Sistema combinado de calefacción y enriquecimiento carbónico a partir de biomasa.

Sistema combinado de calefacción y enriquecimiento carbónico a partir de biomasa.

La invención consiste en un proceso de aprovechamiento energético de biomasa vegetal que permite aprovechar el calor contenido en la biomasa para la calefacción de cultivos protegidos y/o sistemas, así como recuperar el CO2 contenido en los gases de combustión generados para ser utilizado en sistemas de enriquecimiento carbónico de atmósferas, como en los cultivos intensivos bajo plástico. Se han establecido las condiciones de operación adecuadas del proceso de forma que se optimiza su eficiencia. El empleo de este sistema en cultivos bajo plástico permite conseguir una importante mejora en el crecimiento de los cultivos. Este proceso consigue aprovechar el 80% de la energía contenida en la biomasa para calefacción, así como retener el 99% del CO2 generado con un consumo energético inferior a 100 kJ/kgCO2, permitiendo además liberar este CO2 a demanda para el enriquecimiento carbónico de atmósferas.

SISTEMA COMBINADO DE CALEFACCIÓN Y ENRIQUECIMIENTO CARBÓNICO

A PARTIR DE BIOMASA

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca dentro de la química, la ingeniería química y del medio ambiente. Se refiere a un proceso de producción de calor y enriquecimiento carbónico de atmósferas controladas, utilizando como materia prima biomasa vegetal, lo que constituye un aprovechamiento tanto de la energía como de la materia carbonosa contenida en la biomasa.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El aumento de la emisión de gases contaminantes generados por procesos de combustión de combustibles fósiles como el carbón, petróleo y gas natural, puede conllevar al sobrecalentamiento de la superficie terrestre mediante el llamado efecto invernadero. Esto supone un problema económico y medioambiental para los países desarrollados, pero sobre todo para aquellos países en vía de desarrollo, cuyo elevado nivel de emisiones de C02 puede suponerles importantes sanciones a nivel internacional, retrasando su incorporación a los países del primer mundo.

La única forma de resolver este problema es disminuir el consumo de combustibles fósiles y reemplazarlos por energía renovables como la energía solar, eólica y biomasa. La utilización de biomasa como combustible no representa un incremento en la cantidad neta de C02 en la atmósfera ya que previamente la producción de la misma ha conllevado la fijación de la misma cantidad de C02 mediante la fotosíntesis, siendo por tanto un proceso de emisiones de C02 cero. En este sentido, la biomasa ofrece grandes ventajas frente al resto de energías renovables derivadas de su posibilidad de almacenamiento y disponibilidad independiente de las condiciones climatológicas. Así, la biomasa es la única energía que puede ser almacenada sin pérdida de rendimiento hasta que sea requerida, mientras que tanto la energía solar o eólica deben ser almacenadas en otras formas de energía con las consiguientes pérdidas de rendimiento. Del mismo modo, la biomasa puede ser utilizada como fuente de energía a requerimiento en función de la demanda, pudiéndose utilizar para ello gran parte de las instalaciones actualmente existentes para la generación de energía. Dicha disponibilidad le otorga un plus de ventaja frente a las otras energías renovables

pudiendo ser utilizada como sistema de regulación ante variaciones del resto de fuentes de energía renovables.

La utilización de biomasa como fuente de energía y especialmente en procesos de calefacción es ya hoy día una realidad técnica que se extiende desde el ámbito doméstico al industrial. Sin embargo, en estos procesos sólo se aprovecha la energía almacenada en la biomasa mediante su combustión y/o gasificación, el carbono siendo reemitido a la atmósfera como C02 a través de los gases de combustión. El C02 contenido en dichos gases puede sin embargo ser utilizado con diversas finalidades, especialmente relacionadas con la mejora del crecimiento de plantas en cultivos intensivos, tanto de hortalizas como de flores, así como la modificación de atmósferas para el control de la preservación de productos, especialmente frutas y hortalizas.

La concentración de C02 ambiental es uno de los principales factores determinantes de la producción vegetal. La actual concentración de dióxido de carbono atmosférica es inferior a la óptima para el crecimiento y desarrollo de los cultivos; su evolución es objeto de numerosos estudios encaminados a predecir por una parte, las variaciones climáticas y por otra, el efecto del progresivo incremento de la concentración de C02 sobre los sistemas naturales y agrícolas. El cultivo en invernadero se desarrolla en un ambiente semicerrado, y está sujeto a una concentración de C02 fluctuante. Algunos autores han considerado que durante 1/3 del período de iluminación, la concentración de C02 en el interior del invernadero se mantiene por debajo del nivel atmosférico exterior. El agotamiento de dióxido de carbono se incrementa cuando la tasa de asimilación neta del cultivo es elevada (alta radiación, dosel vegetal cerrado) y la renovación del aire en el interior de las estructuras es baja (velocidad del viento en el exterior inferior a 1,5 m s'1 y reducido gradiente térmico interior-exterior), en estas circunstancias es habitual registrar valores entre 205-270 (Jrnol mol'1, que al mismo tiempo que reducen la asimilación neta de carbono, incrementan la conductancia estomática y pueden originar un desequilibrio hídrico transitorio en el cultivo. La adición de C02 para alcanzar valores de concentración superiores a las del ambiente externo se denomina enriquecimiento carbónico y da lugar a aumentos productivos variables que van entre el 14 y el 61 % (Sánchez-Guerrero, M. C. 1999. Enriquecimiento carbónico en cultivos hortícolas bajo invernadero de polietileno. Tesis Doctoral. Universidad de Murcia). Las causas de esta variación son diversas: las condiciones en las que se desarrolla el cultivo, la técnica de

incorporación de C02 utilizada (fuente, régimen y concentración), el aporte de carbono total, la aclimatación del cultivo, la relación fuente-sumidero, etc. (Slack, G.; Hand, D.W. 1985. The effect of winter and summer C02 enrichment on the growth and fruit of glasshouse cucumber. Journal for Horticultural Science. 60(4): 507-516).

Para conseguir un aprovechamiento tanto de la energía como de la materia contenida en la biomasa es necesario desarrollar un proceso combinado de combustión, y gestión de la energía resultante, y separación y almacenamiento del C02 contenido en los gases de combustión, que permita la disponibilidad a demanda de ambos productos calor y C02. Para ello se hace preciso seleccionar y diseñar un sistema de separación del C02 contenido en los gases de combustión y almacenamiento del mismo para su utilización a demanda. Para la separación de C02 a partir de gases de combustión se han desarrollado numerosos sistemas que se pueden clasificar en sistemas de separación con membranas, destilación criogénica, absorción química y los de adsorción física.

La separación por membranas consiste en hacer pasar la corriente de gases por membranas de gran superficie que muestran una diferente permeabilidad a cada componente gaseoso, de forma que se consigue un fraccionamiento de dicha corriente en función de la longitud de la membrana. La selectividad de las membranas a los diferentes gases está relacionada con el material de las que están fabricadas (polímeros, metales, materiales cerámicos). La separación se mejora con corrientes a altas presiones. La ventaja de utilizar membranas radica en la mejora del área de transferencia de materia y eliminar los problemas asociados con el contacto gas-liquido. En esta aplicación la membrana no realiza la operación de separación sino que se hace con etanolaminas. Para evitar la destrucción o deterioro de la membrana ésta debe construirse en Politetrafluoroetileno (PTFE). El uso de esta tecnología reduce el costo de instalación y operación del proceso en un 30-40%, independientemente de las mejoras que puedan introducirse en el empleo de las etanolaminas (Herzog H., Falk-Pedersen O., 2000, The Kvaerner membrane contactor: lessons from a case study in how to reduce capture costs. Fifth International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, Cairns Australia: 121-5.). Presentan como inconveniente que todavía no se han desarrollado membranas resistentes a las condiciones adversas que representan los gases de combustión, además de que no se han utilizado a la escala y condiciones, en términos de disponibilidad y coste, que se necesita para los

sistemas de captura de C02

La destilación criogénica transcurre mediante una serie de etapas de compresión, enfriamiento y expansión, tras las cuales los componentes del gas se pueden separar en una columna de destilación. Esta tecnología se utiliza sobre todo para separar las impurezas de una corriente de C02 de alta pureza. El inconveniente es que todavía no se ha utilizado a la escala y condiciones, en términos de disponibilidad y coste, que se necesita para los sistemas de captura de C02 en grandes focos emisores. La separación por membranas como el fraccionamiento criogénico son menos eficientes que la absorción química y la adsorción física, tanto energética como económicamente (Herzog H., 1999, An introduction to C02 separation and capture Technologies. Energy Laboratory Working Paper. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge), por lo que es necesario recurrir a este tipo de tecnologías.

La absorción química consiste en hacer pasar la corriente de gas a depurar por una torre de absorción regada con disoluciones de un compuesto químico determinado de forma que el C02 reacciona con...

1. Sistema combinado de calefacción y enriquecimiento carbónico a partir de biomasa caracterizado por

a. Quemar un combustible para generar calor y producir gases de combustión con un contenido en C02 entre el 2% y el 15%.

b. Distribuir el calor en el interior del invernadero, y separar y almacenar el C02 contenido en los gases de combustión generados en el paso a).

c. Inyectar el C02 separado y almacenado en el paso b) para enriquecimiento carbónico de atmósferas controladas.

2. Sistema combinado de calefacción y enriquecimiento carbónico según la reivindicación anterior, donde se utiliza como combustible biomasa.

3. Sistema combinado de calefacción y enriquecimiento carbónico según las

reivindicaciones anteriores, donde el C02 se separa y almacena en carbón activo, a presiones entre 0 y 10 atm, y temperaturas entre 5 y 20QC.

4. Sistema combinado de calefacción y enriquecimiento carbónico según

cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el C02 se desorbe por reducción de presión, aumento de temperatura, y/o flujo de aire, y se introduce en sistemas cerrados para enriquecimiento carbónico.

5. Sistema combinado de calefacción y enriquecimiento carbónico según

cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el paso c) se lleva a cabo introduciendo el C02 en un invernadero.

6. Sistema combinado de calefacción y enriquecimiento carbónico según

cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde en el invernadero se producen especies vegetales, y/o cualquier organismo fotosintético.