Tesis doctoral de Sergio Martínez Lozano
El aprovechamiento energético de los residuos de biomasa se ha incrementado a lo largo de los últimos años en españa y cataluña. El principal motivo de este incremento es la necesidad de cumplir los objetivos energéticos a nivel regional y estatal, especificados en el pla de l energia de catalunya 2006-2015 para cataluña, y en el plan nacional de energías renovables 2005-2010 para españa. Estos objetivos están directamente relacionados con las limitaciones sobre la emisión de gases de efecto invernadero (gei) que se derivan del protocolo de kyoto. otros factores externos como la tendencia en el consumo internacional de recursos de origen fósil, el incremento de precios de las materias primeras y la aparición de una nueva legislación europea favorable al desarrollo de las energías renovables, y en concreto, al fomento de la energía generada a partir de biomasa, promueven el aprovechamiento energético de este recurso de diversos orígenes (forestal, industrial, agrícola y cultivos energéticos) para la producción de electricidad y/o calor en españa y cataluña. en españa, a diferencia de otros países europeos, la biomasa no ha sido valorada y explotada del mismo modo que el resto de energías renovables hasta hace muy pocos años debido a los siguientes factores: ¿ la falta de un mercado de combustibles de biomasa; ¿ el requerimiento de importantes inversiones y de una garantía de suministro a medio y largo plazo para la implantación de nuevas experiencias; ¿ la falta de un consenso entre los diferentes agentes que intervienen en la valorización energética de la biomasa (propietarios forestales, productores de biomasa, empresarios y administración); ¿ la insuficiencia en los incentivos económicos para el desarrollo de nuevas experiencias de producción de energía con biomasa; ¿ insuficiencia en las tarifas eléctricas pagadas por la electricidad producida a partir de biomasa. durante la elaboración de la presente tesis, la aprobación del real decreto 661/2007 ha comportado un aumento significativo de las tarifas eléctricas pagadas por la energía producida con biomasa. Esta norma promueve la creación y el desarrollo de nuevos proyectos basado en la producción de energía a partir de biomasa y la creación de nuevas empresas especializadas en este sector. La mayoría de las iniciativas actuales están basadas en la valoración energética de residuos agro-industriales. El real decreto 661/2007 debe impulsar el funcionamiento de nuevas plantas de valorización energética de otros tipos de biomasa como los residuos forestales y los cultivos energéticos. Las limitaciones tecnológicas y la falta de estudios de viabilidad justifican la dificultad en la implantación de estos nuevos sistemas de producción de energía a escala regional y nacional. en cataluña, el conocimiento existente sobre este recurso renovable ha ido aumentando en función de la implantación de experiencias piloto sobre producción de energía con biomasa a escala local, y del trabajo conjunto entre distintas entidades que han evaluado la viabilidad del aprovechamiento energético de este recurso bajo criterios de sostenibilidad. el objetivo principal de esta tesis doctoral es la evaluación de la biomasa como recurso energético renovable en cataluña, y el análisis de los diversos factores que contribuyen a la viabilidad de la producción de energía a partir de este recurso. el alcance de este objetivo ha requerido el estudio de las siguientes temáticas, planteadas en presente tesis doctoral como objetivos específicos: ¿ evaluar des de los puntos de vista tecno-económico y socio-político el aprovechamiento energético de la biomasa forestal mediante los resultados obtenidos en grupos de discusión formados por actores especializados en el sector de la biomasa. ¿ cuantificar los recursos de biomasa disponibles para usos energéticos en cataluña. ¿ estudiar las tecnologías para el cultivo y la cosecha de los cultivos energéticos de colza etíope y chopo. ¿ revisar las tecnologías para la transformación y las aplicaciones de la biomasa. ¿ analizar la viabilidad de la generación eléctrica a partir de los cultivos energéticos de colza etíope (brassica carinata) y chopo (populus x euroamericana). ¿ analizar la viabilidad económica de la generación eléctrica con biomasa de elevado contenido en azufre. Analizar la relación coste-beneficio de la emisión de so2. ¿ caracterizar física y químicamente la biomasa de colza (brassica napus) para su uso como combustible en la producción de energía complementario al actual aprovechamiento del grano para la producción de biodiesel. Analizar los mecanismos de secado natural de la biomasa de colza en el campo. ¿ caracterizar física y químicamente las cenizas de colza para su uso como fertilizante en el cultivo después de efectuar la valorización energética de la biomasa residual después de cada cosecha. ¿ estudiar el uso de cultivos como fuente de materias alternativas a la producción de energía. Como caso práctico, estudiar el ricino (ricinus communis) como cultivo de interés industrial. la tesis doctoral se divide en 12 capítulos, cada uno complementado con su respectiva información bibliográfica. en el capítulo 1 (#presentación y objetivos#) se realiza una breve presentación del trabajo realizado, la descripción de los objetivos a alcanzar en la tesis doctoral y la estructura de la misma. en el capítulo 2 (#introducción general#) se realiza una revisión de los motivos por los que se justifica el estudio realizado en la presente tesis. En concreto se describen los siguientes conceptos: (a) el contexto internacional y nacional que favorece el uso de la biomasa, (b) las directivas europeas y los planes de la energía que tratan la biomasa como una forma de energía renovable necesaria para alcanzar los objetivos energéticos planteados, (c) el estado y las previsiones sobre producción de energía con biomasa en españa y cataluña, y (d) los actores principales y los proyectos más destacados sobre producción de energía con biomasa en cataluña. en el capítulo 3 (#metodología y herramientas utilizadas#) se indica la metodología general utilizada para la realización de la presente tesis. Se indican las herramientas, bases de datos y programas informáticos que se han utilizado para la resolución de los objetivos planteados en el capítulo 1. el capítulo 4 (#análisis multicriterio del uso de la biomasa forestal con fines energéticos#) muestra un análisis multicriterio sobre el aprovechamiento de los recursos forestales como fuente de energía. El análisis parte de los resultados obtenidos en dos sesiones de trabajo realizadas en el año 2004 con diversos expertos del área de la biomasa donde se analizaron desde los puntos de vista social, económico, tecnológico y ambiental los siguientes aspectos: (a) la situación del uso de la biomasa forestal como fuente de energía en cataluña, (b) la necesidad de la gestión forestal para fines energéticos, y (c) los impactos relacionados con la explotación forestal, el transporte y la generación de energía. Los resultados obtenidos conforman el punto de partida de la investigación desarrollada por el doctorante y mostrada a lo largo de los capítulos de la presente tesis. entre estos resultados se destaca que dentro de un sistema integral de aprovechamiento de la biomasa, cataluña, por sus elevados recursos forestales, debe considerar la biomasa forestal como parte importante de los recursos que contribuyen a los fines energéticos. Deben buscarse formas de extender su área de aprovechamiento limitada al 28%. la falta de un sistema logístico y de un mercado de la biomasa, y la escasa rendibilidad económica de la extracción de biomasa forestal son factores que contribuyen a la acumulación de biomasa en los bosques y al aumento del riesgo de incendios. además, el aprovechamiento energético de la biomasa forestal debe responder a una estrategia global energética, ambiental y social, encontrando sinergias comunes con la industria de la madera para el aprovechamiento de los productos de menor valor en el mercado. el capítulo 5 (#cuantificación del potencial de biomasa disponible para la generación de energía en cataluña#) cuantifica las existencias de biomasa y los residuos de biomasa potencialmente disponibles para la producción de energía en cataluña. La cuantificación se ha realizado diferenciando diversas categorías de residuos de biomasa en función de su origen. Los datos son finalmente expresados en unidades de electricidad generable y toneladas de co2 evitables de ser emitidas a la atmósfera mediante la substitución de combustibles fósiles por biomasa en los actuales sistemas de generación eléctrica. según los resultados obtenidos en la cuantificación, cabe destacar que cataluña dispone de 1,3 millones de mg de residuos de biomasa (equivalente a 444 kteps) de relativamente fácil valorización energética. Su capacidad es muy superior al aprovechamiento energético actual de la biomasa (92,6 kteps de biomasa forestal y agrícola, y 117,6 kteps de residuos renovables, según datos del 2006) la actual política de disposición de residuos municipales e industriales al vertedero no permite la valorización energética de los residuos de biomasa que se cuantifican en mayor número (agroindustriales y cdr). Su modificación hacia el aprovechamiento energético integral contribuiría alcanzar los objetivos energéticos especificados para la biomasa en el pla de l energia de catalunya 2006-2015. el capítulo 6 (#tecnologías para el cultivo y la cosecha de los cultivos energéticos de colza etíope y chopo#) presenta el estado del estudio de los cultivos energéticos de colza etíope y chopo en españa, las operaciones para su cultivo, y los costes asociados a su producción en el campo. Finalmente se describen los métodos y tecnologías disponibles para su cosecha. Ambos cultivos serán considerados en la evaluación de la viabilidad económica de la producción de energía a partir de sus biomasas, mostrada en posteriores apartados. el capítulo 7 (#tecnologías para la transformación y aplicaciones de la biomasa#) presenta una revisión de las tecnologías para: (a) la modificación física de la biomasa a una forma estándar de combustible, (b) la combustión en la generación de energía, y (c) el control para la dispersión de las emisiones producidas en la combustión de la biomasa. De forma más breve se resumen (d) las tecnologías de la gasificación y la pirólisis, y sus aplicaciones, y (e) las tecnologías para la producción de biocombustibles. el capítulo 8 (#análisis de viabilidad del sistema de bioenergía a partir de los cultivos energéticos de colza etíope y chopo#) muestra un análisis de viabilidad de la generación eléctrica para distintos tamaños de planta eléctrica, utilizando los cultivos energéticos de colza etíope y chopo, tratados en el capítulo 6. El análisis considera las tarifas eléctricas vigentes antes y después de la aprobación del real decreto 661/2007. la aprobación del real decreto 661/2007 durante la realización del proyecto agrosost (2004-2007) permitió un cambio en la dimensión de los sistemas de generación eléctrica con biomasa, incluyendo a los cultivos energéticos. Las nuevas tarifas eléctricas permiten un incremento significativo de los beneficios obtenidos en las plantas eléctricas con biomasa de mediana y elevada potencia, así como la viabilidad de nuevas plantas de menor potencia, que eran no rentables antes de la aprobación de la mencionada ley. la producción eléctrica utilizando chopo como combustible, siempre que haya disponibilidad de agua, constituye una de las alternativas para cumplir el objetivo propuesto con cultivos energéticos a nivel estatal en el per 2005-2010, y también a nivel de cataluña. el capítulo 9 (#análisis de viabilidad de la generación eléctrica con biomasa de elevado contenido en azufre. Análisis coste-beneficio relativo a la emisión de so2#) muestra un análisis de viabilidad donde se comparan dos estrategias de combustión para la valorización energética de cultivos energéticos con un elevado contenido en azufre. Las estrategias de combustión analizadas son: (a) la co-combustión de colza e. Con carbón en una central eléctrica convencional de 300 mw de potencia, y (b) la mezcla de combustibles de biomasa en plantas de generación eléctrica convencionales. Finalmente, se presenta un análisis coste-beneficio en el que se compara el coste de desulfuración de gases al coste de la externalidad provocada por la emisión de gases de so2 en la generación eléctrica. los principales resultados obtenidos en este capítulo son los siguientes: la co-combustión de carbón con biomasa con elevados contenidos en azufre en centrales térmicas de carbón convencionales es una opción que presenta ventajas económicas y ambientales: (a) la amortización de la mayoría de plantas térmicas, (b) fácil adaptación tecnológica, (c) existencia de incentivos económicos (real decreto 661/2007), y (d) posibilidad de venta de créditos de emisión de co2. la colza contiene azufre. Su combustión supera los límites admisibles en grandes plantas. La mezcla del 25% de colza e. Con el 75% de chopo o la limitación de la potencia eléctrica instalada en 49 mw, son opciones dentro de la reglamentación económicas, pero siguen teniendo un impacto ambiental. sin embargo, el análisis coste-beneficio muestra como el coste del tratamiento del so2 es muy superior a los beneficios que se derivan de las externalidades evitadas por su tratamiento, lo cual justifica que el dinero, considerado como un recurso escaso, pueda ser utilizado en muchas otras aplicaciones ambientales con mayor beneficio. el capítulo 10 (#caracterización físico-química de la biomasa de colza (brassica napus)#) presenta la parte experimental realizada para esta tesis. Esta se basa en la caracterización físico-química y del secado natural de la biomasa de colza para la producción de energía, como estrategia complementaria al actual aprovechamiento del grano para la producción de biodiesel. El capítulo 10 se divide en tres grandes bloques. El primer bloque muestra el diseño del trabajo experimental para la caracterización físico-química y el secado natural de la biomasa de colza. Se describe el método para el muestreo, los métodos estandarizados utilizados, y el conjunto de técnicas y dispositivos de laboratorio utilizados en la caracterización de la biomasa y de sus cenizas. El segundo bloque muestra los resultados obtenidos en la caracterización físico-química y calorimétrica de la biomasa de colza y de sus cenizas, y finalmente, la evolución de la humedad de la biomasa de colza al haber sido expuesta a las condiciones meteorológicas del territorio. las cenizas obtenidas en la combustión de la colza contienen una elevada concentración de ca (20%), na (5%), k (13%) y p (1,5%). El uso de estas cenizas como fertilizantes en el terreno de cultivo permite el retorno de parte de los elementos que han sido absorbidos durante el crecimiento de la biomasa de colza y la formación del grano. las condiciones meteorológicas de la zona de cultivo situada en la provincia de girona ha permitido el secado natural de la biomasa de colza en un período mínimo de 5 días. Los valores sobre reducción del contenido de humedad en este periodo son del 31-78%, dependiendo del diámetro expuesto al secado. el capítulo 11 (#usos alternativos de la biomasa: cultivos para la producción de materias primas de la industria química. El caso práctico del ricino#) hace referencia a la valorización de cultivos, alternativos a los implantados para la producción de energía, que por sus propiedades físico-químicas tienen interés para la industria química en europa. Estos cultivos son valorados en el mercado internacional según su potencial suministro y cotización de las materias primeras obtenidas. como caso práctico se presenta el cultivo del ricino, un vegetal de importante valor comercial debido a las numerosas aplicaciones contenidas en la composición química de su grano. Se describe su cultivo, composición química, aplicaciones industriales y su valorización y demanda en el mercado internacional. el capítulo 12 (#conclusiones generales#) recoge las principales conclusiones extraídas del trabajo realizado y presentadas en los capítulos centrales de la tesis doctoral.
Datos académicos de la tesis doctoral «Evaluación de la biomasa como recurso energético renovable en cataluña«
- Título de la tesis: Evaluación de la biomasa como recurso energético renovable en cataluña
- Autor: Sergio Martínez Lozano
- Universidad: Girona
- Fecha de lectura de la tesis: 21/04/2009
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Miquel Rigola Lapeña
- Tribunal
- Presidente del tribunal: manel Poch espallargas
- francesc Castell i piqué (vocal)
- jordi Bartroli molins (vocal)
- xavier Gabarrell durany (vocal)