La línea de conversión termoquímica de biomasa del Grupo de Bioenergía del Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad de Sevilla pretende contribuir al desarrollo de la tecnología de combustión y gasificación de biomasa y residuos. Tal contribución es llevada a cabo mediante un programa experimental de laboratorio y planta piloto, junto con el desarrollo de herramientas de simulación que permiten abordar el diseño y el escalado de estos procesos con razonable fiabilidad.
Para ello se dispone de una planta piloto de gasificación de 150 kWth dotada de una amplia instrumentación y automatismos necesarios para su operación. La planta piloto fue construida en el campus de la ETSI de Sevilla en 1999 y consiste en un gasificador de lecho fluido burbujeante de 150 mm de diámetro y 4,2 m de altura. Esta planta ha operado satisfactoriamente con orujillo, harinas cárnicas, pellets de madera, carbón, y mezclas de los anteriores. En la actualidad se está caracterizando el funcionamiento de diversos catalizadores y otros combustibles como lodos de depuradora, poda de olivo, residuos de poda de almendro, y otras biomasas, así como la evaluación de varios agentes gasificantes aparte de de aire, como aire enriquecido, vapor de agua y mezclas de los anteriores.
Por otra parte se están estudiando diversas estrategias para el tratamiento y limpieza de los gases generados en el proceso de gasificación, encaminadas a la reducción de la concentración de alquitranes y otras especies contaminantes. Se están ensayando diferentes estrategias que incluyen el tratamiento por vía caliente y húmeda, prestando particular atención al diseño de actuaciones encaminadas a la reducción de alquitranes con métodos económicos pero suficientemente efectivos.
El programa de laboratorio consiste en el desarrollo de pruebas de devolatilización, gasificación del char con dióxido de carbono y agua, así como la investigación de diversas medidas de reducción de alquitranes como el craqueo térmico o catalítico. Estos procesos son estudiados de manera conjunta en TGA y en lecho fluidizado y permiten obtener datos muy precisos del comportamiento de cada unas de las etapas termoquímicas que ocurren dentro de un reactor de combustión o gasificación. Esta información es indispensable para el entendimiento del proceso, y para el diseño de medidas encaminadas al aumento de la eficacia del proceso y del diseño del tren de limpieza aguas abajo.
En nuestro grupo se lleva a cabo también la caracterización de las cenizas generadas en el proceso de gasificación de biomasa en lecho fluidizado y el desarrollo de métodos alternativos para la utilización de cenizas volantes de gasificación. Estas línea de investigación es de capital importancia para el desarrollo del proceso a nivel industrial, toda vez que las cenizas de gasificación generadas en lecho fluidizado contienen una alta concentración de sustancias orgánicas, y a menudo, un alto contenido en cloro y álcalis, que dificulta la posibilidad de reutilización de las mismas. Este aspecto reduce la calidad de las cenizas e incrementa la dificultad de reutilización posterior, llevando a la incapacidad de emplear métodos de reciclado y re-utilización de cenizas volantes ya establecidos en la industria para las cenizas de combustión.
Finalmente, nuestro grupo compila toda la información anterior para el desarrollo de modelos de simulación, que permiten predecir el comportamiento de los sistemas de gasificación y comparar las diferentes estrategias mediante análisis de sensibilidad y optimización. Esta información complementa la información proveniente del laboratorio y de la planta piloto, permitiendo predecir el comportamiento del sistema a escalas mayores, y por tanto, el diseño de sistemas de gasificación de biomasa a escala industrial.
La lista siguiente resume las actuaciones principales en el área de conversión termoquímica:
- Caracterización físico-química de biomasa y residuos
- Obtención de la reactividad de char mediante TGA y lecho fluidizado de laboratorio
- Caracterización de la devolatilización en TGA y en lecho fluidizado de laboratorio
- Caracterización de cenizas generadas en combustión y gasificación
- Desarrollo de métodos de re-utilización de cenizas de gasificación
- Caracterización del comportamiento de gasificación de biomasa y residuos a escala piloto
- Modelado y simulación de gasificadores de biomasa
- Desarrollo de técnicas de reducción de alquitranes a escala de laboratorio y piloto
- Estudio de catalizadores a escala de laboratorio y piloto
- Escalamiento industrial del proceso de gasificación de biomasa en lecho fluidizado
El actual sistema europeo de suministro de carburantes de origen fósil para el sector del transporte no es sostenible por varias y poderosas razones entre las que destacan el agotamiento de las reservas de petróleo, una alta dependencia exterior asociada elevados riesgos de suministro y una inaceptable emisión de gases de efecto invernadero.
Para hacer frente a esta situación la Unión Europea se ha marcado unos ambiciosos objetivos de sustitución de estos carburantes fósiles por biocarburantes obtenidos a partir de biomasa. Los objetivos a corto plazo (5,75% de sustitución para 2010) son probablemente alcanzables con los llamados biocarburantes de primera generación – bioetanol y biodiesel- cuya producción en Europa ha experimentado un espectacular crecimiento en los últimos años. Sin embargo, estos biocarburantes de primera generación adolecen de notables inconvenientes que ponen en cuestión su sostenibilidad y que sean capaces de satisfacer los objetivos de sustitución a medio plazo (15% para 2020, propuesta por el Alternative Fuels Contact Goup). Entre ellos cabe destacar una baja producción por ha cultivada, un coste de producción elevado, una significativa interacción con el mercado alimentario y un análisis del ciclo de vida que, aunque favorable en comparación con los carburantes fósiles, puede ser substancialmente mejorado. Estos inconvenientes se derivan en buena medida de las materias primas empleadas en su producción. En Europa el bioetanol se obtiene principalmente de grano de maíz o trigo y de remolacha azucarera mientras que el biodiesel se produce con aceite de semilla de colza y girasol. Esto significa que sólo se aprovecha una fracción pequeña de la biomasa cultivada, el almidón del grano de maíz en el caso del bioetanol y el aceite de la semilla de soja en el caso del biodiesel, por ejemplo.
El uso de materia lignocelulósica para la producción de biocarburantes puede eliminar o al menos paliar los inconvenientes citados. Consciente de ello, la Unión Europea incluyó entre las líneas prioritarias de investigación y desarrollo del VI Programa Marco de Investigación la exploración de vías de producción de biocarburantes a partir de materia lignocelulósica, ya sea herbácea o leñosa e incluso materia orgánica residual.
La actividad del Grupo de Bioenergía en esta línea sobre síntesis de biocarburantes (BTL) se inicia en Enero de 2004 con la participación en el proyecto RENEW del VI PM de la Comisión Europea.
El trabajo del grupo se centra en la producción de etanol y alcoholes superiores por vía termoquímica (gasificación de biomasa y síntesis catalítica) y, en concreto en dos puntos importantes: la evaluación de catalizadores de síntesis y la generación y evaluación de alternativas de configuración del proceso global.
El grupo cuenta con el laboratorio de síntesis catalítica dotado con varios microreactores catalíticos y un reactor tipo “slurry”, donde se están evaluando, bajo diferentes condiciones de operación, varios catalizadores de síntesis de alcoholes proporcionados por Abengoa Bioenergia NT. Al mismo tiempo se desarrollan modelos cinéticos con el objeto de usarlos en el diseño del reactor de síntesis.
La generación y la evaluación técnico-económica de diferentes alternativas de configuración del proceso global es el segundo foco de interés del grupo en este campo. Existen varias opciones alternativas para cada una de las etapas principales del proceso (tratamiento de la biomasa, gasificación, limpieza y acondicionamiento del gas, síntesis catalítica y separación de productos) así como varias alternativas de configuración global (con/sin recirculación de reactivos, con/sin co-producción de energía eléctrica, etc.) que deben ser cuidadosamente evaluadas para llegar al diseño óptimo del proceso. El grupo cuenta para ello con amplia experiencia en el uso de simuladores de proceso comerciales como Aspen Plus y Pro II.
Estas dos tareas que se comenzaron con el proyecto RENEW tienen su continuidad en el proyecto I+DEA iniciado en Enero de 2007, un ambicioso proyecto CENIT liderado por Abengoa Bioenergía y financiado en parte por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI).