Electricidad a partir de la biomasa

Por Alexander Stirn

Una pieza del rompecabezas está llena de herrumbre, de polvo y empotrada en un stand plástico de ácido amarillento. Las otras piezas del rompecabezas están empacadas en tres docenas de tubitos llenos de una sustancia rojiza, y adornados con fórmulas químicas, indicaciones de medidas y crípticas combinaciones de números. Se requieren los servicios de un experto para decodificar las descripciones garrapateadas en los tubos con un grueso marcador.

Peter Heidebrecht toma una de las piezas del rompecabezas. Sostiene el tubo contra la luz, y lo agita suavemente. El sucio residuo rojizo se levanta en una nube de polvo. “Esta sustancia es una de las muchas opciones que investigamos actualmente”, dice el ingeniero de procesos. “Pero esta variedad es la que vuelve emocionante el proyecto”.

PROBIO

El proyecto recibe el nombre de ProBio, y lo único que los investigadores saben sobre el particular es el tipo de imagen que debería ofrecer el rompecabezas una vez completo. Heidebrecht y sus colegas investigadores del Instituto Max Planck para la Dinámica de Sistemas Técnicos Complejos, en Magdeburg, le han dedicado tres años de trabajo. Su objetivo es descubrir un método para generar energía a partir de biomasa, tan eficiente como sea posible.

Sin embargo, lo que sigue siendo un gran reto para los investigadores consiste en determinar cómo deberían verse, en lo individual, cada una de las piezas del rompecabezas, y, particularmente, cómo deben embonar unas con otras. La composición del polvo rojizo que está llamado a ser una sustancia importante para dotar de poder al dispositivo eléctrico es apenas una pequeña parte de un rompecabezas mucho más grande.

No hay duda de que la biomasa jugará un importante papel en el futuro. De hecho, la biomasa representa en la actualidad el siete por ciento del consumo total de energía en Alemania –por mucho, la parte más importante de todos los tipos de energía renovable. El gobierno alemán tiene la meta de enfrentar, para el año 2020, el 18 por ciento de la demanda de energía por medio de fuentes renovables.

“Así pues, el reto de convertir la biomasa en electricidad es sumamente importante en estos días, y significativo para el futuro”, dice Kai Sundmacher, director del instituto ubicado en Magdeburg, y vocero de ProBio, un proyecto conjunto de la Sociedad Max Planck y de Fraunhofer-Gesellschaft. “Aun cuando la biomasa no es la única solución para el suministro de energía en el futuro, ciertamente puede aportar una contribución sustancial”.

PROCESO DE LA BIOMASA

Empero, hay muchas formas de dar poder al dispositivo eléctrico. La biomasa puede ser quemada, fermentada o gasificada. Los productos resultantes pueden ser utilizados para operar turbinas de vapor, motores de gas o pilas de combustible. Cada variante tiene sus ventajas y sus desventajas. Muchos de los métodos han sido bien estudiados, mientras que otros, tecnológicamente hablando, son aún territorio virgen.

Es el caso de las pilas de combustible en el corazón del proyecto ProBio. Las pilas de combustible son pequeñas plantas de energía que convierten de manera directa la energía química almacenada en gas, para producir energía eléctrica. “De todos los convertidores de energía a nuestra disposición”, dice Peter Heidebrecht, “las pilas de combustible son las que nos ofrecen el más alto nivel de eficiencia”.

Hasta la fecha, dichas pilas son alimentadas principalmente con gas natural, metanol o hidrógeno puro. En principio, sin embargo, no hay razón por la cual no puedan ser alimentadas con gas limpio de la biomasa –siempre y cuando puedan embonarse las debidas piezas del rompecabezas.

 PILAS DE COMBUSTIBLE INCREMENTAN EL RENDIMIENTO ELÉCTRICO

Por otra parte, hay que decir que, cuando se trata del manejo de la biomasa, los investigadores de Max Planck no están tomando precisamente el camino más fácil. “El potencial de la combustión simple ha sido agotado”, dice Peter Heidebrecht. La combustión quema materiales biológicos sin refinar, y el calor liberado se aprovecha para generar electricidad. “Este proceso”, afirma Heidebrecht, “tiene límites superiores establecidos por las leyes de la termodinámica, y, no importa los trucos que se pretendan usar, no se pueden cambiar”.

La fermentación –el proceso por el cual los microorganismos descomponen la biomasa en un ambiente libre de oxígeno y la convierten en gas- también tiene sus inconvenientes: los materiales no refinados, tales como la madera y la paja, contienen un elevado porcentaje de una sustancia llamada lignocelulosa. Las bacterias no saben a ciencia cierta qué hacer con ella. Es difícil de digerir, y por lo tanto no desciende muy bien. Lo que es más, se trata de un proceso lento, y no hay nada que se pueda hacer en este particular. “Simple y sencillamente, la biología no se puede acelerar de acuerdo a las necesidades de uno”, sostiene Heidebrecht.

De manera que la gasificación es la única opción que nos queda. Esto supone la conversión de la biomasa a elevada temperatura en un gas parcialmente quemado. El gas contiene muchos elementos de gran energía, tales como hidrógeno, monóxido de carbono e hidrocarbonos de cadena corta. Esto lo hace muy apropiado para la generación de electricidad –por lo menos en teoría.

GASIFICADOR DE FLUIDOS

Sascha Thomas abre una caldera provista de una abertura metálica circular, que le da el aspecto del brillante mofle de un camión americano. Thomas, un ingeniero de procesos, es el coordinador del proyecto ProBio en el Fraunhofer IFF, ubicado en la ribera del Elba, a tiro de piedra del Max Planck Institute. La caldera con aspecto de escape contiene lo que es conocido como gasificador de fluidos –corazón de la generación de gas para el proyecto ProBio.

El agente de la gasificación, el vapor por ejemplo, es alimentado en el aparato por la parte inferior. Se encuentra con un estrato de arena, cuyas partículas son exactamente del tamaño ideal para que el gas las mantenga suspendidas y fluidas en el aire. “Esto nos garantiza”, dice Thomas, “temperaturas y concentraciones uniformes en la zona de reacción; y es ahí donde se introduce la biomasa, por medio de una banda transportadora espiral. La banda transportadora es enfriada por medio de agua, en tanto que se pretende que el combustible se descomponga en la zona de reacción –que se calienta a una temperatura de entre 800 y 850 grados Celsius- y no antes de llegar ahí.

 LA DIVERSIDAD DE LA BIOMASA COMPLICA LAS COSAS

Tuberías aisladas, con un brillo plateado, conducen el gas producido por el combustible a un equipamiento de análisis en el laboratorio Fraunhofer. Los investigadores pretenden que, en una futura planta de energía ProBio, el gas se mueva directamente a las celdas de combustible, después de que haya pasado por varios procesos de limpieza. Entonces, todo será más grande también. Un gasificador de fluidos, para una planta de varios megawatts de potencia, deberá tener un metro de diámetro, en tanto que la pipa en el laboratorio de Magdeburg mide apenas cinco centímetros de ancho. “Esta escala”, dice Thomas, “es suficiente para permitirnos estudiar la conversión de la biomasa en la cama de fluidos; pero la cantidad de gas producido por el combustible sería insuficiente para una planta piloto”.

En realidad, la gasificación en la cama de fluidos no es una idea nueva. Se remonta a la década de 1920, cuando se usó con el fin de extraer gas syntesis (syngas) del carbón. Sin embargo, muy pronto la industria del petróleo hizo superfluo este proceso. Pese a todo, el carbón tiene una importante ventaja sobre los desperdicios biológicos: su componente principal es siempre el mismo: carbón. “Sin embargo, un tipo de biomasa no es igual que otro”, dice Thomas.

Recipientes de vidrio con viruta de madera, paja de colza, biomasa de coque y jatropha, un miembro de la familia de plantas spurge, y popular fuente de biomasa en Asia se encuentran junto a la gasificadora de fluidos.

En el rompecabezas que es ProBio, cada sustancia ha sido ampliamente estudiada, con varios agentes de gasificación, a temperaturas diferentes y por diferentes tiempos de residencia en la cama de fluidos. En cada ocasión cambiaba la composición del gas. Incluso la estación del año, la edad de la madera y la forma en que se almacena afecta la calidad del gas. “La biomasa no es simplemente una sustancia pura”, dice Kai Sundmacher; “es una compleja mezcla compuesta, y eso es parte de lo que hace tan interesante nuestro proyecto”.

Idealmente, el gas que escapa de la caldera de Thomas es incoloro y, por lo tanto, libre de impurezas. Sin embargo, tiene por lo general un matiz amarillo, lo que indica que contiene alquitrán, polvo y compuestos de halógeno y sulfuro, todo lo cual desagrada a las células –esos elementos contaminan sus electrodos, y deben, por lo tanto, ser removidos del gas.

Por lo general, esto se hace lavando los sistemas, en los cuales se lanzan chorros de agua al gas, y pronto lo reducen a la temperatura de la habitación, al tiempo que eliminan los contaminantes. Lo que queda es gas frío y agua tibia. “El problema con el gas frío”, dice Peter Heidebrecht, “es que tiene que ser recalentado a 800 grados Celsius para los pasos siguientes”.

COMPLEJOS PROCESOS

Así pues, los científicos de ProBio pensaron en otro método para sus procesos: pasan el gas a través de una cama repleta de cuentas de cerámica, a las cuales se adhieren las partículas de polvo. “La forma en que trabaja es parecida a las aguas subterráneas, que pasan por diferentes estratos de arena, y quedan purificadas en el proceso”, explica Sascha Thomas. Los estratos catalíticamente activos convierten de manera simultánea los indeseados compuestos de alquitrán en combustible adicional al gas, con lo que se incrementa el contenido de energía del gas. Finalmente, se remueven alógenos y sulfuro con óxidos de metal. Éstos reaccionan con  los compuestos tóxicos y temperaturas muy elevadas.

Lo que queda es un gas que contiene hidrógeno limpio, pero también grandes cantidades de monóxido de carbono. Esto puede ser bueno o malo, según el tipo de celda de combustible que esté alimentando el gas: pilas de combustible de altas temperaturas, tales como pilas de óxido sólido (SOFC) son poderosos convertidores de energía, que pueden utilizar cualquier combustible. Tienen un electrolito cerámico, funcionan a unos 800 grados Celsius, e incluso pueden generar electricidad del monóxido de carbono. Trabajan mejor bajo un peso constante, y no reaccionan bien ante cambios repentinos en la demanda de energía.

 ALIMENTO PARA MUY DIFERENTES PILAS DE COMBUSTIBLE

“Las temperaturas de las pilas deben mantenerse dentro de un cierto rango”, explica Peter Heidebrecht. “Cualquier cambio en la carga altera el perfil de la temperatura y puede dañar las pilas”. Lo que es más, las pilas de combustible de altas temperaturas que son objeto de estudio en el Fraunhofer IKTS, en Dresde, necesitan varias horas al día para alcanzar la temperatura de funcionamiento, de acuerdo con su tamaño.

Las cosas son diferentes con las pilas de baja temperatura, conocidas como pilas PEM (polymer electrolyte membrane). Estas pilas son flexibles pero sensitivas. Su electrolito consiste en una membrana de polímero, lo que quiere decir que pueden soportar temperaturas de alrededor de 80 grados Celsius. Sin embargo, en caso de necesidad, el poder de producción de la pila puede ser adaptado a la demanda cambiante de electricidad, con una hora o hasta con un minuto de anticipación.

Sin embargo, esta flexibilidad tiene un costo: las pilas de combustible de baja temperatura son casi completamente incapaces de manejar monóxido de carbono. Cualquier concentración de más de 0.01 partes por mil es altamente nociva para la pila, y es causa de que la generación de energía caiga en picada.

Los ingenieros de procesos en Magdeburg fueron auxiliados en su investigación, de manera circunstancial, por la pieza correcta del rompecabezas de la pila de combustible y un sucio polvo rojizo. “Lo que nosotros queríamos realmente era sólo remover el monóxido de carbono de la combustión del gas”, recuerda Peter Heidebrecht. El flujo del gas puede contener hasta 20 por ciento de la sustancia que o es tóxica o inútil, de acuerdo con el tipo de pila de combustible.

Los investigadores pretendieron controlar esta situación con óxido de hierro sucio, rojizo, -orín básicamente: cuando el gas, a 800 grados de temperatura, flota sobre un polvo de óxido de esta clase, el polvo libera algunos de los átomos de oxígeno que sus ventanas contienen y los pasan al monóxido de carbono. Así, se forma dióxido de carbono, que es inocuo incluso para una pila de combustible de baja temperatura. El problema radica en que, hagan lo que hagan los científicos, el gas conserva grandes cantidades de monóxido de carbono; demasiado para una pila de combustible PEM. Lo que es más, el óxido de hierro también convierte el muy necesario hidrógeno en agua inútil.

Sin embargo, gracias a un diferente tipo de fuerza, el polvo demostró ser de mucha utilidad. Una vez que las celosías del polvo han mudado sus átomos de oxígeno, trata de manera intensa de reemplazarlos. El vapor es una de las cosas que se los puede proveer. Cuando el vapor entra en contacto con el agotado óxido de hierro, el polvo demanda oxígeno a las moléculas de agua. Lo que queda es hidrógeno puro –ideal para una pila de combustible de baja temperatura.

 SE BUSCA UNA SUSTANCIA DURABLE PARA LA LIMPIEZA DEL GAS

“Cuando vimos eso, nos dimos cuenta de que este método resultaría maravilloso para la separación del gas”, recuerda Peter Heidebrecht. En la etapa inicial, cuando el gas en combustión se expande sobre el óxido de hierro, la mezcla que queda es algo con lo cual las pilas de combustible de alta temperatura pueden convivir muy bien. El segundo paso, cuando es inundado con vapor, produce el hidrógeno virtualmente puro para las pilas de baja temperatura.

A estas alturas, queda todavía mucho por hacer. “Si usamos el óxido de hierro solo, el intercambio de oxígeno impacta de manera importante sobre el material, y la cantidad de hidrógeno que obtenemos de él disminuye rápidamente”, asevera Liisa Rihko-Struckmann, coordinadora, junto con Peter Heidebrecht, del proyecto ProBio en el Instituto Max Planck.

Ésta es una de las razones por las cuales muchas diferentes muestras de polvo en el ácido amarillento se encuentran en las salas del laboratorio de Magdeburg. Muchas no contienen otra cosa que partículas del óxido de hierro rojizo, que miden entre uno y cinco décimos de milímetro, mientras que otras han sido adicionadas con óxido de aluminio u óxido de silicón, aunque el aditivo más común es el óxido de cerio-zirconio.

Los investigadores calientan cada muestra a una temperatura de 800 grados Celsius en una de las calderas del laboratorio, y entonces la prueban con un gas cuidadosamente mezclado. “Actualmente, estamos teniendo un particular cuidado de que los materiales sean estables y puedan ser utilizados por un largo período”, dice Liisa Rihko-Struckmann. Los polvos deben ser capaces de soportar unos mil ciclos de gas y vapor.

A las muestras que arrojan un resultado positivo en el laboratorio, se les da la oportunidad de comprobar su valía en el laboratorio de la planta piloto, un cubo gris en el extremo norte del Instituto Max Planck. Es aquí donde los ingenieros han construido un aparato de pruebas, una pipa de acero que se puede calentar y que llenan con aproximadamente 20 centímetros de la mezcla de óxido de hierro. En lugar de los 250 miligramos utilizados en el laboratorio, los investigadores necesitan aquí cien gramos de la sustancia.

“En la actualidad –dice Liisa Rihko-Struckmann- trabajamos en obtener partículas más grandes de nuestro muy fino polvo, a fin de que el gas las pueda bañar”. Más tarde, los ingenieros de procesos tratan de estudiar la forma en que el gas se extiende en el polvo; cómo hacer uso óptimo del oxígeno en el polvo de óxido y cómo deben ser adaptados los tiempos entre el cambio del gas combustible y el vapor. “Este tipo de procesos, dinámicamente operados, son algunas de las cosas en que nuestro instituto ha trabajado por años”, dice Kai Sundmacher.

Los purificadores de gas en el laboratorio de la planta piloto de Max Planck; camas y paquetes de fluidos en el Instituto Fraunhofer; pilas de combustible en Dresde y Magdeburg –las piezas del rompecabezas que constituyen una potencial planta de energía de ProBio, están aún muy dispersas. El único lugar en que actualmente confluyen es en los circuitos computacionales, donde los componentes –con base en los valores medidos en el laboratorio- pueden ser adecuadamente simulados, combinados y alterados.

Con las potenciales mejorías que han identificado en la computadora, los investigadores regresan al reactor, “en la esperanza de que todo vaya conforme a nuestros deseos”, dice Peter Heidebrecht con una risita. “Desde luego, esto no ocurre, por lo general, en el primer intento”. Los investigadores alimentan el modelo matemático con sus nuevos descubrimientos de laboratorio, a efecto de optimizar el experimento. Es un constante avance y retroceso, que poco a poco los acerca a la creación de una verdadera planta de energía.

PLANTA MODELO DE ENERGÍA, DE INCREÍBLE EFICIENCIA

En el curso de ProBio, los ingenieros de procesos han simulado más de cien variantes. Lo que han descubierto es algo que nadie hubiera esperado al inicio del proyecto de tres años: en la planta de energía óptima, ambos tipos de pilas de combustible trabajan en paralelo –de manera que proveen, en la práctica, el polvo rojizo que puede separar el gas del combustible en una corriente altamente pura de gas, y en otra corriente menos pura. “Ésta es una especie de planta combinada de energía”, dice Peter Heidebrecht. “Nos entrega una amplia gama de productos que comprenden carga de base eléctrica, carga máxima dinámica y consumo útil de calor”.

Pero lo más importante es que trabaja con eficiencia insuperable. Para sus simulaciones, los ingenieros han seleccionado una planta modelo, diseñada para biomasa, con un valor calórico apenas por debajo de los 19 megawatts, equivalente a poco más de un kilogramo de madera por segundo. La cama purificadora de fluidos, la purificación en camas empacadas, la separación del hidrógeno y la operación paralela de pilas de combustible de alta y de baja temperatura incrementan el rendimiento final a casi nueve megawatts de energía eléctrica –una eficiencia eléctrica de casi el 50 por ciento. Las plantas tradicionales de biogás, con un motor interno de combustión, alcanzan apenas el 35 por ciento. “En estos tiempos, una mejoría de incluso un porcentaje pequeño es causa de celebración, ya que ayuda –en el largo plazo- a un enorme ahorro de energía”, dice Liisa Rihko-Struckmann.

Aun cuando el proyecto ProBio, que las dos organizaciones de investigación fundaron con 4.2 millones de euros, terminó oficialmente a principios de este año, los investigadores tienen el plan de continuar por su cuenta. De hecho, una planta piloto de energía está en proceso de construcción en el Instituto Fraunhofer, en Magdeburgo, y se proyectaba que estuviera en operación en el verano. “Así, los componentes individuales que hemos reunido hasta la fecha, podrán ser estudiados juntos y en una escala mayor”, dice Sascha Thomas.

Los investigadores del Instituto Max Planck, ya dedicados al estudio de procesos químicos complejos e investigación básica relacionada, también continuarán trabajando en las piezas sueltas del rompecabezas, incluidas las pilas de combustible y el polvo rojizo. “Hasta la más alta eficiencia resulta inútil si el equipamiento dura sólo unas cuantas horas o días”, dice Kai Sundmacher. Por lo demás, lo que primero harán es afinar las condiciones de operación y los materiales, en un esfuerzo por lograr un aumento considerable de su duración. Los investigadores tienen todavía un par de piezas por acomodar debidamente en el gran rompecabezas llamado ProBio.

Glosario:

Lignocelulosa: celulosa estabilizada por medio de lignin. Constituye las paredes de las células de madera, lo que le da a ésta su fuerza mecánica.

Cama de gasificación de fluidos: este proceso crea gas combustible a partir de carbón o biomasa. Los componentes sólidos son, por lo general, convertidos en fluidos y calentados por un sustrato. El hidrógeno y el monóxido de carbono son dos de los gases producidos durante la reacción química, con vapor o con otro agente de gasificación.

Singas: un gas rico en hidrógeno y monóxido de carbono, producido durante la gasificación de carbón con vapor, propio como material base para síntesis químicas.

Pila de combustible de óxido sólido, SOFC: la pila de combustible de óxido sólido o de alta temperatura debe su nombre al material cerámico que produce sus electrolitos y que es permeable a los iones de oxígeno, pero no a los electrones. A temperaturas de hasta mil grados Celsius genera electricidad altamente eficiente, y no es sensitiva al monóxido de carbono.

Pila de combustible de una membrana polimérica de electrolito, PEMFC: los dos polos de esta pila de combustible de baja temperatura están separados por una membrana que sólo los protones pueden atravesar. Sin embargo, muy difícilmente soporta el monóxido de carbono, dado que este gas bloquea la superficie de los electrodos, y los hace inaccesibles a los reactivos responsables  de la reacción de la pila.