APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE RESIDUOS
AGRARIOS EN URUGUAY
Gabriel Pena-Vergara1, Álvaro Durante2, Pedro Curto-Risso3
1Docente Grado 2, Instituto de Ingeniería Mecánica y Producción Industrial, Facultad de Ingeniería, Udelar, Uruguay, gabpena@fing.edu.uy
2Docente Grado 1, Instituto de Ingeniería Mecánica y Producción Industrial, Facultad de Ingeniería, Udelar, Uruguay, adurante@fing.edu.uy
3Profesor Agregado Grado 4, Instituto de Ingeniería Mecánica y Producción Industrial, Facultad de Ingeniería, Udelar, Uruguay, pcurto@fing.edu.uy
Recibido: 18/05/2018 y Aceptado: 24/07/2018
ENERLAC. Volumen II. Número 1. Septiembre, 2018 (42-55).
Gabriel Pena-Vergara1, Álvaro Durante2, Pedro Curto-Risso3
1Docente Grado 2, Instituto de Ingeniería Mecánica y Producción Industrial, Facultad de Ingeniería, Udelar, Uruguay, gabpena@fing.edu.uy
2Docente Grado 1, Instituto de Ingeniería Mecánica y Producción Industrial, Facultad de Ingeniería, Udelar, Uruguay, adurante@fing.edu.uy
3Profesor Agregado Grado 4, Instituto de Ingeniería Mecánica y Producción Industrial, Facultad de Ingeniería, Udelar, Uruguay, pcurto@fing.edu.uy
Recibido: 18/05/2018 y Aceptado: 24/07/2018
ENERLAC. Volumen II. Número 1. Septiembre, 2018 (42-55).
RESUMEN
La agricultura es una de las principales actividades en Uruguay, donde se generan gran cantidad de residuos de biomasa. En la actualidad, la mayoría de éstos no son empleados con fines energéticos. En el presente trabajo se estudia el potencial energético de los rastrojos de los principales cultivos cerealeros: soja, trigo, maíz, cebada y sorgo. Se realizan modelos de las principales tecnologías aplicables para la generación de energía eléctrica utilizando biomasa, tanto a pequeña como a gran escala. Se analizan el ciclo Rankine convencional a vapor de agua y el ciclo Rankine orgánico (ORC). Partiendo de los resultados de la cuantificación y datos de la caracterización de las biomasas, se realiza un cálculo del potencial energético de cada biomasa residual, para cada tecnología. Los resultados demuestran la existencia de un potencial energético actualmente desaprovechado, principalmente para los rastrojos de soja y trigo a nivel país. Son los rastrojos de maíz los de mayor potencial energético por unidad de superficie. En cuanto a las tecnologías, los mejores rendimientos se obtienen con el ciclo Rankine convencional, pero para una escala de potencia mayor que el ORC.
Palabras Clave: Biomasa, Ciclo Rankine, ORC, Potencial Energético, Rastrojos.
ABSTRACT
Agriculture is one of the main economic activities in Uruguay and it causes the generation of an important amount of biomass residues. Currently, the majority of these biomass residues are not used with energetic purposes. Therefore, in this work it is studied the potential use of straw of the main cereal crops found in Uruguay as fuels for power generation; soybean straw, wheat straw, corn straw, barley straw and sorghum straw. Models of the main technologies for power generation with biomass are developed, in both small and large scale, in particular studying the Steam Rankine Cycle and Organic Rankine Cycle (ORC). From the results obtained from the quantification of each biomass and together with the data from its characterization as fuels, calculations are made for each biomass to study its potential use for power generation, for both technologies previously mentioned. The results show that there is a potential energetic use of these biomass residues that it is currently unexploited, mainly regarding the soybean straw and wheat straw in a whole country point of view. It is also shown that the corn straw is the biomass which has the highest potential of power generation per harvested area. With respect to the technologies, the Steam Rankine Cycle shows higher efficiency but the ORC is more suitable for smaller scales of power generation.
Keywords: Biomass, Rankine Cycle, ORC, Energy Potential, Straws.
La agricultura es una de las principales actividades en Uruguay, donde se generan gran cantidad de residuos de biomasa. En la actualidad, la mayoría de éstos no son empleados con fines energéticos. En el presente trabajo se estudia el potencial energético de los rastrojos de los principales cultivos cerealeros: soja, trigo, maíz, cebada y sorgo. Se realizan modelos de las principales tecnologías aplicables para la generación de energía eléctrica utilizando biomasa, tanto a pequeña como a gran escala. Se analizan el ciclo Rankine convencional a vapor de agua y el ciclo Rankine orgánico (ORC). Partiendo de los resultados de la cuantificación y datos de la caracterización de las biomasas, se realiza un cálculo del potencial energético de cada biomasa residual, para cada tecnología. Los resultados demuestran la existencia de un potencial energético actualmente desaprovechado, principalmente para los rastrojos de soja y trigo a nivel país. Son los rastrojos de maíz los de mayor potencial energético por unidad de superficie. En cuanto a las tecnologías, los mejores rendimientos se obtienen con el ciclo Rankine convencional, pero para una escala de potencia mayor que el ORC.
Palabras Clave: Biomasa, Ciclo Rankine, ORC, Potencial Energético, Rastrojos.
ABSTRACT
Agriculture is one of the main economic activities in Uruguay and it causes the generation of an important amount of biomass residues. Currently, the majority of these biomass residues are not used with energetic purposes. Therefore, in this work it is studied the potential use of straw of the main cereal crops found in Uruguay as fuels for power generation; soybean straw, wheat straw, corn straw, barley straw and sorghum straw. Models of the main technologies for power generation with biomass are developed, in both small and large scale, in particular studying the Steam Rankine Cycle and Organic Rankine Cycle (ORC). From the results obtained from the quantification of each biomass and together with the data from its characterization as fuels, calculations are made for each biomass to study its potential use for power generation, for both technologies previously mentioned. The results show that there is a potential energetic use of these biomass residues that it is currently unexploited, mainly regarding the soybean straw and wheat straw in a whole country point of view. It is also shown that the corn straw is the biomass which has the highest potential of power generation per harvested area. With respect to the technologies, the Steam Rankine Cycle shows higher efficiency but the ORC is more suitable for smaller scales of power generation.
Keywords: Biomass, Rankine Cycle, ORC, Energy Potential, Straws.
INTRODUCCIÓN
Biomasa como combustible
La utilización de biomasa como combustible tiene asociado una serie de ventajas y desventajas respecto a otros combustibles o fuentes de energía. La biomasa se presenta como una fuente de energía renovable e inagotable, siendo considerada como un combustible de emisiones neutras de CO2 y con beneficios para el cambio climático. Cabe destacar que esto no es estrictamente correcto al considerar el ciclo de vida completo de la biomasa (siembra, cosecha, transporte, etc.) donde las emisiones de CO2 no son neutras debido al uso de combustibles fósiles. Dependiendo de las condiciones locales, puede ser un recurso barato y de gran disponibilidad, por lo cual presenta un potencial en la diversificación del suministro de combustibles y favorece a la soberanía energética. Adicionalmente, colabora con la revitalización rural mediante la creación de puestos de trabajo. En algunas aplicaciones, las tierras utilizadas para cultivos energéticos pueden ser utilizadas también con otros fines, como por ejemplo para la agricultura o ganadería. Según la biomasa que se utilice, se puede dar valor a residuos de otras actividades, provenientes de actividades agrícolas (Saidur et al., 2011; Vassilev et al., 2010). Comparado con otras fuentes de energía renovable, como la energía solar o eólica, la biomasa no tiene problemas de almacenamiento, dado que puede considerarse como energía almacenada en sí misma. Además, a partir de ésta pueden ser generados otros tipos de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos o directamente energía térmica y/o eléctrica (Saidur et al., 2011).
Por otro lado, como principales desventajas se puede destacar su baja densidad energética, lo cual aumenta los costos de transporte, además de tener altos costos de cosecha y almacenamiento. Esto hace que la disponibilidad de la misma sea regional. En aplicaciones de quema directa, si esta no se realiza en buenas condiciones, puede contribuir fuertemente al calentamiento global y a la emisión de material particulado. La explotación de cultivos energéticos puede generar daños al suelo y a la biodiversidad, o en ocasiones puede generar incluso una competencia con la producción de alimentos. Al día de hoy, se tiene un conocimiento insuficiente de la composición, propiedades y calidad de estas biomasas, las cuales presentan una gran variabilidad. Tampoco se tiene una terminología, sistema de clasificación y estándares aceptados a nivel mundial. Otra de las desventajas de las biomasas es su contenido de humedad elevado, así como de Cl, K, Na y Mn. (Saidur et al., 2011; Vassilev et al., 2010).
Tecnologías para la generación de energía eléctrica con biomasa
De las principales tecnologías empleadas en la actualidad para la generación de potencia con biomasa como combustible, y también las que presentan una potencial aplicación en el futuro, tanto a pequeña como a gran escala, se destacan el Ciclo Rankine convencional y el Ciclo Rankine Orgánico. En el presente trabajo se analiza el desempeño de los ciclos mencionados, mediante la realización de modelos de los mismos y posterior simulaciones con las biomasas estudiadas. Cabe destacar que la utilización de motores de combustión interna, acoplados con un gasificador de biomasa, así como turbinas de combustión externa (Durante et al., 2017), son también tecnologías prometedoras para su uso con biomasa, pero no serán analizadas en el presente trabajo (EPA, 2007; EPA, 2015).
El ciclo Rankine se ha utilizado comercialmente para la generación de energía desde hace más de cien años, generalmente para potencias eléctricas mayores a 2MW. Sin embargo, las inversiones en la generación de energía con este tipo de tecnología se vuelven interesante a partir de la decena de megawatts, ya que en esas franjas de potencias se obtienen eficiencias considerablemente mayores. Esto se debe a que la implementación de métodos y tecnologías que aumentan el desempeño, como el calentamiento regenerativo y/o el recalentamiento, se vuelven viables en sistemas de mayor porte (Lora & Venturini, 2012). De este modo, las plantas termoeléctricas de ciclo Rankine a vapor de agua que operan con biomasa, generalmente tienen una capacidad de generación entre 25MW y 50MW (Cortez et al., 2008), aunque existe la tecnología y ejemplos de aplicación por encima de los 100MW (Siemens, 2017). En la actualidad, el rango de potencias de generación eléctrica cuando se tiene biomasa como combustible, mediante el Ciclo Rankine a vapor, abarca desde los 6MW hasta 150MW (Gerssen-Gondelach et al., 2014; Siemens, 2017), rango considerado en el presente estudio. La eficiencia eléctrica para dichas plantas de generación eléctrica o CHP (combined heat and power), es entre 18% y 28% (Gerssen-Gondelach et al., 2014). Los principales factores que determinan el rendimiento alcanzado del ciclo, son la temperatura y presión de vapor a la entrada de la turbina. Los límites que presenta la tecnología en la actualidad permiten alcanzar presiones y temperaturas de vapor de 330bar y 650ºC respectivamente (General, 2017).
Alternativamente se puede utilizar el ciclo Rankine Orgánico (por sus siglas en inglés ORC), para generar energía a partir de biomasa. En este tipo de ciclos, el fluido de trabajo es una sustancia orgánica de alto peso molecular, como: hidrocarburos (HCs), hidrocloroflorurocarburos (HCFCs) y clorofluorocarburos (CFCs). La particularidad de estas sustancias es que, en su mayoría, la curva de saturación es asimétrica con pendiente invertida en la sección del vapor saturado. Esto genera que el vapor se seque en lugar de humedecerse en la expansión isentrópica ya que la curva de expansión se aparta de la curva de saturación, teniendo su punto final fuera de la zona de estado bifásico (vapor sobrecalentado). Por tal motivo, este tipo de fluido orgánico se clasifica como seco. A diferencia de cuando se emplea vapor de agua como fluido de trabajo, que en la expansión de la turbina se obtienen gotas de condensación que pueden dañar los álabes de las últimas etapas de expansión, con fluidos secos o isentrópicos, este problema se evita ya que se obtiene vapor saturado o sobrecalentado a la salida de la turbina, lo cual permite utilizar turbinas mucho más sencillas. También aumenta la eficiencia isentrópica de las mismas (entre 85-90%), aumentan su vida útil y disminuyen las solicitaciones mecánicas con respecto a la aplicación del mismo tamaño en un ciclo Rankine convencional (Algieri & Morrone, 2011). Por otra parte, algunas de estas sustancias poseen bajas presiones críticas, dando la posibilidad de trabajar en estados supercríticos, siendo realizable en la práctica de manera más económica y segura en comparación con la utilización de agua. En definitiva, los ciclos ORC pueden diseñarse para trabajar con vapor saturado, vapor sobrecalentado y en condiciones supercríticas (Algieri & Morrone, 2015; Barse & Mann, 2016).
Una consideración a tener en cuenta con estos fluidos orgánicos, es que se debe operar con temperaturas inferiores a 400ºC para asegurarse que las temperaturas alcanzadas sean ampliamente menores a la temperatura de estabilidad química de los mismos. Las temperaturas alcanzadas en el hogar de la caldera superan los 900ºC, lo que podría ocasionar que el fluido alcance localmente temperaturas mayores a la de estabilidad, y por esto es necesario trabajar con un circuito de aceite intermedio. De este modo, la caldera le aporta calor al aceite, que luego es conducido a un intercambiador de calor donde le transfiere su calor al fluido orgánico. La inclusión de este circuito intermedio tiene un efecto negativo en el rendimiento del sistema. (Algieri & Morrone, 2011; Angelino & Colonna di Paliano, 1998).
Los ciclos orgánicos presentan las desventajas de que algunos de los fluidos de trabajo son sustancias inflamables (en el caso de los hidrocarburos) o están prohibidas por el Protocolo de Montreal y Copenhague debido a que atacan a la capa de ozono (en el caso de los HCFCs y CFCs, también llamados “freones”).
Comparado con el ciclo Rankine convencional, los ciclos ORC permiten obtener eficiencias más altas cuando se trabaja con fuentes de calor de en aplicaciones de relativamente pequeña escala. Según Beni (2010), actualmente se cuenta con un rango de potencia eléctrica de entre 0,5MW y 8MW (Bini, 2010; Turboden). Para potencias menores a 2,5MW, se considera una tecnología industrial bien establecida, donde se obtienen soluciones eficientes en generación eléctrica y cogeneración de pequeña escala, de forma más confiable y sostenible. Como fuente de calor se puede utilizar, por ejemplo, la energía geotérmica, la quema de combustibles de baja calidad (como los residuos de biomasa), o vapor residual a baja presión cuando se tiene disponibilidad del mismo (Algieri & Morrone, 2015; Barse & Mann, 2016; Montouliu & Tenconi, 2015). En este ciclo, la principal medida para mejorar el rendimiento es la regeneración interna, es decir, precalentar el fluido antes del generador de vapor utilizando el vapor sobrecalentado a la salida de la turbina (Algieri & Morrone, 2011; Drescher & Brüggemann, 2006; EPA, 2007).
Alcance del trabajo
Uruguay es un gran productor agrícola, actividad donde se generan residuos provenientes de distintos cultivos y/o procesos agroindustriales. En la actualidad, sin considerar la cáscara de arroz, bagazo de caña y los residuos de la industria maderera, el resto de las biomasas generadas como residuos en los procesos agrícolas o agroindustriales no son empleados con fines energéticos.
El presente trabajo tiene como objetivo cuantificar el potencial energético, para generación de energía eléctrica a partir de los residuos de biomasa generados en la cosecha de los principales cultivos cerealeros del Uruguay: soja, trigo, maíz, sorgo y cebada. Mediante la identificación y cuantificación de biomasas residuales, contemplando que una fracción de la biomasa generada permanece en el suelo como medida de conservación del mismo. Finalmente, en base a los resultados tanto de la cuantificación como de la caracterización de las biomasas, se realiza un cálculo del potencial energético de cada una de las biomasas estudiadas, para las tecnologías ORC y Ciclo Rankine convencional.
Biomasa como combustible
La utilización de biomasa como combustible tiene asociado una serie de ventajas y desventajas respecto a otros combustibles o fuentes de energía. La biomasa se presenta como una fuente de energía renovable e inagotable, siendo considerada como un combustible de emisiones neutras de CO2 y con beneficios para el cambio climático. Cabe destacar que esto no es estrictamente correcto al considerar el ciclo de vida completo de la biomasa (siembra, cosecha, transporte, etc.) donde las emisiones de CO2 no son neutras debido al uso de combustibles fósiles. Dependiendo de las condiciones locales, puede ser un recurso barato y de gran disponibilidad, por lo cual presenta un potencial en la diversificación del suministro de combustibles y favorece a la soberanía energética. Adicionalmente, colabora con la revitalización rural mediante la creación de puestos de trabajo. En algunas aplicaciones, las tierras utilizadas para cultivos energéticos pueden ser utilizadas también con otros fines, como por ejemplo para la agricultura o ganadería. Según la biomasa que se utilice, se puede dar valor a residuos de otras actividades, provenientes de actividades agrícolas (Saidur et al., 2011; Vassilev et al., 2010). Comparado con otras fuentes de energía renovable, como la energía solar o eólica, la biomasa no tiene problemas de almacenamiento, dado que puede considerarse como energía almacenada en sí misma. Además, a partir de ésta pueden ser generados otros tipos de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos o directamente energía térmica y/o eléctrica (Saidur et al., 2011).
Por otro lado, como principales desventajas se puede destacar su baja densidad energética, lo cual aumenta los costos de transporte, además de tener altos costos de cosecha y almacenamiento. Esto hace que la disponibilidad de la misma sea regional. En aplicaciones de quema directa, si esta no se realiza en buenas condiciones, puede contribuir fuertemente al calentamiento global y a la emisión de material particulado. La explotación de cultivos energéticos puede generar daños al suelo y a la biodiversidad, o en ocasiones puede generar incluso una competencia con la producción de alimentos. Al día de hoy, se tiene un conocimiento insuficiente de la composición, propiedades y calidad de estas biomasas, las cuales presentan una gran variabilidad. Tampoco se tiene una terminología, sistema de clasificación y estándares aceptados a nivel mundial. Otra de las desventajas de las biomasas es su contenido de humedad elevado, así como de Cl, K, Na y Mn. (Saidur et al., 2011; Vassilev et al., 2010).
Tecnologías para la generación de energía eléctrica con biomasa
De las principales tecnologías empleadas en la actualidad para la generación de potencia con biomasa como combustible, y también las que presentan una potencial aplicación en el futuro, tanto a pequeña como a gran escala, se destacan el Ciclo Rankine convencional y el Ciclo Rankine Orgánico. En el presente trabajo se analiza el desempeño de los ciclos mencionados, mediante la realización de modelos de los mismos y posterior simulaciones con las biomasas estudiadas. Cabe destacar que la utilización de motores de combustión interna, acoplados con un gasificador de biomasa, así como turbinas de combustión externa (Durante et al., 2017), son también tecnologías prometedoras para su uso con biomasa, pero no serán analizadas en el presente trabajo (EPA, 2007; EPA, 2015).
El ciclo Rankine se ha utilizado comercialmente para la generación de energía desde hace más de cien años, generalmente para potencias eléctricas mayores a 2MW. Sin embargo, las inversiones en la generación de energía con este tipo de tecnología se vuelven interesante a partir de la decena de megawatts, ya que en esas franjas de potencias se obtienen eficiencias considerablemente mayores. Esto se debe a que la implementación de métodos y tecnologías que aumentan el desempeño, como el calentamiento regenerativo y/o el recalentamiento, se vuelven viables en sistemas de mayor porte (Lora & Venturini, 2012). De este modo, las plantas termoeléctricas de ciclo Rankine a vapor de agua que operan con biomasa, generalmente tienen una capacidad de generación entre 25MW y 50MW (Cortez et al., 2008), aunque existe la tecnología y ejemplos de aplicación por encima de los 100MW (Siemens, 2017). En la actualidad, el rango de potencias de generación eléctrica cuando se tiene biomasa como combustible, mediante el Ciclo Rankine a vapor, abarca desde los 6MW hasta 150MW (Gerssen-Gondelach et al., 2014; Siemens, 2017), rango considerado en el presente estudio. La eficiencia eléctrica para dichas plantas de generación eléctrica o CHP (combined heat and power), es entre 18% y 28% (Gerssen-Gondelach et al., 2014). Los principales factores que determinan el rendimiento alcanzado del ciclo, son la temperatura y presión de vapor a la entrada de la turbina. Los límites que presenta la tecnología en la actualidad permiten alcanzar presiones y temperaturas de vapor de 330bar y 650ºC respectivamente (General, 2017).
Alternativamente se puede utilizar el ciclo Rankine Orgánico (por sus siglas en inglés ORC), para generar energía a partir de biomasa. En este tipo de ciclos, el fluido de trabajo es una sustancia orgánica de alto peso molecular, como: hidrocarburos (HCs), hidrocloroflorurocarburos (HCFCs) y clorofluorocarburos (CFCs). La particularidad de estas sustancias es que, en su mayoría, la curva de saturación es asimétrica con pendiente invertida en la sección del vapor saturado. Esto genera que el vapor se seque en lugar de humedecerse en la expansión isentrópica ya que la curva de expansión se aparta de la curva de saturación, teniendo su punto final fuera de la zona de estado bifásico (vapor sobrecalentado). Por tal motivo, este tipo de fluido orgánico se clasifica como seco. A diferencia de cuando se emplea vapor de agua como fluido de trabajo, que en la expansión de la turbina se obtienen gotas de condensación que pueden dañar los álabes de las últimas etapas de expansión, con fluidos secos o isentrópicos, este problema se evita ya que se obtiene vapor saturado o sobrecalentado a la salida de la turbina, lo cual permite utilizar turbinas mucho más sencillas. También aumenta la eficiencia isentrópica de las mismas (entre 85-90%), aumentan su vida útil y disminuyen las solicitaciones mecánicas con respecto a la aplicación del mismo tamaño en un ciclo Rankine convencional (Algieri & Morrone, 2011). Por otra parte, algunas de estas sustancias poseen bajas presiones críticas, dando la posibilidad de trabajar en estados supercríticos, siendo realizable en la práctica de manera más económica y segura en comparación con la utilización de agua. En definitiva, los ciclos ORC pueden diseñarse para trabajar con vapor saturado, vapor sobrecalentado y en condiciones supercríticas (Algieri & Morrone, 2015; Barse & Mann, 2016).
Una consideración a tener en cuenta con estos fluidos orgánicos, es que se debe operar con temperaturas inferiores a 400ºC para asegurarse que las temperaturas alcanzadas sean ampliamente menores a la temperatura de estabilidad química de los mismos. Las temperaturas alcanzadas en el hogar de la caldera superan los 900ºC, lo que podría ocasionar que el fluido alcance localmente temperaturas mayores a la de estabilidad, y por esto es necesario trabajar con un circuito de aceite intermedio. De este modo, la caldera le aporta calor al aceite, que luego es conducido a un intercambiador de calor donde le transfiere su calor al fluido orgánico. La inclusión de este circuito intermedio tiene un efecto negativo en el rendimiento del sistema. (Algieri & Morrone, 2011; Angelino & Colonna di Paliano, 1998).
Los ciclos orgánicos presentan las desventajas de que algunos de los fluidos de trabajo son sustancias inflamables (en el caso de los hidrocarburos) o están prohibidas por el Protocolo de Montreal y Copenhague debido a que atacan a la capa de ozono (en el caso de los HCFCs y CFCs, también llamados “freones”).
Comparado con el ciclo Rankine convencional, los ciclos ORC permiten obtener eficiencias más altas cuando se trabaja con fuentes de calor de en aplicaciones de relativamente pequeña escala. Según Beni (2010), actualmente se cuenta con un rango de potencia eléctrica de entre 0,5MW y 8MW (Bini, 2010; Turboden). Para potencias menores a 2,5MW, se considera una tecnología industrial bien establecida, donde se obtienen soluciones eficientes en generación eléctrica y cogeneración de pequeña escala, de forma más confiable y sostenible. Como fuente de calor se puede utilizar, por ejemplo, la energía geotérmica, la quema de combustibles de baja calidad (como los residuos de biomasa), o vapor residual a baja presión cuando se tiene disponibilidad del mismo (Algieri & Morrone, 2015; Barse & Mann, 2016; Montouliu & Tenconi, 2015). En este ciclo, la principal medida para mejorar el rendimiento es la regeneración interna, es decir, precalentar el fluido antes del generador de vapor utilizando el vapor sobrecalentado a la salida de la turbina (Algieri & Morrone, 2011; Drescher & Brüggemann, 2006; EPA, 2007).
Alcance del trabajo
Uruguay es un gran productor agrícola, actividad donde se generan residuos provenientes de distintos cultivos y/o procesos agroindustriales. En la actualidad, sin considerar la cáscara de arroz, bagazo de caña y los residuos de la industria maderera, el resto de las biomasas generadas como residuos en los procesos agrícolas o agroindustriales no son empleados con fines energéticos.
El presente trabajo tiene como objetivo cuantificar el potencial energético, para generación de energía eléctrica a partir de los residuos de biomasa generados en la cosecha de los principales cultivos cerealeros del Uruguay: soja, trigo, maíz, sorgo y cebada. Mediante la identificación y cuantificación de biomasas residuales, contemplando que una fracción de la biomasa generada permanece en el suelo como medida de conservación del mismo. Finalmente, en base a los resultados tanto de la cuantificación como de la caracterización de las biomasas, se realiza un cálculo del potencial energético de cada una de las biomasas estudiadas, para las tecnologías ORC y Ciclo Rankine convencional.
CUANTIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE
BIOMASAS RESIDUALES NO TRADICIONALES
Cuantificación de biomasas residuales
Como primer paso para evaluar el potencial energético de las biomasas, se debe identificar y cuantificar la disponibilidad de estas. El relevamiento de los residuos generados en dichas actividades se realizó recurriendo a los medios publicados por oficinas de estadísticas agropecuarias dentro del Ministerio de Ganadería, Agricultura y Pesca (MGAP) de Uruguay, para la búsqueda de información. Se diferencian dos fuentes, los anuarios (DIEA, 2016) y los censos (DIEA, 2012). Como resultado se obtienen mapas de distribución de superficies plantadas para cada biomasa seleccionada por departamento, así como la generación de biomasa residual asociada a cada uno de ellos. De este modo se identifican como biomasas a estudiar en profundidad los rastrojos de los principales cultivos cerealeros del país (soja, trigo, cebada, sorgo y maíz).
Actualmente la mayor parte de la biomasa aérea producida en los cultivos cerealeros se destina como cobertura de suelo. Por otra parte, antes de establecerse las medidas contra incendios en los ámbitos rurales, la quema de la biomasa aérea que quedaba en el campo luego de la cosecha de un cultivo, era un procedimiento relativamente frecuente. Esta quema de rastrojos es una actividad poco defendible desde la óptica técnico- científica.
La información disponible de la producción de los cultivos cerealeros, a partir de las encuestas, es la producción del grano. Dado que el interés de este trabajo es el estudio de los residuos, se debe tener en cuenta el índice de cosecha para el cálculo de rastrojo generado. El índice de cosecha se define como la relación, en base seca, entre la biomasa que se cosecha (rendimiento del cultivo) y la biomasa aérea total de dicho cultivo (rastrojo más rendimiento) (Kemanian et al., 2007).
Para los cálculos del rastrojo generado se utiliza un índice de cosecha de 40% para todos los cultivos. Además para las estimaciones de biomasa aprovechable y los posteriores cálculos, se considera únicamente el 65% del total de rastrojo generado. Esto es debido a las leyes de conservación del suelo que no permiten retirar la totalidad del rastrojo, así como la inviabilidad tecnológica de recoger la totalidad de dicho material (Kemanian et al., 2007).
En la tabla 1 se presentan las biomasas residuales consideradas, su disponibilidad anual y producción por hectárea, ambos en base seca. En cuanto a la disponibilidad de biomasa, se destacan los rastrojos de soja y trigo, los cuales se generan en momentos diferentes del año (otoño y verano respectivamente). En orden descendente de cantidad de biomasa generada, continúan los rastrojos de maíz, sorgo y cebada, los cuales también se generan en verano u otoño.
Cuantificación de biomasas residuales
Como primer paso para evaluar el potencial energético de las biomasas, se debe identificar y cuantificar la disponibilidad de estas. El relevamiento de los residuos generados en dichas actividades se realizó recurriendo a los medios publicados por oficinas de estadísticas agropecuarias dentro del Ministerio de Ganadería, Agricultura y Pesca (MGAP) de Uruguay, para la búsqueda de información. Se diferencian dos fuentes, los anuarios (DIEA, 2016) y los censos (DIEA, 2012). Como resultado se obtienen mapas de distribución de superficies plantadas para cada biomasa seleccionada por departamento, así como la generación de biomasa residual asociada a cada uno de ellos. De este modo se identifican como biomasas a estudiar en profundidad los rastrojos de los principales cultivos cerealeros del país (soja, trigo, cebada, sorgo y maíz).
Actualmente la mayor parte de la biomasa aérea producida en los cultivos cerealeros se destina como cobertura de suelo. Por otra parte, antes de establecerse las medidas contra incendios en los ámbitos rurales, la quema de la biomasa aérea que quedaba en el campo luego de la cosecha de un cultivo, era un procedimiento relativamente frecuente. Esta quema de rastrojos es una actividad poco defendible desde la óptica técnico- científica.
La información disponible de la producción de los cultivos cerealeros, a partir de las encuestas, es la producción del grano. Dado que el interés de este trabajo es el estudio de los residuos, se debe tener en cuenta el índice de cosecha para el cálculo de rastrojo generado. El índice de cosecha se define como la relación, en base seca, entre la biomasa que se cosecha (rendimiento del cultivo) y la biomasa aérea total de dicho cultivo (rastrojo más rendimiento) (Kemanian et al., 2007).
Para los cálculos del rastrojo generado se utiliza un índice de cosecha de 40% para todos los cultivos. Además para las estimaciones de biomasa aprovechable y los posteriores cálculos, se considera únicamente el 65% del total de rastrojo generado. Esto es debido a las leyes de conservación del suelo que no permiten retirar la totalidad del rastrojo, así como la inviabilidad tecnológica de recoger la totalidad de dicho material (Kemanian et al., 2007).
En la tabla 1 se presentan las biomasas residuales consideradas, su disponibilidad anual y producción por hectárea, ambos en base seca. En cuanto a la disponibilidad de biomasa, se destacan los rastrojos de soja y trigo, los cuales se generan en momentos diferentes del año (otoño y verano respectivamente). En orden descendente de cantidad de biomasa generada, continúan los rastrojos de maíz, sorgo y cebada, los cuales también se generan en verano u otoño.
Tabla 1. Cuantificación de
biomasas residuales no tradicionales.
Fuente: Elaboración propia.
Caracterización de biomasas estudiadas
Las características y calidad de la biomasa como combustible pueden variar en un amplio rango, dependiendo del tipo de biomasa y de la tecnología de pre-tratamiento que se le aplique. Por medio de éstos se pueden mejorar las propiedades del combustible, pero tiene asociado un costo adicional (van-Loo & Koppejan, 2008).
Las biomasas antes mencionadas fueron caracterizadas por nuestro grupo de trabajo (Pena- Vergara et al 2017). Dicha caracterización consistió en la realización de análisis de laboratorio para determinar la Humedad in nature (W), composición próxima (carbono fijo - CF, materia volátil - MV, cenizas - Cnz) y composición elemental (carbono - C, hidrógeno - H, oxígeno - O y nitrógeno - N), poder calorífico inferior (PCI), análisis termogravimétrico y temperatura de fusión de cenizas (temperatura de deformación - DT). En la tabla 2 se presentan las principales características de las mismas.
Las características y calidad de la biomasa como combustible pueden variar en un amplio rango, dependiendo del tipo de biomasa y de la tecnología de pre-tratamiento que se le aplique. Por medio de éstos se pueden mejorar las propiedades del combustible, pero tiene asociado un costo adicional (van-Loo & Koppejan, 2008).
Las biomasas antes mencionadas fueron caracterizadas por nuestro grupo de trabajo (Pena- Vergara et al 2017). Dicha caracterización consistió en la realización de análisis de laboratorio para determinar la Humedad in nature (W), composición próxima (carbono fijo - CF, materia volátil - MV, cenizas - Cnz) y composición elemental (carbono - C, hidrógeno - H, oxígeno - O y nitrógeno - N), poder calorífico inferior (PCI), análisis termogravimétrico y temperatura de fusión de cenizas (temperatura de deformación - DT). En la tabla 2 se presentan las principales características de las mismas.
Tabla 2. Propiedades de las
biomasas residuales no tradicionales.
Fuente: Adaptado de
Pena-Vergara et al. (2017).
MODELOS DE MÁQUINAS PRODUCTORAS DE
POTENCIA
Para calcular el potencial energético de las biomasas se utilizaron modelos de dos máquinas térmicas capaces de operar con estos combustibles. De este modo, fueron considerados el ciclo Rankine convencional (utilizando vapor de agua) y el ciclo Rankine orgánico (ORC).
Ciclo Rankine convencional (vapor de agua)
El ciclo de vapor considerado se esquematiza en la figura 1, donde se asume la expansión de vapor en dos etapas (2 a 3’ y 2’ a 3) con recalentamiento intermedio (3’a 2’), siendo ésta la configuración más usual en plantas de generación de potencia que operan bajo esta tecnología (Montouliu & Tenconi, 2015). Además de la expansión, el ciclo se compone por una etapa de condensación a baja presión (3 a 4), bombeo de agua líquida (4 a 1) y generación de vapor sobrecalentado (1 a 2).
Para calcular el potencial energético de las biomasas se utilizaron modelos de dos máquinas térmicas capaces de operar con estos combustibles. De este modo, fueron considerados el ciclo Rankine convencional (utilizando vapor de agua) y el ciclo Rankine orgánico (ORC).
Ciclo Rankine convencional (vapor de agua)
El ciclo de vapor considerado se esquematiza en la figura 1, donde se asume la expansión de vapor en dos etapas (2 a 3’ y 2’ a 3) con recalentamiento intermedio (3’a 2’), siendo ésta la configuración más usual en plantas de generación de potencia que operan bajo esta tecnología (Montouliu & Tenconi, 2015). Además de la expansión, el ciclo se compone por una etapa de condensación a baja presión (3 a 4), bombeo de agua líquida (4 a 1) y generación de vapor sobrecalentado (1 a 2).
Figura 1. Esquema de ciclo
Rankine convencional y curva T-s.
Fuente: Elaboración propia.
Con la finalidad de calcular la potencia y el rendimiento que se
obtienen en la utilización de este ciclo, se debe determinar las
condiciones termodinámicas del fluido en cada punto característico del
ciclo. Para ello se fijan eficiencias isentrópicas y pérdidas de calor
en la caldera, parámetros de operación de los distintos elementos que
componen el ciclo, de tal forma de considerar irreversibilidades y
también se imponen determinadas restricciones tecnológicas actuales.
Una de las principales limitantes es la presión y temperatura del vapor sobrecalentado antes de la primera etapa de expansión. Estos valores varían según la potencia del ciclo de vapor, lo que se traduce en tamaños muy diferentes de turbinas. Por lo tanto, para los cálculos se toman cuatro turbinas comerciales desarrolladas para plantas de generación a partir de biomasa y que abarcan los rangos de potencia estudiados. De este modo, para cada turbina se fija la presión y temperatura de entrada.
En cuanto a la expansión, no se encuentra en la literatura un criterio definido para fijar la presión intermedia P3’ a la salida la primera turbina. Sin embargo, un valor representativo de diversas plantas de generación eléctrica se obtiene al considerar que P3’ sea aproximadamente un 30% de P2. En las etapas de expansión y bombeo se definen las eficiencias isentrópicas de estos equipos para considerar las irreversibilidades de estos procesos.
Una de las principales limitantes es la presión y temperatura del vapor sobrecalentado antes de la primera etapa de expansión. Estos valores varían según la potencia del ciclo de vapor, lo que se traduce en tamaños muy diferentes de turbinas. Por lo tanto, para los cálculos se toman cuatro turbinas comerciales desarrolladas para plantas de generación a partir de biomasa y que abarcan los rangos de potencia estudiados. De este modo, para cada turbina se fija la presión y temperatura de entrada.
En cuanto a la expansión, no se encuentra en la literatura un criterio definido para fijar la presión intermedia P3’ a la salida la primera turbina. Sin embargo, un valor representativo de diversas plantas de generación eléctrica se obtiene al considerar que P3’ sea aproximadamente un 30% de P2. En las etapas de expansión y bombeo se definen las eficiencias isentrópicas de estos equipos para considerar las irreversibilidades de estos procesos.
donde el subíndice “s” hace referencia al proceso isentrópico. Se
asumen eficiencias isentrópicas de 85% para ambas etapas de expansión y
75% en el bombeo.
En el condensador se fija la temperatura de condensación en 50ºC, lo cual corresponde a una presión de saturación de 0,12 bara. Este valor es superior al mínimo tecnológico en condensadores de 0,05 bara y viabiliza un intercambio de calor con una fuente fría del orden de 30ºC (Angelino & Colonna di Paliano, 1998; Drescher & Brüggemann, 2006).
Una vez determinados todos los puntos del ciclo, la potencia eléctrica se calcula como:
En el condensador se fija la temperatura de condensación en 50ºC, lo cual corresponde a una presión de saturación de 0,12 bara. Este valor es superior al mínimo tecnológico en condensadores de 0,05 bara y viabiliza un intercambio de calor con una fuente fría del orden de 30ºC (Angelino & Colonna di Paliano, 1998; Drescher & Brüggemann, 2006).
Una vez determinados todos los puntos del ciclo, la potencia eléctrica se calcula como:
Donde mft corresponde al flujo másico de vapor y nelec el rendimiento
de conversión electromecánica.
De este modo, para el cálculo de la potencia se debe determinar el flujo másico de vapor, el cual se determina mediante un balance energético del generador de vapor.
De este modo, para el cálculo de la potencia se debe determinar el flujo másico de vapor, el cual se determina mediante un balance energético del generador de vapor.
donde mF corresponde al flujo másico de combustible, hF la entalpía del
combustible, maha(Ta) el flujo másico de aire por su entalpía sensible
a la temperatura de entrada al sistema, mftqu el flujo másico de vapor
por el calor útil entregado al mismo (qu = hvap – hag), QP las pérdidas
de calor del generador de vapor por convección y radiación, mghg(Tch)
el flujo de gases de escape por su entalpía a la temperatura que se
encuentran en la chimenea. La temperatura de chimenea Tch se define
mediante un pinchpoint de 20ºC con respecto a la temperatura de
evaporación del fluido de trabajo Tev. Las pérdidas de calor se
consideran como 2% de la energía que ingresa al generador de vapor.
Para estudiar la eficiencia a la que se genera energía a partir de cierta biomasa como combustible, se define mediante la ecuación 6 el rendimiento de conversión de combustible, referido al poder calorífico inferior.
Para estudiar la eficiencia a la que se genera energía a partir de cierta biomasa como combustible, se define mediante la ecuación 6 el rendimiento de conversión de combustible, referido al poder calorífico inferior.
Ciclo Rankine Orgánico (ORC)
El modelado del ciclo Rankine orgánico es relativamente similar al Rankine convencional pero con algunas diferencias notorias. Se define el octametiltrisiloxano (OMTS) como fluido de trabajo, debido a que en la actualidad es el fluido más utilizado en la mayoría de las plantas a biomasa (Algieri & Morrone, 2011; Pezzuolo et al., 2016). Para determinar las propiedades termodinámicas del fluido de trabajo, se emplea la base de datos de distribución libre Coolprop (Bell et al., 2014). Debido a que el OMTS es un fluido seco en su expansión, se considera únicamente un sobrecalentamiento de 5ºC. Siguiendo las configuraciones típicas de los sistemas ORC (Duvia et al., 2009; Obernberger et al., 2002) y aprovechando las ventajas que permite la utilización de un fluido orgánico, se emplea un intercambiador de calor interno a modo de recuperador de calor y aceite térmico como fluido intermedio. Además, no se consideran recalentamientos intermedios en la expansión. El uso de aceite térmico como fluido intermedio está ligado a las temperaturas máximas que pueden soportar los fluidos orgánicos, las cuales generalmente son mucho menores a las temperaturas alcanzadas en la combustión (Algieri & Morrone, 2015; Schuster et al., 2009). En la figura 2 se esquematiza el ciclo considerado.
El modelado del ciclo Rankine orgánico es relativamente similar al Rankine convencional pero con algunas diferencias notorias. Se define el octametiltrisiloxano (OMTS) como fluido de trabajo, debido a que en la actualidad es el fluido más utilizado en la mayoría de las plantas a biomasa (Algieri & Morrone, 2011; Pezzuolo et al., 2016). Para determinar las propiedades termodinámicas del fluido de trabajo, se emplea la base de datos de distribución libre Coolprop (Bell et al., 2014). Debido a que el OMTS es un fluido seco en su expansión, se considera únicamente un sobrecalentamiento de 5ºC. Siguiendo las configuraciones típicas de los sistemas ORC (Duvia et al., 2009; Obernberger et al., 2002) y aprovechando las ventajas que permite la utilización de un fluido orgánico, se emplea un intercambiador de calor interno a modo de recuperador de calor y aceite térmico como fluido intermedio. Además, no se consideran recalentamientos intermedios en la expansión. El uso de aceite térmico como fluido intermedio está ligado a las temperaturas máximas que pueden soportar los fluidos orgánicos, las cuales generalmente son mucho menores a las temperaturas alcanzadas en la combustión (Algieri & Morrone, 2015; Schuster et al., 2009). En la figura 2 se esquematiza el ciclo considerado.
Figura 2. Esquema de ciclo
Rankine orgánico y curva T-s.
Fuente: Elaboración propia.
El fluido de trabajo seleccionado presenta una temperatura crítica de
291ºC, además los aceites térmicos generalmente no deben exceder los
315ºC. De este modo y considerando un sobrecalentamiento del OMTS de
5ºC, los parámetros de entrada a la turbina seleccionados son los
siguientes: T2 = 285 ºC , P2 = 11,95 bara.
En cuanto a la condensación, diversos autores (Angelino & Colonna di Paliano, 1998; Drescher & Brüggemann, 2006) establecen un mínimo en la presión del condensador para sistemas ORC, por motivos tecnológicos y constructivos, de 0,05 bara. La temperatura de saturación, correspondiente a dicha presión, para el OMTS es 66,6 ºC, la cual es suficientemente elevada para poder intercambiar calor con la fuente fría a temperatura ambiente.
De la misma forma que para el ciclo Rankine convencional, se asumen eficiencias isentrópicas de 85% y 75% para la turbina y compresor respectivamente, así como un rendimiento electromecánico de 90%.
Reacción de combustión
La reacción de combustión se resuelve a partir de la estequiometría y el equilibrio químico de los productos, dejando por fuera otros factores como los considerados en la cinética química. Se considera a las biomasas como un combustible húmedo, con una composición elemental determinada. Para cualquier biomasa, la reacción se puede escribir como:
En cuanto a la condensación, diversos autores (Angelino & Colonna di Paliano, 1998; Drescher & Brüggemann, 2006) establecen un mínimo en la presión del condensador para sistemas ORC, por motivos tecnológicos y constructivos, de 0,05 bara. La temperatura de saturación, correspondiente a dicha presión, para el OMTS es 66,6 ºC, la cual es suficientemente elevada para poder intercambiar calor con la fuente fría a temperatura ambiente.
De la misma forma que para el ciclo Rankine convencional, se asumen eficiencias isentrópicas de 85% y 75% para la turbina y compresor respectivamente, así como un rendimiento electromecánico de 90%.
Reacción de combustión
La reacción de combustión se resuelve a partir de la estequiometría y el equilibrio químico de los productos, dejando por fuera otros factores como los considerados en la cinética química. Se considera a las biomasas como un combustible húmedo, con una composición elemental determinada. Para cualquier biomasa, la reacción se puede escribir como:
Donde C(a/12)HbO(c/16)N(d/14) representa un mol de combustible seco y
a, b, c y d son la fracción másica de cada elemento. αq la cantidad
estequiométrica de O2 en el aire y φ la riqueza de la mezcla
combustible-aire.
Adicionalmente se considera la reacción de disociación,
Adicionalmente se considera la reacción de disociación,
mediante la ecuación de equilibrio químico a la temperatura T y presión
atmosférica,
donde (Xi) representa las fracciones molares de cada especie y T
corresponde a la temperatura de llama adiabática. Para resolver la
combustión planteada se sigue el desarrollo expresado en Medina et al.
(2014).
Para los cálculos se fija un exceso de aire en la combustión de 50%, para todos los rastrojos y las dos tecnologías consideradas. Este valor es acorde a los distintos tipos de quemadores empleados para biomasa (EPA, 20017).
RESULTADOS DEL POTENCIAL ENERGÉTICO
Según se mencionó anteriormente, los rangos de potencias que se adecúan a cada tipo de tecnología considerada en este trabajo son los siguientes:
• Rankine convencional: 6 MW a 150 MW
• ORC: 0,5 MW a 8,0 MW
Ciclo Rankine convencional
Según los parámetros del ciclo fijados en la página 48 y para las cuatro turbinas de vapor consideradas, independientemente de la biomasa en cuestión, se obtienen los resultados presentados en la tabla 3 (Siemens, 2017).
Para los cálculos se fija un exceso de aire en la combustión de 50%, para todos los rastrojos y las dos tecnologías consideradas. Este valor es acorde a los distintos tipos de quemadores empleados para biomasa (EPA, 20017).
RESULTADOS DEL POTENCIAL ENERGÉTICO
Según se mencionó anteriormente, los rangos de potencias que se adecúan a cada tipo de tecnología considerada en este trabajo son los siguientes:
• Rankine convencional: 6 MW a 150 MW
• ORC: 0,5 MW a 8,0 MW
Ciclo Rankine convencional
Según los parámetros del ciclo fijados en la página 48 y para las cuatro turbinas de vapor consideradas, independientemente de la biomasa en cuestión, se obtienen los resultados presentados en la tabla 3 (Siemens, 2017).
Tabla 3. Principales
características del ciclo de vapor.
Fuente: Elaboración propia
En la tabla 4, se muestran los valores de potencia eléctrica que se
podrían obtener para cada biomasa. A nivel país se tiene un potencial
total superior a 700 MW considerando los rastrojos generados por los
cinco cultivos en cuestión, donde prácticamente la mitad corresponde a
los rastrojos de soja (340 MW), seguido por los rastrojos de trigo (225
MW). El rendimiento eléctrico de conversión de combustible que se
obtendría en este sistema, bajo las consideraciones antes mencionadas,
es entre 23,0% y 25,6% respecto al PCI. Se observa que las biomasas con
menor contenido de humedad presentan mejores rendimientos. Una
alternativa para aumentar este rendimiento es disminuir la temperatura
de los humos, los cuales sobrepasan los 330ºC. Para disminuir esta
temperatura se puede recurrir a economizadores y/o precalentadores de
aire en el generador de vapor, los cuales no fueron contemplados en el
modelo.
Considerando una planta que genere 10 MWe durante 300 días al año y con la finalidad de visualizar el requerimiento de biomasa para operar la misma, se calcula la superficie necesaria donde se debe cosechar el rastrojo para satisfacer dicha demanda. De esta forma, considerando cada rastrojo de forma independiente, son necesarias 23.000ha de soja, 20.200ha de trigo, 12.000ha de maíz, 16.800ha de sorgo o 17.800ha de cebada. Esto equivale a radios de acción entre 6 y 9 km dependiendo del cultivo. Este mismo resultado pero visualizado desde otra óptica, implica que los rastrojos de maíz son la biomasa con mayor potencial por hectárea, en orden descendente se ordenan: rastrojo de sorgo, rastrojo de trigo, rastrojo de soja y por último el rastrojo de cebada.
Considerando una planta que genere 10 MWe durante 300 días al año y con la finalidad de visualizar el requerimiento de biomasa para operar la misma, se calcula la superficie necesaria donde se debe cosechar el rastrojo para satisfacer dicha demanda. De esta forma, considerando cada rastrojo de forma independiente, son necesarias 23.000ha de soja, 20.200ha de trigo, 12.000ha de maíz, 16.800ha de sorgo o 17.800ha de cebada. Esto equivale a radios de acción entre 6 y 9 km dependiendo del cultivo. Este mismo resultado pero visualizado desde otra óptica, implica que los rastrojos de maíz son la biomasa con mayor potencial por hectárea, en orden descendente se ordenan: rastrojo de sorgo, rastrojo de trigo, rastrojo de soja y por último el rastrojo de cebada.
Tabla 4. Potencial de
generación de energía eléctrica a partir de ciclo Rankine convencional.
Fuente: Elaboración propia
Ciclo Rankine orgánico
Bajo las consideraciones de presión, temperatura, tipo de fluido, rendimientos isentrópicos y demás parámetros explicitados en la Sección 3.2, el rendimiento del ciclo resulta en 27,2% y la temperatura de los humos en la chimenea es de 300ºC.
En la tabla 5 se presenta, para cada biomasa, el consumo de combustible por año necesario para alimentar una planta de generación de un megawatt operando 300 días al año. Además, se presenta el rendimiento de generación que se obtendría y el potencial de generación a partir de la cosecha parcial de los residuos por hectárea. Se observa que los rendimientos del ORC con estas biomasas se encuentra entre 18,0% y 19,6%, donde la humedad de la biomasa es el factor que más influyen en esta fluctuación. En cuanto al consumo de combustible, las biomasas con mayor poder calorífico son las que presentan menores requerimientos de consumo. Debido a la generación de biomasa por hectárea y considerando que los rendimientos son muy similares para cada uno de ellos, los rastrojos de maíz son la biomasa estudiada con mayor potencial por unidad de superficie, seguido de los rastrojos de sorgo, trigo, soja y por último de cebada.
Bajo las consideraciones de presión, temperatura, tipo de fluido, rendimientos isentrópicos y demás parámetros explicitados en la Sección 3.2, el rendimiento del ciclo resulta en 27,2% y la temperatura de los humos en la chimenea es de 300ºC.
En la tabla 5 se presenta, para cada biomasa, el consumo de combustible por año necesario para alimentar una planta de generación de un megawatt operando 300 días al año. Además, se presenta el rendimiento de generación que se obtendría y el potencial de generación a partir de la cosecha parcial de los residuos por hectárea. Se observa que los rendimientos del ORC con estas biomasas se encuentra entre 18,0% y 19,6%, donde la humedad de la biomasa es el factor que más influyen en esta fluctuación. En cuanto al consumo de combustible, las biomasas con mayor poder calorífico son las que presentan menores requerimientos de consumo. Debido a la generación de biomasa por hectárea y considerando que los rendimientos son muy similares para cada uno de ellos, los rastrojos de maíz son la biomasa estudiada con mayor potencial por unidad de superficie, seguido de los rastrojos de sorgo, trigo, soja y por último de cebada.
Tabla 5. Potencial energético a
partir de ORC.
Fuente: Elaboración propia
Si bien el fluido de trabajo empleado en este ciclo es el usualmente
utilizado, el rendimiento puede ser incrementado cambiando dicho
fluido, teniendo en cuenta factores ambientales y de seguridad.
CONCLUSIONES
El presente trabajo se centró en el cálculo del potencial energético de biomasas residuales generadas en actividades agrícolas, particularmente en los rastrojos de los cultivos cerealeros con mayor extensión en Uruguay. Se evaluó la disponibilidad de las mismas, se definieron dos tecnologías para la producción de potencia y se obtuvieron los valores de potencia eléctrica generada en períodos anuales, para cada una de las biomasas estudiadas.
En cuanto a disponibilidad a nivel nacional, los rastrojos de soja son los de mayor producción neta, seguidos de los rastrojos de trigo, maíz, sorgo y cebada. Considerando la producción de residuos por hectárea (rendimiento de cultivo), el orden decreciente de la generación de rastrojos es la siguiente: maíz, sorgo, cebada, trigo y soja.
De las tecnologías evaluadas, los mejores rendimientos se alcanzan con el ciclo Rankine convencional, del orden de 25%, para rangos de potencia entre 6 y 150 MWe. El ORC se presenta como una alternativa en pequeña escala pero con menores rendimientos, entre 18,0% y 19,6%.
Si se considera la totalidad de los rastrojos de residuos cerealeros, que se encuentran distribuidos en gran parte del territorio, se presenta un potencial de generación eléctrica de 700MW. Por motivos económicos, de recolección y transporte, se debe pensar un aprovechamiento de dichos residuos en forma regional y escalas de potencia menores.
Los rastrojos de soja son la biomasa estudiada con mayor potencial de generación de energía con 340MWe. Además de la gran disponibilidad, esta biomasa presenta aceptables cualidades como combustible, lo que se ve reflejado en buenos rendimientos obtenidos para cada tecnología. Como desventaja presenta una producción de materia por hectárea inferior a otras biomasas, lo que puede afectar los costos de logística.
En términos relativos a la superficie, los rastrojos de maíz son el residuo estudiado con mayor potencial con 316W/ha. Esto se debe a las diferencias en generación de biomasa por hectárea y que los rendimientos de los ciclos no varían fuertemente entre los diferentes rastrojos.
CONCLUSIONES
El presente trabajo se centró en el cálculo del potencial energético de biomasas residuales generadas en actividades agrícolas, particularmente en los rastrojos de los cultivos cerealeros con mayor extensión en Uruguay. Se evaluó la disponibilidad de las mismas, se definieron dos tecnologías para la producción de potencia y se obtuvieron los valores de potencia eléctrica generada en períodos anuales, para cada una de las biomasas estudiadas.
En cuanto a disponibilidad a nivel nacional, los rastrojos de soja son los de mayor producción neta, seguidos de los rastrojos de trigo, maíz, sorgo y cebada. Considerando la producción de residuos por hectárea (rendimiento de cultivo), el orden decreciente de la generación de rastrojos es la siguiente: maíz, sorgo, cebada, trigo y soja.
De las tecnologías evaluadas, los mejores rendimientos se alcanzan con el ciclo Rankine convencional, del orden de 25%, para rangos de potencia entre 6 y 150 MWe. El ORC se presenta como una alternativa en pequeña escala pero con menores rendimientos, entre 18,0% y 19,6%.
Si se considera la totalidad de los rastrojos de residuos cerealeros, que se encuentran distribuidos en gran parte del territorio, se presenta un potencial de generación eléctrica de 700MW. Por motivos económicos, de recolección y transporte, se debe pensar un aprovechamiento de dichos residuos en forma regional y escalas de potencia menores.
Los rastrojos de soja son la biomasa estudiada con mayor potencial de generación de energía con 340MWe. Además de la gran disponibilidad, esta biomasa presenta aceptables cualidades como combustible, lo que se ve reflejado en buenos rendimientos obtenidos para cada tecnología. Como desventaja presenta una producción de materia por hectárea inferior a otras biomasas, lo que puede afectar los costos de logística.
En términos relativos a la superficie, los rastrojos de maíz son el residuo estudiado con mayor potencial con 316W/ha. Esto se debe a las diferencias en generación de biomasa por hectárea y que los rendimientos de los ciclos no varían fuertemente entre los diferentes rastrojos.
REFERENCIAS
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