Pirólisis para generar energía eléctrica

Existe una enorme cantidad de opciones para generar energía a partir de diferentes materias primas y recursos que existen en el planeta. Uno de los recursos que se encuentra bastante subestimado es la basura o desechos de otros procesos, incluso domésticos. Estos pueden utilizarse como una verdadera fuente de energía, siendo recursos muy abundantes, ya que es lo que más se produce en el mundo.

Planta de pirólisis y gasificación de biomasa
Planta de pirólisis y gasificación. Imagen de tecnologiaschile.com

Se puede considerar a la basura o desechos, tanto sólidos como líquidos, como una fuente inagotable para producir energía. Por ejemplo, tenemos el caso de los países nórdicos que han aprovechado la basura para generar electricidad y para re-utilizarla en otros procesos industriales, lográndose un consumo tan eficiente y tan grande de desechos, que han requerido importar basura de otros países para satisfacer la demanda de dicho recurso.

En esta nota, veremos algunas formas de aprovechar la basura utilizando el proceso de pirolisis para generar energía eléctrica, uno de los desafíos por alcanzar para la ingeniería química y la humanidad, y que de seguro, se masificará en un futuro cercano.


Tabla de contenidos

  1. Definición de pirólisis
  2. Ventajas de la generación eléctrica mediante pirólisis
  3. Equipos necesarios para la generación eléctrica utilizando pirólisis
  4. Generando electricidad utilizando pirólisis
  5. Proceso propuesto de generación eléctrica mediante pirólisis


Definición de pirólisis y algunos conceptos a utilizar

La pirólisis es un proceso en el cual se consume energía. Su aplicación es relativamente simple y la capacitación del personal es rápida, siendo los costos asociados a ello bastante razonables lo que ciertamente equilibra la balanza de gastos.

Ahora, vamos a definir la pirólisis: Podemos decir que esta no es más que un proceso termoquímico que ocurre en ausencia de oxígeno y que consiste en quemar en este tipo de ambiente una masa sólida, en nuestro caso biomasa o basura a altas temperaturas, para poder obtener la energía necesaria para transformarla en electricidad y de paso, obtener sub-productos que puedan ser aprovechados como carbón y gases neutros. Este proceso, genera el calor necesario para producir vapores que pueden ser utilizados para movilizar turbinas de generación eléctrica.

También podemos decir que la pirólisis es un proceso de degradación termoquímica de elementos orgánicos a temperaturas elevadas y en ausencia total de oxígeno, para lograr cambios en la composición química de dichos elementos y transformarlos en elementos aprovechables, como carbón, aceites y vapores. Cabe destacar, que los cambios experimentados durante la pirólisis son irreversibles tanto en las composiciones químicas de los productos obtenidos al final del proceso, como en la fase química de cada uno de ellos.

Por otro lado, la pirólisis no descompone elementos metálicos, tampoco cerámicos, como vidrio, ya que estos a las temperaturas elevadas del proceso tienden a fundirse

La pirólisis siempre representa el primer paso en un proceso de combustión y gasificación, al cual le sigue una oxidación total o parcial de los compuestos primarios que son sometidos a la pirólisis. Este proceso tiene tres etapas claramente identificables, las cuales son las siguientes:


  • La alimentación de materia prima al sistema.
  • La transformación de la masa en elementos aprovechables a futuro.
  • La obtención de los subproductos del proceso.

Existen diferentes tipos de pirólisis. Cada una de ellas produce diferentes sub-productos aprovechables de la biomasa o desechos quemados en el proceso, los cuales podemos ver en la siguiente tabla:

Tipos de pirólisis existentes y condiciones (datos recolectados de pirólisis de madera, pero que pueden ser extrapolados a otras materias primas)

Tabla de tipos de pirólisis a utilizar según la madera
(*) La composición puede variar según la materia prima utilizada y las condiciones del proceso. Los componentes típicos son N y CO2 hasta el 60%, H hasta 5%, CO hasta 35% y otros hidrocarburos superiores hasta 10%


Como pueden notar, cada tipo de pirólisis se utiliza para obtener un determinado tipo de combustible basado en la descomposición térmica de la biomasa. Asimismo, la pirólisis intermedia es la que mejor se adapta al proceso de generación eléctrica, ya que genera una cantidad relativamente alta de vapores calientes aprovechables para intercambio térmico, además de presentar un tiempo de residencia bastante corto de los gases en el proceso de combustión anaerobia. Por lo tanto, el acceso a los productos es relativamente rápido y casi inmediato, lo que permite realizar la transformación de energía necesaria para nuestro objetivo casi en tiempo real, que es lo ideal en este tipo de circunstancias.

Entonces, teniendo en cuenta que lo que requerimos para la generación de energía es mover turbinas generadoras, lo que necesitamos en realidad es vapor con el cual puedan funcionar dichas turbinas.

Para generar este vapor, los gases de la combustión de la pirólisis son atractivos, ya que pueden utilizarse como alimentación de combustible en calderas de agua para generar vapor, lo demás es un simple proceso de expansión termodinámica que generará energía eléctrica a partir de la energía mecánica creada por las turbinas.

Sin embargo, hay que tener en cuenta que el objetivo principal de la pirólisis es obtener recursos aprovechables a partir de materia orgánica o biomasa, como lo son el carbón, aceites y algunos combustibles líquidos que pueden ser condensados de los vapores. Definitivamente, es un proceso de ganar-ganar en el aprovechamiento de la biomasa.

El valor agregado de los productos sumado a la destrucción de la basura, lo convierten en un proceso muy atractivo en estos momentos en los que el mundo experimenta diariamente una gran cantidad de producción de basura.

Entonces, quedando claro que nuestro objetivo es aprovechar la biomasa o desechos de origen orgánico para generar electricidad y sub-productos aprovechables, como combustibles sólidos y líquidos, podemos decir que este proceso a implementar puede ser llamado producción eléctrica renovable.


Ventajas de la generación eléctrica mediante pirólisis

Equipo de pirólisis
Equipo de pirólisis. Imagen de ceupe.com

Una de las ventajas más destacables del uso del proceso de pirólisis para generar electricidad a base de desechos orgánicos o biomasa, es que es un proceso continuo, lo que permite un aprovechamiento en tiempo real. Cabe destacar, que mientras se requiera de una fuente continua de calor, el uso de esta tecnología será siempre una solución viable.

Podemos dar un ejemplo simple, con el aprovechamiento de este calor para generar vapor de agua de alto uso industrial. También, podemos destacar el uso de calor continuo para realizar procesos de secado de productos o de materia prima, que siempre se requieren en procesos industriales. Como pueden ver, si bien es cierto la generación de calor será continua, su aprovechamiento también lo será.

El uso adecuado de los desechos orgánicos del proceso, permite obtener una tecnología renovable. Asimismo, el mejor aprovechamiento del proceso se da con papel, maderas, estiércol y lodos de depuración de tratamiento de aguas. Otros ejemplos son, el uso de plásticos termoestables o termoplásticos ya degradados, así como el uso de botellas ya recicladas varias veces y de llantas de vehículos en procesos de pirólisis.

La pirólisis es el complemento ideal para plantas de tratamiento de aguas que utilizan lodos de depuración, y para la industria de la construcción que genera una gran cantidad de desechos orgánicos altamente aprovechables, y que de no hacerlo, generarían mucho volumen de basura y emanaciones tóxicas sin aprovechamiento industrial.

Por otro lado, la formación de biocarbón a partir de los residuos transformados durante el proceso de pirólisis es un valor agregado. Más adelante, hablaremos de forma más detallada sobre la producción de este biocarbón y de combustibles aprovechables a partir de materia orgánica usando pirólisis.


Equipos necesarios para la generación eléctrica utilizando pirólisis

Como todo proceso, se requiere una cantidad de equipos industriales necesarios para realizar toda la operación. Lo más básico que se requiere para la puesta en marcha de un proyecto de este tipo es lo siguiente:
  1. Desecadores primarios para materia prima.
  2. Trituradores o máquinas para hacer pellets.
  3. Reactor de pirólisis.
  4. Filtros para gases de chimenea.
  5. Intercambiadores de calor.
  6. Tanques de recuperación de líquidos.
  7. Instalación de tuberías de vapor y de gases combustibles.
  8. Chimeneas.
  9. Turbinas a vapor.
Asimismo, se requiere personal previamente capacitado para realizar las tareas, que si bien es cierto son bastante simples, requieren condiciones de operación, alta capacidad de respuesta y sobre todo, el cumplimiento de normas sanitarias e industriales.


Generando electricidad utilizando pirólisis

Planta francesa de generación eléctrica y biocarbón a partir de pirólisis
Planta francesa de generación eléctrica y biocarbón a partir de pirólisis. Imagen de bioenergyinternacional.es

El proceso de generación eléctrica que vamos a describir es el mismo proceso de generación eléctrica basado en el uso de turbinas de vapor. Estas deben ser seleccionadas y diseñadas por el ingeniero químico, según las necesidades de energía y la cantidad de biomasa o materia prima que se disponga, y que es capaz de generar vapores de combustión en una cantidad específica, los cuales serán utilizados como combustible inicial para una caldera de vapor.

Es decir, el diseño se basa en la cantidad de vapor que pueda generar una caldera de agua. Para ello, se requiere una cantidad de combustible que es el producido por nuestro proceso de pirólisis.

Entonces, el primer paso en un proceso de generación de energía de este tipo es un buen diseño de los equipos a utilizar, sean las turbinas, la caldera y el reactor de pirólisis, ya que esto será la base del proyecto a realizar.

Suponiendo que ya tenemos todo listo e implementado, es momento de detallar cada uno de los pasos en el proceso de generación de electricidad, utilizando este tipo de tecnología y materia prima. Comencemos entonces.

La fase inicial consiste en preparar la materia orgánica que será utilizada como materia prima en la generación de gases combustibles. Para que sea efectivo el proceso de pirólisis, dicha materia prima debe estar seca y contar con un tamaño manejable para que la combustión sea rápida y completa.

Para lograr este objetivo se debe tratar la materia prima, previamente, se clasifica antes del proceso y se coloca mediante tolvas en un sistema transportador que la hará pasar por un proceso de lavado (para eliminar todo tipo de rastros no orgánicos), para luego ser desecada al sol o utilizando un sistema de desecadores. Incluso, se puede utilizar el mismo vapor generado para la planta eléctrica.

Una vez seca la materia prima, se lleva al área de trituración, en donde se reduce el tamaño de los elementos para hacerlos mucho más manejables. Pueden utilizarse máquinas de pelets para convertir la materia prima en estas cápsulas compactas fácilmente almacenables en sacos plásticos o costales re-utilizables, y de esta manera poder almacenarlos de una forma más efectiva.

El siguiente paso es alimentar el reactor de pirólisis con pelets de materia prima o materia prima. La máquina encendida elimina el oxígeno de su interior y mediante una fuente de calor externa (que puede ser quemadores de gas natural, según sea el diseño del equipo) comienza la pirólisis.

Para nuestras condiciones de operación se hará a una temperatura regulada entre los 400 ̊C y 500 ̊C. El tiempo de retención dentro del reactor no debe exceder los 14 minutos y debe estar en un rango entre 7 y 14 minutos para generar el vapor y comenzar un nuevo lote, y así sucesivamente.

La cantidad de materia orgánica utilizada debe ser entre los 200 y 2500 Kg/h según el diseño del reactor, pero es más o menos lo requerido para generar una cantidad adecuada de electricidad, mediante gases de combustión. Según el diseño del reactor, los líquidos y sólidos generados son retirados al finalizar cada lote. Los gases de combustión salen del equipo a tanques de almacenamiento provisionales que proveerán el gas a una caldera de agua.

Suponiendo que los tanques están completamente llenos y listos para la producción de vapor (esto tiene mucho que ver con el diseño de la planta), es momento de inyectar el gas a la caldera de agua y encenderla. La combustión del gas generado por pirólisis elevará la temperatura del agua que se encuentra en el hogar de la chimenea y fomentará la creación de vapor que saldrá mediante un diseño de tuberías eficiente hacia la zona de turbinas.

Los vapores de combustión salen mediante una chimenea al exterior, previamente pasados por una serie de filtros especiales recuperadores de polvo y de partículas tóxicas al exterior, cumpliendo de este modo con los reglamentos industriales vigentes en cada país.

El vapor llega mediante el sistema de tuberías directamente al área de turbinas y se hace pasar por el sistema diseñado de estas máquinas para experimentar una expansión térmica. El agua recuperada se recicla a la caldera o a los tanques de alimentación de la caldera, ya que debe ser tratada previamente antes de ingresar al sistema nuevamente. El vapor saturado puede usarse para procesos de secado, ya que sigue estando caliente, o para procesos menores de intercambio térmico e incluso enviado a otra planta para su aprovechamiento.

Las turbinas han generado energía mecánica moviendo una serie de motores y dinamos que han sido diseñados para la generación de electricidad, la cual será distribuida según el diseño propuesto. Como pueden ver, se llevan a cabo algunos procesos simples de intercambio térmico y de cambio de presión para transformar la energía.

Cabe destacar, que las emanaciones de los gases de combustión es un punto aparte y que podrá comentarse al detalle en otra nota, porque dependiendo de la composición de los gases, hay que realizarles tratamientos específicos antes de liberarlos al medio ambiente. Para conocer las composiciones de gases de chimenea se utiliza el Análisis de Orsat.



Proceso propuesto de generación eléctrica mediante pirólisis


Planta de generación eléctrica que utiliza pirólisis
Planta de generación eléctrica a partir de pirólisis en China. Imagen de es.made-in-china.com

Conocido el proceso general de generación de electricidad utilizando pirólisis, es momento de hacer un pequeño paréntesis y proponer un proceso que aproveche en todo momento los desechos de industrias cercanas. Tomaremos un ejemplo simple, utilizando los desechos de una planta de tratamiento de aguas y los desechos generados por una constructora, de modo, que pueda visualizarse a simple vista el aprovechamiento de desechos industriales y de combustión, utilizando este proceso de carbonización anaerobio llamado pirólisis.

Los procesos de tratamiento de aguas que utilizan lodos de depuración son los ideales, ya que dichos lodos están compuestos por material orgánico altamente aprovechable en procesos de pirólisis. La construcción genera una gran cantidad de desechos orgánicos, como madera, polímeros, desmontes, entre otros, que son completamente sólidos y son ideales para el proceso de pirólisis.

Pues bien, previamente deben recolectarse los desechos de construcción y de lodos, mediante camiones acondicionados para ello. Una vez en nuestra planta de generación, debemos preparar las materias primas para nuestro propósito. Los lodos de purificación deben pasar por un desecador previamente, ya que el proceso de pirólisis debe estar libre de humedad. Los desechos de construcción si están secos no requieren este paso, aunque opcionalmente pueden pasar por éste, eso sí, requieren trituración previa.

Con los materiales listos, se someten los desechos de construcción al proceso de pirólisis. Los gases de combustión son llevados al área de la caldera, pero antes se aprovecha sus altas temperaturas para hacerlos pasar por intercambiadores de calor o desecadores para eliminar humedad de los lodos de purificación, aprovechando al máximo los gases de la primera combustión.

Se recupera el biocarbón del primer proceso de pirólisis, un combustible sólido apto para cualquier tipo de brasa o simplemente, para utilizarlo como purificador de agua o crear carbón activado. Mientras que los lodos secos, ingresan al segundo proceso de pirólisis. Los gases del proceso son enviados al área de combustión o tanques de almacenamiento para el uso de la caldera, mientras que los residuos sólidos pueden ser utilizados como fertilizante orgánico de calidad de exportación.

Los gases de la pirólisis son almacenados en tanques especiales para almacenamiento de gas combustible, o utilizados directamente en la caldera. Una vez allí, son quemados para generar el calor necesario para que se evapore el agua dentro del hogar de la caldera.

El vapor resultante es enviado directamente al área de turbinas para generar la electricidad según el diseño. El vapor puede ser aprovechado nuevamente en otros procesos o condensado para obtener agua, para recircular a los tanques que suministran a la caldera.

Como pueden ver, es un ejemplo simple de aprovechamiento de desechos de otras industrias, una manera de reciclar estos compuestos orgánicos y darles nueva vida, obteniendo productos de gran valor como combustibles y energía eléctrica. A continuación un diagrama de bloque de este ejemplo:

Diagrama de bloques para la generación eléctrica mediante pirólisis
Diagrama de bloques del proceso propuesto

Diagrama de bloque del ejemplo de generación de electricidad, utilizando como materia prima desechos orgánicos de construcción y plantas de tratamiento de aguas.

Como siempre, los invito a dejar sus comentarios para aclarar cualquier duda o para comentar alguna experiencia que tuviesen con la pirólisis, siempre es bien recibido el intercambio de ideas.

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Pirólisis para generar energía eléctrica by Ing. Bulmaro Noguera is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional License

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2 Comentarios

  1. Hola, muy buen artículo! Fue muy educativo, soy estudiante de 3er año de Ing Química. Me gustaría saber si el gas utilizado en el reactor para realizar la pirolisis es gas natural, y si la cantidad de gas utillzada es menor a la cantidad de biogas generado, es la única duda que me quedó del artículo. Saludos!

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    1. Hola NATEM, gracias por tu comentario! Respondiendo tu interrogante, efectivamente, el gas natural es el más utilizado en la mayoría de los casos, sin embargo, existen reactores que funcionan con otros combustibles, dependiendo del diseño. En cuanto a la segunda parte de la pregunta, el gas generado (dependiendo de la materia prima a degradar en el proceso) puede generar gases aprovechables como combustibles. En el artículo, mostramos una tabla explicativa tomando en consideración maderas para seleccionar el tipo de pirólisis para generar más vapor o más residuos orgánicos, es una guía que puede extrapolarse, ya que cada residuo a degradar es diferente, eso dependerá del diseño del equipo y del proyecto específico para el cual se esté realizando la pirólisis. Lo más recomendable es que puedan aprovecharse más subproductos como biocarbón y por supuesto, el calor de los gases de chimenea para el intercambio de calor, que de hecho, es el objetivo principal del proceso descrito en el artículo, generar energía eléctrica. Saludos!

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