INTRODUCCIÓN
Según la Agencia Internacional de la Energía, el 10% de la energía primaría mundial procede de recursos asociados con la biomasa, en los que se incluyen los biocombustibles líquidos y el biogás. Una parte muy abultada corresponde a países pobres y en desarrollo. Así, un informe del Fondo de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), indica que «algunos países pobres obtienen el 90% de su energía de la leña y otros biocombustibles»; para unos 2.700 millones de personas es la principal fuente de energía de uso doméstico.
Aunque en muchas ocasiones esta utilización de la biomasa se realiza de forma masiva, en una búsqueda desesperada de energía, la propia FAO reconoce que “la mejora del uso eficiente de los recursos de la energía de la biomasa —incluidos los residuos agrícolas y las plantaciones de materiales energéticos— ofrece oportunidades de empleo, beneficios ambientales y una mejor infraestructura rural”, y va más allá al considerar que un uso eficiente de estas fuentes de energía colaborarían en alcanzar dos de los objetivos de desarrollo del milenio, como son el erradicar la pobreza y el hambre y garantizar la sostenibilidad del medio ambiente.
Esta notable diferencia entre países desarrollados y los que todavía se hallan en vías de desarrollo, viene a explicar el porqué una materia energética tan antigua como la biomasa siga siendo considerada un combustible del pasado, a pesar de constituir una alternativa renovable si aplicamos los actuales desarrollos tecnológicos y de gestión silvícola. Para numerosas sociedades en el mundo, el uso tradicional de la biomasa sigue siendo la forma de energía más extendida, sobre todo por la imposibilidad de acceder a otras fuentes de energía más modernas; para ellas la biomasa es el combustible más accesible y con costes económicos inferiores a las de otras energías alternativas. La generación de energía en el mundo a partir de biomasa es fundamentalmente mediante biomasa sólida (un 87%), le siguen los biocombustibles líquidos (6%), residuos urbanos (3%) y en cantidades mínimas los residuos industriales (2%) y biogás (2%).
Dejando a un lado las aplicaciones industriales, el uso de la biomasa a pequeña escala, con los desarrollos tecnológicos actuales, permite un aprovechamiento más eficiente y sostenible, especialmente para la obtención de energía térmica para la calefacción y el cocinado. En aplicaciones profesionales, también es aplicable para la generación de electricidad, por ejemplo mediante biogás. Los biocombustibles líquidos también constituyen recursos de interés para motores de usos agrícolas y de transporte.
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
La biomasa es la primera fuente de energía utilizada por la humanidad. En la Prehistoria, los humanos realizaron la combustión directa de las materias orgánicas desde el mismo descubrimiento del fuego, con fines energéticos y de seguridad contra las fieras. Fue el Homo erectus, antecesor del Homo sapiens, el que realizo ese descubrimiento trascendental hace aproximadamente un millón de años.
Aquel primer humano que hizo brotar la primera llama no podía imaginar las posibilidades futuras de lo que había descubierto, pero no tardó en hallar utilidades inmediatas que vendrían a mejorar sustancialmente sus condiciones de vida y la de su progenie. El fuego le proporcionó calor para protegerse de las bajas temperaturas, le permitió iluminar sus cavernas y cocinar los alimentos, pero también usarlo como recurso para la caza y la protección de su hogar frente a los animales salvajes.
El descubrimiento del fuego fue el comienzo de una desenfrenada carrera del hombre hacia su perfeccionamiento y humanización, reuniéndose en comunidades, creando una interacción social cada vez más dependiente unos de otros. La aparición de la agricultura y la ganadería proporcionó además una dieta más variada que mejoró la salud, con la fortaleza y amparo de un hogar seguro que les permitió evolucionar hacia nuevas cotas de bienestar. Todo ello evidencia la importancia que para el ser humano ha tenido un recurso energético primario como es la biomasa.
La biomasa fue la energía hegemónica durante cientos de miles de años, hasta que comenzaron a descubrirse nuevas fuentes de energía que complementaron pero nunca la sustituyeron en su totalidad, manteniéndose como una fuente de energía tradicional. Cronológicamente, se distingue en Asia unos 2000 a.C. el carbón para usos domésticos, como cocinar y calentarse; también en Asia en el 1 d.C., se comienza a utilizar petróleo como combustible para lámparas. La energía hidráulica en Europa en el 200 d.C., y posteriormente la eólica en Persia en el 1000 d.C., sirvieron básicamente para accionar molinos. De nuevo el carbón cobra fuerza en el siglo XVII en Europa, convirtiéndose en un combustible muy importante durante los siglos siguientes, y en el que surgiría también la máquina de vapor. En el siglo XIX, con el científico Faraday y el descubrimiento del electromagnetismo, se abre un campo insospechado en la historia de la energía, con la invención del generador eléctrico. Este siglo también se distingue por el auge del petróleo y del automóvil, y a mediados del siglo XX de la primera central de energía nuclear.
En la actualidad, las demandas de energías con mayor poder calorífico que la biomasa provocó una caída de ésta hasta mínimos históricos, coincidiendo con el uso masivo de los derivados del petróleo. No obstante, la biomasa sigue conservando una importante función no sólo en aplicaciones domésticas, sino también a nivel industrial. De hecho, según un informe de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), la biomasa podría tener un brillante futuro y jugar un papel clave doblando la producción de las energías renovables en las próximas décadas. La demanda mundial de biomasa como fuente de energía podría alcanzar en 2030 el equivalente al 20% del suministro energético primario total, y hasta un 60% del consumo energético renovable, mitigando significativamente las emisiones de efecto invernadero.
QUÉ ES LA BIOMASA
Se entiende como biomasa la materia orgánica que es susceptible de ser transformada en bioenergía o bioproductos. El Parlamento y el Consejo Europeo la dejó definida de la siguiente forma en su Directiva sobre el fomento del uso de la energía procedentes de fuentes renovables nº 2009/28/CE: «es la fracción biodegradable de los productos, desechos y residuos de origen biológico procedentes de actividades agrarias (incluidas las sustancias de origen vegetal y de origen animal), de la silvicultura y de las industrias conexas, incluidas la pesca y la acuicultura, así como la fracción
biológica degradable de los residuos industriales y municipales».
La biomasa es en realidad una fuente de energía solar, pues procede de la transformación de la radiación del sol en energía química a través del proceso de las plantas verdes conocido como fotosíntesis; una parte de esa energía química es almacenada por las plantas en forma de sustancias orgánicas (carbohidratos) para ser aprovechadas como nutrientes, liberando oxígeno durante esa transformación. Los animales, al alimentarse de las plantas también procesan y transforman esa energía, y los productos de esa transformación considerados residuos también pueden utilizarse como un recurso energético.
Es conveniente precisar que no se consideran biomasa aquellas materias orgánicas fosilizadas, es decir, de origen remoto, que han sufrido un proceso de transformación durante un largo periodo de tiempo, como es el carbón, el petróleo o el gas natural. Estos combustibles fósiles, a pesar de su origen biológico y potencial energético no son renovables, porque su periodo útil de uso transciende ampliamente el de su recuperación. También quedan fuera de este concepto los combustibles fósiles y materias orgánicas derivadas de esas materias fósiles, como son los plásticos y la mayoría de productos sintéticos, pues aunque tuvieron un origen biológico se formaron hace millones de años. En definitiva, podemos decir que la biomasa es la materia orgánica producida en un pasado inmediato.
FUENTES DE BIOMASA
Las fuentes más importantes de biomasa son los residuos forestales naturales (ramas, astillas, maderas muertas…); residuos de las industrias forestales (como el serrín); residuos agrícolas (cáscaras, hojas, tallos, cañas de maíz, etc.); residuos ganaderos (excrementos, purines y otros residuos de los recintos animales); residuos urbanos (restos de alimentos, cartones, papel, madera, aguas negras…); residuos industriales (aceites, grasas…); cultivos energéticos (plantaciones específicas para la obtención de energía, como la soja, palma, pasto varilla o especies leñosas de crecimiento rápido).
APLICACIONES DE LA BIOMASA: CALEFACCIÓN Y AGUA CALIENTE SANITARIA
Las aplicaciones térmicas más comunes de la biomasa son las de producción de calor para calefacción y agua caliente sanitaria (ACS), además del uso clásico para cocinar. En menor medida también se sitúa la producción de electricidad. El uso individual de la energía producida por biomasa suele remitirse a calderas o estufas, utilizados en los hogares de manera tradicional. En la actualidad, las antiguas estufas mejoradas consiguen una mayor eficiencia energética, y pueden suplir las necesidades de calentamiento de una estancia mediante sistemas de aire o agua, pudiendo adaptarse a radiadores o suelo radiante, así como a la producción de agua caliente sanitaria.
No obstante, la combustión directa es la forma más ineficiente de obtener energía de la biomasa (entre un 10 y un 15% de su energía potencial), y viene especialmente determinado por el tipo de combustible sólido utilizado. La leña, como se dijo, es una materia que puede utilizarse habitualmente de forma directa en la combustión para obtener energía calorífica, pero dado que los tipos de madera y restos vegetales son muy heterogéneos, además de presentar diferentes potenciales térmicos dependiendo de su estado, densidad o porcentaje de humedad, no suelen alcanzar la eficiencia de un combustible sólido previamente tratado. La biomasa procedente de matorrales, vid y otros frutales, por ejemplo, son fuentes de biomasa que se manejan mal en bruto para su uso directo en calderas o estufas, por ello son tratados previamente y transformados en materias sólidas mucho más efectivas. Existen en el mercado diferentes formulaciones de estas materias en forma de biocombustibles sólidos que sí pueden ser utilizados de manera directa, como veremos más adelante.
LOS BIOCOMBUSTIBLES
¿QUÉ SON?
Genéricamente, los biocombustibles son combustibles derivados de fuentes orgánicas renovables, obtenidos de la transformación de la biomasa vegetal o animal. Se producen mediante procesos mecánicos, biológicos y termoquímicos.
Se ha convenido clasificar los biocombustibles en tres grupos principales: 1ª, 2ª y 3ª generación:
Los biocombustibles de primera generación se obtienen de forma convencional a través de cultivos agrícolas que albergan o son fuentes proveedoras de almidón, carbohidratos, azúcar, aceites vegetales o grasas animales, ejemplo de la caña de azúcar, maíz, soja, girasol… o especies forestales como el pino y el eucalipto. Debido a que gran parte de esas materias primas son también fuentes de alimento, muchas de ellas base de la alimentación de numerosas personas en el mundo, son objeto del debate «alimentos vs. biocombustibles», al considerarse que podría amenazar la biodiversidad y el suministro de alimentos en el mundo.
La segunda generación de biocombustibles se desarrolló para prescindir de los cultivos (o sus partes útiles) que también son generadoras de alimentos, tratando de atender la creciente demanda de este tipo de combustibles sin perjudicar la producción mundial de alimentos. Para ello, se recurre a cultivos que no están destinados a la alimentación, o a las partes vegetales no comestibles o considerados desperdicios, procedentes de la industria agroalimentaria, como cáscaras, tallos, vainas, virutas… También se consideran los cultivos agroforestales que no están destinados a la alimentación, así como la fracción orgánica de los residuos urbanos.
Aunque la segunda generación de biocombustibles es de producción más compleja, debido a que entraña un proceso de extracción de la biomasa de aquellas materias primas útiles (o su separación de los residuos urbanos), se considera sin embargo compensado por un mayor ahorro en la emisión de gases de efecto invernadero que los biocombustibles de primera generación.
La tercera generación de biocombustibles son los que se producen a partir de algas y plantas acuáticas que contengan al menos un 50% de aceite natural. La producción de ese aceite conlleva un proceso de fermentación de los carbohidratos que contienen. Comercialmente todavía es una actividad menor pero con estudios muy positivos con un futuro prometedor.
La futura generación de biocombustibles (la 4ª), se halla todavía en un proceso de investigación, pero va mucho más allá, buscando modificar genéticamente los microrganismos para mejorar en su eficiencia de captación y almacenamiento del CO2.
TIPOS DE BIOCOMBUSTIBLES
Podemos clasificar los biocombustibles según el tipo de transformación a la que se ve sometida la biomasa. Según su naturaleza cabe distinguir entre biocombustibles líquidos, sólidos y gaseosos; estos dos últimos se emplean generalmente para producir calor y electricidad, mientras que los de naturaleza líquida tienen su principal aplicación en el sector del transporte.
En calderas destinadas a calefacción y agua caliente sanitaria, se distinguen como combustible los sólidos de leñas, astillas, pellets y briquetas:
LEÑAS Y ASTILLAS
Son sólidos de madera utilizados para la combustión en calderas, o bien para obtener carbón vegetal u otros productos elaborados, como pellets o briquetas. Se obtienen de los cultivos agrícolas leñosos o de la industria forestal. Desde el punto de vista técnico, los procesos para transformar la biomasa en leñas y astillas son los más simples; consiste en extraer y fragmentar o triturar la materia prima, procediendo después a su desecado por algún método natural o forzado.
Para obtener el carbón vegetal se calienta la madera en un espacio cerrado donde escasea el oxígeno, ocasionando que se produzca una combustión incompleta. Este combustible sólido presenta ventajas con respecto a la madera sin tratar, al poseer un mayor poder calorífico, además de ser poco alterable a las condiciones ambientales y los agentes biológicos. No obstante, presenta una menor densidad que la madera natural, siendo necesario un mayor volumen de carbón vegetal para obtener la misma potencia calorífica.
PELLETS Y BRIQUETAS
Los pellets de biomasa y las briquetas son combustibles sólidos elaborados a partir de maderas sin tratar y otras materias orgánicas, que vienen a mejorar el problema de la escasa densidad del carbón vegetal, así como la baja eficiencia de la combustión de las leñas sin tratar. Si las materias de biomasa se muelen o trituran es posible compactarlas comprimiendo las partículas, obteniendo así una mayor densidad en menor espacio. Cuando esas materias compactadas tienen una longitud de unos pocos centímetros (no más de 6 centímetros) se denominan pellets; si esa longitud alcanza entre los 15 y los 25 cm, se conocen como briquetas.
Estos productos no sólo se fabrican a partir de partículas de madera, sino que también pueden emplearse diversas materias de biomasa, especialmente los lignocelulósicos, como serrín, papel, hierbas, paja de cereales, residuos urbanos, etc. Para mejorar sus cualidades pueden añadirse diferentes materias y aditivos, como aceites vegetales o parafina, que aumentan la adhesión de las partículas al compactarlas, además de aportar inflamabilidad y mayor poder calorífico.
Los pellets son especialmente útiles para la combustión en calderas, ya que sus dimensiones y uniformidad permite una fácil manipulación, además de una alimentación automatizada. Los pellets se almacenan en un depósito o silo y son arrastrados hacia el punto de combustión mediante aspiración o a través de un tornillo sinfín. Por su parte, las briquetas están destinadas para su combustión en hogares donde habitualmente también se queman leñas.
CALEFACCIÓN Y AGUA CALIENTE MEDIANTE BIOMASA
Como ya se dijo, en pequeñas instalaciones domésticas la biomasa se emplea habitualmente en la producción de calefacción y agua caliente sanitaria. Los equipos tradicionales siempre han sido poco eficientes, por lo heterogéneo de la biomasa utilizada, densidad, humedad y otros factores que influyen decisivamente en el adecuado aprovechamiento de todo su potencial. Las nuevas tecnologías en el tratamiento de la biomasa, así como la aparición de equipos avanzados muy eficientes, ha permitido que la obtención de energía mediante biomasa sea una alternativa real, limpia, ecológica y sostenible.
Los equipos habituales para la combustión de biomasa a nivel doméstico son las estufas y calderas. Las estufas pueden funcionar calentando agua para conectar a un sistema de radiadores, o acumularla para su uso inmediato o posterior como agua caliente sanitaria para los distintos servicios de un hogar. Las estufas también pueden funcionar simplemente calentando el aire de una estancia, y en este caso pueden ser técnicamente más simples y económicas.
Las calderas de biomasa son el siguiente nivel en estas tecnologías, según el tipo de combustible sólido que utilicen pueden incluso ofrecer prestaciones semejantes a las de una caldera tradicional de gas o gasóleo, como son las que manejan combustibles granulados, cuyo almacenamiento y alimentación ofrece menos complicaciones en su procesamiento. Las calderas más modernas presentan avances que automatizan las tareas, evitando que el usuario tenga que prestar atención durante su funcionamiento; suelen incluir automatismos para cargar el combustible, encenderlo, regular su potencia de combustión e incluso capacidad de compactar las cenizas producidas.
Estas mejoras tecnológicas en los equipos de biomasa, han permitido también que muchas instalaciones puedan prescindir de depósitos adicionales para controlar las inercias térmicas, que se producen por las variaciones en la potencia calorífica cuando se quema biomasa. Esto es especialmente problemático en las tradicionales cocinas calefactoras, donde el combustible utilizado es fundamentalmente leña; el descontrol en la potencia calorífica obtenida puede ocasionar diferencias térmicas notables que obligan a disponer de depósitos de inercia (además de un espacio extra para su ubicación), lo que significa un desembolso económico que encarece notablemente la instalación. Con las modernas calderas de biomasa este problema prácticamente ha desaparecido.
LAS ESTUFAS Y CALDERAS DE PELLETS
Como representación de los sistemas más eficientes en la combustión de biomasa para usos domésticos, cabe destacar las estufas y calderas de pellets. Los pellets, como ya se explicó antes, se obtienen de materias vegetales que son trituradas o molidas, y compactadas a tamaños estandarizados de hasta 6 centímetros. El tamaño y uniformidad de los pellets es especialmente útil para su aplicación en calderas y estufas de biomasa, permitiendo automatizar la alimentación y el resto del proceso de la combustión.
Es uno de los sistemas más eficientes y utilizados en la actualidad para la obtención de energía calorífica en el hogar. Estas estufas suelen ser pequeñas y muy eficientes. Debido al tipo de combustible usado pueden ser muy compactas, además de destacar por su bajo coste y alto rendimiento. Según el tipo de estufa, podría aceptar otros tipos de biocombustibles con características similares, como el hueso de aceituna, si el fabricante lo autoriza.
Por su escasa complicación técnica, es sencillo entender cómo funciona una estufa de pellets: el combustible sólido se aloja en una tolva o depósito a disposición del mecanismo de arrastre, que lo llevará hasta el lugar de combustión al ritmo que demande el sistema. Esa alimentación es automática y segura, sin riesgos de quemaduras para el usuario. El encendido de la estufa se realiza mediante una resistencia eléctrica que, al ponerse incandescente, comienza a quemar los primeros pellets que se hallan en su entorno, esto provoca que arranque un sistema de ventilación que aviva la llama y permite mantener la combustión de forma permanente, en tanto el sistema siga alimentando de pellets la paila y dentro del régimen de temperatura que haya sido seleccionado.
El aire frío del exterior es conducido hacia un intercambiador, calentado y devuelto a la estancia que se se desea climatizar; en el caso de las estufas de pellets canalizables, el aire caliente se reparte a través de conductos distribuidos por toda la vivienda. Gracias al intercambiador, el aire nunca está en contacto directo con el fuego o los gases de la combustión. En el caso de los sistemas de calefacción por radiadores, en vez de aire se hace circular agua a través de un circuito cerrado. Las estufas de pellets también pueden estar diseñadas para proporcionar agua caliente sanitaria, en este caso se hace pasar el calor a través de un un serpentín que hace la función de intercambiador, calentando el agua que circula por su interior para ser utilizada en los distintos servicios del hogar.
Las modernas estufas de pellets poseen dispositivos que facilitan el control de la calefacción del hogar de forma similar a la que ofrecen las calderas de gasóleo o gas, permitiendo regular la temperatura ideal de casa dentro de márgenes confortables.
CALDERAS DE PELLETS A CONDENSACIÓN
Este tipo de calderas de biomasa con pellets constituye un avance tecnológico que permite un apreciable ahorro energético. Se trata de calderas pequeñas y automáticas que consiguen recuperar eficientemente el calor latente de la condensación que contiene el combustible, bajando la temperatura de los gases de forma progresiva hasta que se condensa el vapor en un intercambiador de calor. Ese calor es reaprovechado, suponiendo un ahorro en pellets de un 15% respecto a otro sistema de combustión estándar.
FUENTES DE CONSULTA
- Aprovechamiento de la biomasa para uso energético – Borja Velázquez Martí
- Instalación de biomasa térmica en edificios – IDAE
- Combustión directa de la biomasa – Juan E. Carrasco García
- Biomasa y desarrollo – Comunidad de Madrid
- Uso del pellet de madera con usos térmicos – Apropellets
- Funcionamiento de calderas de biomasa – Marcos García González
- Biomasa y agrocombustibles – Jorge Riechmann
- Combustibles de biomasa – III Plan Energético de Navarra
- Biomasa, biocombustibles y sostenibilidad – Centro Tecnológico Agrario y Agroalimentario
- Manuales sobre energía renovable. Biomasa. – IDAE