Resumen de Optimización de metodologías para la caracterización de biocombustibles sólidos procedentes de la industria del olivar
RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE D. Jesús Bernardo Mata Sánchez OPTIMIZACIÓN DE METODOLOGÍAS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS PROCEDENTES DE LA INDUSTRIA DEL OLIVAR 1. Introducción o motivación de la tesis El desarrollo de la sociedad viene acompañado de un gran consumo de energía, tanto térmica, eléctrica como mecánica (transporte). Para satisfacer la creciente necesidad energética, el ser humano ha recurrido al uso de fuentes de energía fósiles como son el carbón, el petróleo o el gas natural, lo cual ha hecho que países que carecen de estos combustibles, como es el caso de España, dependan en más de un 75% de un suministro exterior de energía.
Esta situación hace que el bienestar social, el crecimiento económico y la competitividad empresarial de las regiones se vean en peligro por la elevada vulnerabilidad del modelo actual ante futuros problemas de abastecimiento energético. Además, en los últimos años se ha introducido una nueva variable que está siendo sin duda la fuerza impulsora hacia un cambio de la percepción mundial de la cuestión energética: el cambio climático derivado de las emisiones de gases de efecto invernadero. Debido a la gravedad de estos problemas de índole mundial, se ha hecho necesario el desarrollo de medidas energéticas y medioambientales, por parte de todos los países, con el fin de reducir los efectos negativos derivados del uso de combustibles fósiles sobre el planeta.
Entre estas medidas se destaca la necesidad de utilización de fuentes de energía renovables como alternativa al uso de los combustibles fósiles como eje de un nuevo modelo que dé respuesta a las necesidades de abastecimiento de energía sin generar desequilibrios ambientales, económicos y sociales. Las fuentes de energías renovables se producen de forma continua, siendo inagotables a escala humana. Hoy en día, estas energías son una de las soluciones más eficientes y efectivas para la consecución de un desarrollo energético sostenible y de la prevención de la contaminación ambiental.
Entre las energías renovables, la biomasa juega un papel muy importante en el nuevo marco energético, ya que los residuos agrícolas se producen en cantidades relativamente grandes en todo el mundo, y su alto contenido energético es gestionable, fuera de las inconveniencias que presentan otras fuentes renovables, como el sol y/o el viento, sujetas a disponibilidades temporales para su aprovechamiento.
En este sentido, la política energética y de protección del clima en Europa se ha plasmado en tres objetivos estratégicos: seguridad en el suministro, eficiencia y compatibilidad ambiental, características intrínsecas en la propia definición de biomasa. En el nuevo modelo energético, la biomasa ocupa por derecho propio un puesto predominante. España, deficitaria en recursos energéticos fósiles, es muy rica en recursos biomásicos, más concretamente en los procedentes de actividades agrícolas, cuyo aprovechamiento óptimo permitiría dotar al país de una energía autóctona y segura que minimizaría el futuro impacto de inestabilidades del mercado energético internacional. En este sentido, en los planes de fomento de energías renovables, tanto en el marco europeo, español y andaluz, se está trabajando en la búsqueda de la implementación de nuevos modelos energéticos donde se reconoce la importancia de la biomasa residual agrícola como fuente de energía renovable, y medioambientalmente segura de proporcionar energía, por su carácter sostenible, distribuido y en armonía con el medio ambiente.
La subida de precios de los combustibles convencionales, las necesidades de autosuficiencia energética y los objetivos medioambientales de nuestra sociedad han impulsado el desarrollo de nuevos proyectos tanto de generación eléctrica como de producción de energía térmica. Este contexto, unido al desarrollo tecnológico de la biomasa, presenta unas expectativas de crecimiento importantes para el sector en regiones como Andalucía. Debido a que la reorientación estructural del sistema energético requiere de una reposición en materia de mejora del uso de las fuentes de energía locales, se hace necesario el análisis de las materias primas propias de cada región, ya que pueden convertirse en la fuente de energía principal de la zona donde esta biomasa residual se genera. En las zonas mediterráneas del suroeste europeo, las actividades agrícolas producen grandes cantidades de biomasa residual. Este es el caso de los residuos provenientes de la industria del olivar, que han sido tradicionalmente usados para calefacción doméstica (ineficiente) en las zonas rurales. Es por tanto lógico pensar que los residuos procedentes de industrias olivareras y del mantenimiento de los cultivos del olivar, pueden convertirse en una importante fuente de energía en estas zonas donde el aprovechamiento de esta biomasa incrementaría la autonomía, la diversificación energética y el desarrollo económico local y equilibrado.
A pesar del gran potencial comentado anteriormente, se ha observado un vacío bibliográfico importante respecto al aprovechamiento energético eficiente de estos biocombustibles, así como de cuáles son sus propiedades físico-químicas más relevantes, hecho que constituye el eje motivador principal de esta Tesis. Por ello, resulta necesaria la generación de conocimiento de rigor que permita optimizar la eficiencia de la producción y mejorar la calidad del producto final, ya que tan solo el establecimiento de estándares de calidad para los biocombustibles sólidos procedentes del olivar permitiría el uso de estos residuos en procesos de combustión eficientes. Mirar dentro de la biomasa, determinar sus propiedades físico-químicas y evaluar sus características energéticas, es hipótesis fundamental de este trabajo, con el propósito de contribuir, desde el plano científico, a una adecuada valorización y puesta en el mercado de estos biocombustibles.
La aplicación de normas estandarizadas sobre determinación de parámetros energéticos en los biocombustibles sólidos presenta ciertos inconvenientes relacionados principalmente con largos tiempos de análisis y elevados costes asociados a la determinación, impidiendo la realización exhaustiva de caracterizaciones a todas las muestras de biocombustibles empleados en las industrias afines (centrales térmicas, eléctricas, las propias almazaras o empresas de distribución), y por ende, la falta de calidad en los procesos y productos asociados. Para esta problemática tecnológica, la hipótesis que se plantea es motivada por la necesidad de la industria bioenergética de disponer de herramientas analíticas rápidas, económicas y precisas, que permitan cumplir con los niveles de control requeridos en la actualidad y posibiliten la trazabilidad integral de materias primas y procesos en pos de un mejor aprovechamiento de los recursos. Se pretende proponer como solución la tecnología NIR, por sus mediciones rápidas, precisas y exactas.
Dada la falta de investigación y estandarización en residuos sólidos procedentes del olivar como fuente de energía térmica, el estudio descrito en este documento pretende alcanzar un conocimiento en profundidad de las propiedades físico-químicas de estos residuos que ayude en el aprovechamiento energético de los mismos como combustibles renovables. Por tanto, el propósito principal de esta Tesis Doctoral es la investigación y desarrollo de nuevas metodologías analíticas para la caracterización de biocombustibles sólidos procedentes de la industria del olivar.
2. Contenido de la investigación La investigación se puede resumir en los siguientes puntos principales:
a. Determinar y evaluar la variabilidad de las propiedades energéticas del hueso de aceituna.
b. Estudiar si existen diferencias significativas en cuanto a lo que variabilidad geográfica o climatológica se refiere, así como de la industria que procede (almazaras y empresas de tratamiento y limpieza de hueso).
c. Obtener a partir de este conocimiento, una ecuación que relacione el análisis elemental con el poder calorífico de esta biomasa.
d. Proponer unos principios claros y concisos para el aseguramiento de la calidad del hueso de aceituna basados en sus parámetros de calidad.
e. Obtener ecuaciones quimiométricas de predicción, implementables con la espectroscopia NIR, que determinen parámetros como humedad, cenizas, volátiles, poder calorífico y análisis elemental en muestras de hueso de aceituna, poda del olivar y orujillo.
f. Obtener ecuaciones quimiométricas de predicción, implementables con la espectroscopia NIR, que determinen parámetros relacionados con los fenómenos de corrosión en procesos de combustión tales como cloro, azufre y potasio en muestras de hueso de aceituna, poda del olivar y orujillo.
g. Diseñar un nuevo método analítico que separe la pulpa contenida en una muestra de hueso de aceituna a escala de laboratorio.
h. Realizar un estudio de viabilidad sobre la posibilidad de cuantificar las impurezas de una muestra de hueso de aceituna mediante la Tecnología NIR.
3. Conclusiones El conocimiento de la variabilidad de las propiedades energéticas del hueso de aceituna es una herramienta necesaria para una eficiente valorización energética del mismo. Así, parámetros como la humedad, el cloro y las impurezas (finos y pulpa), deben ser considerados como parámetros importantes debido a su gran variabilidad en este biocombustible y a su implicación en los procesos de conversión energética posteriores a su manejo, principalmente en la combustión.
Se ha comprobado que los procesos de limpieza, secado y transporte llevados a cabo por empresas de tratamiento y distribuidores mejoran significativamente de cara a un aprovechamiento energético posterior, las condiciones físicas del hueso de aceituna, reduciendo la humedad, el contenido en cenizas y aumentando el poder calorífico inferior del biocombustible, además de eliminar impurezas como la pulpa y los finos. Así mismo, se resalta el hecho de llevar a cabo un tratamiento previo a su consumo doméstico.
Se ha demostrado que existen impurezas en el hueso de aceituna, tales como la pulpa/pellejo y finos, donde existen altos elementos negativos relacionados con las emisiones nocivas, como son el azufre y el nitrógeno, y otros compuestos que están involucrados en procesos corrosivos, como son las cenizas, el cloro y algunos metales, los cuales dan lugar a los procesos de escorificación. Estas impurezas pueden ser reducidas y/o eliminadas mediante tratamientos industriales de limpieza como los que se realizan hoy en día muchas empresas de distribución.
Las dos nuevas metodologías analíticas diseñadas para la cuantificación de pulpa y finos en hueso de aceituna, una aprovechando la diferencia de densidad entre el hueso de aceituna y la pulpa y otra mediante la Tecnología NIR, han resultado válidas para la cuantificación propuesta, gracias a la validación de las mismas llevadas a cabo y descritas en los resultados del trabajo. La elaborada a escala de laboratorio, se podría implementar como metodología de referencia para el cálculo de estos parámetros, y la basada en la tecnología NIR podrá ser utilizada para el control rutinario de calidad del hueso de aceituna en planta.
En el estudio de la dependencia entre las propiedades físico-químicas del hueso de aceituna y de factores como la pluviosidad o el tipo de suelo donde se encuentra el olivo, no ha presentado diferencias significativas.
La nueva ecuación obtenida y validada para el cálculo del poder calorífico superior del hueso de aceituna, basada en el análisis elemental del mismo, resulta fácil de aplicar, al requerir solamente los contenidos en carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre, elementos con una variabilidad menor, y precisa, al presentar un error de predicción de 0,1 MJ/kg. Esta ecuación es particularmente útil para el sector cuando no se dispone de acceso al equipamiento analítico necesario para calcular el poder calorífico superior.
Los parámetros de calidad del hueso de aceituna limpio, comparados con otros biocombustibles estandarizados y usados comercialmente, demuestran que este subproducto de la industria del olivar presenta unas óptimas propiedades para la obtención de energía térmica mediante procesos de combustión doméstica e industrial.
La clasificación de los parámetros de calidad del hueso de aceituna desarrollada de forma similar a la norma UNE-EN ISO 17225-2:2014, puede ser utilizada por el sector como herramienta básica para el control de calidad del producto.
La clasificación anteriormente citada es muy completa pero el alto número de parámetros a analizar y el equipamiento analítico necesario para la misma, la convierten en una herramienta económicamente costosa y requiere largos tiempos de análisis. En base a esto, se puede obtener una clasificación precisa de calidad (valoración entre 0 y 10) de muestras de hueso de aceituna a partir del índice de calidad creado. Este índice resulta útil para comparar la calidad de dos muestras distintas, aun encontrándose en el mismo grupo de calidad bajo la norma UNE 164003:2014, y requiere menos equipamiento analítico, de manera más económica y en menos tiempo, pudiendo convertirse en una herramienta de entendimiento entre vendedor y usuario de biomasa.
Los parámetros de calidad del hueso de aceituna, la poda del olivar y el orujillo, tales como el poder calorífico, la humedad, las cenizas, los volátiles y el análisis elemental (C, H, N) pueden ser determinados rápidamente mediante la tecnología NIR con alta exactitud y precisión. De este modo, se podría asegurar la calidad del producto que llega al consumidor.
Las propiedades físico-químicas de los combustibles derivados del olivar estudiados, relacionadas con la corrosión, como pueden ser el cloro, el azufre y el potasio pueden ser determinados mediante Tecnología NIR, con alta exactitud y precisión.
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