N4 Experto e investigación · Lección 7 de 8 · 45 min

Torrefacción y carbonización hidrotermal: rendimiento de energía frente a eficiencia del proceso

Conversión termoquímica de la biomasa

Equipo docente de biomasa360 · Responsable: Dirección de oferta, calidad y Academia · Revisada el 25 de octubre de 2026 (revisión científica de cálculos y citas)

Al terminar podrás

Calcular rendimientos de masa y de energía y la densificación energética de un sólido torrefactado o hidrotermal.
Distinguir el rendimiento de energía del producto de la eficiencia energética del proceso.
Comparar torrefacción y carbonización hidrotermal según la humedad de la biomasa de entrada.

Conviene saber antes

Lecciones de los niveles 1 a 3 de este curso.

La torrefacción es un tratamiento térmico a 200–280/300 °C, a presión atmosférica, sin oxígeno, con velocidades de calentamiento bajas y tiempos de residencia del orden de una hora (Bergman et al., 2005). El sólido pierde agua y parte de la hemicelulosa, se vuelve quebradizo (fácil de moler) y aumenta su energía por kilogramo. ECN informa un balance típico de 70 % de la masa y 90 % de la energía en el sólido.

La carbonización hidrotermal (HTC) combina deshidratación y descarboxilación de la biomasa en agua, a temperaturas elevadas (180–220 °C según Funke y Ziegler, 2010) y presión de saturación durante varias horas. Su ventaja es que admite biomasa muy húmeda, como lodos, estiércol o residuos de frutas, que la torrefacción tendría que secar primero.

Figura 1PCS de residuos de palma crudos y torrefactados (MJ/kg, base seca)

A 220–250 °C el PCS casi no cambia (en el cuesco incluso baja); el salto ocurre a 300 °C: cuesco 19,78 → 21,68, fibra 19,61 → 22,17, raquis 17,02 → 20,41 MJ/kg.

Ver los datos en una tabla

Datos de la figura 1: PCS de residuos de palma crudos y torrefactados (MJ/kg, base seca)
Temperatura	Cuesco	Fibra	Raquis
Sin tratar	19,78	19,61	17,02
220	18,85	19,03	17,17
250	19,07	19,24	17,67
300	21,68	22,17	20,41

Fuente: Uemura et al. (2011), Fuel 90(8), vía TNO Phyllis2 (muestras #2932–#2943). La ceniza también cambia entre muestras, lo que afecta el PCS en base seca.

Ejemplo resuelto 1

Rendimiento de energía de un hidrocarbón

Fan et al. (2018) obtuvieron, con cáscara de nuez de macadamia a 260 °C durante 120 min, un hidrocarbón con 46,59 % de rendimiento de masa y PCS de 26,02 MJ/kg, partiendo de 18,78 MJ/kg. Comprueba el rendimiento de energía publicado (64,55 %) y calcula la densificación energética.

Datos del ejemplo 1
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$y_M$	46,59	%	Fan et al. (2018), Tabla 1
$\mathrm{PCS}_h, \mathrm{PCS}_0$	26,02; 18,78	MJ/kg	Fan et al. (2018), Tabla 1

Densificación energética.
$\frac{26{,}02}{18{,}78} = 1{,}386$
Rendimiento de energía.
$y_E = 0{,}4659 \times 1{,}386 = 0{,}6455$

Resultado

y_E \approx 64{,}55\ \%

Interpretación: Coincide con el valor publicado. El hidrocarbón tiene 39 % más energía por kilogramo, pero solo conserva dos tercios de la energía de la cáscara: el resto queda en el agua de proceso y en los gases.

Figura 2Carbonización hidrotermal de cáscara de macadamia: rendimientos de masa y de energía (%)

Más temperatura o más tiempo dan un sólido más energético, pero con menos masa y menos energía total. No hay una condición que maximice a la vez la calidad y el rendimiento.

Ver los datos en una tabla

Datos de la figura 2: Carbonización hidrotermal de cáscara de macadamia: rendimientos de masa y de energía (%)
Condición	Masa	Energía
180 °C, 120 min	72,42	83,56
220 °C, 60 min	63,73	77,2
220 °C, 120 min	56,81	72,57
220 °C, 180 min	52,22	68,63
260 °C, 120 min	46,59	64,55

Fuente: Fan et al. (2018), Royal Society Open Science 5:181126, Tabla 1.

Ejemplo resuelto 2

Rendimiento de energía frente a eficiencia del proceso

En la planta de torrefacción de demostración analizada por ECN (madera de demolición a 280 °C, 17,5 min de reacción), la torrefacción tuvo un rendimiento de energía de 95,8 %, mientras la eficiencia térmica del proceso completo fue 96,1 % porque el gas de torrefacción se quemaba para secar la biomasa. En el secado de 50 % a 15 % de humedad se usaron 22,2 MWth, y el flujo de energía (PCI) de la biomasa pasó de 135,7 a 152,8 MWth. Calcula la eficiencia térmica del secado.

Datos del ejemplo 2
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$Q_{sec}$	22,2	MWth	ECN (Bergman et al., 2005), sección 4.4.1
$E_{antes}, E_{despues}$	135,7; 152,8	MWth (PCI)	ECN (Bergman et al., 2005), sección 4.4.1

La eficiencia del secado compara la energía de salida con la de entrada más el calor aportado.
$\eta_{sec} = \frac{152{,}8}{135{,}7 + 22{,}2} = \frac{152{,}8}{157{,}9} = 0{,}968$

Resultado

\eta_{sec} \approx 96{,}8\ \%

Interpretación: ECN informa 96,7 %. Secar con PCI como base «recupera» casi toda la energía usada, porque el PCI sube al quitar el agua. ECN subraya que un rendimiento de energía alto del sólido no dice nada de la eficiencia del proceso: hay que mirar las dos cifras.

Hipótesis contrastadas

¿La torrefacción «aumenta la energía» de la biomasa?

H1 Sí: el PCS por kilogramo sube y por eso el combustible es mejor.
Evidencia a favor
- Uemura et al. (2011): a 300 °C el PCS del raquis de palma sube de 17,02 a 20,41 MJ/kg.
- ECN: densificación energética típica de 1,3 en base de masa.
Evidencia en contra
- El rendimiento de energía del sólido es siempre menor que 1: ECN informa 90 % típico; Fan et al. (2018), 64,55–83,56 % en HTC.
- A 220–250 °C los datos de Uemura no muestran aumento del PCS del cuesco (19,78 → 18,85–19,07 MJ/kg).
Fuentes: Uemura et al. (2011); ECN (Bergman et al., 2005); Fan et al. (2018)
H2 No: redistribuye la energía; el sólido gana energía por kilogramo y pierde energía total. El beneficio es logístico y de molienda, y la eficiencia del proceso depende de usar los gases.
Evidencia a favor
- ECN distingue explícitamente el rendimiento de energía de la torrefacción de la eficiencia energética del proceso, y advierte que muchas publicaciones destacan solo el primero.
- La eficiencia térmica del proceso estuvo entre 90 % y 103 % (típico 95 %, base PCI) cuando el gas de torrefacción se quemó para el propio proceso (ECN).
Evidencia en contra
- Para un usuario final que paga por GJ transportado, la densificación sí crea valor económico aunque no cree energía.
Fuentes: ECN (Bergman et al., 2005); Chen et al. (2015)

Certeza alta

Conclusión: Sobrevive la segunda con certeza alta: la torrefacción y la HTC no crean energía; la concentran en menos masa, mejoran la molienda y la estabilidad del sólido, y su balance depende de quemar o aprovechar los gases y el agua de proceso. La pasada adversarial deja una salvedad: los valores de eficiencia de ECN superiores a 100 % reflejan la incertidumbre de medición del poder calorífico (≈3 % relativo según el propio informe), no una ganancia real.

Figura 3Comparación de un reactor de torrefacción con quemador de gases y un reactor de carbonización hidrotermal con filtrado del hidrocarbón

Ejercicios

Cálculo●○○
Calcula la densificación energética y el rendimiento de energía de la condición 220 °C, 60 min de Fan et al. (2018) (yM 63,73 %; PCS 22,75 MJ/kg; alimento 18,78 MJ/kg).
Ver la solución
Densificación: $22{,}75 \div 18{,}78 = 1{,}211$ ; $y_E = 0{,}6373 \times 1{,}211 = 77{,}2\,\%$ (publicado: 77,20 %).
Criterio●●○
¿Por qué la HTC conviene para el raquis de palma húmedo y la torrefacción para el cuesco?
Ver la solución
El raquis sale muy húmedo: torrefactarlo exige secarlo antes, con un gasto de energía grande; la HTC trabaja en agua y evita ese secado. El cuesco sale con humedad moderada (19,6 % en Paucar y Rubio, 2021) y es denso, así que puede torrefactarse directamente si se busca molienda fácil.
Caso●●●
Un proveedor de tecnología afirma «nuestro proceso de torrefacción tiene 103 % de eficiencia». Analiza la afirmación con el informe de ECN.
Ver la solución
ECN obtuvo eficiencias térmicas de 90 % a 103 % (típico 95 %, PCI) y atribuye la dispersión sobre todo a la incertidumbre del poder calorífico (≈3 % relativo) y a la heterogeneidad del combustible. Un 103 % no es físicamente posible como eficiencia real: indica error de medición. Hay que pedir el balance completo con incertidumbres y el método de análisis.

Autoevaluación

¿Qué balance típico de la torrefacción informa ECN?
1. 30 % de masa, 10 % de energía
2. 70 % de masa, 90 % de energía
3. 90 % de masa, 70 % de energía
4. 100 % de ambos
Ver la respuesta
Respuesta: B. El sólido conserva 70 % de la masa y 90 % de la energía.
La carbonización hidrotermal tiene ventaja sobre la torrefacción cuando la biomasa…
1. Es muy seca
2. Es muy húmeda
3. Tiene poca ceniza
4. Es madera
Ver la respuesta
Respuesta: B. Trabaja en agua y evita el secado previo.
El rendimiento de energía del sólido torrefactado y la eficiencia del proceso…
1. Son lo mismo
2. Son distintos; el segundo incluye el uso de los gases y los servicios
3. Siempre suman 100 %
4. No se pueden calcular
Ver la respuesta
Respuesta: B. ECN insiste en distinguirlos.

Referencias

Bergman, P. C. A., Boersma, A. R., Zwart, R. W. R., & Kiel, J. H. A. (2005). Torrefaction for biomass co-firing in existing coal-fired power stations (Informe ECN-C--05-013). Energy research Centre of the Netherlands. https://publications.tno.nl/publication/34628503/1cn2B7/c05013.pdf
Uemura, Y., Omar, W. N., Tsutsui, T., & Yusup, S. B. (2011). Torrefaction of oil palm wastes. Fuel, 90(8), 2585–2591. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2011.03.021
Chen, W.-H., Peng, J., & Bi, X. T. (2015). A state-of-the-art review of biomass torrefaction, densification and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 44, 847–866. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.12.039
Fan, F., Yang, Z., Li, H., Shi, Z., & Kan, H. (2018). Preparation and properties of hydrochars from macadamia nut shell via hydrothermal carbonization. Royal Society Open Science, 5(10), 181126. https://doi.org/10.1098/rsos.181126
Funke, A., & Ziegler, F. (2010). Hydrothermal carbonization of biomass: A summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 4(2), 160–177. https://doi.org/10.1002/bbb.198
TNO. (2026). Phyllis2: Database for the physico-chemical composition of (treated) lignocellulosic biomass, micro- and macroalgae, various feedstocks for biogas production and biochar [Base de datos]. Consultado el 25 de octubre de 2026. https://phyllis.nl/

Para profundizar

Bergman et al. (2005), informe ECN-C--05-013. — Informe de referencia sobre torrefacción, con definiciones de rendimiento, balances de una planta y la advertencia sobre eficiencia frente a rendimiento.
Funke y Ziegler (2010), Biofuels, Bioproducts and Biorefining. — Discute los mecanismos químicos de la HTC (hidrólisis, deshidratación, descarboxilación, aromatización) desde el punto de vista del diseño del proceso.
Libra et al. (2011), Biofuels. — Compara pirólisis seca y húmeda: química, procesos y aplicaciones del hidrocarbón.

Cómo citar esta lección

APA 7, para tu tesis o tu informe:

Equipo docente de biomasa360. (2026). Torrefacción y carbonización hidrotermal: rendimiento de energía frente a eficiencia del proceso (Versión 2026-10) [Lección del curso «Conversión termoquímica de la biomasa»]. Academia 360, biomasa360. Recuperado el 26 de octubre de 2026, de https://biomasa360.com/academia/conversion-termoquimica/torrefaccion-y-carbonizacion-hidrotermal/

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