Carátula del artículo
Investigación científica sobre tecnologías empleadas en quemadores de biomasa tipo pellets a pequeña escala, como potencial energético alternativo: una revisión bibliométrica
Scientific research on technologies used in small-scale pellet-type biomass burners as alternative energy potential: a literature review
Arly Dario Rincon-Quintero arincon@correo.uts.edu.co
Unidades Tecnológicas de Santander, Colombia
Luis Alfonso Del Portillo-Valdés
Universidad del País Vasco, España
Omar Lengerke-Perez
Unidades Tecnológicas de Santander, Colombia
Wilmar Leonardo Rondón-Romero
Unidades Tecnológicas de Santander, Colombia
Camilo Leonardo Sandoval-Rodriguez
Unidades Tecnológicas de Santander, Colombia
Brayan Eduardo Tarazona-Romero btarazona001@ikasle.ehu.eus
Universidad del País Vasco, España
Científica, vol. 26, núm. 1, pp. 1-6, 2022
Instituto Politécnico Nacional
Recepción: 08/11/2021
Aprobación: 13/01/2022
I. Introducción
La sustitución de combustibles fósiles como el petróleo o el carbón, se han convertido en un objetivo a nivel internacional debido al cambio climático. Una alternativa que despierta el interés de la comunidad académica es la utilización de cultivos energéticos, vegetación cultivada con el objetivo de comercializar pellets para calderas industriales y generadoras de energía eléctrica [1][2][3], pero el proceso de sustitución de fuentes de energía demanda cumplir estrictos requerimientos ambientales, abordando desde aditivos que minimizan emisiones y metodologías de combustión más eficientes.
Como un plan de aprovechamiento energético se aborda la exploración bibliográfica sobre calderas o quemadores de biomasa a pequeña escala, como una alternativa de aprovechamiento energético en procesos como el secado de alimentos o la calefacción de hogares, entre otros.
En este documento se encuentra una revisión sistemática del tema en mención, analizando los avances y estudios publicados en los últimos años, identificando oportunidades de desarrollo e implementación. Además, con la implementación de la herramienta de visualización VOSviewer, de forma gráfica y específica, un investigador logra evidenciar las temáticas más relevantes en la comunidad científica para el desarrollo de una tecnología, con esto puede decidir eficientemente como abordar este campo y generar un impacto o desarrollo significativo, buscar un trabajo colaborativo con aquellos autores que tienen la experiencia y basados en las redes pueden estar abiertos a un diálogo y ayuda.
II. Metodología/Desarrollo
La investigación científica sobre tecnologías empleadas en quemadores de biomasa tipo pellets a pequeña escala, como potencial energético alternativo, sustenta un estudio previo de la tecnología existente y la aplicación en procesos de secado de alimentos, calentamiento de agua o calefacción. Por ello, para partir el abordaje en las bases de datos científicas, se usa las palabras claves “boiler”, “stove”, y “pellet” teniendo en cuenta que los quemadores son principalmente denominados calderas o estufas; con estas especificaciones se genera un registro de documentos equivalente a 1033, compuestos por capítulos de libros, artículos, revisiones, documentos de procedimientos, entre otros.
De este registro de datos, se descarga la información en función de títulos, autores, resúmenes, palabras claves, revistas, citas, referencias y otros, necesarios para un análisis en el software VOSviewer. Con las palabras claves, se elabora una red, identificando los temas de interés, entre estos; la combustión, calderas, biomasa, emisiones y pellets, centradas en el análisis de las emisiones de la combustión y el estudio del comportamiento de diferentes tipos de biomasa. La ecuación final queda así; “(boiler* OR stove) AND pellet* AND small scale”, entregando un registro de documentos, analizados en el software VOSviewer, con este registro de datos se elabora el mapa de palabras clave.
Fig. 1.
Palabras clave (registro de documentos final: 167 nodos, 3 grupos, 1713 links).
Otro mapa que puede ser analizado son las revistas científicas, identificando las más adecuadas para publicar futuros trabajos sobre quemadores de pellets; se destacan “energy & fuels”, “biomass & bioenergy” y “biomass conversión and biorefi”.
Fig. 2.
Red de revistas científicas (50 nodos, 15 grupos, 150 links)
Referente
Referente a trabajo colaborativo, en la Fig. 3 se observan las autorías y coautorías más importantes.
Fig. 3.
Red de coautoría (62 nodos, 3 grupos, 284 links).
En esta red, es posible señalar la fortaleza que tienen autores como Jorma Jokiniemi con 11 publicaciones, siendo referente en la investigación de calderas de pellets a pequeña escala, al igual que Claudia Schön y Hans Hartmann.
En el trabajo de [2], se exponen las dificultades que tiene la astilla de madera para ser implementada en calderas para calefacción de hogares, debido a los niveles de emisiones de monóxido de carbono y las partículas emitidas. Sin embargo, En [4], se desarrollan pruebas con astillas de madera variando la calidad del secado y del cribado, con el propósito de cumplir los requerimientos de la norma ISO 17225-4, en la misma línea, en [5] , se analiza de forma destallada los procesos de secado y tamizado que afectan la combustión en una caldera automática a pequeña escala. Los autores coinciden en señalar que la reducción de humedad reduce las emisiones de CO y el tamizado, reduce la emisión de NOx en al menos un 28%.
El trabajo en [6], demuestra que la adición de caolín a la biomasa, logra disminuir las emisiones de CO hasta un 77%, adicionalmente, en [7] se recomienda una proporción de caolín del 0.5% en peso, para una disminución de las emisiones en un 46%; siendo corroborado en el estudio de [8] , donde se analizan diferentes aditivos, entre los cuales está la caolinita. La ceniza es otro factor importante en los quemadores de biomasa; en [9] se estudia este residuo basándose en el control de la temperatura y correlaciones empíricas, usando hasta 9 equipos diferentes a pequeña escala, mostrando que la composición química del combustible o la biomasa, repercute en la cantidad generada, debiéndose eliminar de manera continua, es decir, a una velocidad proporcional con la alimentación del combustible.
El acoplamiento bibliográfico, es otra aplicación del software, con esto, es posible observar los documentos, su relevancia obtenida por el número de citas que ha recibido y su fortaleza en vínculos debido a las referencias usadas[10] [11][12] [13][14][18].
Tabla 1
Lista de documentos ordenados por fuerza de enlace.
III. Resultados y discusión
Al momento de analizar los documentos progresivamente se evidencia que las investigaciones realizadas sobre los quemadores de pellets, biomasa, astillas de madera, etcétera, se han enfocado principalmente en el análisis de las emisiones de gases contaminantes, lo que se convierte en un tema de gran relevancia debido al objetivo de reemplazar los combustibles actuales de la industria, como el carbón y derivados del petróleo. Con los ojos puestos en este objetivo, es indispensable que los nuevos biocombustibles no generen mayor daño que los combustibles convencionales actuales. Por ello, los investigadores analizan diferentes aspectos de los quemadores de biomasa, como la cámara de combustión, el control del flujo de aire, las combinaciones o los aditivos para la biomasa, los intercambiadores de calor a la salida de los gases de la combustión, entre otros temas relacionados, que se irán abordando a lo largo de esta sección.
A. Combustibles
Cuando se trata sobre los combustibles, se abordan los estudios que analizan la composición de la biomasa, al agregar diferentes tipos de material vegetal, aditivos químicos que favorezcan la combustión o estabilidad de la misma y en general estudios que tengan un enfoque en la combustión presente en las calderas o estufas a pequeña escala para aplicaciones rurales [15] [17][19][20] [21][22].
B. Emisiones
Las emisiones generadas por las calderas y estufas en zonas residenciales se han convertido en la principal preocupación de los investigadores junto con las cenizas que dificultan la operación de los mismos, en esta sección se agrupan los estudios cuyo objetivo es analizar emisiones generadas [16][23][24][25] [26] [27] [28][29] .
C. Diseño y eficiencias
En lo que a investigaciones sobre calderas y estufas de pellets a pequeña escala se refiere, las investigaciones se han centrado principalmente en el control de las emisiones como se ha establecido anteriormente, pero esto no deja exenta a la comunidad académica de generar diseño o propuestas que permitan aprovechar de forma eficiente el poder calorífico de la biomasa, por ello en esta sección se aborda el tema de la eficiencia y de los diseños que se encuentran en estudio para el mejoramiento continuo de estos equipos [30][31] [32].
IV. Conclusiones y recomendaciones
La implementación del software de visualización de redes VOSviewer permitió exponer de forma clara y precisa las tendencias en investigación sobre las calderas de pellets a pequeña escala, brindando información gráfica de fácil interpretación. Entre estas, se destaca una investigación centralizada en la disminución de emisiones contaminantes, desde diferentes perspectivas, como la incorporación de aditivos en los combustibles, mezclas de diferentes biomasas mejoramientos en la eficiencia de las calderas y regulaciones con base en el flujo de aire.
Teniendo en cuenta que el diseño de la caldera, el tipo de biomasa y las condiciones de la combustión afectan directamente a la generación de material particulado, es indispensable tener en cuenta para futuros diseños un mecanismo que permita extraer simultáneamente las cenizas sin detener el proceso de combustión.
Para la combustión es normal transformar la biomasa de tres formas: pajas, astillas y pellet. Siendo este último el más recomendado por los investigadores por permitir una combustión más eficiente y con menor cantidad de emisiones contaminantes. También se debe aplicar un debido tratamiento de secado, porque los niveles altos de humedad en el combustible generan mayores niveles de emisiones. El caolín representa una de las mayores oportunidades como aditivo para disminuir emisiones, tema que se observa de manera recurrente para aplicaciones en calderas de pequeña escala.
Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo institucional de las Unidades Tecnológicas de Santander (UTS).
Referencias
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