30 de marzo de 2020

Biocombustibles


Origen y concepto de la biomasa


Las plantas aprovechan la radiación solar para su metabolismo; y lo hacen mediante la fotosíntesis, que es un proceso mediante el que éstas transforman la energía solar en energía química. El proceso fotosintético está comprometido por un complejo entramado de reacciones fotoquímicas y bioquímicas que ocurren en un órgano celular llamado cloroplasto, la cual es la verdadera fábrica de energía que sostiene la vida. Cuando hablamos de energía química nos referimos a la implicada en la formación o la rotura e enlaces entre átomos que forman las moléculas. La energía química se almacena en forma de moléculas orgánicas (con el carbono como principal componente estructural). La ecuación general de la fotosíntesis es:





La glucosa es la molécula orgánica, con fines de almácen energético, fabricada por las plantas en la fotosíntesis. La glucosa, que es un azúcar de 6 carbonos, es, por decirlo así, el combustible sintetizado en primer lugar; posteriormente los monómeros de la glucosa se polimerizan formando macromoléculas llamadas polisacáridos. El almidón en los vegetales (formado por unas 3.000 unidades de glucosa por molécula) y el glucógeno en los animales (de 12 a 18 unidades) son los polisacáridos que constituyen las reservas de energía de la vida vegetal y animal.
La fotosíntesis en las plantas consta de dos fases: una fase luminosa y una fase oscura. Durante la fase luminosa la energía electromagnética de la radiación solar se emplea en promocionar a un estado excitado (más energético) los electrones de las moléculas de la clorofila, éstas moléculas entregan dichos electrones a una serie de aceptores quedando cargadas positivamente y obteniendo de nuevo a los electrones mediante la rotura de las moléculas de agua H2O, estas moléculas quedan como una molécula aceptora final a la que se le llama NADP+ (nicotín adenín dicucleótico fosfato), y a la cual se le une luego el otro átomo de hidrógeno del agua, pasando estar en su estado reducido o NADPH. La energía de excitación del electrón se emplea en sintetizar, a partir de ADP (adenosín difosfato), un compuesto de alto contenido energético que es el ATP (adenosín trifosfato), con la concurrencia de fosfato inorgánico, Pi.
La fase luminosa se resume así:



En la fase oscura se sintetiza la materia orgánica con la incorporación al la materia vegetal de CO2 y en mucha menor escala de otros elementos integrantes de las proteínas y del los nucleótidos como el azufre y el nitrógeno. En esta fase se emplean las moléculas reductoras y las moléculas energéticas formadas en la fase luminosa, NADPH y ATP respectivamente. La reacción representativa de la fase oscura es:




Esta sintesís consume del orden de 4,4 Kwh por Kg de glucosa C6H12O6. La eficiencia de la fotosíntesis es de un 5%, esto quiere decir que se necesitan 88 Kwh solares para fabricar éste kilogramo de glucosa. En condiciones reales de crecimiento de las plantas en general el rendimiento final de la fotosíntesis es de un 0,3%. Algunas plantas son algo más eficientes porque utilizan durante la fase oscura líneas de síntesis de la glucosa diferentes, como la caña de azucar, el maiz y el sorgo, entre otras.
El proceso fotosintético hace crecer la biomasa vegetal, que se encuentra en la base de la pirámide trófica, siendo el alimento necesario de los animales para su crecimiento, de este modo se desarrolla la biomasa animal, que durante su metabolismo y al final de su ciclo de vida produce residuos (estiercol) que son también aprovechables energéticamente. La biomasa residual es todo desecho de materia orgánica proveniente de los seres vivos, éstos residuos orgánicos a menudo se consideran un subproducto, y pueden llegar a cobrar un valor muy importante en los procesos productivos.
Pero no toda la biomasa que nos interesa tiene que ser residual. Podemos cultivar plantas productoras de aceite, de hidrocarburos o de azúcares fermentables, con el fin de obtener “biocombustibles”, son los llamados “cultivos energéticos”. Según su procedencia y sin entrar en una sistematización pormenorizada, podemos clasificar la biomasa en:
  • Ganadera.
  • Agrícola.
  • Forestal.
  • Urbana.
  • Industrial.

La biomasa tiene múltiples utilidades, pero desde un punto de vista del aprovechamiento de la energía contenida en el eenlace químico del carbono, hay que realizar siempre una combustión. La combustión de la biomasa sólida puede realizarse directamente en un hogar, o bien, mediante tratamientos físicos, químicos y biológicos intermedios podemos obtener combustibles líquidos o gaseosos y éstos pueden ser quemados tanto en las calderas como en motores de combustión interna donde podemos extraer calor y trabajo mecánico. Éste trabajo lo podemos emplear para hacer funcionar máquinas y vehículos o para generar electricidad en grupos electrógenos o en turbinas eléctricas, el calor de las combustiones puede usarse además en proceso industriales, en el acondicionamiento del hábitat humano, animal o vegetal, o para la generación de electricidad.
Los procesos primarios para el aprovechamiento energético de la biomasa son:
  • La combustión en calderas.
  • La combustión en sólidos.
Y como procesos secundarios tenemos:
1) El calentamiento de agua, aceites térmicos y otros fluidos, como caloportadores, para:
  • Calefacción.
  • Procesos industriales.
2) La generación de vapor para:
  • Procesos industriales
  • Generar electricidad en turbinas de vapor.
3) La generación de electricidad en:
  • Turbinas de gas.
  • Turbinas de vapor.
  • Turbinas de ciclo combinado que serán descritas en el apartado de cogeneración.
4) La cogeneración para producir electricidad y calor.
5) La trigeneración para obtener electricidad y calor (con alguna de las tecnologías ya mencionadas), y producir frío con sistemas de refrigeración por absorción.

La obtención o adecuación para el uso de los combustibles procedentes de la biomasa, ya sea residual o no, requiere, casi siempre, tratamientos físicos, químicos o biológicos, y entre éstos están:
  • El secado para eliminar la humedad.
  • La combustión incompleta para producir carbón vegetal.
  • La extracción de aceites biocombustibles de plantas oleaginosas.
  • La extracción de hidrocarburos de plantas productoras.
  • La fermentación alcohólica.
  • La producción de biogás.
  • La gasificación para obtener gas pobre (CO, H2, N2), o gas de síntesis (CO, H2).
  • La pirólisis para obtener combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.

Las características estructurales y bioquímicas según la procedencia de cada tipo de biomasa y el análisis de las necesidades de nuestros procesos industriales o domésticos, condicionana cuáles pueden ser las tecnologías para un aprovechamiento óptimo, siempre teniendo en cuenta la realización de una evaluación de impacto ambiental si lo hubiere. En el proceso de aprovechamiento energético aparecen también subproductos con valor añadido, como el caso de la producción de compost utilizando el residuo sólido de la fermentación alcohólica o la digestión anaerobia. En general se trata de no consumir más biomasa de la que se regenera como residuo o como producto de la intervención humana, y no retirar del medio la biomasa necesaria para mantener los nutrientes y las características estructurales de los suelos, ya sean naturales o generados por la acción agrícola humana.

Los cultivos energéticos

El establecimiento de plantaciones con fines energéticos puede considerarse un procedimiento renovable, ya que en los procesos de combustión se devuelve a la atmósfera sólo aquel CO2 que las propias plantas han retirado de la misma para su crecimiento. Evidentemente, esto no es óbice para evaluar previamente el impacto ambiental sobre el ecosistema y sobre la socioeconomía de la zona al cambiar las especies de cultivo, por otro lado, la descconcentración y diversificación a la concentración y al monocultivo. Los cultivos energéticos pueden ser una alternativa económica, pues, en determinadas regiones, debido a razones macroeconómicas de carácter mundial, se están produciendo, o se van a producir excedentes de cultivos tradicionales. Quizás el uso de las tierras plantando especies para su aprovechamiento bioenergético produzca el triple beneficio de mantener la rentabilidad económica, minorar la dependencia de combustibles externos y contribuir a la disminución de las emisiones netas de CO2” a la atmósfera.



El ciclo de los biocombustibles. Al quemarse se devuelve a la atmósfera el CO2 retirado de la misma por las plantas en su crecimiento.

Se consiera que las plantaciones energéticas son todas aquellas cuyo fin principal es obtener combustibles sólidos, liquidos o gaseosos, aunque es más habitual hablar de plantaciones energéticas cuando se pretende obtener biocombustibles líquidos. Esto es así porque los biocombustibles sólidos suelen ser producto de la limpieza, de la poda o tala forestal, y de arranque, destallado, desbroce o poda de cultivos agícolas arbóreos y herbáceos. La silvicultura ha sido un método tradicional de explotación de los recursoso del bosque, mediante el que, además de otros productos comercializables, podemos extraer los residuos forestales y los productos de podas y talas controladas para su explotación energética, así obtenemos madera directamente para quemar o para la fabricación de carbón vegetal en hornos industriales (en las tradicionales parvas) o la producción de pellets forestales para su posterior combustión. La consideración de renovable de la tecnología de aprovechamiento energético de selvas y bosques, sólo puede darse si la biomasa obtenida y consumida es tal que se regenera a la misma velocidad con la que se extrae, y se extrae en la cantidad que no afecta a la estructura y composición de los suelos. Las lineas de investigación, y los actuales desarrollos tecnológicos se van encaminado principalmente al establecimiento de métodos de cultivo de especies, y de técnicas extractivas de la que podamos obtener los llamados biocombustibles líquidos. Ya hemos dicho que se llama biocombustible a todo aquel combustible líquido extraído o fabricado a partir de productos agrícolas, sin embargo, también puede aplicarse a gases y sólidos elaborados a partir de cultivos energéticos y sometidos posteriormente a proceos como la digestión anaerobia para obtención de biogás, la pirólisis para obtención de carbón vegetal y la gasificación para obtener el gas de síntesis y gas pobre, o como hemos visto la compactación de biomasa sólida para obtener los ya vsistos pellets. Entre los biocombustibles líquidos más estudiados y que podrían ser sustitutos de los provenientes del petróleo, o mezclarse con ellos, tenemos:
  1. Los bioalcoholes producidos por fermentación alcohólica de los azúcares de plantas ricas en estos.
  2. Los bioaceites extraidos de las oleaginosas.
  3. Los hidrocarburos de plantas productoras de:
  • Látex.
  • Caucho.
  • Gutapercha.

En el balance global es necesario comprobar que la energía extraída sea mayor que la consumida en todo el proceso de cultivo más la necesaria para las manipulaciones anteriores y posteriores al mismo, incluyendo la fabricación y costo de fertilizantes, agroquímicos, agua, etc. Dependiendo de la composición bioquímica de la especie vegetal de que se trate, la tecnología a aplicar irá encaminada a la extracción de aceites combustibles (grasas vegetales), fabricación de etanol (Alcoholes), extracción de hidrocarburos (sesquiterpenos, polisoprenoides), etc. La obtención de aceites e hidrocarburos vegetales consta, a grandes rasgos, de varias etapas. La primera es la recolección, bien de toda la planta, o del tejido u órgano a tratar. A continuación puede hacerse una limpieza previa para proceder al transporte hasta la fábrica. Entre las primeras operaciones de proceso están la acogida, el almacenado, el lavado, la conservación, la molienda, o el batido, para disminuir el tamaño o para obtener un primer extracto líquido y un sólido separable por centrifugado, decantación o filtración. Tanto la fase líquida como la sólida pueden tener interés energético. De la fase sólida podemos extraer y separar los aceites o hidrocarburos aplicando técnicas de extracción y separación de fases con disolventes orgánicos. Cada tipo de materia prima, en función de su composición en grasas e hidrocarburos requiere un diseño del proceso extractivo donde se aplican técnicas fisicoquímicas de disolución, extracción, decantación, separación de fases, etc. La materia orgánica una vez triturada se mezcla íntimamente en un reactor con un disolvente orgánico que una vez usado para la extracción se separa por destilación y se reutiliza. Los disolventes utilizados para la extracción pueden ser hexano, heptano, acetona, benceno, éter, metanol, etc. A modo de apunte y sin tecnisismos afronómicos ni botánicos, algunas plantas productoras de hidrocarburos y de aceites combustibles son: el nabo forrajero, el crotón, la calabaza, el calabacín, el cardo, la palmera de aceite, la cauchera, el guayule, la jojoba, etc. Entre las plantas con alto contenido de azúcares y productos fermentables están: la remolacha forrajera y azucarera, la pataca, la patata, el boniato, el tallo de maiz, el tallo del sorgo, la algarroba, la mandioca, la caña de azúcar y la chumbera, entre otros.


Bioetanol  o  Bioalcoholes


El etanol que se consume hoy día en el mundo proviene principalmente de la industria del petróleo y del gas natural, aunque una parte importante se obtiene por fermementación alcohólica de bagazos de fábricas azucareras, y en general de materia vegetal rica en hidratos de carbono. La producción va destinada como materia prima de otras manufacturas de la industria química y farmacéutica, entre otras. El etileno es un monómero precursor de plásticos como el polietileno y el polietileno reticulado que puede obtenerse con facilidad a partir del etanol. Pero además, en algunos países ya desde hace años se viene utilizando el etanol procedente de la biomasa como biocombustible sustituto parcial o total de a gasolina en motores de combustión interna de ciclo Otto, llamándolo de manera genérica “gasohol”. Por supuesto, el bioalcohol es útil también para quemar mediante otras tecnologías de combustión. Los motores Otto requieren pequeñas modificaciones para utilizar el alcohol en lugar de gasolinas, o como mezclas alcohol/gasolina (gasohol). El etanol proporciona características antidetonantes, por lo que mejora el índice de octanos de la gasolina; el aumento de octano permite aumentar la relación de compresión de los motores para conseguir mejores rendimientos en la transformación de energía química a energía mecánica. Otra ventaja del uso de gasohol es la disminución de las emisiones de óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, e hidocarburos volátiles. La última fase para la obtención de etanol se produce, cualquiera sea la vía de obtención o síntesis, por destilación fraccionada de disoluciones acuosas; de éste modo se obtiene una mezcla de composición 96 % etanol, 4 % agua. Esta cantidad de agua induce en la combustión la aparición de ácidos orgánicos corrosivos para los motores, aunque puede eliminarse del combustible haciendolo pasar por sales deshidratantes y obteniendo alcohol absoluto, pero es un proceso que encarece la fabricación. Lo más adecuado es tener en cuenta este hecho y cuidar que los componentes metálicos en contacto con los gases y productos de la combustión no sean atacables por éstos ácidos organicos de la combustión del la fracción de agua en el etanol.
Las plantas de mayor interés alcolígeno son las ricas en carbohidratos. De modo que los residuos y productos agrícolas fermentables son de tres tipos, en función de su composición en lo que se refiere al tipo de hidratos de carbono:
  • Azucaradas: con alto contenido en monosacáridos y polisacáridos.
  • Amiláceas: Con alto contenido en el polisacárido almidón.
  • Lignocelulósicas: con alto contenido en celulosa y hemicelulosa.

Los microorganismos encargados de la producción de alcohol etílico en condiciones de ausencia de oxígeno son los hongos que forman las levaduras, éstos para la alimentación energética de sus procesos metabólicos transforman la glucosa en etanol por medio de una síntesis bioquímica llamada fermenación alcohólica; algunas bacterías anaeróbicas también son capaces de fermentar el alcohol en azúcares solubles. Resumidamente:




El etanol o alcohol etílico es el producto de una ruta bioquímica, en la que intervienen una serie de enzimas, las cuales son proteínas especificas en que cada enzima tiene una misión que intervienen en todos los procesos metabólicos controlando y ejecutando las reacciones bioquímicas, y que determinados microorganismos realizan utilizando como sustrato la glucosa. Las plantas azucaradas y las amiláceas requieren solamente un tratamiento mecánico para liberar los monosacáridos y polisacáridos fermentables de las envolturas de celulosa, hemicelulosa y lignocelulosa que los rodean; el residuo de éste tratamiento mecánico es el bagazo. Los azúcares obtenidos así son directamente fermentables de las envolturas de celulosas que los rodean, donde el residuo de este tratamiento mecánico es el bagazo. Los azúcares obtenidos así son directamente fermentables, sin embargo, el almidón requiere la hidrólisis previa para su descomposición en moléculas de glucosa, esta hidrólisis la realizan microorganismos que contienen la enzima amilasa. Existen bacterias que producen enzimas capaces de hidrolizar hasta monosacáridos y moléculas simples a la celulosa y hemicelulosa, pero no a la lignina. Por esto, si queremos aprovechar el potencial energético de la lignocelulosa es necesario realizar pretratamientos químicos de hidrólisis ácida o básica para romper la estructura polimérica de la lignina. Los pretratamientos encarecen el proceso y producen efluentes ácidos o básicos que es necesario tratar, recuperandolos o eliminando su potencial contaminante. Esquemáticamente el proceso de obtención de monosacáridos fermentables sería el reflejado en la siguiente figura:

Esquema de los tratamientos previos a la fermentación alcohólica.

Una vez obtenida la disolución acuosa de azúcares se procede a la fermentación alcohólica para lo que se han desarrollado diferentes técnicas. Cuatro son los factores a tener en cuenta durante la fermentación:

  • Temperatura: que debe estar alrededor de los 30 º C.
  • PH: no inferior a 4 ni superior a 5.
  • Concentración de azúcares: inferior al 22 % en peso.
  • Concentración de etanol: inferior al 15 % en volumen.

La fermentación es un proceso exotérmico, por lo que hay que controlar la temperatura del tanque de fermentación para no paralizar los procesos vitales de la levaduras. El proceso puede ser continuo o discontinuo, en ambos casos existen uno o varios tanques de fermentación con una amplia superficie interior para la fijación de las cepas de hongos. En serie con éstos tanques se sitúa un mecanismo de filtrado de las levaduras para separar el mosto destilable y devolver las levaduras a los tanques de fermentación. A continuación se realiza una destilación fraccionada en dos etapas, la primera se obtiene una mezcla de etanol al 60 % y otros alcoholes y componentes orgánicos, siendo el residuo las vinazas (proteínas, vitaminas y azúcares no fermentables), válidas para alimentación animal. De la segunda etapa se obtiene una mezcla que siempre contiene un 96 % de etanol y un 4 % de agua y el llamado aceite de fusel que contiene diferentes alcohóles de superior peso molecular originados en la fermentación debido a la presencia de proteínas en los jugos fermentables. El alcohol de 96 º es el que se comercializa como biocombustible. Para conseguir alcohol absoluto se requiere más energía y debe hacerse destilando el alcohol de 96 º en presencia de oxido de calcio CaO, o de sulfato de cobre anhídrico CuSO4. Otro procedimiento para obtener alcohol absoluto es utilizar benceno para extraer el agua por destilación de una mezcla de benceno 74,1 %, agua 7,4 % y etanol 18,5 %.



Biodiesel

El proceso de elaboración del biodiesel esta basado en la llamada transesterificación de los glicéridos, utilizando catalizadores.
Desde el punto de vista químico, los aceites vegetales son triglicéridos, es decir tres cadenas moleculares largas de ácidos grasos unidas a un alcohol trivalente, el glicerol. Si el glicerol es reemplazado por metanol, se obtienen tres moléculas más cortas del ácido graso metiléster. El glicerol desplazado se recupera como un subproducto de la reacción.
Por lo tanto en la reacción de transesterificación, una molécula de un triglicérido reacciona con tres moléculas de metanol o etanol para dar tres moléculas de monoésteres y una de glicerina. Los procesos de transesterificación pueden adaptarse para usar una gran variedad de aceites, pudiendo ser procesados además, aceites brutos muy ácidos. El particular interés en los aceites muy ácidos, reside en que generalmente, están fuera de las normas de comercialización y son frecuentemente rechazados por los compradores
El aceite es inicialmente calentado a la temperatura de proceso óptima, y son agregados cantidades necesarias de metanol y catalizador. Luego de ser mezclado, el producto es transportado hacia dos columnas conectadas en serie. La transesterificación tiene lugar en esas columnas y la glicerina pura es liberada mediante decantación.
Los ésteres son lavados dos veces con agua acidificada. La glicerina obtenida es separada de los ésteres en pocos segundos, de ese modo es posible obtener biodiesel de muy alta calidad, el cual cumple con todos los requerimientos de las normas estándar americanas. El glicerol para ser utilizado debe ser refinado.

Esquema de la planta

La descripción de cada módulo de la planta es la siguiente:

a) Molino de aceite.

Los productos obtenidos son:
  • Aceite vegetal crudo.
  • Harina de alto contenido proteico (soja).

El aceite crudo es posteriormente procesado, transformado en BIiodiesel y glicerol, y la harina se vende como alimento para animales, eventualmente después de un proceso de estabilización de enzimas y acondicionamiento.

b) Unidad de refinamiento y transesterificación.

Esta unidad produce el filtrado y remoción, catalítica o por destilación, de ácidos grasos libres. El producto es aceite vegetal refinado y sin ácidos, que constituye el material de alimentación para la:
  • Unidad de transesterificación.
En esta etapa del proceso el aceite es transformado catalíticamente, mediante agregado de metanol o etanol con el catalizador previamente mezclado, en metil o etiléster y glicerol.

c) Unidad de purificación y concentración de glicerol.

Consiste en una etapa de filtrado y purificación química, un equipo de concentración del glicerol, y el posterior almacenamiento del glicerol puro.

Transesterificación

El aceite con ácidos y gomas eliminados (parte refinada) se transforma en metil o etiléster por medio de un proceso catalítico de etapas múltiples, utilizando metanol o etanol (10% de la cantidad de aceite a ser procesado). El metiléster crudo se refina posteriormente en un lavador en cascada.
Si el producto se utiliza como combustible para motores, no necesita el proceso de destilación pero puede ser fácilmente integrado en el esquema de proceso si se desea un metiléster de calidad química.

Refinamiento del glicerol


El proceso de transesterificación produce como subproducto derivado aproximadamente 10 % de glicerol. Este glicerol en bruto contiene impurezas del aceite en bruto, fracciones del catalizador, mono y diglicéridos y restos de metanol.
Con el objeto de venderlo en el mercado internacional debe ser refinado para llegar a la calidad del glicerol técnico o, con una posterior destilación, a la del glicerol medicinal (99,8%).

Descripción de la Tecnología de la Planta

La unidad de transesterificación incluye contenedores operativos de pre almacenamiento para la materia prima, productos intermedios y finales. El metanol/etanol, glicerol, producto derivado, y el metiléster terminados, son almacenados en el patio de tanques fuera de la planta.
La estructura principal del complejo comprende un edificio múltiple, que alberga el material operativo y las instalaciones de distribución de energía, ventilación central, laboratorio de producción, sala de monitoreo, instalaciones para el personal, entre otras.
Para cada tamaño de planta de producción, se deben satisfacer precondiciones específicas de infraestructura, dependientes de la localización real.
Por lo tanto, y adicionalmente al esquema de planta delineado, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:
  • Conexión de energía eléctrica adecuada.
  • Agua potable y conexiones cloacales.
  • Suministro de vapor de proceso.
  • Provisión de agua de enfriamiento.
  • Conexiones telefónicas.
  • Administración, flota de vehículos, posible capacidad de almacenamiento adicional requerida para repuestos, así como también para materiales auxiliares.
  • Instalación para seguridad del trabajo e industria.
  • Conexión con caminos y/o ferrocarriles.

Además, las capacidades estimadas de almacenamiento para:
  • Aceite de soja.
  • Metanol.
  • Metiléster.
  • Glicerol y otros productos.

Estas capacidades de almacenamiento, deben ser computadas de acuerdo a los propósitos del futuro operador, y dependiendo de los ciclos de entrega y comercialización.

Más información:



Biogás


La digestión anaeróbica

La degradación en la naturaleza de la biomasa residual procedente tanto del metabolismo animal como vegetal la realizan las bacterias, el proceso es complejo y, dependiendo del tipo de sustrato biodegradable, y de otros factores que veremos, intervienen diferentes especies bacterianas, existiendo una perfecta especialización en cuanto al tipo de materia a degradar por cada familia de organismos. Cuando esta degradación se realiza en condiciones aeróbicas (en presentación de oxigeno), los productos finales son anhídrido carbónico, agua, sulfato, y nitrógeno inorgánico en forma de nitritos, de nitratos y de sales de amonio. Sin embargo en condiciones rigurosas de ausencia de oxígeno la biodegradación se lleva a cabo por otros organismos en un proceso que se llama digestión anaerobia. Los productos finales son un residuo húmedo de sólidos de difícil degradación y un gas inflamable. A este gas combustible lo llamamos biogás, y tiene una composición que, dependiendo del origen de la materia orgánica biodegradable oscila entre los valores siguientes:
  • Metano CH4:   50 a 70 %.
  • Anhídrido carbónico CO2:   30 a 40 %.
  • Ácido sulfhídrico SH2, hidrógeno H2, y otros:   <  5 %
El biogás es conocido y descrito desde mediados del siglo XVII como “gas de los pantanos”, en realidad se produce en la naturaleza siempre que haya humedad, materia orgánica y ausencia de oxígeno. Así, se da en el intestino de los mamíferos, en el suelo de los pantanos donde se acumulan células de vegetales, animales y microorganismos muertos, en capas profundas de suelo de bosques y selvas donde no hay oxígeno, en los pozos ciegos donde se acumulan excrementos, etc. La digestión anaerobica ha sido y es muy aprovechada para obtener energía para cocinar y calentarse en países como China y la India, aunque, con técnicas muy rudimentarias que tienen bajos rendimientos. El poder calorífico del biogás depende de la concentración de metano y está alrededor de las 5000 Kcal/m3. Por otro lado, el residuo efluente sólido tiene un importante contenido en sales minerales de N, P, K, Ca, Mg, proteínas, grasas, celulosa y lignina, entre otros, que puede servir como fertilizante o como alimento animal, aunque a veces es necesario proceder previamente a una nueva fermentación aerobia, para bajar aún más el contenido de materia orgánica sin degradar.
Podemos distinguir tres etapas en el proceso biológico de la generación de metano, en cada una de las cuales interviene un grupo de bacterias específico, estas tres etapas son:
  1. Hidrólisis: donde intervienen las cepas bacterianas hidrolíticas que degradan las macromoléculas orgánicas, ya sean hidratos de carbono, lípidos, proteínas, etc., ácidos grasos, polisacáridos y otros productos neutros.
  2. Acidogénesis: de la que se encargan las bacterias cetogénicas y homoacetogénicas, produciendo ácido acético, hidrógeno H2 y CO2, partiendo del sustrato hidrolizado.
  3. Metanogénesis: en ella el CO2, el H2, y el ácido acético son transformados en CH4, por las bacterias metanogénicas.

Tabla de producción de biogás según la materia orgánica utilizada.

Otros microorganismos degradan el azufre hasta SO4, del cual, las bacterias sulforeductoras, aprovechan la energía química del sulfato degradándolo hasta ácido sulfhídrico SH2, que es un componente nativo, no deseado, del biogás, pues es un ácido que causa corrosión en las conducciones y en las instalaciones de combustión, especialmente en los motores, donde con el oxígeno y el agua contenida en el gas o formada como subproducto de la combustión da ácido sulfúrico SO4H2. Dependiendo de la temperatura a la que se desarrolle el proceso de digestión intervienen unas especies bacterianas u otras, variando la velocidad del proceso y el rendimiento en cuantía de metano del gas sintetizado. Existen tres rangos de trabajo según la temperatura:
Psicrofílico:  con máximo rendimiento a los 25 ºC.
Mesofílico:  con un rendimiento mayor que el anterior sobre los 35 ºC.
Termofílico:  con mayor rendimientos que los anteriores sobre los 60 ºC.

Esquema del proceso microbiológico de obtención del biogás.

El mantenimiento de las condiciones termofílicas requiere de un aporte de calor extraido de la combustión del propio gas generado que hace que no compense la utilización de este rango. Cuando mantenemos la temperatura de digestión entorno a los 35 ºC obtenemos los mayores rendimientos. Otro factor físico-químico que interviene en el proceso es el pH, al cual hay que tratar de mantenerlo entre 6,5 y 7,5, intervalo de máxima actividad metabólica de las materias metanogénicas.
En principio, es susceptible de aplicársele un tratamiento anaerobio para obtención de biogás a cualquier tipo de biomasa vegetal o animal, pero son especialmente interesantes los residuos ganaderos, los lodos y espumas de depuradoras urbanas, la parte orgánica de las basuras urbanas, los efluentes orgánicos de industrias alimentarias como las cerveceras, las lácteas, papeleras, desechos de mataderos, algunos tejidos vegetales como las hojas de patatas y de remolacha, y en general aquellos residuos orgánicos de bajo contenido celulósico y lignocelulósico.

Tipos de digestores

Los tipos de digestores y su tamaño dependen del objetivo principal del proceso, que puede ser, la obtención de la máxima cantidad de biogás, la disminución de la carga contaminantes de los efluentes a tratar, o la obtención de compost, entre otros. Básicamente los digestores se clasifican en continuos y discontinuos. En los segundos se aporta la biomasa, se deja fermentar durante unos 20 o 25 días, recogiendo el gas en un depósito, luego se vacía el sólido no digerido y se vuelve a llenar el digestor con materia orgánica fresca. Este proceso es arcaico y poco desarrollado. Los procesos continuos son los mas avanzados, consiguiendo excelentes rendimientos; en ellos el digestor está siempre en permanente actividad, se introduce la materia a digerir con un caudal constante o variable, extrayendo biogás y efluentes sólidos de modo permanente. Para estos digestores se denomina tiempo de residencia hidráulico TRH, el tiempo que permanece la materia a digerir en el mismo, y tiempo de residencia biológico TRB, al tiempo que permanece en él la materia activa, en digestores con sistema de recirculación de parte del lodo efluente el tiempo de residencia hidráulico es menor que el biológico. Las tipologías de los digestores continuos son muy variadas, así tenemos entre otras:

1_ Los que mantienen los microorganismos en suspensión dentro del digestor:

Mezcla completa: es simple, con TRH superiores a 10 días.

Flujo pistón: se asemeja al intestino de un mamífero, de tipo tubular, con el efluente sólido se escapa gran cantidad de microorganismos activos, por lo que sólo son adecuados cuando se tratan excrementos de animales que contienen el inóculo de nuevas bacterias. El tiempo de residencia es como el anterior.

Esquema de un digestor de flujo de pistón.

Contacto: El efluente de sólidos pasa por un decantador que devuelve parte del mismo al tanque digestor, de este modo se recircula la materia viva, pudiendo disminuir los tiempos de residencia. El TRH es de 2 a 6 días, menor que el TRB.


Esquema de un digestor de contacto.

Lecho expandido:
el influente muy acuoso entra al digestor por abajo, la parte sólida va decantándose y es degradada por flóculos de bacterias mantenidas en suspensión por el movimiento ascendente del biogás producido. Es apto para lodos muy decantables. El TRH es de 1 ó 2 días.

2_ Los que contienen superficies en las que se fijan los microorganismos, las superficies pueden estar orientadas o no orientadas, el TRH es de 0,5 a 3 días. Son los llamados de filtro anaerobio.
Un aspecto muy importante en las instalaciones de producción de biogás es su almacenamiento, y la eliminación del SH2 antes de llegar a los motores o calderas. El gas producido en la digestión se almacena en los gasómetros que pueden ser del tipo de campana con cierre hidráulico, o depósitos donde se mantiene el gas a presiónes elevadas introduciéndolo con un compresor. Si comprimimos el gas para almacenarlo gastamos energía, para minimizar esta energía se puede disminuir la cantidad de CO2 en la mezcla haciendo burbujear el gas a través de una disolución de sulfato de calcio hidratado SO4Ca . 2H2O, o de hidróxido de calcio Ca(OH)2, los cuales fijan el dióxido de carbono transformándolo en carbonato de calcio CaCO3. No obstante, parece que no es económicamente rentable eliminar el dióxido, sin embargo la eliminación del ácido sulfhídrico es imprescindible, y se realiza haciendo pasar el biogás por filtros de óxido de hierro Fe2O3, en los que se produce sulfuro ferroso Sfe, azufre S y H2O.

Gasómetro de campana con cierre hidráulico en el que la presión se mantiene aproximadamente constante debido al contrapeso

Las presiones de almacenamiento deben ser superiores a las necesarias para el uso del gas en los combustores que no son superiores a 0,5 bar. La esquematización de un proceso completo de digestión anaeróbica queda reflejada en la siguiente figura:



Esquema de un proceso de digestión anaeróbica.


Fuentes consultadas:

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003.

28 de marzo de 2020

Bioplásticos

Definición de bioplásticos

Existen dos formas de definir los bioplásticos según los diferentes autores, una es llamando bioplástico a aquellos plásticos que son biodegradables, sin tener en cuenta si su fuente es de origen vegetal renovable o si su fuente es de origen sintético como los combustibles fósiles.
Y otra que es llamar como bioplásticos a aquellos plásticos que son obtenidos de fuentes biobasadas, o sea, cuando su origen es una fuente renovable vegetal.
Aquí hablaremos de bioplásticos según la segunda definición, o sea, de aquí en mas llamaremos bioplásticos a aquellos plásticos obtenidos de fuentes renovables como los cultivos vegetales o los obtenidos a partir de los biocombustibles que también provienen de fuentes renovables vegetales.


Bioplásticos biodegradables

Los plásticos biodegradables o también llamados compostables son aquellos que se degradan en condiciones naturales formando básicamente dióxido de carbono, agua y humus, a una velocidad similar a las sustancias orgánicas tradicionales como las celulosas vegetales y que en su descomposición no dejan residuos tóxicos ni visibles.
Existen gran variedad de fuentes de estos bioplásticos, como los polímeros basados en almidón, los basados en celulosa, el ácido poliláctico (PLA) y los polihidroxialcanoatos (PHA), en los cuales estos dos últimos son los dos mas usados industrialmente.
El ácido poliláctico (PLA) es producido a partir de la sintetización del etanol, el cual puede ser obtenido a partir del maiz o de la caña de azucar ya que son los dos cultivos mas utilizados para fabricar bioetanol.
Es uno de los bioplásticos mas prometedores ya que sus propiedades son parecidas al polietileno, tiene una alta transparencia, brillo y una buena barrera de olores, siendo especial para aplicaciones de empaques y en fibras sintéticas. Las principales desventajas que tiene este bioplástico es su todavía mayor costo que los plásticos convencionales y uno de los mayores inconvenientes que tiene en su aplicación es que son demasiados biodegradables, ya que sus polímeros se deshacen en relativamente poco tiempo.













Cultivos de maiz, izquierda y caña de azúcar, derecha


Los polihidroxialcanoatos (PHA) son producidos a partir de bacterias que descomponen residuos sólidos de carbono o materias orgánicas sólidas, sus principales propiedades biológicas son su gran biodegradabilidad, son insolubles en agua y no son tóxicos. Las caracteríticas técnicas mas sobresalientes de estos bioplásticos son sus propiedades mecánicas, parecidas al polietileno (PE), al polipropileno (PP) y al poliestireno (PS) y que mantienen buena estabilidad dimensional hasta los 100 ºC. Son usados principalmente en envases, bolsas, películas, fibras, adhesivos y aplicaciones médicas, entre otros.


Bioplásticos no biodegradables

Los bioplásticos no biodegradables son todos aquellos plásticos que se utilizan en la actualidad y que se pueden producir a partir de materias primas de fuentes renovables como el etanol obtenido del maíz y la caña de azúcar o del metano obtenido a partir del biogás.
El etanol usado para fabricar plásticos es sinterizado y a travez de un proceso de deshidratación se le extrae una molécula de agua (H2O) formandose el etano, el cual es una materia prima muy utilizada para hacer los plásticos de la actualidad; los plásticos obtenidos con este método tienen las mismas propiedades que los plásticos obtenidos a partir del etano (C2H6) obtenido del petróleo o del gas natural.


Biodigestor anaeróbico para producir biogás con desechos agrícolas


El metano que en este caso es obtenido del biogás producido por la digestión anaeróbica en los biodigestores, tiene la característica de ser la materia prima mas utilizada para producir plásticos, ya que se lo industrializa mediante el proceso de acoplamiento oxidativo en el que el metano va perdiendo hidrógeno y convirtiendose en hidrocarburos mas elevados al poner en contacto una mezcla gaseosa que contiene metano y oxígeno a alta temperatura durante un corto periodo de tiempo a través de un catalizador sólido formado con óxido de litio, obteniendose principalmente con este método etano y etileno que son los elementos mas utilizados en formar los polímeros que forman la mayor parte de los plásticos y productos sintéticos de la actualidad.
Cómo dijimos estos tipos de plásticos son los mismos que se utilizan en la actualidad pero en los cuales en su proceso de fabricación no se utilizan materias primas fósiles como en los procesados de forma tradicional. De esta forma se evita la contaminación que producen los procesos que utilizan dichos combustibles fósiles como el petróleo, el gas natural o el carbón, permitiendo obtener dichos plásticos de una forma mas limpia y menos contaminante.






Moléculas de Etanol (C2H6O) izquierda, Etano (C2H6) centro y Etileno (C2H4) derecha.


Además, ante el cada vez mas cercano agotamiento de los combustibles fósiles, estos métodos, que permiten obtener una gran cantidad de materiales sintéticos utilizados masivamente en la actualidad; cuando se usen materias primas de origen renovable, no se agotarán en el futuro y en muchos casos como su obtención puede realizarse a partir de desechos orgánicos de la actividad agropecuaria, urbana e industrial, como es el caso del metano obtenido del biogás, se podrán obtener bioplásticos sin necesitar obtener nuevos recursos sino reutilizar los residuos actuales.
Particularmente pienso que el proceso de fabricar bioplásticos obtenidos del metano generado del biogás que se produce de la biodigestión de residuos orgánicos de origen agrícola , urbano e industrial, puede ser una gran alternativa de producción en el futuro ya que no se necesita sacrificar superficies para la producción de biocombustibles que pueden necesitarse para la producción de alimentos y de esta forma, solo aprovechando los residuos de la actividad humana actual, se pueden fabricar y obtener una gran variedad de productos y materiales como son los plásticos y los diferentas materiales sintéticos.
Seguramente de aquí en adelante, debido al agotamiento de los combustibles fósiles, los plásticos y los materiales sintéticos que conocemos en la actualidad se empezarán a fabricar a partir de materias primas renovables vegetales como los biocombustibles que conocemos actualmente como el biogás, el bioetanol o los biodiesel, ya que estos biocombustibles están formados por metano y etano que son los elementos con los que hoy se fabrican la mayoría de estos materiales sintéticos.

26 de marzo de 2020

Bioenergía


La bioenergía es la obtención de energía procedente de la vida. Normalmente se equipara este concepto con el de biomasa pero la bioenergía es la suma de la energía propia que se puede obtener de los materiales orgánicos o biomasa y la energía que aportan los seres vivos como animales de tiro o o la energía que aporta el propio ser humano en su labor o trabajo. 
El concepto de biomasa fue adoptado de la biología, ya que por definición, la biomasa es el conjunto total de los organismos vivientes, animales y vegetales de una determinada región, considerados colectivamente; por lo tanto, energéticamente hablando, el concepto de biomasa es el aprovechamiento del colectivo de los organismos vivos, caracterizado por poseer como base compuestos orgánicos reducidos con los que se consigue un aporte energético orgánico y no fósil. Es decir, la biomasa es la energía que podemos obtener a partir de la materia viva o masa. 
Sin embargo, el concepto de bioenergía es mas amplio, ya que considera el aprovechamiento energético de la vida, no sólo de la materia en forma de biomasa. La biomasa no considera el aporte energético que durante siglos hemos obtenido de los animales de tiro; aunque este tipo de energía no es muy utilizado en el mundo desarrollado, en paises subdesarrollados sigue siendo un medio de transporte muy utilizado. Del mismo modo podríamos consdiderar el aporte energético realizado por el hombre como animal de tiro cuando aporta energía en una labor o trabajo. Generalmente, el estudio que se realiza de la bioenergía es a partir de la biomasa, ya que el aprovechamiento energético de la bioenergía, sin contar la biomasa, es mínimo y está prácticamente relegado a paises subdesarrollados donde el uso de la mano de obra del hombre tiene una influencia importante en su actividad productiva.



Consumo de energía del hombre


El hombre consume por día en promedio unas 2.000 Kcal, si consideramos que hay 6.000 millones de personas en el mundo tenemos un consumo global de energía en alimentos de 1,2x10^16 Calorias, o bien, 5,024x10^16 Joul. La eficiencia de la fotosintesis es del 5%, o sea del total de la radiación solar que incide sobre las plantas, unicamente éstas transforman el 5% de dicha energía en enrgía útil para ellas. En condiciones reales de crecimiento del cultivo donde intervienen factores como la disponibilidad de nutrientes y agua, la variación climática, la competencia por la radiación, etc, y considerando además los procesos metabólicos que transforman la glucosa, los aminoácidos, las proteinas, y los nucleólitos en otros productos y subproductos, consumiendo energía, el rendimiento final de la fotosíntesis es del 0,3 al 1 % dependiendo de los distintos tipos de plantas o cultivos (Como se ve el mecanismo que sostiene la vida sobre el planeta es verdaderamente muy poco eficiente). Si consideramos que no todo lo que transforma una determinada planta de cultivo en biomasa es utilizada como alimento por el hombre, que no todos los cultivos crecen durante todo el año, si no, que la mayoría de ellos lo hacen en el periodo de mayor insolación primavera-verano, que una gran parte de los alimentos del hombre son carnes rojas o blancas y estas provienen de animales cuya formación de biomasa tiene una bajisimo rendimiento respecto del alimento consumido por estos, tendremos que el hombre aprovecha para su abastecimiento de energía solo una pequeñisima parte de la energía que hace posible la vida en el planteta como es la energía solar.

En numeros:


La energia solar recibida en un día en todo el mundo es de 8,76x10^21 Joul, como el hombre consume en alimentos 5,024x10^16 Joul/día el porcentaje de la energía solar disponible que es aprovechada por el hombre es de:
5,024x10^16 Joul/Dia / 8,76x10^21 Joul/Día = 0,000.57%
Con éste resultado vemos que el hombre consume en alimentos el equivalente en energía a la 0,000.005.7 parte de la energía solar que irradia sobre todo el planeta, ésto nos hace pensar que queda mucho por hacer en términos de aumentar la cantidad de alimentos que el hombre puede obtener mejorando su tecnología, sus actividades productivas y sus actividades económicas.

24 de marzo de 2020

Energía geotérmica

El calor es una forma de energía y la energía geotérmica es el calor contenido en el interior de la Tierra. El término energía geotérmica es a menudo utilizado para indicar aquella porción del calor de la Tierra que puede o podría ser utilizado y explotado por el hombre. El descubrimiento del calor radiogénico, que podemos comprender plenamente a tal fenómeno como el calor continuamente generado por el decaimiento de los isótopos radioactivos de larga vida del Uranio (U238, U235), del Torio (Th 232) y del Potasio (K40), que están presentes en toda la Tierra. Además del calor radiogénico, en proporciones inciertas, están otras posibles fuentes de calor como ser la energía primordial de la acreción planetaria.
El flujo calórico total que la Tierra irradia al espacio se estimó en 42.1012 W (conducción, convexión y radiación). De este total, 8x1012 W provienen de la corteza, la cual representa sólo el 2% del volumen total de la Tierra, pero que es rica en isótopos radioactivos; 32.3x1012 W provienen del manto, el cual representa el 82% del volumen total de la Tierra y 1,7x1012 W provienen del núcleo, el cual corresponden al 16% del volumen total.

Utilización de los recursos geotérmicos

La generación de electricidad es la forma de utilización más importante de los recursos geotérmicos de alta temperatura (> 150°C). Los recursos de temperatura media a baja corresponde a temperaturas (<150°c).>
Diagrama que muestra la utilización de los fluidos geotérmicos.


El límite inferior de 20°C de la temperatura del fluido geotérmico está solamente sobrepasado en condiciones muy particulares, como puede ser el uso de bombas de calor. Los diseños existentes para procesos termales pueden, sin embargo, modificarse para la utilización de fluidos geotermales que en ciertos casos, pueden ampliar sus campos de aplicación.

Generación de electricidad

Dependiendo de las características del recurso geotérmico, la generación de electricidad se realiza principalmente mediante turbinas de vapor convencionales y plantas de ciclo binario. Las turbinas de vapor convencionales, requieren fluidos a temperaturas de a lo menos 150°C y están disponibles con descarga atmosférica o bien con descarga de condensación. Las turbinas con escape atmosférico son más simples y de menor costo. Las turbinas de descarga atmosférica son inmensamente útiles como plantas pilotos, plantas portátiles en el caso de pequeños abastecimientos desde pozos aislados. Ellas son útiles también cuando el vapor tiene un alto contenido de gases no condensables. Las unidades de descarga atmosférica pueden ser construidas e instaladas muy rápido y puestas en operación en poco más de 13-14 meses desde la fecha que son ordenadas. Este tipo de máquinas esta usualmente disponible en tamaños pequeños (2,5 – 5MWe). Las unidades de condensación, como tienen más equipos auxiliares, son más complejas que las unidades de descarga atmosférica y como son de tamaños mayores requieren el doble del tiempo para su construcción e instalación. El consumo específico de vapor de las unidades de condensación es, sin embargo, cerca de la mitad de las unidades de descarga atmosférica. Las plantas de condensación de 55-60 MWe de capacidad son muy comunes, y recientemente se han construido e instalado plantas de 110 Mwe. Ver figura:

Esquema de una planta geotermoeléctrica de condensación. El flujo del fluido de alta temperatura está indicado en rojo y el agua fría en azul

La generación de electricidad a partir de fluidos de temperatura baja a media, ha tenido significativos progresos debido al mejoramiento logrado en la tecnología de fluidos binarios. Las plantas binarias utilizan un fluido secundario, usualmente de carácter orgánico (principalmente n-pentano), que tiene un bajo punto de ebullición y una alta presión de vapor a bajas temperaturas, en comparación con el vapor de agua. El fluido secundario es manejado según el ciclo convencional Rankine (ORC): el fluido geotermal entrega calor al fluido secundario a través de intercambiadores de calor, en los cuales éste fluido es calentado y vaporizado; el vapor producido acciona una turbina normal de flujo axial, posteriormente es enfriado y condensado, y el ciclo comienza nuevamente. Ver siguiente Figura:

Esquema de una planta geotermal binaria. El flujo del fluido geotermal está en rojo, el fluido secundario en verde y el agua fría en azul

Seleccionando un fluido secundario apropiado, el sistema binario puede diseñarse para utilizar fluidos geotermales con un rango de temperatura entre 85 y 170°C.

Usos directos del calor

El uso directo del calor es una de las formas más antiguas, versátiles y comunes de la utilización de la energía geotérmica. Las aplicaciones en baños, calefacción ambiental y distrital, en agricultura, acuicultura y algunos usos industriales constituyen las formas más conocidas de utilización, pero las bombas de calor son las más generalizadas (12,5% del total de la energía utilizada en el año 2000). En menor escala hay muchos otros tipos de utilización, siendo algunos de ellos poco usuales.
  • Calefacción ambiental y distrital: ha tenido un gran desarrollo en los países de Europa Oriental, como también en Estados Unidos, China, Japón y Francia.
  • Refrigeración: es una opción factible de utilizar geotermia mediante la adaptación de equipos de absorción.
  • Aire acondicionado: Tanto la calefacción como el enfriamiento ha tenido una considerable expansión desde los años 1980, conjuntamente con la introducción y generalización del uso de las bombas de calor .
  • Aplicaciones agrícolas: Los fluidos geotermales se utilizan mucho en la calefacción de cultivos a campo abierto e invernaderos.
  • Granjas de animales: se pueden beneficiar en calidad y en cantidad con un acondicionamiento óptimo de su temperatura ambiente
  • Acuicultura: es la crianza controlada de organismos acuáticos, actividades que actualmente esta adquiriendo importancia a nivel mundial, debido al aumento de la demanda.
  • Aplicaciones industriales: Las diferentes formas posibles de utilización incluye procesos de calefacción, evaporación, secado, destilación, esterilización, lavado, descongelamiento y extracción de sales, entre otras.

Presente y futuro

La energía termal presente en el subsuelo es enorme. Un grupo de expertos ha estimado el potencial geotérmico de cada continente en términos de recursos de alta y baja temperatura (International Geothermal Association, 2001).




Si se explota correctamente, la energía geotérmica podría verdaderamente asumir un rol importante en el balance de energía de algunos países. En ciertas circunstancias, algunos recursos geotérmicos, son aptos para solucionar numerosos problemas locales y mejorar la calidad de vida de pequeñas comunidades aisladas.

22 de marzo de 2020

Energía nuclear por fisión y por fusión


Reacciones Nucleares Endotérmicas y Exotérmicas


Las reacciones nucleares son procesos de combinación y transformación de las partículas y núcleos atómicos. Las reacciones nucleares pueden ser endotérmicas o exotérmicas, atendiendo a si precisan energía para producirse o a si la desprenden respectivamente.
En general la fusión de los elementos más ligeros como se producen en las estrellas liberan energía (reacción exotérmica), y la fusión de los elementos más pesados absorben energía (reacción endotérmica), por esto para la fusión nuclear se utilizan elementos livianos que generan reacciones nucleares exotérmicas como el Deuterio que es un isótopo del Hidrógeno. En el caso de la fisión nuclear esto es al revés los elementos mas pesados al fisionarse liberan energía y los mas livianos absorben energía formando una reacción endotérmica, por esto, en el proceso de fisión nuclear se utilizan elementos pesados como el Uranio en el cual al fisionarse, disminuye la masa de los subproductos de la reacción y generan una reacción exotérmica que liberan energía como es el caso de los reactores nucleares de Uranio y Plutonio.
La energía liberada en la mayoría de las reacciones nucleares es mucho mayor que en las reacciones químicas, porque la energía de enlace que mantiene unido un núcleo es mucho mayor que la energía que mantiene unido al núcleo con un electrón. Por ejemplo, la energía de ionización ganada con la adición de un electrón a un átomo de hidrógeno es 13,6 electrón-voltios menos de una millonésima de los 17 MeV liberada en la reacción DT (deuterio-tritio), reacción que se esta tratando de obtener en los reactores de fusión actuales. Las reacciones de fusión tienen una densidad de energía muchas veces mayor que la fisión nuclear, es decir, las reacciones producen mucha más energía por unidad de masa a pesar de que las reacciones de fisión individuales son generalmente mucho más enérgicas que las reacciones de fusión individuales, que a su vez son millones de veces más enérgicas que las reacciones químicas. Sólo la conversión directa de la masa de energía, como la causada por la colisión de la materia y la antimateria, es más energética por unidad de masa que la fusión nuclear.
Los elementos que liberan energía en las reacciones nucleares de fusión como dijimos son los elementos mas livianos esto se debe a que antes de que la fusión pueda tener lugar, debe superarse una importante barrera de energía producida por la fuerza electrostática. A grandes distancias dos núcleos se repelen entre sí debido a la fuerza de repulsión electrostática entre sus protones cargados positivamente. Si dos núcleos pueden ser acercados lo suficiente, sin embargo, la repulsión electrostática se puede superar debido a la interacción nuclear fuerte, que es más fuerte en distancias cortas.
Cuando se añade un nucleón como un protón o un neutrón a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a otros nucleones, pero principalmente a sus vecinos inmediatos, debido al corto alcance de esta fuerza. Los nucleones en el interior de un núcleo tienen más vecinos nucleones que los de la superficie. Ya que los núcleos más pequeños tienen una mayor relación entre área de superficie y volumen, la energía de enlace por nucleón debido a la fuerza nuclear por lo general aumenta con el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente a la de un núcleo con un diámetro de cerca de cuatro nucleones.
La fuerza electrostática, por otra parte, es una fuerza inversa del cuadrado, así que un protón añadido a un núcleo sentirá una repulsión electrostática de todos los otros protones en el núcleo. La energía electrostática por nucleón, debido a la fuerza electrostática por tanto, aumenta sin límite cuando los núcleos se hacen más grandes.
El resultado neto de estas fuerzas opuestas es que la energía de enlace por nucleón generalmente aumenta con el tamaño del núcleo, hasta llegar a los elementos hierro y níquel, y un posterior descenso para los núcleos más pesados. Finalmente, la energía de enlace se convierte en negativa y los núcleos más pesados (con más de 208 nucleones, correspondientes a un diámetro de alrededor de 6 nucleones) no son estables. Los cuatro núcleos más estrechamente unidos, en orden decreciente de energía de enlace, son, 58Fe, 56Fe, y 60Ni. A pesar de que el isótopo de níquel, 62Ni, es más estable, el isótopo de hierro 56Fe es una orden de magnitud más común. Esto se debe a una mayor tasa de desintegración de 62Ni en el interior de las estrellas impulsado por la absorción de fotones.



Fisión Nuclear

Cuando se bombardea el uranio con neutrones, el mismo experimenta una fisión, dando como resultado la liberación de una gran cantidad de energía y una gran cantidad de productos en la que la suma de sus masas es menor que la masa del uranio. Según la relación de Einsten entre masa y energía, resulta que la energía liberada durante la fisión se ha transformado en energía cinética de los fragmentos producidos en la misma. la fisión del uranio puede realizarse por neutrones rápidos o lentos. Los isótopos del uranio 92U238 y 92U235 que son los mas abundantes pueden escindirse por un neutrón rápido, mientras que sólo el 92U235 se escinde por un neutrón lento.
La fisión del uranio produce más de 100 isótopos diferentes de unos 20 elementos distintos. Todos estos átomos están en el centro de la tabla periódica con números atómicos comprendidos entre 34 y 58. Debido a que la razón entre el número de neutrones y protones necesaria para la estabilidad en este intervalo es mucho menor que la del núcleo de uranio original, los fragmentos de fisión, nombre que reciben los núcleos residuales, tienen siempre demasiados neutrones para ser estables. Durante la fisión se liberan unos cuantos neutrones, y los fragmentos de fisión experimentan una serie de desintegraciones beta (cada una de las cuales aumenta Z en una unidad y disminuye N en una unidad) hasta alcanzar un núcleo estable. Durante la desintegración de los fragmentos de fisión se libera también energía adicional.
La liberación total de energía en la fisión del uranio es de unos 200 MeV, y además, durante la misma se liberan otros neutrones del núcleo del uranio, esto posibilita una reacción en cadena, es decir, una serie de procesos autosostenidos que, una vez iniciados, continúan hasta agotar la mayor parte del uranio de la muestra (siempre que la muestra permanezca unida). En el caso de la reacción en cadena del uranio, un neutrón produce la fisión de una átomo de uranio, durante ella se libera gran cantidad de energía y son emitidos varios neutrones. Estos producen entonces la fisión de los núcleos de uranio próximos, que, a su vez, desprenden energía y mas neutrones. Puede conseguirse que la reacción en cadena tenga lugar de una forma lenta y controlada, y el dispositivo para realizarla es el reactor nuclear. Si la reacción en cadena es rápida e incontrolada, el dispositivo es una bomba. En un reactor nuclear, el elemento fisionable está contenido en elementos combustibles, cuya configuración está diseñada para retardar un número suficiente de neutrones en la sustancia que los rodea (generalmente agua) y da lugar a fisiones posteriores, en lugar de escapar de la región de combustible. Cada fisión produce un promedio de unos 2,5 neutrones libres, por lo que es necesario el 40 % de los neutrones para mantener una reacción en cadena. La velocidad de la reacción se controla introduciendo o retirando barras de control hechas de elementos (frecuentemente cadmio) cuyos núcleos absorben neutrones sin experimentar ningún tipo de reacción en cadena adicional.
La aplicación mas común de los reactores nucleares es la generación de energía eléctrica. Para dar una idea de las cifras que intervienen consideremos una hipotética central nuclear con capacidad de generar 1000 MW; ésta es una cifra típica de las grandes centrales actuales. Como ya se indicó, la energía de fisión aparece en forma de energía cinética de los fragmentos de fisión, y su resultado inmediato es calentar los elementos combustible y el agua que los rodea. Este calor genera vapor capaz de accionar turbinas, y éstas, a su vez, generadores eléctricos. Las turbinas, al ser motores térmicos, están sujetas a limitaciones impuestas por la segunda ley de la termodinámica. En las centrales modernas, el rendimiento total aproximado es de un tercio, o sea, son necesarios 3000 MW de energía térmica procedentes de la reacción de fisión para obtener 1000 MW de energía eléctrica.
Es fácil calcular la cantidad de uranio que experimenta fisión por unidad de tiempo para proporcionar 3000 MW de energía térmica. Son necesarios 3000 MJ por segundo, o 3 x 10^9 J. Cada fisión proporciona 200 MeV, que son
200 MeV = (200 MeV).(1,6 x 10^-13 J . MeV^-1) = 3,2 x 10 ^-11 J
Por tanto, el número de fisiones necesarias por segundo es 3 x 10^9 J / 3,2 x 10^-11 J = 0,94 x 10^20
Cada átomo de uranio tiene una masa de unos (235).(1,67 x 10^-27 Kg) = 3,9 x 10^-25 Kg, por lo que la masa de uranio necesaria por segundo es (0,94 x 10^20).(3,9 x 10^-25 Kg) = 3,7 x 10^-5 Kg = 37 mg.
El consumo diario de uranio (86 400 s) es (3,7 x 10^-5 Kg .s^-1).(86 400 s . d_1) = 3,2 Kg/día
Como comparación, obsérvese que una central térmica de 1000 MW consume 10.600 ton de carbón al día. Los reactores de fisión nuclear tienen otras aplicaciones prácticas; entre ellas están la producción de isótopos radiactivos artificiales para su utilización en medicina y otras áreas de investigación; la producción de haces de neutrones de alta intensidad para la investigación de la estructura nuclear, entre otras.

Potencial de generación de la energía nuclear por fisión

Actualmente, se estiman unas reservas mundiales de uranio razonablemente aseguradas según sus costes de: 


Para producir 3X10^9 J/seg se necesitan 37 mg de Uranio, con 2.543.430 toneladas de uranio se pueden generar: 2,06x10^20 J La energía que consume actualmente el hombre por día es de : 1,02x1018 J/día lo cual significa que, en bruto, la energía del uranio podría satisfacer la demanda actual de energía (artificial) durante unos 201 días .Si se produciría la misma energía por fisión nuclear que la energía solar que irradia sobre nosotros que es de 8,76x1021 J/día tendríamos energía por 34 minutos. Las reservas total de uranio a costos mayores son mas de la expuestas por lo que este valor obtenido es orientativo.

Fusión Nuclear

Hay dos tipos de reacciones nucleares en las que pueden liberarse grandes cantidades de energía. En ambos tipos, la masa en reposo de los productos es menor que la masa en reposo original. Una de ellas es la fisión del uranio, la otra implica la combinación de dos núcleos ligeros para formar un núcleo más complejo, pero cuya masa en reposo es menor que la suma de las masas en reposo de los núcleos originales. Los siguientes son algunos ejemplos de este tipo de reacciones de liberación de energía:

1H1 + 1H1 => 1H2 + 1e0
1H2 + 1H1 => 2He3 + radiación g
2He3 + 2He3 => 2He4 + 1H1 + 1H1

En la primera, dos protones se combinan para formar un deutrón y un positrón (un positrón es un electrón cargado positivamente). En la segunda, la unión es entre un protón y un deutrón, que forma el isótopo ligero del helio. Para la tercera reacción las dos primeras han de tener lugar dos veces, en cuyo caso se unen dos núcleos de helio ligero para formar helio ordinario. Estas reacciones, conocidas como cadena protón-protón, parece que tiene lugar en el interior del Sol y en otras muchas estrellas que se sabe que están constituidas fundamentalmente por hidrógeno.
Los positrones producidos durante la primera etapa de la cadena protón-protón chocan con los electrones; tiene lugar una aniquilación, y su energía se convierte en radiación gamma. Por tanto, el efecto neto de la cadena es la combinación de cuatro núcleos de hidrógeno en uno de helio y radiación gamma. La cantidad neta de energía liberada puede calcularse, a partir de la diferencia de masas, de la forma siguiente:
Masa de los cuatro átomos de hidrógeno (incluyendo los electrones) = 4,03132 u
Masa de un helio más dos electrones adicionales = 4,00370 u
Diferencia de masa = 0,02762 u
=> = 25,7 MeV
En el caso del Sol, 1 g de su masa contiene unos 2 x 10^23 protones. Por consiguiente, si todos los protones se fusionarán en helio, la energía liberada sería de unos 57 000 KWh. Si el Sol continuara radiando al ritmo actual, tardaría unos 30 mil millones de años en agotar su provisión de protones.
Para que tenga lugar la fusión nuclear, los núcleos han de estar lo suficientemente juntos como para quedar dentro del alcance de la fuerza nuclear, que es aproximadamente de 2 x 10^-15 m. Para ello deben superar la repulsión eléctrica de sus cargas positivas; para dos protones situados a esta distancia, la energía potencial correspondientes de unos 1,1 x 10^-13 J o 0,7 MeV, que representa, por tanto, la energía cinética inicial que han de tener los núcleos que se fusionan.
Tales energías sólo son disponibles a temperaturas extraordinariamente altas. La energía cinética de traslación media de una molécula de gasa la temperatura T es 3kT/2, siendo k la constante de Boltzmann. Para que ésta sea igual a 1,1 x 10^-13 J, la temperatura ha de ser de unos 5 x 10^9 K. Naturalmente, no todos los núcleos han de tener esta energía, pero este cálculo muestra que la temperatura ha de ser de millones de grados Kelvins para que una fracción apreciable de los núcleos tenga suficiente energía cinética para superar la repulsión eléctrica y lograr la fusión.
En las estrellas, tales temperaturas son posibles como consecuencia de la contracción gravitacional y la consiguiente liberación de energía gravitacional. Cuando la temperatura sube lo suficiente, tiene lugar las reacciones, hay más liberación de energía y la presión de la radiación resultante impide una contracción posterior. Solamente después de haberse convertido en helio la mayor parte del hidrógeno habrá una ulterior contracción y, consecuentemente, un aumento de la temperatura. Entonces se dan las condiciones apropiadas para la formación de los elementos más pesados.
Temperaturas y presiones análogas a las del interior de las estrellas pueden conseguirse en la Tierra en el momento de una explosión de una bomba de fisión de plutonio o uranio. Si la bomba de fisión esta rodeada de proporciones adecuadas de isótopos de hidrógeno, éstos pueden combinarse para formar helio y liberar aún más energía. Esta combinación de uranio e hidrógeno es la llamada bomba de hidrógeno.
En la actualidad se están realizando grandes esfuerzos en muchos laboratorios para conseguir reacciones de fusión controladas, por el enorme potencial de recursos energéticos que representan. En un tipo de experimento se calienta un plasma a temperatura extremadamente alta por medio de una descarga eléctrica, mientras está confinado por campos magnéticos adecuados. En otro tipo se calientan pequeñas bolas del material que se pretende fusionar por medio de un haz de láser de alta intensidad.
Entre las reacciones estudiadas están la siguientes:

1H2 + 1H2 => 1H3 + 1H1 + 4 MeV (1)
1H3 + 1H2 => 2He4 + 0n1 + 17,4 MeV (2)
1H2 + 1H2 => 2He3 + 0n1 + 3,3 MeV (3)
2He3 + 1H2 => 2He4 + 1H1 + 18,3 MeV (4)
La primera es una combinación de dos deutrones para formar tritio y un protón. En la segunda, el núcleo de tritio se combina con otro deutrón para formar helio y un neutrón. El resultado de ambas reacciones juntas es la conversión de tres deuterones en un núcleo de helio 4, un protón y un neutrón con la liberación de 21,6 MeV de energía. Las reacciones (3) y (4) juntas dan lugar a la misma conversión. En un plasma que contenga deuterio, ambas parejas de reacciones tienen prácticamente la misma probabilidad de ocurrir. Hasta ahora no ha sido posible producir estas reacciones de forma controlada tal que resulte un exceso de energía aprovechable, pero los problemas prácticos no parecen insuperables.

Potencial de generación de energía nuclear por fusión


La energía total extraída por reacciones nucleares de fusión a partir de un núcleo de deuterio dependerá de cuales sean las reacciones dominantes, lo que a su vez es función de la temperatura y de las concentraciones de reactivos. Como valor representativo se tomará 5 MeV/deuterón (ión de deuterio). En el agua del mar hay un átomo de deuterio por cada 6500 de hidrógeno, en números redondos, por lo que en 1 m3 se contabilizan 10^25 átomos de deuterio, aislables por el procedimiento de producción de agua pesada más subsiguiente electrolisis. Admitiendo 5 MeV/deuterón, el total de energía extraíble de 1 m3 de agua a través de fusión sería de 8x10^12 J (en números redondos) lo que equivale a algo menos de 200 toneladas de petróleo. El contenido total de agua de mar es de unos 1,5x109 km3, lo cual daría un potencial energético del deuterio total que se puede cifrar en 1,2x10^31 J.
Este valor se debe comparar con el flujo energético total en nuestra biósfera, que está dominado por la irradiación solar, y con la potencia antropogénica actual. Esta es de 8,76x1021 J/día. La energía que consume actualmente el hombre por día es de : 1,02x1018 J/Día lo cual significa que, en bruto, la energía del deuterio podría satisfacer la demanda actual de energía (artificial) durante unos 32.000 millones de años; si se produciría la misma energía por fusión nuclear que la energía solar que irradia sobre nosotros tendríamos energía por 3,75 millones de años; Así mismo si quisiéramos producir con el deuterio existente en la tierra la misma cantidad de energía irradiada por el sol, que es de 3,73x10^31 J/día podríamos hacerlo durante 7º43º16º (siete horas con 43 minutos y 16 segundos).
Esta cifra es inconmensurable para las expectativas reales del planeta, cuya habitabilidad será del orden de 1000 millones de años. Estas cifras tan extraordinariamente altas tienen un doble origen: por un lado, la fortísima intensidad energética de las reacciones de fusión, donde alrededor de un 0,3% de su masa se transforma en energía (básicamente, calor) y el altísimo contenido de deuterio. De ahí que su energía total, 1,2x1031 J, sea del orden de 300 millones de veces el total de las reservas de combustibles fósiles actuales (que totalizan unos 900 Gtep, que representan algo menos de 4x1022 J). Los reactores de fusión podrían hacerse más eficientes utilizando tritio, que se produciría en los propios componentes periféricos de estos reactores, por reacciones neutrónicas en los isótopos de litio. Ello podría aumentar al doble la energía potencial de la fusión.



La radiación y las ciencias biológicas


La interacción de la radiación con los organismos vivos es un tema que aumenta dá a día en interés y utilidad. La expresión radiación incluye la emitida a causa de la inestabilidad nuclear (alfa, beta, gamma,y neutrones) y la electromagnética, como las microondas y los rayos X. Las dos clases de fenómenos que consideramos aquí son: (1) la utilización de isótopos radiactivos como herramienta analítica, y (2) los efectos beneficiosos y perjudiciales de la radiación sobre el tejido vivo.
Los isótopos radioactivos pueden utilizarse en muchas aplicaciones, por ejemplo, un isótopo inestable del yodo, el I 131, puede utilizarse para estudiar la función de la glándula tiroides. Se sabe que prácticamente todo el yodo ingerido en la alimentación que no es eliminado llega a la glándula tiroides; suministrando al paciente dosis de I 131 y midiendo a continuación la radiación del tiroides, puede apreciarse la actividad de este órgano.
En aplicaciones más sutiles tienen lugar reacciones químicas complejas. Utilizando trazadores radioactivos es posible marcar partes especificas de las moléculas y seguir a los átomos radioactivos a través de reacciones complejas.
Las interacciones de la radiación con el tejido vivo son de gran complejidad. Es sabido desde hace muchos años que la exposición excesiva a radiaciones, como la luz solar, los rayos X y las nucleares, pueden causar la destrucción de tejidos vivos. En los casos benignos, esta destrucción se manifiesta en forma de quemadura, como la quemadura común causada por el Sol; exposiciones prolongadas pueden causar daños muy serios e incluso la muerte por distintos mecanismos, uno de los cuales es la destrucción de los componentes de la médula del hueso productora de los glóbulos rojos.
Por otro lado, las radiaciones del Sol, de los rayos cósmicos y de la radiactividad natural están presentes en todas partes, por lo que es inevitable algún grado de exposición a la radiación. Lo que constituye exactamente un nivel seguro de exposición a la radiación es una incógnita, pero según las comprobaciones realizadas parece ser que exposiciones entre 10 y 100 veces la de las fuentes naturales rara vez son perjudiciales.
Grandes cantidades de radiación provocan ondas energéticas de alta resonancia. Estas ondas al cruzar por el cuerpo rompen algunos enlaces entre moléculas, especialmente en las que conforman el ADN. Al separarse estas rupturas en el ADN pueden producirse mutaciones que provocan que la síntesis de proteínas sea alterada para producir proteínas no funcionales o con funciones diferentes a que que deberían tener. Todo esto puede producir que el ciclo normal de apoptosis (muerte celular programada) sea alterado y que la proliferación de células no sea controlada por el organismo, produciendo excesivos nacimientos de células nuevas en el cuerpo sin control, las cuales provocan tumores y hasta cáncer.
Existe una preocupación generalizada con los supuestos peligros de la radiación procedente de las centrales nucleares. Es indudable que el nivel de radiación de las centrales no es nulo, pero también existen otras emisiones de radiación que son aun mayores, como los de las centrales térmicas de carbón. La radiactividad del humo procedente de una central de térmica de carbón es mayor que la procedente de una central nuclear de funcionamiento adecuado y con una capacidad energética análoga. Es imposible eliminar todos los riesgos, y la mejor alternativa es un planeamiento inteligente del problema de minimizarlos, dado que la emisión de elementos radiactivos como los residuos de los reactores nucleares del Uranio o del Plutonio siguen emitiendo radiación nociva por miles de años, lo cual las pérdidas de éstos elementos de las centrales nucleares ya sea por los residuos generados o por las perdidas de radiación por los distintos accidentes que se producen en estas centrales produce que dichos desechos del Uranio o del Plutonio se vayan acumulando en distintos lugares de la corteza terrestre y pueden provocar un aumento de los niveles naturales de radiación, lo cual puede ser peligroso para las generaciones futuras.

Fuentes consultadas:

Libro: "Fisica Universitaria"; Autores: Sears, Zemansky y Young; Editorial: Addison-Wesley Iberoamericana; 6º Edición, 1988.

20 de marzo de 2020

Presentación


Me llamo Martín Giordano, vivo en la ciudad de Villa Ramallo provincia de Buenos Aires Argentina y soy Ingeniero Mecánico recibido en la Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Nicolás. Trabajo actualmente en el corralón de materiales de construcción de mi familia y también en la venta de paneles y equipos a energía solar, en el comercio llamado "Centro Solar" también en Villa Ramallo y cuya publicidad se puede ver al pie de la página.

Mi primer contacto con el estudio de las energías renovables empezó cuando estudiaba en los últimos años de la Facultad, donde empecé a leer sobre energía solar fotovoltaica, sobre todo, para su posible uso como fuente de energía en aviones de transporte de pasajeros y de cargas de pequeño y gran porte dado que su utilización tiene como objetivo disminuir el peso extra que deben llevar estas aeronaves en combustible para realizar dichos recorridos.

Este Blog lo empecé a realizar con el fin de hacer un estudio de los distintos tipos de energías, renovables, fósiles y nucleares, y hacer un análisis del potencial de cada una de ellas, sus características principales y sus campos de aplicación.

Mi interés principal de estudio en este momento es la aplicación de la energía solar en los diferentes sistemas de transportes, aéreos, navales y terrestres, siendo uno de mis principales intereses la aplicación de la energía solar y las energías renovables en los sistemas de transportes de cargas y de pasajeros de largas distancias como el transporte aéreo y el transporte naval de largas distancias, dada la importancia que tiene su aplicación en la Argentina para poder bajar el costo y los tiempos del transporte desde la Argentina a los principales mercados económicos y de consumo del mundo.

Actualmente esta aplicación de aviones y barcos propulsados a energía solar está siendo estudiada y desarrollada por numerosos centros de investigación y empresas particulares de todo el mundo, siendo un área de aplicación de la energía solar con un gran futuro.

Además, me ha motivado también hacer este Blog sobre el estudio y la aplicación de las distintas fuentes de energías, el realizar un resumen, propio (y con el aporte de ustedes) de un tema que me cautivo completamente desde que lo empecé a conocer como son las energías renovables y particularmente a la energía solar, ya que considero que será la principal fuente de energía en el futuro próximo y seguramente el recurso energético mas importante de aquí en adelante.