*Instituto de Tecnologías de Fabricación de Componentes Cerámicos y Composites, Universidad de Stuttgart
Introducción
Las materias primas renovables se han convertido recientemente en un importante tema de debate debido a la limitada disponibilidad de combustibles fósiles. Las cuestiones relativas al rendimiento de los cultivos, la superficie necesaria y el contenido energético están en primera línea. En comparación con los combustibles fósiles, el comportamiento de combustión de las materias primas renovables está mucho más influido por parámetros como las condiciones climáticas, el procesamiento de las partes de la planta, el secado y el almacenamiento -junto con el contenido de humedad asociado- y, por tanto, está sujeto a una mayor variación natural. La figura 1 muestra una recopilación de materias primas y las que pueden clasificarse como biomasa y plantas energéticas.
Plantas de energía
Si se pretende utilizar las plantas energéticas como alternativa a los combustibles fósiles, los costes de adquisición deben compararse con el rendimiento de los cultivos. Por ejemplo, 232 kg de cebada equivalen a 100 litros de gasóleo de calefacción en valor calorífico [1] y su coste es 41 euros más barato según los precios de mercado de septiembre de 2013. Suponiendo un consumo anual de 3.000 litros para calentar una vivienda unifamiliar en Alemania, el ahorro sería de 1.200 euros al año. Dado que las plantas agrícolas, como los distintos tipos de cereales, solo deben utilizarse para la producción de energía si no son comestibles o son de baja calidad y, por tanto, no aptas para el consumo humano, se están estudiando intensamente plantas energéticas alternativas.
En vista de la subida de los precios del crudo, los pellets de madera y otros, las centrales energéticas ya ofrecen una alternativa rentable. En la tabla 1 se comparan los precios medios y los valores caloríficos de la paja de cultivo, los pellets de madera y el gasóleo de calefacción [2].
Cuadro 1: Valores caloríficos y costes de los distintos vectores energéticos
Precio | Poder calorífico | Coste / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Gasóleo de calefacción | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Pellets de madera | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Paja de cultivo | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Como puede verse en la tabla, el menor poder calorífico de la paja de cultivo se ve compensado por sus costes de adquisición considerablemente más bajos, que la hacen más económica que el gasóleo de calefacción. Así pues, los residuos agrícolas, como la paja de los cereales, merecen un examen más detenido como fuente de energía alternativa, junto con otras plantas energéticas que crecen fácilmente en casi todos los tipos de suelo. La hierba plateada china (miscanthus sinensis) y el miscanthus giganteus también presentan valores caloríficos comparativamente altos y un bajo Contenido en cenizasThe ash is a measure of the mineral oxide content on a weight basis. Thermogravimetric analysis (TGA) in an oxidative atmosphere is a well-proven method to determine the inorganic residue, commonly referred to ash, in organic materials such as polymers, rubbers, etc. Therefore, the TGA measurement will identify if a material is filled and calculates the total filler content.contenido en cenizas, por lo que son interesantes para futuras investigaciones. Aunque el miscanthus debe cultivarse especialmente para su uso energético, la paja de colza está disponible como subproducto de la producción de grano. Por lo tanto, hay que tener en cuenta las limitaciones de superficie a la hora de sopesar las ventajas de ambas fuentes de energía.
Termogravimetría
El método de la termogravimetría (TG) es especialmente adecuado para la investigación de los procesos de combustión. Permite evaluar rápidamente la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica de combustibles principalmente sólidos. La cantidad de material combustible (pérdida de masa) y el contenido de ceniza restante (residuo) se cuantifican fácilmente. La temperatura de combustión y la velocidad de reacción analizadas mediante el software NETZSCH Thermokinetics proporcionan información cinética importante sobre el comportamiento de combustión del material.
También se puede cuantificar tanto la pérdida de masa durante la reacción de combustión como el contenido de cenizas minerales no inflamables. A diferencia de otras reacciones, como la descomposición o la liberación de humedad o disolventes, la combustión es una reacción sólido-gas. Por tanto, parámetros como la superficie de la muestra, la concentración de oxígeno en el gas de purga y la geometría del crisol son de crucial importancia.
Estos importantes parámetros se optimizaron en experimentos realizados con el NETZSCH STA 409 C para la combustión de plantas energéticas.
Comportamiento de la combustión
Esta nota de aplicación describe los resultados de una investigación sobre el comportamiento de combustión de la paja de origen vegetal (miscanthus y repeseed) y los pellets fabricados a partir de ella. Las sustancias investigadas se muestran en las figuras 2 y 3.
El comportamiento de combustión de los materiales se investigó con un NETZSCH STA 409 C. Se empleó un portamuestras DTA-TGA con crisoles de alúmina abiertos; el gas de purga fue aire sintético con un caudal de 80 ml/min. Al emplear una velocidad de calentamiento de 20 K/min, las reacciones de combustión se completaron a 600°C (figuras 4 y 5).
El método DTA proporciona información sobre la cantidad de calor generado y la tasa de generación de calor para la reacción de combustión exotérmica. Cabe señalar que las muestras no granuladas mostraron un mayor calor de reacción (señal DTA más grande) aunque el perfil de pérdida de masa fuera similar. La mayor superficie del material suelto favorece un proceso de combustión más eficiente. Además, las muestras de paja de colza mostraron un comportamiento de combustión similar al de las muestras de miscanthus. La masa residual (Contenido en cenizasThe ash is a measure of the mineral oxide content on a weight basis. Thermogravimetric analysis (TGA) in an oxidative atmosphere is a well-proven method to determine the inorganic residue, commonly referred to ash, in organic materials such as polymers, rubbers, etc. Therefore, the TGA measurement will identify if a material is filled and calculates the total filler content.contenido en cenizas) corresponde a los componentes minerales inertes de las plantas energéticas.
Determinación de la porosidad y la densidad
Mediante porosimetría de mercurio (Porotec Pascal 140/440), se determinaron la porosidad y la DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad de las muestras. Los resultados se resumen en la tabla 1. Las figuras 6 y 7 ilustran las diferencias significativas entre los dos materiales y sus productos transformados (pellets) en lo que respecta a la porosidad y su DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad relativa o específica. La muestra de paja de colza se caracteriza por una menor densidad y un volumen de poros considerablemente mayor que la muestra de miscanthus (tabla 1). Evidentemente, esto favorece el comportamiento de la combustión, ya que la muestra de paja de colza no granulada mostró una tasa de combustión significativamente más elevada a una temperatura considerablemente más baja que la muestra de paja de colza granulada (figura 5).
Tabla 2: Comparación de los datos analíticos de las cuatro muestras de biomasa
| Propiedades | Miscanthus | Pellets de Miscanthus | Paja de colza | Pellets de colza |
|---|---|---|---|---|
| Porosidad total [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Volumen poroso conmulado [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Superficie específica de la muestra [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Radio medio de los poros [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Densidad1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. Densidad aparente2 [kg/dm³] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Densidad: DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. Densidad de la red sólida (incluidos los poros y el espacio hueco interparticular)
2Densidad aparente: Densidad del material incluidos los poros cerrados y no accesibles
Detección de gases y análisis cinético
La caracterización FT-IR de los gases evolucionados formados en el transcurso del análisis termogravimétrico reveló que los gases generados en el pico de la velocidad de descomposición (a 515°C) consistían principalmente enCO2. Las influencias de las condiciones límite sobre la velocidad de reacción pueden evitarse en gran medida si se emplea un crisol con base plana y un caudal de gas suficientemente elevado (aquí 160 ml/min de oxígeno). Con ello se cumple un requisito crucial para someter los datos obtenidos a un análisis cinético en profundidad. El análisis termocinético de los datos termogravimétricos de la muestra de gránulos de miscanthus obtenidos a velocidades de calentamiento entre 1 y 5 K/min. se llevó a cabo con la ayuda del software NETZSCH Thermokinetics Se encontró que dos reacciones consecutivas de enésimo orden ofrecían el mejor ajuste a los datos experimentales, como se muestra en la figura 9.
Conclusión
Estas investigaciones termogravimétricas demostraron que la preparación de las muestras y las condiciones de medición tienen una influencia sustancial en los resultados. Sólo se pueden realizar comparaciones fiables entre diferentes muestras de plantas energéticas en cuanto a su comportamiento de combustión cuando las mediciones se realizan en muestras de plantas con densidad y geometría de empaquetamiento similares y en las mismas condiciones de gas de purga (es decir, concentración de oxígeno y caudal).
Para la investigación comparativa del comportamiento de combustión de diferentes plantas energéticas, podría determinarse que los parámetros de medición como la geometría de la muestra, la cantidad de muestra, la concentración de oxígeno del gas de purga, la cantidad de gas de purga, pero también el tamaño de las partes de la planta o la densidad de empaquetamiento de las muestras tienen una importancia decisiva. Para minimizar estas influencias externas, todos los parámetros de medición del STA 409 C se ajustaron de tal forma que ninguna influencia medible de estas condiciones límite pueda afectar a los resultados. Sólo así es posible realizar un análisis termogravimétrico comparativo, pero también una evaluación cinética de los datos de medición.
Aunque el miscanthus es atractivo como fuente de energía por su alta densidad energética, la necesidad de un cultivo especial de este cultivo disminuye su valor potencial. La colza, por su parte, es un subproducto fácilmente obtenible de la producción de cereales y también una buena fuente de energía.