MADERA NATIVA COMO FUENTE DE ENERGÍA

ATCP | Revista Celulosa y Papel |
Octubre 2009
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MADERA NATIVA COMO
FUENTE DE ENERGÍA
Nora Szarka, Claudia Llanos
Unidad de Desarrollo Tecnológico (UDT)
Universidad de Concepción
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
En la actualidad Chile enfrenta el problema de una alta dependencia
de importaciones de diferentes combustibles para producir
energía, lo cual se suma a un alto precio e impacto ambiental. Este
escenario hace necesaria la incorporación de nuevas alternativas
para diversificar la matriz energética. En este contexto, el uso
de fuentes renovables, específicamente biomasa forestal debido
a la gran disponibilidad en el país, es una buena oportunidad
para reducir la dependencia y la contaminación que provocan
los combustibles fósiles. Este artículo muestra las alternativas
tecnológicas para generar energía a partir de biomasa de bosque
nativo, el cual representa el 85% del total de bosque chileno.
Los procesos de conversión evaluados son físicos y químicos, e
incluyen densificaciones mecánicas y termoquímicas, combustión,
pirólisis, y gasificación, así como un proceso bioquímico para
producir bioetanol. A partir de estos procesos es posible obtener
combustibles líquidos, sólidos y gaseosos capaces de sustituir los
combustibles fósiles para la generación de electricidad y calor.
En la actualidad, la provisión de energía es uno de los principales
desafíos que enfrentan muchos países los que, al igual que
Chile, dependen de las importaciones de diferentes tipos de
combustibles para la operación de industrias, generación de
electricidad, calefacción y transporte. Chile importa el 72% de la
energía primaria que consume en forma de gas, petróleo y carbón
(CNE, 2007). Por otro lado, la generación de energía a partir de
fuentes fósiles contribuye a la polución del aire, especialmente
por las emisiones de CO2, SOX y NOX. Además, el alto precio del
petróleo, los continuos cortes de gas natural desde Argentina y la
alta dependencia de nuestro sistema eléctrico de la generación
hidroeléctrica (recurso que puede variar por factores climáticos,
difíciles de predecir), hacen necesaria la búsqueda de nuevas
alternativas, con el fin de diversificar la matriz energética, basada
en fuentes locales y menos contaminantes.
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En este contexto, las fuentes de energías renovables pueden
contribuir a reducir la dependencia de las importaciones, aumentar
la seguridad del abastecimiento y además disminuir el impacto
ambiental, en comparación al uso de combustibles fósiles. Las
energías renovables se caracterizan porque en sus procesos de
transformación y aprovechamiento en energía útil no se consumen
ni se agotan a una escala temporal humana. Entre estas fuentes
de energía se cuentan las de tipo hidráulica, solar, eólica,
mareomotriz, biomasa y energía geotérmica. Entre las energías
renovables, el uso de biomasa es una atractiva alternativa para
generar energía, debido a que es un recurso local abundante
y existen tecnologías maduras para su conversión energética.
Se entiende por biomasa al conjunto de materia orgánica
renovable de origen animal, vegetal o precedente de la
transformación natural o artificial de la misma (CNE, GTZ, 2007).
Nuestro país cuenta con abundante disponibilidad de recursos de
biomasa forestal (15,6 millones de hectáreas de bosque), los que
se concentran en la zona centro sur del país (CONAF, CONAMA,
1999), de los cuales más de 13 millones de hectáreas corresponden
a bosques nativos.
MATERIALES Y MÉTODOS
Con respecto a los usos del bosque nativo, en Chile prácticamente
no se utiliza con fines industriales; son los pequeños propietarios
que extraen la madera, para venderla como combustible. En este
contexto, el uso en Chile es del orden de 7 millones de metros
cúbicos de bosque nativo para leña, lo cual representa un 91%
de la biomasa total comercializada proveniente de bosque nativo,
mientras que sólo el 9% se utiliza para otros fines. El destino de
la leña a partir de bosque nativo es principalmente residencial,
contándose con un 48% el consumido por el sector residencial
urbano, le sigue el sector residencial rural con un 47%, un 3% las
industrias y sólo un 2% el sector servicios.
• BOSQUE NATIVO EN CHILE
De las 13 millones de hectáreas de bosque nativo en Chile, el
principal tipo forestal es el Siempreverde (41%), Coihue de
Magallanes (17%) y Roble-Raulí-Coihue (14%). Las actividades
generadoras de biomasa forestal son principalmente la cosecha
y la industria del aserrío de madera. De igual modo, existe una
gran cantidad de biomasa disponible en los bosques, producto de
incendios forestales y de la caída natural de bosques.
Dentro de los residuos generados en las industrias, encontramos
principalmente aserrín, viruta, corteza, despuntes y lampazos, con
una cantidad aproximada de 5,5 millones de m3scc/año. Estos
desechos son acopiados, ya sea en zonas delimitadas dentro de los
aserraderos o bien dejados en el bosque o en el lugar de utilización,
dependiendo si el aserradero es de tipo estacionario o móvil. De
acuerdo a estudios anteriores, cerca de un 50% de los residuos
generados en actividades de aserrío no son comercializados.
Por otro lado, los residuos provenientes de las actividades de
cosecha (ramas, hojas y corteza) se encuentran en los bosques
mismos y representan aproximadamente un 40-70% de la
cosecha. Además, a nivel nacional existe una gran superficie (1,5
millones de hectáreas) con madera muerta, producto de incendios
forestales. Considerando las áreas protegidas, las restricciones
legales, las condiciones de los terrenos (entre ellas los comúnmente
difíciles accesos) y las condiciones climáticas, todavía existe una
gran superficie con una cantidad relevante de residuos de biomasa
forestal potencialmente utilizables.
Actualmente un 16% del consumo primario de energía en Chile
proviene de biomasa (CNE, 2001), principalmente para uso
residencial como leña. En relación a la generación de eléctrica
en Chile, sólo el 2% de la capacidad instalada del sistema
interconectado central (SIC) proviene de biomasa.
• POSIBLES USOS ENERGÉTICOS DE LA MADERA
La madera, como materia prima, contiene celulosa, hemicelulosas
y lignina. La celulosa es rígida, insoluble en agua y contiene desde
varios cientos hasta varios miles de unidades de glucosa. Las
hemicelulosas son un componente de las paredes de las células
de las plantas. Su función es la de una sustancia de soporte y
armadura, en la mayoría de los casos en conjunto con la celulosa.
La lignina es un polifenol presente en las paredes celulares
de plantas y otros organismos, la cual proporciona rigidez a la
pared celular. Después de la celulosa, es la segunda sustancia
orgánica más abundante en el planeta. Dependiendo de estos
componentes, se puede generar energía de diversas formas a
partir de madera, mediante procesos de conversión. La energía
contenida en la biomasa puede transformarse en calor, energía
eléctrica o combustibles de transporte. Los procesos de conversión
de biomasa forestal son procesos fisicoquímicos, bioquímicos y
termoquímicos, como muestra la Figura 1.
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Figura 1. Vías posibles de uso energético de biomasa forestal
• PROCESOS TERMOQUÍMICOS
COMBUSTIÓN
La combustión es un proceso que consiste en la descomposición
termoquímica de la biomasa, en presencia de oxígeno. Los
productos principales son dióxido de carbono, agua, cenizas y
calor. En la Figura 2 se muestra un esquema general del proceso
de combustión.
proceso de aserrío son utilizados como combustible para calderas,
para generar vapor requerido en el proceso de secado de la
madera. En el futuro, por la gran disponibilidad y bajo costo de
esta materia prima, se espera un aumento en el uso de residuos
nativos en varios sectores, combinando posiblemente con otros
procesos, como por ejemplo la densificación.
Para el proceso de combustión se emplean principalmente hornos
y calderas. Existe una gran variedad de hornos que se utilizan para
combustionar biomasa, sin embargo, los más utilizados son los
hornos con parrilla móvil, hornos de parrilla rotatoria y hornos de
quemador simple. Los gases generados pueden ser usados para
generar calor mediante calderas, electricidad con la aplicación de
turbinas o motores y generar tanto calor como electricidad, con un
sistema de co-generación (Nussbaumer, 2002).
Dentro de las posibilidades de uso de biomasa de bosque nativo,
actualmente en el sector industrial los desechos generados del
Figura 2. Proceso de combustión
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GASIFICACIÓN
La gasificación es un proceso que consiste en la descomposición
termoquímica de la biomasa, en presencia de pequeños
proporciones de un agente oxidante (aire, oxigeno o vapor) a
temperaturas sobre los 700°C. El producto principal es un gas
combustible. La composición del gas obtenido depende del equipo
y del agente oxidante utilizado. En el caso de la utilización de aire,
se genera un gas pobre, de bajo poder calorífico (4-7 MJ/m3) como
consecuencia del alto contenido de nitrógeno; mientras que en el
caso del oxígeno o vapor de agua se obtiene un gas de síntesis
que tiene un poder calorífico mayor (10-18 MJ/ m3). La Figura 3
representa el esquema general del proceso de gasificación, el cual
considera 3 etapas: secado, pirólisis y gasificación.
Figura 3. Esquema de un proceso de gasificación
Los tipos principales de gasificadores empleados actualmente
son de tipo lecho móvil y de lecho fluidizado, siendo el primero
el más común. Dentro de los gasificadores de lecho móvil,
existen los de contra-corriente (updraft) y co-corriente
(downdraft), lo que se observa en la Figura 3. El gas pobre
obtenido puede quemarse subsecuentemente, para obtener
de forma adicional energía térmica, en una caldera para
producir vapor, o bien ser enfriado y acondicionado para su
uso en un motor de combustión interna que produzca a su
vez energía mecánica, o en turbinas de gas o en motores
de combustión interna. Ambos motores térmicos pueden ser
acoplados a un generador, para la producción de electricidad.
Además, tal como está ejemplificado en la Figura 1, el gas
resultante del proceso de gasificación, después de un proceso
de síntesis y acondicionamiento, también puede ser inyectado a
la red de gas natural para uso domiciliario o industrial, lo cual
reviste una alternativa muy valiosa considerando el déficit de
abastecimiento de gas natural a nivel nacional.
El proceso de gasificación a partir de biomasa está siendo
aplicado en diversas plantas a nivel mundial en países como
Suecia, Nueva Zelandia y Finlandia, entre otros; sin embargo,
no existen aplicaciones a nivel industrial en nuestro país, sino
sólo investigaciones a pequeña escala. Actualmente no existe
gasificación a partir de bosque nativo, sólo a partir de residuos
provenientes de plantaciones. Considerando que uno de los factores
que influye en los productos de gasificación es la concentración de
lignina en la madera, algunas especies de bosque nativo pueden
dar buenos resultados, aunque hasta hoy no existan estudios
cuantitativos al respecto.
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PIRÓLISIS
La pirólisis es el proceso que consiste en la descomposición
termoquímica de la biomasa en ausencia de un medio oxidante, a
temperaturas entre 400ºC a 800ºC. Los productos de este proceso
son carbón vegetal, bio-oil y gases combustibles. Las cantidades
relativas de los productos obtenidos, así como su composición,
dependen de las propiedades de la especie maderera tratada
y de los parámetros de operación del equipo (principalmente
temperatura y tiempo de residencia). Una reacción de corto tiempo
de residencia a altas temperaturas recibe el nombre de pirólisis
rápida, cuyo principal producto es el bio-oil. Mientras una reacción
con largos tiempos de residencia a bajas temperaturas recibe el
nombre de pirólisis lenta, la cual entrega como principal producto
el carbón. En la Figura 4 se observa el esquema general del proceso
de pirólisis, el cual considera como primera etapa la preparación
de la materia prima (secado y selección), en la cual se reduce la
humedad de la biomasa bajo el 10% bs. Posteriormente tiene
lugar la reacción pirolítica propiamente tal en el reactor, seguida
de la separación de sólidos desde la corriente de gases y vapores
(carboncillo) en un ciclón convencional, para terminar finalmente
con la recepción del bio-oil, posterior al proceso de condensación
a través de una etapa de enfriamiento.
Figura 4. Esquema de un proceso de pirólisis (Fuente: Bridgwater, 2002)
En los últimos años se han desarrollado múltiples tecnologías en
procesos de pirólisis. Los principales tipos de reactores empleados
son cono rotatorio y lecho fluidizado. Con respecto al uso actual
de los productos obtenidos, el carbón vegetal puede ser utilizado
para generar calor y el bio-oil puede ser quemado en calderas para
generar vapor y para cogeneración. Además, se puede obtener
productos químicos y combustibles de transporte. Por otro lado,
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los gases combustibles pueden ser quemados para la obtención de
calor (ver Figura 1).
Actualmente en Chile existe una empresa que trabaja en la
producción carbón vegetal a partir de desechos forestales de
pino en una planta piloto. En general, hasta ahora las materias
primas utilizadas para procesos de pirólisis han sido carbón y
biomasa de pino, no existiendo productos de pirólisis a partir de
especies de bosques nativos. Tal como se señaló anteriormente,
dependiendo de la composición de la especie maderera utilizada
(celulosa, lignina, hemicelulosas y extraíbles), se podrá obtener
composiciones diferentes de los productos del proceso de pirólisis,
por lo que se mantiene como un desafío importante el estudiar
el uso de este proceso utilizando biomasa de especies de bosque
nativo, para evaluar los resultados de la composición de sus
diferentes productos.
• PROCESOS FÍSICOS
DENSIFICACIÓN
La densificación es un proceso que consiste en la compactación de la
biomasa mediante la aplicación de presión constante para obtener
productos combustibles densificados con un alto poder calorífico,
y homogéneos en propiedades y dimensiones. Algunos residuos de
biomasa forestal como el aserrín y la viruta son utilizados para la
elaboración de elementos densificados como pellets y briquetas. Los
pasos principales para generar pellets de madera son: secado de
aserrín, molienda fina, acondicionamiento de vapor y peletizado por
presión. Los pellets son elementos densificados de forma cilíndrica,
entre 20 y 40 mm de largo y un máximo de 10 mm de diámetro,
con un 10% de humedad. La briqueta tiene un tamaño, 5-10 cm
de diámetro. Las ventajas de estos productos densificados son un
mayor poder calorífico, mejor combustión y eficiencia, bajo costo de
materia prima (usando residuos) y factibilidad de almacenamiento
(necesita menos espacio); además, constituyen una fuente de
energía neutra respecto a CO2 y durante su uso prácticamente
no se genera residuos, ya que no requieren de aditivos u otro tipo
de sustancias. Con respecto a la elaboración de pellets, la materia
prima que se utilice para su elaboración debe tener una humedad
entre un 8-15% base húmeda y un tamaño de partícula del orden
de 5 mm, con el fin de garantizar la calidad del producto final.
Los tipos de equipos de pelletizado son principalmente de matriz
anular y matriz plana. Para el caso de las briquetas, es necesario
que la humedad de la materia prima esté comprendida entre un 8 y
15% y que el tamaño de las partículas esté comprendido entre 0,5
y 1 cm. Existen distintas tecnologías de briquetado, siendo las más
utilizadas el densificado por impacto, densificado por extrusión y
briquetadoras hidráulicas o neumáticas.
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En países europeos el pellets está siendo utilizado en generadoras
de electricidad y tiene un rol importante para generar calor. En
Chile existen 3 empresas productoras de pellets, con capacidad de
producción sobre las 50 mil toneladas al año. La elaboración de
pellets en estas empresas es principalmente a partir de desechos
de aserraderos (bosque de pino) y de fábricas de muebles, no
existiendo productos desarrollados a partir de especies de bosques
nativos, representando por ende un desafío interesante. Como
posibles usos de pellets de madera como combustible alternativo en
Chile se cuentan las centrales eléctricas, en la generación industrial
de calor y energía eléctrica, y para calefacción residencial.
• PROCESO BIO-TECNOLÓGICO
ETANOL
El etanol o alcohol etílico tiene la formula CH3CH2OH. Esta
sustancia puede utilizarse como combustible para automóviles, ya
sea solo o mezclado en cantidades variables con gasolina para
reducir el consumo de derivados del petróleo. Las dos mezclas
comunes son E10 y E85, con contenidos de etanol del 10% y 85%,
respectivamente.
Convencionalmente se habla de dos generaciones de bioetanol:
la primera considera el uso de granos de maíz y caña de azúcar,
lo que es característico en países como Estados Unidos y Brasil,
respectivamente, los cuales actualmente son los mayores
productores de bioetanol en el mundo; la segunda generación, en
cambio, se basa en el uso de un material lignocelulósico, como
madera, paja de trigo, desechos agrícolas, etc. Dicho proceso
requiere de un pretratamiento, para hacer la celulosa accesible
a la hidrólisis; para ello existen pretratamientos biológicos,
físicos, químicos, físico-químicos y combinaciones de los anteriores.
Los procesos sucesivos utilizados son de hidrólisis ácida y
enzimática, fermentación y finalmente destilación para obtener
etanol. Un esquema simplificado del proceso se muestra en la
Figura 5.
Para Chile, la generación de bioetanol a partir de madera de
bosque nativo es una atractiva alternativa, considerando que
hay gran cantidad de materia prima disponible. Después de
analizar el rendimiento de varias especies, se puede encontrar
las más adecuadas y optimizar las condiciones del proceso.
Figura 5. Esquema general de un proceso de producción de bioetanol
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CONCLUSIONES
• Existe gran cantidad de biomasa forestal de los bosques nativos
en Chile, disponible para generar energía.
• Existen varios procesos de conversión de biomasa forestal a
nivel mundial y nacional en diferentes niveles de desarrollo, como
pirólisis, gasificación o densificación, que podrían ser adaptados y
aplicados en Chile para generar electricidad, calor o combustibles.
Las tecnologías podrían ser usadas para madera de bosque nativo,
ya que su comportamiento en general es conocido.
• La conversión de biomasa para generar calor, electricidad,
combustible y productos químicos a través de un proceso de
pirólisis es desarrollado a nivel de planta piloto en Europa, Canadá
y también en Chile. Por lo tanto, después de una adaptación del
proceso y del estudio de materias primas disponibles, el proceso de
pirólisis sería una alternativa de conversión energética interesante
con múltiples potenciales resultados para el país.
• El proceso de gasificación a partir de biomasa está siendo
aplicado en diversas plantas a nivel mundial. La aplicación de
esta tecnología en Chile podría ser de gran utilidad para obtener
productos combustibles o de gas sustituto al gas natural, lo cual
disminuiría los problemas de disponibilidad y de precios que
enfrenta nuestro país respecto a combustibles, disminuyendo
además la dependencia energética del país.
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• En nuestro país la generación de pellets aún no está siendo
utilizada masivamente, debido a altas barreras de entrada,
principalmente a nivel residencial. Sin embargo, la adaptación
de está tecnología constituye una alternativa en la generación
de energía residencial e industrial que permitiría disminuir la
dependencia de combustibles fósiles. En este contexto, la biomasa
de bosque nativo representa un potencial significativo.
REFERENCIAS
• CNE (2007): Balance de Energía”. Adquirida en Mayo de 2009,
desde www.cne.cl
• CNE, INFOR, GTZ (2007): Disponibilidad de residuos madereros.
ISBN: 978-956-7700-09-7. Santiago, Chile.
• CONAF, CONAMA, BIRD (1999): Catastro y evaluación de
recursos vegetacionales de bosque nativo.
• Nussbaumer, T. (2002): Combustion and Co-Combustion of
biomasa. 12th European Conference and Technology Exhibition on
Biomass for Energy, Industry and Climate Protection. 17-21 June
2002, Amsterdam.
• Bridgwater, A. (2002): Fast Pyrolysis for Biomass: A Handbook
2. PyNE.