Energías Renovables en América Latina y el Caribe

2.1
Combustibles
Combustibles = Energías no renovables
2.1.1
Bibliografía
Perry’s chemical engineers’ handbook, 6th edition, McGraw-Hill Inc, Section 9 Energy utilization, conversion, and
resource conservation, 1984 (Fuels, Heat Generation, Heat Transport, Heat Regeneration)
ASHRAE Handbook 1993, Fundamentals, chap. 15: Combustion and Fuels
Links
DOE: http://fossil.energy.gov/; http://www.fe.doe.gov/education/
International Energy Annual: http://www.eia.doe.gov/iea/
2.1.2
Combustibles sólidos
incluyen: carbón, coque, madera (biomasa), residuos sólidos (RSU)
De todos estos el carbón es el más utilizado en gran escala para la producción de energía
2.1.2.1
Carbón
Composición : consiste de C, H, O, N, S, y residuos minerales (ceniza)
Propiedades importantes: poder calorífico, cantidad de ceniza, cantidad de producción de humos
2.1.2.1.1
Origen, recursos y reservas
Origen: a partir de los restos en descomposición interrumpida de materia vegetal fósil
Etapas de metamorfosis
contenido en carbono (%)
madera
40
turba
60
lignito
70
hulla bituminosa
78
hulla semibituminosa
83
antracita
90
PGE - Recursos energéticos
2-30
Recursos
Mundo: 8.5·1012 t (1990)
España: > 7·109 t, sobre todo lignitos y otros tipos no coquizables, de baja calidad -con elevado contenido en azufre =>
obliga a importación de elevadas cantidades de hulla de calidad siderúrgica.
2.1.2.1.2
Clasificación
Clasificación del ASTM (American Society for Testing and Materials)
categorías según el grado de metamorfismo en la serie desde el lignito a la antracita
clasificación más importante desde el punto de vista comercial, especialmente en Estados Unidos
Clases de carbones. antracita, bituminoso, subbituminoso, lignítico
Clasificación en el sistema internacional ISO
Dos tipos de carbones, Diferenciación por potencia calorífica
* hullas y antracitas
* lignitos
2.1.2.1.3
Composición y características.
Análisis del carbón: dos modos distintos: análisis aproximado y análisis final, expresados en porcentaje de peso.
Análisis aproximado: determinación por métodos establecidos de humedad, materia volátil, carbono fijo y cenizas
Análisis final: determinación de los contenidos de cenizas, carbón, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno azufre
análisis elemental (aproximativo)
antracita : 96% de C, 2% de H
lignito : 72% de C , 5% de H.
2.1.2.1.3.1 Potencia calorífica
Aproximación de la potencia calorífica superior Qh en MJ/kg mediante una formula desarrollada por el Institute of Gas
Technology:
Qh = 0.34C + 1.32H + 0.068S-0.015A-0.12(O+N)
C, H, S, A, O y N: porcentajes en base seca de carbono, hidrógeno, azufre, cenizas, oxígeno y nitrógeno
Otras formulas: Dulong Formula, ASHRAE Handbook (C, H, O, S : fracciones másicas)
Qh = 33.829 C + 144.28 (H-O/8) + 9.42 S
antracitas
35 MJ/kg (8400 kcal/kg)
hullas (algo más elevado) 36 MJ/kg (8700 kcal/kg)
lignitos (más pequeño) 28 MJ/kg (6700 kcal/kg)
2.1.2.1.3.2
Azufre en el carbón
• contaminación atmosférica (SO2)
• corrosión (formación de ácido sulfúrico)
Azufre se presenta en el carbón en tres formas: piritos (FeS2); azufre orgánico, que es parte de las sustancias del
carbón; azufre de sulfatos
2.1.2.1.3.3 Densidad global del carbón desmenuzado
varía según densidad relativa, distribución de tamaños y contenido de humedad, así como también del tiempo y
cantidad de asentamiento cuando el carbón se encuentra amontonado
Aproximaciones útiles de la densidad (kg/m3) de varias categorías de carbón
Antracita
801-929
PGE - Recursos energéticos
2-31
Bituminoso
Lignito
673-913
641-865
2.1.2.1.3.4 Calor específico
Valores estándar para carbón seco, libre de cenizas, J/(kg K)
Antracita
921-963
Bituminoso
1004-1088
2.1.2.1.3.5 Composición de las cenizas
composición en óxidos (% en peso)
SiO2
20-60
Al2O3
10-35
Fe203
5-35
CaO
1-20
MgO
0.3-4
TiO2
0.5-2.5
Na20 y K2O
SO3
1-4
0.1-12
2.1.2.1.3.6
Utilidad del conocimiento de la composición de las cenizas de carbón
•
estimación de los hollines y las cenizas en los lechos de combustible
•
para predecir las propiedades de flujo en hornos ciclónicos
•
para predecir las propiedades de eliminación
•
predicción, hasta un punto limitado, de la obstrucción y corrosión de las superficies de transferencia de calor en los
hornos alimentados con carbón pulverizado
2.1.2.1.4
Utilización
"steaming coal": generar electricidad en centrales térmicas, pulverizado, quemado para calentar calderas para generar
vapor
En España mayor parte de la electricidad producida con centrales térmicas quemando carbón
"coking coal": En parte utilizado para la producción de coque, calentado en ausencia de aire (carbonización ) =>
producción de gases y coque. utilización en la metalurgia, sobre todo para la producción de hierro
PGE - Recursos energéticos
2-32
2.1.3
Combustibles líquidos
Diagrama de Sankey para la transformación de petroleo en EEUU
2.1.3.1
Producción y consumo
petróleo: mezcla de hidrocarburos y derivados de hidrocarburos que se encuentra en el intervalo del metano hasta
compuestos bituminosos pesados.
25 a 50 % de moleculas contienen azufre y, menor parte: nitrógeno, oxígeno, vanadio, níquel o arsénico
destilación fraccionada del petróleo crudo => principales combustibles líquidos derivados del petróleo
Otros Procesos: desulfurización, hidrogenación, craqueo térmico (a un peso molecular más bajo)
A efectos comerciales se ha fijado:
densidad media del petróleo bruto: 0.9 t/m3,
barril de petroleo: 158.9 litros (42 galones USA), Por tanto 1 tonelada de petróleo equivale a 7 barriles.
2.1.3.2
Utilización en la industria
De todos los combustibles líquidos el gasóleo combustible para calefacción y fuelóleos son utilizados industrialmente
como combustibles por lo que merecen atención especial.
2.1.3.3
Gasolinas
Rango de ebullición entre 40 y 200ºC
Se utilizan fundamentalmente como carburantes en automóviles con motores de chispa.
Especificaciones: tendencia a la detonación (índice de octanos), volatilidad, características de ebullición, densidad,
estabilidad a la oxidación y contenido en plomo …
2.1.3.4
Querosenos
Rango de ebullición: está entre 150º y 250ºC.
PGE - Recursos energéticos
2-33
Se utilizó extensamente para lámparas de alumbrado como una primera aplicación de productos de petróleo más
pesados. carburante para turborreactores => aviación comercial (es necesario un extenso control de propiedades)
Propiedades importantes: densidad, características de congelación, viscosidad, estabilidad térmica, conductividad,
comportamiento corrosivo, contenido en agua, aromáticos y azufre.
2.1.3.5
Gasóleo
Rango de ebullición: entre 250 y 350ºC (destilados medios)
Utilización: Predominantemente usados como carburante en motores diesel y como combustible para calefacción
doméstica e industrial.
Composición: hidrocarburos parafínicos, nafténicos y aromáticos.
2.1.3.5.1.1 ejemplo de composición
en peso de un gasóleo para calefacción podría ser:
Hidrocarburos saturados
73-78%
Aromáticos monocíclicos
15-20%
Aromáticos bicíclicos
4-5%
Aromáticos tricíclicos
0.5-1%
corresponden a composición elemental de 87% de C y 13% de H.
azufre (0.09-0.3%) incluido en forma de compuestos orgánicos
nitrógeno (0.003-0.006%) y oxígeno (0.01-0.04%)
2.1.3.5.2
Producción
mezcla de varios cortes de distintos productos de la refinería, en general destilados ligeros y medios.
ejemplo de un gasóleo podría ser el procedente de los siguientes cortes:
55% de gasoil hidrodesulfurado,
10% de gasoil pesado,
25% de gasoil ligero y
10% de queroseno.
A la mezcla resultante suelen añadirse aditivos que mejoran sus características, en especial las del comportamiento a
baja temperatura => para asegurar una temperatura de operabilidad baja (de hasta -6ºC)
2.1.3.5.3
Especificaciones
•
densidad: junto a la viscosidad influye en la combustibilidad. (Algunas veces se da como grados API que es una
escala que se relaciona en proporción inversa a la densidad d en kg/L o en g/cm3 : grados API=141.5/d-131.5)
•
punto de inflamación (>60ºC) de modo que no hay peligrosidad del producto por inflamación y establece que no
hay especiales restricciones respecto al almacenaje y transporte del producto
•
potencia calorífica superior que debe ser mayor de 43.12 MJ/kg (10 300 kcal/kg) para dar la energía suficiente
•
viscosidad cinemática: 7 mm2/s a 40ºC, para asegurar un buen comportamiento en la alimentación, vaporización
y combustión en el quemador.
•
volatilidad (especificada por las fracciones volumétricas recogidas a distintas temperaturas durante la destilación)
que influye en caracteristicas de ignición (65% a 250ºC) y velocidad de combustión (80% a 390ºC)
•
puntos de enturbamiento: (<4ºC) y el punto de obstrucción de filtro frio (<-6ºC) => asegurar el correcto flujo de
combustible en condiciones frías
•
contenido en agua y sedimento: (<0.1%) para asegurar la fiabilidad del servicio
•
contenido en azufre: (<0.3%) para disminuir las emisiones de SO2 durante la combustión y el consiguiente
problema medioambiental.
•
capacidad calorífica: puede ser calculada para temperaturas comprendidas entre 0 y 200ºC como:
PGE - Recursos energéticos
2-34
c=(1.685+0.0039 T)/ρ
donde
c: capacidad calorífica en kJ/(kg ºC), T : temperatura en ºC y ρ : densidad en g/cm3
2.1.3.6
Fuelóleo
Contienen mezclas de los distintos aceites residuales de los procesos de conversión y destilación del petróleo.
Composición Hidrocarburos parafínicos, nafténicos y aromáticos (algunos de peso molecular de 20 000), Además
nitrógeno y oxígeno así como organometálicos que contribuyen a su contenido en cenizas.
Rango de ebullición desde 350º a 500ºC.
Se utilizan como combustibles para buques mercantes, centrales eléctricas y hornos industriales
Análisis elemental típico: 87.5% de C, 10.6% de H, 1.8% de S y 0.1% de cenizas.
El petróleo se separa en sus distintos componentes por destilación de modo que => los residuos que forman parte del
fuelóleo tienden a enriquecerse en metales. Los más importantes son el vanadio, magnesio, niquel, calcio y
magnesio.
Diferencia entre fuelóleo y otros combustibles => el fuelóleo debe de ser calentado para poder usarse
2.1.3.6.1
Especificaciones
densidad a 15ºC entre 995 a 1020 kg/m3.
punto de inflamación (>65º) de modo que no hay peligrosidad del producto por inflamación y establece que no hay
especiales restricciones respecto al almacenaje y transporte del producto.
potencia calorífica superior e inferior. La inferior suele estar en el rango de 39-42 MJ/kg. La superior sobre un 5.5%
más alta.
2.1.4
Combustibles gaseosos
2.1.4.1
Gas natural
Diagrama de Sankey para la utilización de Gas Natural en EUU
2.1.4.1.1
Producción y consumo
Gas natural en España:
PGE - Recursos energéticos
2-35
La industria del gas natural en España se encuentra en periodo de desarrollo.
El gas natural que se utiliza proviene en una pequeña proporción de nuestros yacimientos.
El grueso del consumo se importa de Argelia, Libia y se está comenzando a importar de Noruega.
En 1992 se consumieron 70 Mt de gas natural: un 77% importado y el otro 23% de los cuatro yacimientos nacionales:
* Sarralbo (en el Pirineo Aragonés),
* Gaviota, yacimiento marítimo (frente a la costa vizcaína de Bermeo),
* Ayoluengo y Marismas (en Cádiz)
Reservas
Las reservas totales de gas natural del mundo se estiman en 131 500 Gm3. Mas de dos tercios se concentran en la
antigua Unión Soviética y el Medio Oriente.
Composición
El gas natural se compone de hidrocarburos con muy bajo punto de ebullición.
metano, el principal constituyente de este combustible, punto de ebullición de -154 °C.
etano, punto de ebullición de -89 °C, puede estar presente en cantidades hasta del 10%;
propano, punto de ebullición es de hasta -42 °C, hasta 3%.
otros constituentes: butano, pentano, hexano, heptano y octano también
An approximate breakdown of raw natural gas by component. Many other hydrocarbon gases are removed from the
methane mixture and sold separately from natural gas.
potencia calorífica superior es del orden de 40 MJ/m3.
gas natural "seco": El gas natural conocido como "seco", tiene menos de 0.013 litros de gasolina/m3.
gas natural "húmedo": Cuando se excede esta cantidad se le denomina "húmedo".
H2S: Los términos aplicados al gas natural "dulce" y "amargo" se emplean
para denotar la ausencia o presencia de H2S.
2.1.4.2
Gas licuado de petróleo (GLP)
Terminología: (en inglés LPG). ciertos hidrocarburos específicos que se pueden licuar a presiones moderadas y
temperaturas normales, pero son gaseosos en condiciones atmosféricas normales.
Composición: Los principales constituyentes del GLP son propano, propileno, butano, butileno e isobutano,
mezclados en cualquier proporción o con aire.
Utilización: servicios domésticos y combustibles de reemplazamiento en la industria
PGE - Recursos energéticos
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