Biomasa-energia
Prozesu biologikoen bidez sortutako edozein materia organikori, bai landareenari bai animalienari, biomasa deritzo. Historikoki, esan daiteke biomasa-energia, hau da, materia horretatik lortutako energia erabilgarria, gizakiak erabilitako lehen energia-iturria izan zela. Suaren aurkikuntza izan zen horretarako bidea zabaldu zuena. Gaur egun ere, mundu zabaleko toki askotan egurra da bero-iturri nagusia. Egur-ikatza ere mende askotan hainbat helburutarako erregaitzat erabili da, eta oraindik ere erabiltzen da. Baina harrikatza erabiltzen hasi zenetik eta, bereziki, Industria Iraultzaz geroztik, beste energia-iturri batzuek nabarmen txikiagotu dute biomasak energia-iturritzat zuen garrantzia. Gaur egun, ordea, energia berriztagarriek etorkizunean eginkizun nabarmena beteko dutela argi geratu denean, biomasa-energiak energiaz arduratzen direnen arreta erakarri du.
egur-ikatza egiteko txondorra
Energia-ekoizpenaren ikuspegitik, bide biologikoz sortutako lehengai berriztagarri organikoari baino ez deritzo biomasa. Mundu osoan, 146 bilioi tona biomasa inguru ekoizten da urtean, eta kantitate horren zatirik handiena basoetan eta oihanetan sortzen da. Bai herri aurreratuetan bai garapen-bidean daudenetan, biomasak berebiziko garrantzia du. Energia lortzeko nekazaritza edo baso-espezie zenbait haztea oso egokia da inguruneko CO2-aren balantzerako eta, gainera, naturaren egoera hobetzeko ere onuragarri litzateke. Hainbat aurreikuspenen arabera, biomasaren bidez 2030. urtera arteko energiaren % 10-20 eta lehengaien % 20-30 ekoitz litezke era jasangarrian. Gainera, AEBko petrolio-konpainiarik indartsuenak biomasaren aprobetxamendurako proiektuak babesten ari dira azken urteetan.
Biomasaren eraketa eta konposizioa
Biomasa-energia, funtsean, energia kimikoa da, bizidunen ehunetan dauden konposatuek metatua dutena hain zuzen ere. Konposatu horiek hainbat prozesutan eratzen dira, baina guztien azken jatorria landareetan gertatzen den fotosintesia da. Prozesu horretan, landareek konposatu organikoak eratzen dituzte, klorofila izeneko substantziaren bidez eguzki-erradiazioaren energia xurgatuz eta aireko karbono dioxidoa eta ur-lurruna erabiliz. Erreakzio horretan oxigenoa askatzen da. Biziaren funtsezko prozesua da beraz. Prozesuaren errendimendua oso txikia da (% 1), baina Lurra estaltzen duen landare-azalera handia izaki, energia-iturri oparoa da (Ik. fotosintesi).
Biomasaren osagai nagusiak karbohidratoak, lipidoak eta protidoak dira, eta proportzioak aldatu egiten dira, biomasaren jatorria animaliak edo landareak diren. Landareetatik sortutako biomasak karbohidrato gehiago duenez, eta horiek energia lortzeko lipidoak eta protidoak baino eraginkorragoak direnez, landare-biomasa da energia ekoizteko baliagarriena. Animalia-biomasak, ostera, konposatu organiko nitrogenatu (proteina) gehiago du eta, hori dela eta, ez da hain egokia energia ekoizteko, baina balio erantsia handia du, proteinen sintesirako iturri delako.
Landare-biomasa osatzen duten karbohidratoen izaeraren arabera, honako mota hauek bereiz daitezke:
Lignozelulosa-biomasa: ugariena da eta holozelulosaz (zelulosaz eta hemizelulosaz) eta ligninaz osatua da batez ere.
Amilasa-biomasa: almidoia, inulina eta halako polisakaridoz osatua.
Azukre-biomasa: monosakarido edo disakaridoz osatua.
Olio-biomasa: lipido-eduki handikoak (ekilore-, koltza-, arto-, kardu-, oliba-olioa eta abar).
Latex-biomasa: metabolismoaren ondorioz hidrokarburoak eta esterolak ematendituena.
Nahiz eta lignozelulosa-biomasa ugariena izan, hori erabiltzeko eragozpen nagusia egituraren konplexutasuna da. Gainera, landareak bere funtzioak bete ahal izateko, material honen osaera aldatu egiten da landareak adinean aurrera egin ahala. Biomasaren jatorriaren arabera, osagaiak honako hauek dira: euste-ehunak, likidoa eramateko hodiak, elikagaiak biltzeko zelulak eta zelula bereziak. Lignozelulosarik gehiena ehunetan dago.
Zelulen hormen osagaiak lignina eta holozelulosa (zelulosa eta hemizelulosa) izeneko material polimerikoak dira. Zurezko landareen gairik gehiena zelula hauexek osatzen dute. Izan ere, landare hauen lignina-edukia % 25 eta % 40 artean dago espeziearen arabera, eta holozelulosa-edukia % 40 eta % 60 artean. Horren arabera, biomasa-mota honen batez besteko formula enpirikoa CH1,44O0,66 da. Ur-eduki handi samarra du (% 20-50), eta dentsitatea txikia da (400-600 kg/m3).
Lignina zelulosazko ehunak lotzen dituen orea da. Eraztun aromatiko ugari dituen hiru dimentsioko polimeroa da. Zenbait egilek ikertu dute hiru dimentsioko egitura hori, eta egitura helikoidala duela frogatu dute. Glukosa-monomeroz eratutako polimero lineala da zelulosa. Hemizelulosa, berriz, pentosano-monomeroz osatutako polimero adarkatua da, eta xilosa ere horren kidea da.
Energia ekoizteko biomasa-motak
Energia ekoizteko, askotariko biomasa-motak erabil daitezke, eta sailkatzeko irizpideak ere bat baino gehiago dira: azaldu berri dugun landare- eta animalia-biomasaren arteko bereizketa; landare-motaren arabera (zurezko landareak, landare belarkarak, uretakoak...); landare-sail naturalak, ereindakoak edo landatutakoak diren, etab. Dena den, gaur egun, berariazko biomasa-ekoizpen eta aprobetxamendua bi alor hauetan garatu da bereiziki:
Hondakinetako biomasa, bai era naturalean sortua (basoetan, belartzetan...) bai giza jardueren ondorioz sortua (basogintzan, nekazaritzan, abeltzaintzan, industrian sortua edo hirietako zabor eta hondakin organikoena).
Energia ekoizteko laboreak. Energia-produktuak lortzea beste helbururik ez duten laboreak dira. Brasilen eta Estatu Batuetan, adibidez, azukre-kanabera eta artoa ustiatzen dira automobiletarako erregai gisa erabiltzen den etanola lortzeko.
Bistan dena, energiaren kontserbazioa eta ingurumenarekiko ardura lotuta daude biomasa-mota bi horien aprobetxamenduan eta, oro har, edozein biomasa-motaren aprobetxamenduan.
Ustiapenaren ikuspuntutik, jatorria eta hornitzeko ahalmena kontuan hartzen dituen beste sailkapen erabilgarriago hau egin ohi da:
Basoetakoa: Basoen ustiapenean eta egurra zerratzean (azala, txirbila, zerrautsa) sortutako hondakinak. Material honek ezaugarri bereziak ditu, lignina-eduki handia (% 40 inguru) eta hezetasuna % 50 baino txikiagoa, hain zuzen ere.
Basogintzako hondakinak. Basoen garbiketan eta zuretarako zuhaitzak ebakitzean sortzen dira. Basoen garbiketarako egiten diren lanetan, hau da, mehazketan, sastraka-garbitzean edo inausketan, biomasa-hondakinak sortzen dira. Jakingarri moduan, 200.000 ha-ko sastrakak garbituz, urtean 4 milioi tona hondakin lortzen da. Zuretarako ebakitzen denean ere, zuhaitzaren % 60 baino ez da benetan gai erabilgarria, gaineratikoa zuhaitzaren punta (% 5), adarrak (% 5) eta sustraiak eta enborraren ipurdia (% 20) baitira.
Zuraren industrietako hondakinak. Zuraren lehen langintzan (zerrategietan, oholgintzan, paper-orea egiteko lantegietan) enbor-alboak, azala eta abar ateratzen dira, eta zerratutako metro kubo bakoitzeko 160 kg hondakin inguru sortzen da. Zuraren bigarren langintzan ere (arotzerian, altzarigintzan, paketegintzan eta abarretan) hondakin-kantitate handia sortzen da.
Nekazaritzakoak: Nekazaritzan edo elikagaigintzan sortuak. Biomasa-mota honek lignina gutxi du (% 0-20), eta hezetasuna nabarmen alda daiteke batetik bestera. Jatorriaren arabera, arbolen inausketakoak (fruta-arbolena edo mahatsondoena), industrian erabilitako landareenak (kotoia, tabakoa, ekilorea, erremolatxa eta abar) edo zerealenak (garia, garagarra, oloa, arroza, artoa, zekalea, basartoa eta abar) izan daitezke.
Uretakoak. Algak dira uretako biomasa arruntena, eta horien ezaugarri nagusia ur-eduki handia da. Gaur egun, etorkizuneko biomasa gisa hartuak dira, oso azkar hazten baitira eta uztak bata bestearen atzean ematen baitituzte. Estimazioen arabera, ohiko biomasa baino 50-200 aldiz ekoizpen handiagoa emateko gai dira. Herrialde garatuenetan, algak era industrialean ekoizteko bideak aztertzen ari dira. Hiri-hondakinak materia organiko eta ur asko duenez, zenbait egilek talde honetan sartzen dituzte.
Biomasaren bihurtze-prozesuak
Biomasatik abiatuz energia eta produktu kimikoak lortzeko bide bi daude, hots, bide biologikoa eta bide kimikoa.
Prozesu biologikoak
Prozesu biologikorik garrantzitsuenak mikroorganismoen bidezko digestio edo hartzidura anaerobioa eta hartzidura alkoholikoa dira. Hezetasun handiko landareak (landare belarkarak, azukre-kanabera eta erremolatxa, zekale- eta kotoi-lastoa), itsas landareak eta satsa dira egokienak prozesu biologikoen bidez baliatzeko.
Digestio anaerobioaren bidez lorturiko gasak berotze-ahalmen handia edo erdi-mailakoa izan dezake, metano-edukiaren arabera. Satsa erabiliz lortzen den gasa ia metano hutsa denez, berotze-ahalmen handikoa da (Ik. biogas). Beste biomasa-mota batzuk erabiliz, metanoaz gain karbono monoxidoa eta karbono dioxidoa dituen gasa lortzen da. Gas hau zuzenean erre daiteke edo katalizatzaileen bidez metano guztia metanol bihur daiteke eta, horretara, errazago eta merkeago garraiatzen da lorturiko produktua.
Hartzidura alkoholikoan etil alkohola eta beste alkohol batzuk lortzen dira, baina prozesu hau garestiegia da ereindako laboreak erabiltzen badira, eta egoera hoberenetan ere errendimendu txikia du.
Prozesu kimikoak
Biomasaren aprobetxamendurako bide kimikoen artean, ingurune hezeko prozesuak eta prozesu termokimikoak ditugu. Ingurune hezeko metodoen oinarria biomasa degradatzea da, eta arruntena hidrolisia dugu. Dena dela, lignina degradatzea oso zaila denez, horrelako metodoak ez daude oso hedatuta.
Gaur egun, prozesu termokimikoak dira biomasaren aprobetxamendurako biderik eraginkorrenak. Erabilienak honako hauek dira: likidotzea, gasifikazioa, errekuntza eta pirolisia.
Likidotzea da gutxien garatu den tratamendu termokimikoa, garestia delako eta presio handian lan egin behar delako. Prozesu hau eskala handian jartzea luzarorako arazoa da, gaur egun egindako ikerketak laborategi-maila baino zertxobait aurreratuago baino ez baitaude, hau da, 1 kg/h baino gutxiago tratatzen dute lanean ari diren instalazioek. Tenperatura baxuan (250-400 °C-an) eta presio handian (150 bar ingururaino) egiten da, biomasa disolbatzaile baten bidez lortutako basa- edo lohi-eran dagoela eta katalizatzaileak erabiliz. Gas erreduzitzailea hidrogenoa izaten da. Eramaile moduan jokatzen duen disolbatzailea ere erabiltzen da. Katalizatzailetzat, zuraren beraren hauts alkalinoak erabil daitezke, edo hauts hauek eta sodio eta potasio karbonatoak edo hidrogenaziorako ohiko katalizatzaileak, hau da, nikel, rutenio edo paladiozkoak.
Likidotzean lortutako emaitza likido lodi eta oxigeno gutxikoa da (% 15). Horri esker, erraz hidrogena daiteke, eta berotze-ahalmena 35-40 MJ/kg ingurukoa da.
Gasifikazioa biomasaren oxidazio partziala da. Erregarritzat, airea, oxigenoa edo aire oxigenoz aberastua eta lurruna erabil daitezke. Teknologia hau aspaldidanik erabiltzen da harrikatzetik gas erregaiak lortzeko, eta biomasarako aplikatzeko aldaketa batzuk besterik ez da egin behar izan. Hori dela eta, gasifikazioa da biomasaren aprobetxamendurako teknologiarik garatuena. Airearekin erreakzionarazi eta 900 eta 1.100 °C tartean lan egiten denean, % 60 nitrogeno eta berotze-ahalmen txikia (4-6 MJ/Nm3) duen gasa lortzen da. Lurruna erabiliz lorturiko gasak 14-20 MJ/Nm3-ko berotze-ahalmena du, eta osagai nagusiak karbono monoxidoa eta hidrogenoa dira, baina metanoa eta beste zenbait hidrokarburo ere sor daitezke. H2/CO proportzioa ere erregula daiteke sintesi gastzat erabili ahal izateko ezaugarriak izan ditzan. Horretarako, katalizatzaileak erabili behar dira, dela gasifikazio-erreaktorean bertan, dela beste erreaktore batean gasen transformazio katalitikoa egiteko.
biomasaren gasifikazioa
Gaur egun, biomasaren gasifikazioaren erabilera nagusia da sortutako gasarekin ziklo konbinatuko turbinetan energia elektrikoa sortzea, baina turbinetan gasa erretzeko, hidrokarburo likido izpirikere ez du egon behar. Beraz, aztarna horiek kentzeko, cracking termikoa edo katalitikoa egin behar zaio gasifikazioz lorturiko gasari. Gaur egun lanean ari diren gasifikaziorako prototipoak (2,5-60 MW-ekoak) ohantze fluidizatukoak dira, bai burbuiladunak bai zirkulaziokoak, eta giro-presioan edo 60 bar-eko presioan lan egiten dute.
Errekuntzan, biomasa lehorrak 12-20 kJ/kg bitarteko berotze-ahalmena du, eta erretzean, oso errauts eta sufre gutxi sortzen du. Hala ere, biomasak eskuarki dentsitate txikia eta hezetasun handia izaten duenez, errendimendua espero zitekeena baino apalagoa izaten da. Errendimendua hobetzeko, prentsatze-prozesuak garatu dira, eta lortutako briketen dentsitatea 600-1.000 kg/m3-rainokoa izan daiteke.
Biomasak duen konposatu lurrunkorren edukia handia izaten da, eta, ondorioz, errekuntzan honako urrats hauek egiten dira: lehenik, lehortzea eta, bigarren, bihurketa termiko geldoa (150 eta 200 °C bitartean). Ondoren, prozesu exotermikoa hasten da (275 °C-tik gora). Urrats honetan sortzen den gasak sugar luzea ematen du. Azkenik, hondakin solido karbonodunen errekuntza geldoa, sugarrik gabea.
Errekuntza-sistemarik garrantzitsuenak hauek dira:
Torloju-moduko erregailua. Instalazio txikietan erabiltzen da. Hondakinen hezetasunak % 30-35 baino txikiagoa behar du izan.
Parrillak. Erregaia parrillaren gainera jaurtikitzen da, baina zatiki finak eta erregaitik askatutako substantzia lurrunkorrak parrilla ukitu baino lehenago erretzen dira. Tamaina handiko zatiak parrillan bertan erretzen dira.
Erregailu ziklonikoa. Erregai solidoa eho ondoren, sistema pneumatikoaren bidez presiopean sartzen da errekuntza-ganberan. Horren barruan, erregaiaren higidura helikoidala da. Lortutako errendimendu termikoak erregai likidoak erretzean lortutakoen antzekoak dira.
Ohantze fluidizatua. 1970eko hamarkadan garatutako teknologia hau da gaur egun erabiliena. Ohantze fluidizatuan, erregaiaren eta erregarriaren arteko ukipena handiagoa da, eta errendimendu hobeak lortzen dira. Biomasa aurretik eho egin behar da, tamaina txikia (10 mm-tik beherakoa) eta homogeneoa izan dezan. Fluidizazioa eragiteko, material geldoa erabiltzen da (gehienetan harea) (Ik. ohantze fluidizatuko errekuntza).
Pirolisia da biomasaren transformaziorako prozesu eraginkorrena. Pirolisia biomasaren molekulen haustura termikoa da, hutsean edo gas geldoan egin daitekeena, baina gas erreduzitzaile edo oxidatzaile barik betiere. Oro har, biomasaren pirolisian ateratzen diren produktuak solidoak (ikatza), likidoak eta gasak dira, eta haien ekoizpena honako lan-kondizioen araberakoa da: tenperatura, berotze-abiadura eta egoitza-denbora. Baldintza horien arabera eta lortutako emaitzen arabera, beraz, honako pirolisi mota hauek bereiz daitezke:
Ohikoa. Tenperatura 500 °C baino baxuagoa, berotze-abiadura txikia eta egoitza-denbora 0,5 eta 5 minuturen artekoa denean. Emaitza solido, likido eta gaseosoen antzeko kantitateak lortzen dira.
Motela. Tenperatura 400 °C ingurukoa da, eta erreakzio-denbora 15 minutu eta egun batzuen artekoa izan daiteke. Solidoa (ikatza) da emaitza nagusia, zurezko landareak erabiltzen direnean % 38 izan daitekeena. 0,1 MPa-eko presioan eta ura gehituz lan eginez, % 62ko errendimendua lor daiteke ordu biko egoitza-denboran. Dena dela, lortutako egur-ikatzaren izaera ez dago batere argi zehaztuta bibliografian.
Lasterra (flash-a). Emaitza nagusia likidoa izan dadin (% 85erainokoa oinarri hezean) 500 °C-an lan egin behar da, biomasa arin berotuz eta erreaktorean segundo bat edo gutxiago edukita. Produktu gehiena gasa izatea nahi denean (% 80rainokoa), laneko tenperaturak 700 °C-tik gorakoa izan behar du.
Pirolisia urrats bitan egitea ere proposatu da. Lehenengoa tenperatura baxu samarrean (350 °C inguruan), ikatza eta balio erantsi handiko zenbait osagai lurrunkor lortzeko (batez ere leboglukosanoa eta leboglukosenona), eta bigarrena, 500 °C-an, CO, CO2, H2 eta C1-C3 hidrokarburoak lortzeko.
biomasaren pirolisia
Lehen aipatu diren aldagaiei katalizatzaileena ere gehi dakieke. Katalizatzailea erabiltzen denean, prozesuari pirolisi katalitiko deritzo. Katalizatzaileak biomasari berari erantsita edo harekin nahasita pirolisirako erreaktorean bertan erabil daitezke. Erabilitako katalizatzailearen arabera, produktuetan dauden solido-, likido- edo gas-kantitateak alda daitezke.
Biomasatik erregaiak, energia eta lehengai kimikoak ekoizteko prozesuak eta ekipoak biltzen dituen multzoari biofindegi deritzo; gaur egun, ezinbesteko kontzeptua da biomasaren ahalmena aprobetxatzeko; izan ere, aprobetxamendua egokiena izan dadin, prozesu kimiko eta biologikoak, banan-banan ez ezik, era global eta integratuan aplikatu behar dira.
Martin Olazar (EHU)