Bioenergía. Fundamentos, tecnologías y aplicaciones

Índice

Contenido

Prólogo  
Agradecimientos  

CAPÍTULO 1
  
Introducción a la bioenergía y biocombustibles  

1.1 Definición de energía  
1.1.1 Energía en sistemas biológicos  
1.1.2 Medición y unidades de energía  
1.2 Energía en sistemas biológicos  
1.2.1 Tipos de energía en sistemas biológicos  
1.2.2 Procesos de transformación energética en organismos  
1.2.3 Importancia de la bioenergía en los ecosistemas  
1.2.4 Aplicaciones de la bioenergía en la producción de biocombustibles  
1.3 Comparación de la bioenergía con otras fuentes de energía  
1.3.1 Comparación de eficiencia y disponibilidad  
1.3.2 Impacto ambiental y sostenibilidad  
1.3.3 Aplicaciones y perspectivas futuras  

CAPÍTULO 2  

Termoquímica aplicada a los biocombustibles  

2.1 Introducción a la termoquímica y su aplicación en biocombustibles  
2.1.1 Definición de termoquímica y su relevancia en bioenergía  
2.1.2 Diferencia entre procesos exotérmicos y endotérmicos en biocombustibles  
2.1.3 Aplicaciones de la termoquímica en procesos bioenergéticos  
2.1.4 Variables clave en los balances de energía en procesos biológicos y termoquímicos  
2.2 Cambios de energía en las reacciones químicas  
2.2.1 Entalpía de reacción (?H)  
2.2.1.1 Interpretación del resultado  
2.2.1.2 Procesos endotérmicos (?H > 0)  
2.2.2 Energía libre de Gibbs (?G) y espontaneidad de las reacciones  
2.2.2.1 Criterios de espontaneidad  
2.2.2.2 Interpretación del resultado  
2.2.2.3 Importancia en la bioenergía  
2.2.3 Entropía (?S) y su influencia en la eficiencia de conversión  
2.3 Introducción a la termodinámica en biocombustibles  
2.3.1 Primer principio de la termodinámica: conservación de la energía en bioprocesos  
2.3.2 Segundo principio de la termodinámica: entropía y eficiencia en conversión de biomasa  
2.3.3 Tercer principio de la termodinámica: aplicación en producción de biogás y combustibles sintéticos  
2.3.4 Trabajo y calor en procesos de conversión de biomasa  
2.4 Termodinámica aplicada a la conversión de biomasa  
2.4.1 Balances de energía en gasificadores y reactores de combustión  
2.4.2 Intercambio de calor en procesos bioenergéticos  
2.5 Química sin oxígeno: procesos anaeróbicos y reductivos  
2.5.1 Diferencias entre reacciones aeróbicas y anaeróbicas  
2.5.2 Reducción y oxidación en la producción de biogás  
2.5.3 Fermentación y producción de bioetanol en condiciones anaeróbicas  
2.6 Calor específico y capacidad calorífica  
2.6.1 Definición y relación con la conversión energética de biomasa  
2.6.2 Cálculo de calor específico de biocombustibles sólidos, líquidos y gaseosos  
2.6.3 Determinación de la capacidad calorífica en procesos de combustión y fermentación  
2.6.4 Impacto del contenido de humedad en la eficiencia de combustión de biomasa  
2.6.5 Modelado térmico en sistemas de conversión de biomasa  
2.7 Autoevaluación del capítulo 2  

CAPÍTULO 3 

Bioenergía 
 
3.1 Definición de bioenergía  
3.1.1 Concepto fundamental  
3.1.2 Influencia del ciclo de carbono en la bioenergía  
3.1.3 Clasificación de la biomasa  
3.1.4 Procesos de conversión energética  
3.1.5 Factores de sostenibilidad  
3.2 Historia de la bioenergía  
3.2.1 Los primeros usos de la biomasa  
3.2.2 La Revolución Industrial y la transición energética  
3.2.3 Era contemporánea: innovación y sostenibilidad  
3.3 Importancia de la bioenergía  
3.3.1 Seguridad energética  
3.3.2 Beneficios ambientales  
3.3.3 Impulso económico y social  
3.4 Ventajas y limitaciones de la bioenergía  
3.4.1 Ventajas de la bioenergía  
3.4.1.1 Mitigación de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI)  
3.4.1.2 Contribución al desarrollo rural  
3.4.2 Limitaciones de la bioenergía  
3.4.2.1 Competencia con la producción de alimentos  
3.4.2.2 Impactos medioambientales asociados  
3.4.2.3 Eficiencia energética limitada en ciertas tecnologías  
3.5 Rol de la bioenergía en la transición energética  
3.5.1 Bioenergía y la generación de electricidad  
3.5.2 Bioenergía en el transporte  
3.5.2.1 Bioenergía en otros sectores industriales  
3.6 Autoevaluación del capítulo 3  

CAPÍTULO 4 

Crecimiento bacteriano 
 
4.1 Fases del crecimiento bacteriano  
4.1.1 Fase de latencia  
4.1.2 Fase exponencial  
4.1.3 Fase estacionaria  
4.1.4 Fase de declive  
4.2 Factores que afectan el crecimiento bacteriano  
4.2.1 Factores físicos  
4.2.2 Factores químicos  
4.2.3 Factores biológicos  
4.3 Importancia del crecimiento bacteriano en la bioenergía  
4.3.1 Producción de biogás  
4.3.2 Producción de biocombustibles líquidos  
4.3.3 Aplicaciones innovadoras en bioenergía  
4.4 Métodos de monitoreo y optimización del crecimiento bacteriano  
4.4.1 Técnicas de monitoreo  
4.4.2 Estrategias de optimización  
4.4.3 Tecnologías emergentes en monitoreo  
4.5 Autoevaluación del capítulo 4  

CAPÍTULO 5  

Biomasa 
 
5.1 Definición de biomasa  
5.1.1 Importancia de la biomasa en el contexto global  
5.1.2 Categorías de biomasa según su origen  
5.1.3 Potencial de la biomasa para la mitigación del cambio climático  
5.2 Tipos de biomasa  
5.2.1 Clasificación por función de la energía  
5.2.1.1 Residuos forestales  
5.2.1.2 Desechos agrícolas  
5.2.1.3 Plantaciones energéticas  
5.2.1.4 Desechos industriales  
5.2.1.5 Desechos urbanos  
5.2.2 Tipo de biomasa por nivel de humedad  
5.2.2.1 Biomasa seca  
5.2.2.2 Biomasa húmeda  
5.3 Características de la biomasa  
5.3.1 Composición física  
5.3.2 Composición química  
5.3.2.1 Poder calorífico y densidad aparente  
5.3.3 Composición y combustión de la madera  
5.4 Proceso de combustión  
5.5 Cultivos energéticos  
5.5.1 Características de los cultivos energéticos  
5.5.2 Ventajas de los cultivos energéticos  
5.5.3 Desventajas en el desarrollo de cultivos energéticos  
5.6 Propiedades de la biomasa  
5.6.1 Propiedades físicas  
5.6.2 Propiedades químicas  
5.6.3 Propiedades térmicas  
5.6.3.1 Poder calorífico  
5.6.3.2 Temperatura de ignición  
5.6.3.3 Influencia en la eficiencia térmica  
5.7 Ciclo de vida de la biomasa  
5.7.1 Etapas principales del ACV de la biomasa  
5.7.2 Beneficios del ACV aplicado a la biomasa  
5.8 Producción de biomasa  
5.8.1 Etapas principales en la producción de biomasa  
5.8.2 Cálculo para crecimiento de biomasa  
5.8.2.1 Biomasa en suspensión (microalgas, bacterias, levaduras)  
5.8.2.2 Biomasa sólida (cultivos energéticos, residuos forestales, plantas terrestres)  
5.8.2.3 Biomasa heterogénea (residuos orgánicos, compost, desechos agrícolas)  
5.8.3 Factores que afectan la producción de biomasa  
5.9 Autoevaluación del capítulo 5


CAPÍTULO 6
  
Biocombustibles  
6.1 Definición de biocombustibles  
6.1.1 Propiedades fundamentales  
6.1.2 Contexto histórico y actual  
6.2 Balance energético  
6.2.1 Conceptos básicos y relevancia del balance energético  
6.2.2 Factores que influyen en el balance energético  
6.3 Obtención de biocombustibles (métodos termoquímicos y químicos)  
6.3.1 Métodos termoquímicos  
6.3.1.1 Combustión  
6.3.1.2 Gasificación  
6.3.1.3 Pirólisis  
6.3.1.4 Licuefacción  
6.3.2 Métodos químicos  
6.3.2.1 Transesterificación  
6.3.2.2 Reformado catalítico  
6.4 Carbón vegetal  
6.4.1 Métodos de producción de carbón vegetal  
6.4.1.1 Activación física y química del carbón vegetal  
6.4.1.2 Pirólisis para la obtención de carbón vegetal  
6.4.1.3 Gasificación y producción secundaria de carbón vegetal  
6.4.2 Propiedades fisicoquímicas del carbón vegetal  
6.4.3 Aplicaciones y retos del uso de carbón vegetal  
6.4.3.1 Aplicaciones  
6.4.3.2 Retos  
6.5 Pellets y briquetas  
6.5.1 Proceso de producción de pellets y briquetas  
6.5.1.1 Preparación de la biomasa  
6.5.1.2 Compactación  
6.5.1.3 Procesos térmicos complementarios  
6.5.1.4 Tratamientos térmicos y químicos  
6.5.2 Propiedades fisicoquímicas  
6.5.3 Aplicaciones y retos  
6.5.3.1 Aplicaciones  
6.5.3.2 Retos  
6.6 Biodiésel  
6.6.1 Especificaciones del biodiésel  
6.6.2 Propiedades adicionales  
6.6.3 Materias primas para el biodiésel  
6.6.3.1 Aceites vegetales  
6.6.3.2 Grasas animales  
6.6.3.3 Aceites residuales  
6.6.4 Procesos de transformación del biodiésel  
6.6.4.1 Transesterificación (catálisis homogénea)  
6.6.5 Transesterificación (no catalítica)  
6.6.6 Transesterificación (catálisis heterogénea)  
6.6.7 Retos y oportunidades  
6.6.7.1 Retos  
6.6.7.2 Oportunidades  
6.7 Bioetanol  
6.7.1 Materias primas para el bioetanol  
6.7.1.1 Primera generación  
6.7.1.2 Segunda generación  
6.7.1.3 Tercera generación  
6.7.2 Proceso de producción de bioetanol  
6.7.3 Retos y oportunidades  
6.7.3.1 Retos  
6.7.3.2 Oportunidades  
6.7.4 Perspectivas  
6.8 Gas de síntesis  
6.8.1 Características y composición del gas de síntesis  
6.8.2 Producción de gas de síntesis  
6.8.2.1 Gasificación  
6.8.3 Tecnologías de gasificación  
6.8.3.1 Reactores de lecho fijo  
6.8.3.2 Reactores de lecho fluidizado  
6.8.3.3 Reactores de flujo de arrastre  
6.8.4 Limpieza y adecuación  
6.8.5 Aplicaciones del gas de síntesis  
6.8.6 Retos y oportunidades  
6.8.6.1 Retos  
6.8.6.2 Oportunidades  
6.9 Biogás  
6.9.1 Características y composición  
6.9.2 Producción de biogás  
6.9.3 Tipos de biodigestores  
6.9.4 Aplicaciones del biogás  
6.9.5 Retos y oportunidades  
6.9.5.1 Retos  
6.9.5.2 Oportunidades  
6.10 Biohidrógeno  
6.10.1 Producción de biohidrógeno  
6.10.1.1 Fermentación oscura  
6.10.2 Fotofermentación  
6.10.3 Gasificación de biomasa  
6.10.4 Aplicaciones del biohidrógeno  
6.10.5 Retos y oportunidades  
6.10.5.1 Retos  
6.10.5.2 Oportunidades  
6.11 Retos y perspectivas de los biocombustibles  
6.11.1 Retos en la producción y uso de biocombustibles  
6.11.1.1 Disponibilidad de materias primas  
6.11.1.2 Eficiencia de los procesos tecnológicos  
6.11.1.3 Infraestructura y distribución  
6.11.2 Desafíos de infraestructura  
6.11.2.1 Biocombustibles gaseosos  
6.11.2.2 Biocombustibles líquidos  
6.11.2.3 Biocombustibles sólidos  
6.11.3 Distribución  
6.11.4 Inversiones futuras  
6.11.5 Perspectivas para el desarrollo de biocombustibles  
6.11.5.1 Innovación tecnológica  
6.11.5.2 Economía circular  
6.11.5.3 Políticas e incentivos  
6.11.6 Consideraciones futuras  
6.12 Autoevaluación del capítulo 6  


CAPÍTULO 7

Procesos de conversión de biomasa  

7.1 Definición y clasificación de tecnologías  
7.1.1 Conversión de biomasa  
7.1.2 Clasificación de tecnologías de conversión  
7.1.2.1 Procesos termoquímicos  
7.1.2.2 Procesos bioquímicos  
7.1.2.3 Procesos fisicoquímicos  
7.1.3 Factores que influyen en la selección de la tecnología  
7.1.3.1 Tipo de biomasa y su influencia en la tecnología  
7.1.3.2 Consideraciones económicas y de infraestructura  
7.1.3.3 Impacto ambiental y sostenibilidad  
7.2 Combustión directa  
7.2.1 Factores clave en la eficiencia de la combustión directa  
7.2.2 Principios de la combustión  
7.2.2.1 Reacciones químicas de la combustión  
7.2.2.2 Etapas de la combustión de biomasa  
7.2.2.3 Parámetros que afectan la combustión  
7.2.3 Tipos de combustión de biomasa  
7.2.3.1 Combustión en parrilla  
7.2.3.2 Combustión en lecho fluidizado  
7.2.3.3 Combustión en calderas industriales  
7.2.4 Factores que afectan la eficiencia de la combustión  
7.2.4.1 Nivel de humedad en la biomasa  
7.2.4.2 Tamaño de partícula y su influencia en la combustión  
7.2.4.3 Temperatura de combustión y control térmico  
7.2.4.4 Relación aire-combustible y eficiencia de oxidación  
7.2.4.5 Diseño del sistema de combustión y transferencia de calor  
7.2.5 Emisiones y control de contaminantes  
7.2.5.1 Estrategias para la reducción de emisiones  
7.5.2 Regulaciones ambientales y normativas  
7.3 Gasificación  
7.3.1 Fundamentos del proceso de gasificación  
7.3.2 Tipos de reactores de gasificación  
7.3.2.1 Lecho fijo (corriente ascendente y descendente)  
7.3.3 Reactor de lecho fluidizado  
7.3.3.1 Principio de operación y características clave  
7.3.3.2 Ventajas del reactor de lecho fluidizado  
7.3.3.3 Desventajas y limitaciones  
7.3.4 Reactor de lecho móvil  
7.3.4.1 Tipos de configuración del reactor de lecho móvil  
7.3.4.2 Comparación entre corrientes ascendente y descendente  
7.3.4.3 Principio de operación del reactor de lecho móvil descendente  
7.3.4.4 Ventajas del reactor de lecho móvil  
7.3.5 Reactor de lecho arrastrado  
7.3.5.1 Principios de operación y estructura del reactor de lecho arrastrado  
7.3.5.2 Configuraciones del reactor de lecho arrastrado  
7.3.5.3 Corriente descendente (downdraft)  
7.3.5.4 Comparación entre configuraciones ascendente y descendente  
7.3.5.5 Aplicaciones del reactor de lecho arrastrado  
7.4 Pirólisis  
7.4.1 Principios del proceso de pirólisis  
7.4.2 Tipos de pirólisis  
7.4.2.1 Pirólisis lenta  
7.4.2.2 Pirólisis rápida  
7.4.2.3 Pirólisis flash  
7.4.3 Aplicaciones de la pirólisis  
7.4.4 Productos obtenidos en la pirólisis  
7.4.4.1 Biocarbón  
7.4.4.2 Bioaceite  
7.5 Hidrotratamiento  
7.5.1 Tipos del hidrotratamiento  
7.5.1.1 Hidrodesoxigenación (HDO)  
7.5.1.2 Hidrodesulfuración (HDS)  
7.5.1.3 Hidrodesnitrificación (HDN)  
7.6 Producción de biocombustibles líquidos  
7.6.1 Factores que afectan la producción de biocombustibles líquidos  
7.7 Autoevaluación del capítulo 7  


CAPÍTULO 8

Aspectos económicos de la biomasa  

8.1 Costos de producción de biocombustibles  
8.1.1 Factores que influyen en los costos de producción  
8.1.2 Comparación de costos entre diferentes biocombustibles  
8.1.3 Modelos de costos de producción  
8.2 Rentabilidad económica de los biocombustibles  
8.2.1 Cálculo de rentabilidad  
8.2.2 Análisis de sensibilidad  
8.2.3 Casos de estudio  
8.3 Impacto económico de los biocombustibles  
8.3.1 Mercado de biocombustibles  
8.3.2 Subvenciones e incentivos gubernamentales  
8.3.3 Políticas económicas relacionadas con biocombustibles  
8.4 Evaluación de la sostenibilidad económica de la biomasa  
8.4.1 Análisis de ciclo de vida (LCA)  
8.4.2 Indicadores económicos de sostenibilidad  
8.5 Proyecciones futuras  
8.5.1 Factores que afectarán los costos de producción  
8.5.2 Impacto de la política energética global  
8.5.3 Evolución de las tecnologías de biocombustibles  
8.6 Autoevaluación del capítulo 8  


CAPÍTULO 9

Impacto ambiental de los biocombustibles  

9.1 Impacto en la biodiversidad y el uso de la tierra  
9.1.1 Producción y uso de biocombustibles  
9.1.2 Uso del suelo y efectos sobre la biodiversidad  
9.2 Emisiones de gases de efecto invernadero  
9.2.1 Análisis comparativo con combustibles fósiles  
9.2.2 Reducción de emisiones de CO2  
9.3 Consumo de recursos hídricos  
9.3.1 Uso de agua en la producción de biocombustibles  
9.3.2 Eficiencia en el uso del agua  
9.4 Sostenibilidad y gestión de residuos  
9.4.1 Manejo de residuos orgánicos  
9.4.2 Gestión de subproductos  
9.5 Estrategias de mitigación  
9.5.1 Mejora de las prácticas agrícolas  
9.5.2 Uso eficiente de recursos  
9.6 Perspectivas futuras  
9.6.1 Nuevas tecnologías para reducir impactos ambientales  
9.6.2 Desarrollo de políticas públicas de sostenibilidad  
9.7 Autoevaluación del capítulo 9