  mayor  demanda  domiciliaria  de  gas  natural y  la demanda de fuel oil en Central Puerto.  En  la  Tabla  1  pueden observarse las operaciones necesarias para la obtención del switchgrass  y sus costos. En la Tabla 2 se detalla el consumo de combustible en cada operación.  Acondicionamiento y transporte de la biomasa  Una  vez  cosechado  el switchgrass, es necesario reducir el contenido de humedad y densificar  al  material.  Se  le   realiza  un  proceso  de  henificación  y  se  obtienen  fardos  del  material  seco  y  comprimido, con un contenido de humedad de 10%.  La  biomasa se lleva inicialmente por camión desde los campos hasta el  Puerto Ibicuy, en Entre  Ríos.  Se  supuso  para  esta  primera  etapa  de transporte una distancia promedio de 50 km y un  costo de US$ 0,08 por tonelada y por kilómetro.  El  transporte  de  la  biomasa  desde  el  Puerto  Ibicuy  hasta  Central  Puerto  se  realiza  por  barcazas,  minimizando  de  esta  forma  los  costos  de  transporte.  Un  tren  de  barcazas  puede  transportar  hasta  30  mil   toneladas  de  carga,  con  un  costo  de  US$  0,02  por  tonelada  y  por  kilómetro.   Adaptaciones necesarias en la central  Generalmente  se  acepta  que  una  caldera  de  vapor  puede  sustituir  hasta  un  10%  de  su  combustible  (medido  como  input  energético)  sin  sufrir  pérdidas  significativas  de  eficiencia. La  sustitución  del  combustible  requiere   de  adaptaciones  que  pueden  variar  en  costo  y  complejidad,  dependiendo  de  las  características  de  cada  planta  y  del  combustible  primario  que se utilice.  Las  adaptaciones  que  deben  encararse  para  quemar  biomasa  en  una  central  térmica  pueden  incluir:   ● Equipos especiales para la manipulación de la biomasa  ● Instalaciones para su recepción y almacenamiento  ● Sistemas de transformación de la biomasa (molienda, licuefacción, gasificación, etc.)  ● Sistemas de inyección de la biomasa en el caudal de combustible  ● Incorporación de quemadores diseñados específicamente para biomasa. 

Como  una  central  eléctrica  está  diseñada para determinados  tipos de combustible, un aspecto  clave  para  la  viabilidad  del  modelo  es  la  posibilidad  de  incorporar  la  biomasa  al  flujo  de  combustible  de  origen  fósil  y,  de  esta  manera, utilizar los quemadores existentes sin incurrir en  grandes  modificaciones.  Una forma de lograr esto en el caso  de Central Puerto  es mediante un  proceso de gasificación de la biomasa.  Gasificacion de la biomasa  Una  de  las  tecnologías  más  incipientes  para  la  transformación  de   la  biomasa  es  la  de  gasificación,  que  consiste  en  introducir  la  biomasa  en  un  reactor   del  cual se obtiene un gas de  bajo  poder  calorífico  pero  con  buenas  características  de  combustión.  Este  sistema  tiene  un  gran  potencial  de  desarrollo  ya  que  permite  obtener  un combustible que  puede mezclarse con  el  gas  natural  que  va   hacia  la  caldera.  El  menor  poder   calorífico  de  la  mezcla  de  gases   resultante  puede  compensarse  corrigiendo  el  flujo  de  combustible  sin  comprometer  la  eficiencia de la planta.  El  proceso  es  altamente  eficiente,  pudiendo  variar  en   función  del  tipo  de  biomasa  entre  un  65%  y  un 85%, y utiliza parte de la biomasa como input energético. A los efectos del presente  estudio, se tomó un valor intermedio de 75%.  La  principal  restricción  a  la  gasificación  de  biomasa  es  la   escala.  Central  Puerto  cuenta  con  1009  MW  de  capacidad  instalada  en  unidades  de  tipo  caldera  de   vapor,  mientras  que  los  equipos  de  gasificación  comercializados  actualmente  pueden  alcanzar  un  output energético de   2,2  MW.  Si  bien  existen  desarrollos  modulares  que  permiten  incorporar  varios  equipos  en  paralelo,  se  está  lejos  de  poder  satisfacer  el  10%  de  la  demanda  de  una  central  de  estas  características.  Es,  por  lo tanto, una condición necesaria para este proyecto el desarrollo de aplicaciones para  la gasificación de biomasa destinadas a grandes centrales.  Impacto Ambiental  El  uso  de  la  biomasa  permite  reducir  las  emisiones  de  CO2,  dado  que  el  contenido  de  carbono  liberado  a  la  atmósfera  durante la combustión fue previamente “tomado” de la misma  al  desarrollarse  el  cultivo.  Es  por  este  motivo  que,  si  la  biomasa  fue  generada  en  forma 

renovable  (es  decir,  si  no  proviene  de  un  proceso  de  desmonte),  se  la  considera  neutra  en  términos de emisiones.  En  la  práctica,  sin  embargo,  el  procesamiento  de  la  biomasa  hasta  transformarla  en  un  combustible  apropiado  para  su  uso  en  una  central  térmica,  el  manejo   de  los  cultivos  y  su  transporte  hasta  la  central  implican  un  consumo  significativo de energía proveniente de fuentes  no renovables. Este consumo debe tomarse en cuenta si se quiere determinar en qué medida el  uso de biomasa reduce efectivamente las emisiones de CO2.  Un  análisis  de  ciclo  completo  del  combustible  de  biomasa  contabiliza  este  consumo  para  expresar  el  porcentaje  en  se  reducen  las  emisiones  de  CO2   al  utilizar  biomasa  en  reemplazo  de  un  determinado  combustible  de  origen  fósil.  En  la  Tabla  2  se  muestra  este  cálculo  para  el  caso  de  estudio  y  en  la  Tabla  3  figuran  las  emisiones  para  los  principales  tipos  de  combustibles, expresados como toneladas equivalentes de CO2.  El  modelo  propuesto  de  generación  en  base  a  biomasa  logra  efectivamente  reducir  las  emisiones  de  gases  de  efecto  invernadero.  El  saldo de reducción  de emisiones de CO2 indica  que la energía obtenida por estos medios es en un 95,3% renovable. 

Conclusiones  La  biomasa  es  la  forma  más  limpia  y  eficiente  de  energía  renovable  que  se  tiene actualmente.  Esto  queda  evidenciado  por  el  cálculo  de  la  Huella  de  Carbono o emisiones equivalentes de  CO2. 

    Además  de  ser  limpia,  se  demostró  que  puede  ser  competitiva  en  términos  de  costo  por  unidad de energía, incluso en relación a combustibles baratos como el gas natural. 

    Si  bien  desde  el  punto  de  vista  técnico  no  se  llegó  todavía  a  una  solución  para la gasificación  de  biomasa  a  gran  escala,  esto  no  debe  verse  como  un  impedimento  sino  más  bien  como  un 

incentivo  para  la  investigación  y  el  desarrollo.  La  tecnología  existe,  está  puesta  en  práctica  y  simplemente hace falta ampliarla.  En  cuanto  a  lo  social,  el  proyecto  es  un  modelo  de  integración regional mediante la utilización  de  la  infraestructura  fluvial  del Paraná, la puesta en valor de terrenos que actualmente no están  siendo  aprovechados,  la  mejora  en  la  calidad  de  vida  para  un  ambiente  más  saludable,  el  incentivo al desarrollo de tecnologías y la generación de puestos de trabajo. 

 

Referencias  Biomass Energy Center. Biomassenergycentre.org.uk.   T.A. Volk, L.P. Abrahamson, E.H. White, E. Neuhauser, E. Gray, C. Demeter, C. Lindsey, J.  Jarnefeld, D.J. Aneshansley, R. Pellerin and S. Edick (October 15–19, 2000). "Energy crops".  BIOMASS Energy Centre. Biomass: Can Renewable Power Grow on Trees?.  

Scientificamerican.com. Eartha Jane Melzer (January 26, 2010). "Proposed biomass plant: Better than coal?" Mike Duffy and Virginie Y. Nanhou; 2011; Costs of Producing Switchgrass for Biomass in Southern Iowa; Iowa Stata University. Shahab Sokhansanj, Sudhagar Mani, Anthony Turhollow, Amit Kumar, David Bransby, Lee Lynd and Mark Laser; 2009; Large-scale production, harvest and logistics of switchgrass (Panicum virgatum L.); Published online in Wiley InterScience.

Anexo