Influencia del tipo de abonado en la capacidad térmica de biomasas de cultivos tradicionales (chopo y chirimoya) y de nueva implantación (quinoa) : diferencias termogravimétricas en su comportamiento térmico bajo diferentes atmósferas de calentamiento

Abstract

[ES] Dado el actual estado de alarma e incertidumbre en lo referente a la quema de combustibles fósiles como principal fuente de energía, las políticas y acuerdos mundiales se centran en restringir su uso con el propósito de reducir en el horizonte 2050 hasta en un 55% su consumo y sus emisiones contaminantes derivadas respecto a 1990. En este contexto, la biomasa se presenta como una fuente de energía renovable y con huella neutra de carbono que debe de continuar siendo investigada y desarrollada. De este modo, la presente tesis doctoral evalúa el comportamiento térmico de varias fuentes biomásicas lignocelulósicas. En concreto, el objetivo principal es estudiar y establecer valorizaciones energéticas comparativas entre un cultivo energético forestal propiamente dicho de Populus sp. y diferentes residuos procedentes del cultivo agrícola de dos especies en proliferación: la quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) y la chirimoya (Annona cherimola Mill.). En lo referente al cultivo energético del chopo, se utilizó una parcela de cultivo de cuatro años de antigüedad compuesta por aproximadamente 1400 ejemplares de Populus sp. divididos en cuatro clones (UNAL, I-214, AF-2 y AF-8). Además, esta parcela de cultivo se dividió en tres tratamientos de fertilización diferentes: CONTROL (sin fertilización), BIOSOLIDS (fertilización orgánica mediante un lodo procedente de una estación depuradora de aguas residuales) y MUD (fertilización orgánica con un lodo procedente de una industria láctea). Los procesos termoquímicos estudiados fueron combustión, pirólisis y gasificación. De forma global pudo comprobarse que cada uno de los procesos térmicos reveló mejor comportamiento térmico para un tratamiento/clon diferente. Los análisis elementales, inmediato y de poder calorífico de esta biomasa concluyeron que la biomasa de chopo posee propiedades óptimas como combustible (HHV próximo a 20 MJ/kg). Además, el análisis de los perfiles termogravimétricos puso de manifiesto similitudes entre la combustión y gasificación, mostrando un patrón diferente en la pirólisis. Los índices térmicos corroboraron esta tendencia, ya que fueron más altos para la combustión, seguidos de gasificación y por último pirólisis. Respecto a la quinoa, la práctica inexistencia de estudios que proporcionasen un valor a la parte no comestible de la planta (cascarilla y biomasa aérea) indujo a su posible valorización energética. Se aplicaron los procesos termoquímicos de combustión y pirólisis, en ambos casos bajo tres rampas de calentamiento: 10, 20 y 40 K/min. Los análisis elementales, inmediato y de poder calorífico mostraron mejores propiedades combustibles de la biomasa aérea (HHV = 15,41 MJ/kg) respecto a la cascarilla (HHV = 12,70 MJ/kg). Los perfiles termogravimétricos y los índices térmicos obtenidos se vieron influenciados tanto por el proceso termoquímico utilizado como por la variación de temperatura y la composición de la biomasa. Los mejores resultados se alcanzaron a través de la combustión de la biomasa aérea para rampas rápidas de calentamiento. Estos datos fueron reconfirmados por los índices térmicos y el análisis estadístico. Por último, el cultivo agrícola del chirimoyo, además de proporcionar la deseada pulpa de la chirimoya, deja una cantidad considerable de residuos en forma de restos de madera de poda y de semillas tras el procesado industrial de las frutas, ambos aptos para su valorización energética. Se utilizaron dos parcelas de cultivo bajo diferente fertilización: M1, con fertilizante mineral tradicional; y M2, con fertilizante orgánico procedente de una explotación ganadera vacuna. El proceso termoquímico llevado a cabo fue combustión, bajo cuatro rampas de calentamiento diferentes: 5, 10, 20 y 40 °C/min. Independientemente del fertilizante utilizado, las semillas presentaron mejores propiedades combustibles (HHV = 24,78 MJ/mol) que la madera de poda (HHV = 19,33 MJ/mol). Sin embargo, los perfiles termogravimétricos revelaron que mientras que las muestras de semillas sólo estuvieron influenciadas por la variación de temperatura, las de madera además estuvieron influenciadas por el fertilizante aplicado. Esta influencia del fertilizante usado sobre el comportamiento térmico de los residuos de chirimoya fue corroborada, a su vez, por los índices cinéticos donde el abono orgánico disminuyó las energías de activación de todas las muestras, especialmente las de semillas.

[EN] Given the current state of alarm and uncertainty regarding the burning of fossil fuels as the main source of energy, global policies and agreements are focused on limiting their use in order to reduce their consumption and their pollutant emissions by up to 55% by 2050, compared to 1990. In this context, biomass is a renewable and carbon neutral energy source that must continue to be researched and developed. Thus, this doctoral thesis evaluates the thermal behaviour of several lignocellulosic biomass sources. Specifically, the main objective is to study and establish comparative energy recoveries between a forest energy crop of Populus sp. and different residues from the proliferating cultivation of two species: quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) and custard apple (Annona cherimola Mill.). Regarding poplar energy crop, a four-year-old plot composed of approximately 1400 specimens divided into four Populus sp. clones (UNAL, I-214, AF-2 and AF-8) was used. In addition, this crop was divided into three different fertilization treatments: CONTROL (without fertilization), BIOSOLIDS (organic fertilization using sludge from a wastewater treatment plant) and MUD (organic fertilization with sludge from a dairy industry). The thermochemical processes studied were combustion, pyrolysis, and gasification. Globally, it was possible to verify that each of the thermal processes revealed better thermal behaviour for a different treatment/clone. The elemental, proximal and calorific value analyses of this biomass concluded that poplar biomass has optimal properties as a fuel (HHV value close to 20 MJ/kg). In addition, the analysis of the thermogravimetric profiles showed similarities between combustion and gasification processes, showing a different pattern in pyrolysis process. The thermal indexes corroborated this trend, showing highest values for combustion, followed by gasification and pyrolysis. Concerning quinoa, the practical non-existence of studies that that provided a value to the inedible part of the plant (husk and aerial biomass) induced its energy recovery. The thermochemical processes of combustion and pyrolysis were applied, in both cases under three heating rates: 10, 20 and 40 K/min. The elemental, proximal and calorific value analyses showed better fuel properties of the aerial biomass (HHV = 15,41 MJ/kg) with respect to the husk (HHV = 12,70 MJ/kg). The thermogravimetric profiles and the thermal indexes obtained were influenced by the thermochemical process used and by the temperature variation and biomass composition. The best results were achieved through the combustion of aerial biomass under rapid heating ramps (40 K/min). These data were reconfirmed by thermal indexes and statistical analysis. Finally, the farming of custard apple. In addition to providing the desired cherimoya pulp, leaves a considerable amount of waste in the form of pruning Wood remains and seeds after the industrial processing of the fruits, both suitable for energy recovery. Two cultivation plots under different fertilization were used: M1, with traditional mineral fertilizer; and M2, with organic fertilizer from cow manure. The thermochemical process carried out was combustion, under four different heating rates: 5, 10, 20 and 40 °C/min. Regardless of the fertilizer used, the seeds presented better fuel properties (HHV = 24,78 MJ/mol) than the pruning Wood (HHV = 19,33 MJ/mol). However, the thermogravimetric profiles revealed that while seed samples were only influenced by the temperature variation, the Wood samples were also influenced by the applied fertilizer. This influence of the fertilizer used on the thermal behaviour of custard apple residues was corroborated, in turn, by the kinetic indexes, with the organic fertilizer decreasing the activation energies of all the samples, especially those of the seeds.