Contribución al modelado de las físicas de lecho en la combustión de biomasa

Résumé

“Un crecimiento infinito no es factible sobre un planeta de recursos finitos” y, los recursos disponibles más que finitos resultan, más bien, escasos. A pesar de que nuestro modelo de sociedad actual entiende, mayoritariamente, el crecimiento económico como la base sobre la que se sustenta el desarrollo humano, resulta evidente que el consumo masivo y continuado de recursos cada vez más escasos genera un conflicto sistémico a corto y medio plazo, cuya resolución conlleva un riesgo alto para la propia supervivencia, no ya del modelo económico, sino de la propia sociedad. Como respuesta colectiva a esta problemática, la sociedad, y los organismos públicos que emanan de ella, han tomado conciencia de la inviabilidad de nuestro modelo productivo actual a largo plazo, y de la importancia de transicionar hacia un modelo más respetuoso con el medio ambiente y, sobre todo, más eficiente en la explotación, gestión y aprovechamiento de los recursos naturales disponibles. Dentro de este proceso de concienciación, uno de los principales focos de atención ha recaído sobre el modelo energético, dada su repercusión e importancia tanto a nivel de impacto climático como sistémico; posibilitador del modelo productivo y social contemporáneo. Actualmente, los esfuerzos tanto públicos como privados destinados a transicionar de un modelo energético basado en energías fósiles hacia un modelo de producción energética sustentado en una amalgama de alternativas menos agresivas con el entorno, se han redoblado ante la urgencia de una solución a los procesos de deterioro climático, a la reducción acuciante de recursos críticos para la vida y a la inexorable presión tanto de la comunidad científica como de la sociedad civil. Durante las últimas décadas, los estados han apostado por la implementación de directivas y programas en pos de una transición, paulatina y controlada, hacia fuentes de energía renovables, aplicando políticas legislativas de incentivación de estas tecnologías alternativas, al mismo tiempo que se desincentivaban y limitaban las fuentes “tradicionales” de energía. La adopción de acuerdos a todos los niveles estructurales, así como la creación de nuevos marcos normativos y de protección medioambiental, han propiciado, no sólo la implementación de hitos y plazos de adaptación a cumplir, sino, también, la aparición de nuevos ámbitos de investigación y explotación económica, estrechamente relacionados con esta migración obligada hacia una “economía verde”. La transición energética, es decir, el cambio, en última instancia, del modelo energético actual, no sólo conlleva un gran reto tecnológico, sino que fuerza cambios estructurales ineludibles tanto en los modelos de producción industrial, en la propia economía y en los hábitos de vida y consumo de la sociedad en general. La obtención de energía es un pilar maestro de nuestra forma de vida, la implementación de un cambio en el modelo energético supondrá, de realizarse satisfactoriamente, una revolución global con un alcance similar al que tuvo la invención de la máquina de vapor en el siglo XVIII. Dentro de este cambio de modelo energético, en el corto plazo, la biomasa, como fuente de energía, tiene sin duda, un papel protagonista. La importancia de la biomasa se sustenta en varios factores entre los que destacan principalmente: su abundancia, su coste operativo relativamente bajo (en comparación con otras fuentes de energía), su similitud tanto en suministro como en las tecnologías disponibles para su aprovechamiento junto a los combustibles fósiles, o su estrecha relación con procesos de reutilización, reciclaje y reducción de residuos. A pesar de todas estas ventajas aparentes, el uso de la biomasa no se encuentra carente de retos y problemas. Aunque la biomasa es abundante, pues se obtiene a través de múltiples fuentes: agricultura, silvicultura, subproductos de diversa índole, residuos, desechos, algas, etc., esta diversidad de origen no sólo es una de sus grandes fortalezas, sino que también constituye una de sus mayores debilidades, su heterogeneidad. La heterogeneidad de la biomasa provoca que sus propiedades físico-químicas sean muy dispares. Este hecho, dificulta enormemente que se pueda abordar su estudio y aprovechamiento de manera integral, lo que reduce su eficiencia general. Por otro lado, la biomasa contiene carbono, cualidad que comparte con los combustibles fósiles. Este hecho es un arma de doble filo. Por un lado, que la biomasa contenga carbono permite que esta sea utilizada de manera conjunta con los combustibles fósiles en sistemas de aprovechamiento mixtos. También que la adaptación de muchos sistemas de aprovechamiento de combustibles sólidos para utilizar biomasa sea más sencilla y menos costosa, económicamente. En contrapartida, la presencia de carbono genera ensuciamiento durante los procesos de aprovechamiento, es decir, posibilita la generación de escoria y residuos. Esto, además de perjudicar la eficiencia del intercambio térmico en estos sistemas de aprovechamiento, libera partículas contaminantes que, además, son dañinas para la salud y para el medio ambiente. Por otro lado, la biomasa se encuentra estrechamente relacionada con procesos como la reutilización y aprovechamiento (reciclaje). Los desechos tanto industriales como urbanos pueden ser aprovechados para la obtención tanto de calor como de energía. Este aprovechamiento no sólo aporta calor y energía, sino que reduce los costes de almacenamiento y tratamiento de los residuos utilizados como combustible. Por lo tanto, la biomasa constituye una fuente abundante, cercana y “barata” cuya utilización como combustible no sólo produce energía y calor, sino que tiene un impacto directo en el aprovechamiento de los recursos naturales y en el impacto ambiental. Este hecho, desbalancea de manera evidente a su favor el equilibrio de pros y contras, de ventajas y desventajas, de su utilización. Aprovechar las ventajas de la biomasa, y solventar las desventajas inherentes a la misma, constituye un reto científico-técnico importante que debe ser abordado colectivamente, en el corto y medio plazo. El trabajo incluido en esta tesis doctoral se encuadra dentro de un proyecto mayor que se ha llevado a cabo durante los últimos quince años en el seno del Grupo de Investigación en Tecnología Energética de la Universidad de Vigo (GTE), el desarrollo de un modelo de simulación de la conversión térmica de biomasa bajo un enfoque Euleriano que dé respuesta a muchas de las incertidumbres que, hoy por hoy, acompañan a esta fuente de energía. EBiTCoM (Eulerian Biomass Thermal Conversion Model), es un modelo de simulación desarrollado a lo largo del tiempo gracias a las aportaciones y al trabajo de numerosos investigadores, de diferente perfil técnico y formación. El trabajo presentado en esta tesis es una contribución más, dentro de este proceso colectivo que tiene como objetivo último la construcción de una herramienta predictiva que contribuya activamente al estudio de la biomasa, a la mejora de la eficiencia en su aprovechamiento y a la reducción de las emisiones que se producen durante su aprovechamiento. En este trabajo se abordarán principalmente dos objetivos. La mejora de la calidad del código fuente mediante la aplicación de un proceso de refactorización integral sobre el modelado preexistente que dé lugar a la creación de un modelo de uso general mediante la incorporación de nuevas funcionalidades y la mejora de aquellas ya implementadas y, el desarrollo de una nueva lógica computacional relacionada con la representación de los fenómenos físicos presentes en las calderas de biomasa bajo el enfoque Euleriano sobre el que se sustenta el modelo. Para alcanzar el primero de los objetivos, se llevó a cabo un proceso intensivo de refactorización del código fuente. Durante el proceso de refactorización se realizaron varias reestructuraciones profundas del propio modelo, incrementando la coherencia estructural del mismo y, por lo tanto, su calidad. A lo largo de este proceso, las implicaciones, tanto internas como externas, de cada modificación realizada sobre el código fuente fueron comprobadas exhaustivamente, para evitar efectos no-deseados en el comportamiento del modelo. Además, se realizaron mediciones del rendimiento computacional, procurando, siempre que fue posible, optar por mejoras que provocaran un impacto positivo sobre esta cuestión. Directamente relacionado con este objetivo, pero encuadrado en las tareas propias del mantenimiento, el modelado fue mejorado mediante el desarrollo de nuevas funcionalidades de carácter general. Estas nuevas funcionalidades cubren aspectos que habitualmente están presentes en un sistema de aprovechamiento de biomasa tipo; como por ejemplo los sistemas de eliminación de ceniza y otros residuos sólidos. Además, dentro de esta ampliación de funcionalidades del modelo, se diseñó un nuevo Interfaz de Usuario, cuyo objetivo radica en facilitar la transferencia y la colaboración con otras entidades tanto públicas como privadas, permitiendo tanto la configuración del modelo sobre un caso de estudio, como su manejo a lo largo de la simulación. En relación al otro objetivo principal planteado, se analizaron exhaustivamente los diferentes fenómenos presentes en los lechos de biomasa. A partir de este análisis se desarrolló un modelado de los movimientos de las partículas de combustible. La lógica implementada ha sido validada frente a datos experimentales, tanto propios como de terceras fuentes, buscando una mayor precisión en los resultados de las simulaciones y un anclaje físico de las mismas. Este desarrollo, que constituye la parte propiamente dicha de investigación de este trabajo, no sólo aporta nuevas funcionalidades al modelo EBiTCoM, sino que amplía el alcance del mismo, permitiendo que se aborde la simulación de múltiples tipos de sistemas de aprovechamiento de biomasa.