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Introducción
En la industria de elaboración de la madera se generan grandes cantidades de residuos, que no tienen un destino final útil y constituyen una fuente de contaminación ambiental. Sin embargo, estos residuos pueden ser utilizados como fuentes de energía, con lo cual se pueden disminuir el consumo de electricidad o combustibles fósiles de la industria y mitigar los impactos ambientales que ellos producen.
Uno de los procesos térmicos que permite convertir la biomasa en un gas es la gasificación. Este gas se puede utilizar en un motor de combustión interna para generar electricidad, ella es una tecnología madura que amplía el espectro de posibilidades tecnológicas para lograr el aprovechamiento energético de labiomasa forestal y los residuos agroindustriales.1
Cuba cuenta con un programa de utilización de la biomasa forestal para la generación de electricidad con tecnología de gasificación, en el que se destaca una planta de gasificación que utiliza residuos de la industria forestal con un motor de combustión interna de 40 kWe en el aserrío El Brujo de la Empresa Forestal Integral Gran Piedra Baconao, la instalación en La Melvis, comunidad de la Isla de la Juventud, de un grupo electrógeno de un 1MWe que trabaja con cultivos energéticos, una unidad de generación eléctrica de 50 kWeen la comunidad de cocodrilo (Isla de la Juventud), que utiliza residuos de las raleas de fincas forestales y una instalación en la Estación Experimental de Pastos y Forrajes de Indio Hatuey, Matanzas, que puede generar 22 kWe a partir de residuos de árboles forrajeros, utilizados para la alimentación animal.2
En aras de seguir desarrollando este programa, se realizan estudios en otras industrias forestales para la implementación de esta tecnología. En este trabajo se realiza un análisis energético para la determinación de los índices de sostenibilidad energética y de generación de electricidad de una planta de gasificación de residuos con un grupo electrógeno motor de combustión interna-generador eléctrico en el aserrío Pueblo Nuevo de la provincia Guantánamo. Este aserrío cuenta con un grupo electrógeno Mercedes Benz No.815931, tipo OM 447 que puede trabajar con gas procedente de la biomasa. El aserrío consume electricidad de la red nacional procedente de combustibles fósiles y no tiene un tratamiento adecuado para los residuos que contribuyan a disminuir sus impactos sobre el medioambiente.3
Fundamentación teórica
La metodología para la determinación de los índices de sostenibilidad y generación de electricidad de la planta de gasificación, parte de la determinación de la cantidad y disponibilidad de residuos generados por la industria, a partir de su producción de madera en un determinado período de tiempo.
Seguidamente se determina su potencial energético, se evalúa el proceso de transformación de la energía química de los residuos en electricidad, teniendo en cuenta indicadores energéticos de este tipo de tecnología reportados en la literatura científica, las leyes de la termodinámica y de los gases ideales, estas últimas para realizar el cálculo térmico del ciclo de funcionamiento del motor y con ello la cantidad de energía eléctrica que puede ser generada.
Materiales y métodos
Consumo de electricidad en el aserrío
En la tabla 1 se presenta la producción de madera del aserrío en el período analizado (3 años) y el consumo de electricidad, datos reportados por el departamento de contabilidad y finanzas de la empresa.4
El índice de consumo es la relación entre el consumo de electricidad y la producción de madera aserrada. Como se puede observar, el aserrío tiene una capacidad productiva de aproximadamente 3000 m3 de madera anual y un índice de consumo de electricidad promedio de 0,021MWh/m3 madera aserrada. El costo promedio anual de la electricidad es de 175, 5 $/MWh.
Disponibilidad de residuos
Durante el proceso de elaboración de la madera se producen una serie de residuos sólidos, que pueden ser clasificados atendiendo a sus dimensiones en: aserrín, costaneras, virutas y astillas.
La cantidad de residuos totales en el aserrío objeto de estudio fue evaluada a partir de la cantidad de madera elaborada, teniendo en cuenta los coeficientes de residuos de la industria forestal, determinados experimentalmente mostrados en la tabla 2.
La disponibilidad horaria de estos residuos puede ser determinada por la siguiente expresión:
donde:
Dres: disponibilidad horaria de residuos (Ton/s)
C: cantidad de residuos totales (Ton).
HT: horas trabajadas del aserrío (s)
Potencial energético de los residuos
El potencial energético disponible de estos residuos se evaluó por la siguiente expresión:
donde:
Pteo. Potencial energético de los residuos, MWh
PCIb. Poder calorífico de los residuos, 16,5 MJ/kg (6
Potencial energético del gas producido en el gasificador
Durante el proceso de gasificación, la biomasa (residuos) entra al reactor de conjunto con el aire necesario para lograr el proceso, se obtiene gas combustible y se generan residuos (alquitrán y cenizas). Este gas en el caso de los reactores downdraft está formado fundamentalmente por CO2, CO, H2, CH4 y N2. En la tabla 3 se muestran los valores promedios del % en volumen de estos gases y su poder calorífico.7,8
En estas mismas fuentes se reportan estudios experimentales sobre la gasificación de madera para evaluar la producción específica de gas. En la tabla 4 se muestran algunos de estos resultados para gasificadores down draft.7,8
La producción específica de gas en estos tipos de gasificadores se puede tomar como promedio 1,9 Nm3/kg de residuos. Este gas se somete a un proceso de limpieza para suministrarlo a un grupo electrógeno (motor-generador eléctrico). Las características técnicas del motor objeto de estudio se muestran en la tabla 5.
En la figura 1 se presenta el proceso tecnológico de la planta de gasificación de residuos para producción de electricidad.
El proceso está formado por varias etapas, donde se distinguen: Etapa de preparación de biomasa (Sierra, Briqueteadora), en esta etapa se garantizan las dimensiones necesarias de la biomasa para ser gasificada, la etapa de gasificación donde se produce el gas combustible (reactor downdraft), una etapa donde se purifica el gas (sistema de limpieza) y el grupo electrógeno donde se genera la electricidad (motor-generador eléctrico)
Estas plantas de gasificación acopladas a motores de combustión interna de las 8 h laborares, 3 h como promedio, se utilizan para puesta en marcha y garantizar que el gas tenga la calidad requerida para suministrarlo al motor. Durante éste período la planta consume electricidad de la red nacional (Insumo de planta) a razón de 3,92 MWh/Ton de residuos procesados9,10,11,12,13. Del total de esta energía consumida, el 70 % se consume en la etapa de preparación de la biomasa, el 20 % en el gasificador y el 10 % en el sistema de limpieza y el motor.
Potencial tecnológico de generación de electricidad
Para determinar el potencial tecnológico de generación de electricidad se desarrolló el cálculo del ciclo termodinámico del motor considerando el gas como ideal y desarrollando los balances molares en la ecuación de la combustión del mismo.14 (Ec 3.)
donde:
(0,19, 0,18, 0,03, 0,10). Composición en volumen de los elementos que componen el gas (tabla 3)
b, c y d. Moles de carbono, hidrógeno y nitrógeno.
Obtenidos los moles de carbono, hidrógeno y nitrógeno se pueden determinar la presión y la temperatura en cada punto del ciclo termodinámico, la relación aire combustible y con ellos el rendimiento volumétrico o coeficiente de llenado (Ec. 4), el cual considera la cantidad de mezcla (aire-gas) que realmente puede succionar el motor de acuerdo con sus características constructivas (tabla 5).
donde:
Vg. Volumen real de mezcla succionada por el motor, Nm3/s
VT. Volumen de trabajo del motor (Tabla 5)
P0. Presión atmosférica, 0,101MPa
PA. Presión al final de la admisión, MPa
T0. Temperatura atmosférica, 307,0K
TA. Temperatura al final de la admisión, K
ϵ. Relación de compresión (Tabla 5)
ɣ. Coeficiente de gases residuales. Tiene en cuenta la influencia de la temperatura de los gases en el llenado del cilindro 14 (Ec. 5)
PR. Presión de los gases residuales, MPA
TR. Temperatura de los gases residuales, K
Determinando el coeficiente de llenado del cilindro y el volumen real de mezcla succionado por el motor, podemos determinar el potencial tecnológico de generación de electricidad, considerando los índices de eficiencia del proceso de transformación (Ec. 6)
donde:
Nele. Potencia eléctrica generada, MWh
ȠT. Rendimiento térmico del motor, 0,60 14
Ƞm. Rendimiento mecánico del motor, 0,80 14
Ƞge. Rendimiento del generador eléctrico, 0,83 14
Hg. Horas de generación de la planta, h
Egas, Densidad Energética del gas, KJ/Nm3 (Ec. 7)15
Índice de sostenibilidad energética
El índice de sostenibilidad energética se define como la cantidad de electricidad generada de forma renovable (Potencial tecnológico) y la cantidad de electricidad consumida con energía no renovable durante el período de puesta en marcha de la instalación, donde se consume electricidad de la red nacional (Insumo de planta) (Ec. 8).9
Resultados y discusión
Disponibilidad de residuos y potencial energético
Teniendo en cuenta los coeficientes de residuos reportados en la tabla 2 y la producción de madera aserrada del aserrío (tabla 1) se estimó la cantidad total de residuos generados en el período analizado y su potencial energético (Ec.1 y 2). En la tabla 6 se muestran los resultados.
Los resultados muestran que se generan como promedio 1,88 Ton/h de residuos, con un potencial energético anual superior al consumo de electricidad anual del aserrío, esto significa que teóricamente la energía acumulada en los residuos es superior a la energía eléctrica consumida anualmente (tabla 1).
Potencial energético del gas producido en el gasificador
Tomando en consideración la producción especifica de gas (1,9 Nm3/kg) reportada en la tabla 4, así como su poder calorífico (4,45 MJ/Nm3) (tabla 3), teniendo en cuenta que de las 8 horas laborares diarias, 3 h se utilizan para puesta en marcha de la planta, podemos determinar los indicadores de funcionamiento del gasificador y el potencial energético anual del gas que se produce. En la tabla 7 se muestran los resultados.
Los resultados muestran que el potencial energético del gas producido anualmente en el gasificador, también es superior al consumo de electricidad anual del aserrío, por lo que teóricamente esta demanda puede ser cubierta con la energía del gas.
Parámetros del ciclo termodinámico del motor
A través de los balances molares del carbono, oxígeno y nitrógeno desarrollados en la (Ec. 3) se obtuvo la siguiente ecuación:
Los resultados del cálculo del ciclo termodinámico del motor trabajando con gas de biomasa se muestran en la tabla 8.
Como se muestra el coeficiente de llenado del motor (Ec.4) es 0,76, esto significa que del total de gas producido en el gasificador, por las características técnicas del motor, éste sólo puede succionar el 76 %, existiendo una producción de gas en exceso, cuya energía puede ser utilizada para otros servicios del aserrío, por ejemplo la cocción de alimentos o el secado de la madera.
Potencial tecnológico de generación de electricidad
En la tabla 9 se muestra los indicadores de generación de energía de la planta: cantidad de mezcla de gas succionada por el motor, su energía (Ec.7), el potencial tecnológico de generación de electricidad (Ec. 6) y la reserva de energía del aserrío para otros usos.
Los resultados muestran que el potencial tecnológico anual de generación de electricidad de la planta de gasificación, es superior al consumo de electricidad anual del aserrío (tabla 1), lo cual significa que es posible satisfacer la demanda de electricidad del aserrío, entregar electricidad a la red nacional y energía para otros usos, la cual se determina por la diferencia entre el potencial energético del gas (tabla 7), menos la energía del gas que entra al motor.
En la figura 2 se muestra el análisis energético de la transformación de la energía de los residuos en electricidad en la planta de gasificación. (Diagrama Sankey) para el tercer año de estudio.
Índices de sostenibilidad energética y de generación de electricidad
En la tabla 10 se muestra el índice de sostenibilidad energética (Ec.8) y de generación de electricidad (Ec. 9) de la planta para los tres años de estudios.
Los resultados muestran, que la planta de gasificación de residuos es capaz de generar entre (0,37-0,38) GWh por toneladas de residuos consumidos y un índice de sostenibilidad promedio de 93,65 MWh de electricidad renovable producida anualmente por MWh de electricidad consumida de origen fósil (Red Nacional).
Esa electricidad generada representa un ahorro de $16 435, 00, considerando el costo de la electricidad del aserrío por MWh consumido de la red nacional, dejándose de emitir a la atmosfera, 81,2 t de CO2 considerando un factor de emisión de867 g CO2/kWh.16
Conclusiones
1. En el aserrío Pueblo Nuevo de Guantánamo se consumen como promedio 0,021MWh de electricidad /m3 madera aserrada, generándose 1,88 ton/h de residuos que no tienen un destino final útil.
2. Los resultados muestran que una planta de gasificación con un motor Mercedes Benz No.815931, tipo OM 447 pudiera generar 0,375 GWh por toneladas de residuos con al cual se puede satisfacer la demanda de electricidad del aserrío, entregar electricidad a la red nacional y energía térmica para otros usos en la industria.
3. El índice de sostenibilidad energética anual de la planta es superior a la unidad (93,65 00 MWh de electricidad renovable por MWh de electricidad consumida por la planta a partir de combustible fósil de la planta), este indicador significa que la planta es sostenible y representa un ahorro anual de $16 435, 00, dejándose de emitir a la atmosfera, 81,2 t de CO2.
