Aprovechamiento de gases de combustión como fuente de CO 2 para enriquecimiento carbónico de invernaderos

Transcripción

1 Aprovechamiento de gases de combustión como fuente de CO 2 para enriquecimiento carbónico de invernaderos F. Gabriel Acién Fernández Dpto. Ingeniería Química, Universidad de Almería Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 1

2 Fotosí ntesis (gr CH2O/m2 min) Fotosí ntesis (gr CH2O/m2 min) ANTECEDENTES La temperatura y concentración de dióxido de carbono (CO 2 ) son, junto con la disponibilidad de radiación solar, los factores determinantes de la velocidad de fotosíntesis, y por tanto del crecimiento y productividad La temperatura debe ser mantenida dentro de un rango óptimo, 1ºC- 4ºC, mediante calefacción y/o ventilación al exterior La concentración de CO 2 óptima para el desarrollo de las especies hortícolas se ha establecido entre el rango de 7-1 mol mol -1. Debido al proceso de asimilación del dosel vegetal, en el interior del invernadero se produce un decremento respecto de la concentración de CO 2 atmosférica (37 mol mol -1 ), limitando los cultivos W/m W/m2 3 W/m W/m W/m2.2 1 W/m Temperatura (º C) 3 W/m2 1 W/m Concentració n CO2 (ppm) Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 2

3 ANTECEDENTES BENEFICIOS DEL CONTROL DE CLIMA EN INVERNADEROS Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 3

4 ANTECEDENTES APLICACIÓN DE CONTROL DE TEMPERATURA EN INVERNADEROS La incorporación de sistemas de calefacción al invernadero aumenta la cantidad y calidad de la producción. El coste de la instalación en orden creciente es: - aire caliente combustión directa - aire caliente combustión indirecta - agua caliente a baja temperatura - agua caliente a alta temperatura En todos los casos se consumen combustibles fósiles de elevado coste y generadores de emisiones de CO 2 Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 4

5 ANTECEDENTES APLICACIÓN DE CONTROL DE TEMPERATURA EN INVERNADEROS Combustibles fósiles: Debido al alto coste de los combustibles fósiles, la incorporación de estos sistemas necesitan de un mercado que garantice el precio final del producto Biomasa: La biomasa es la que presenta una mayor relación PCI/coste, por lo que es el combustible más barato Su combustión elimina un problema medioambiental derivado de la descomposición natural incontrolada de la misma. Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 5

6 ANTECEDENTES APLICACIÓN DE ENRIQUECIMIENTO CARBÓNICO EN INVERNADEROS Inyección de CO 2 almacenado en tanques o bombonas: Consiste en inyectar CO 2 procedente de bombonas o tanques. Es un método sencillo de instalar y regular, no depende de la actividad de otros elementos dentro del invernadero para su actividad y el aporte es inmediato. El gas se inyecta sin impurezas. El mayor inconveniente es el coste del CO 2. CO 2 =.2-.3 /kg Utilización de gases de combustión de la instalación de calefacción Este método consiste en recuperar los gases de combustión de la calefacción e introducirlos en el invernadero. Tiene el inconveniente de proporcionar CO 2 en el momento donde es menos efectivo, durante la noche, que es cuando suele funcionar la calefacción. Es importante la naturaleza del combustible utilizado, ya que los gases de combustión pueden contener compuestos perjudiciales. Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 6

7 ANTECEDENTES APLICACIÓN DE ENRIQUECIMIENTO CARBÓNICO EN INVERNADEROS Bombonas de CO 2 puro Sensor CO 2 Sensor CO 2 Sensor CO 2 Combustión de gases Producción CO 2 Válvula invernadero Válvula invernadero Válvula invernadero Válvula general Controlador Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 7

8 ANTECEDENTES BENEFICIOS MEDIOAMBIENTALES DEL USO DE BIOMASA 387 ha,82% 13 ha,22% 13 ha,27% 65 ha 1,28% Campaña 1998/ ha 3,59% 15 ha,32% ha 66,68% 4.99 ha 1,37% Fuente: Estimaciones finales de campaña 98/99. Servicio de Estadísitcas Agrarias del MAPA.* ha 15,4% 1.61 ha 5,1% 15 ha,5% 75 ha 2,4% 21 ha,1% 57 ha,2% 725 ha 2,3% 3.5 ha 11,1% ha 78,4% Fuente: Consejería de Agricultura y Pesca de la Junta de Andalucía.* Los cultivos bajo plástico constituyen un sumidero natural de CO 2 El enriquecimiento carbónico mejora la productividad hasta un 6% El uso no se han extendido por el coste del CO 2 (.2-.3 /kgco 2 ) Cada hectárea fija de forma natural 37 TmCO 2 /Ha año 9,2 1 5 TmCO 2 /año en Almería, 1,7 1 6 TmCO 2 /año en España Considerando un aumento del 25% por enriquecimiento carbónico 1,3 1 6 TmCO 2 /año en Almería, 2,3 1 6 TmCO 2 /año en España Se producen 1.7 Millones de toneladas anuales de RVI (2 ktn en base seca) que se recogen y procesan en tres plantas de gestión de residuos. Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 8

9 OBJETIVOS 1. APLICACIÓN DE COMBUSTIÓN DIRECTA PARA CALOR Y/O CO2 Estudiar las concentraciones máximas admisibles de gases tóxicos en los gases de combustión. Determinar el aumento de producción por el uso de sistema de enriquecimiento carbónico con gases de combustión directa. 2. OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE INYECCIÓN DE CO2 Minimizar las pérdidas de CO2 y maximizar el rendimiento de los cultivos combinando control de temperatura y CO2 con gases de combustión directa. 3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y/O CO2 Demostrar la posibilidad de utilizar calderas de biomasa en sistemas de calefacción de invernaderos. Desarrollar un sistema de enriquecimiento carbónico a partir de los gases de combustión generados. Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 9

10 1. APLICACIÓN DE COMBUSTIÓN DIRECTA PARA CALOR Y/O CO2 ENSAYOS DE TOXICIDAD DE SOx-NOx EN AMBIENTES CONTROLADOS Cámara fitoclima 1., Aralab Software de supervisión y control de inyección de gases Inicio (t= días) Final (t=21 días) Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 1

11 Increment with respect to 4 vpm CO2 Increase of growth, % Increment with respect to 4 vpm CO2 (%) 1. APLICACIÓN DE COMBUSTIÓN DIRECTA PARA CALOR Y/O CO2 ENSAYOS DE TOXICIDAD DE SOx-NOx EN AMBIENTES CONTROLADOS Enriquecimiento en CO 2 1% 9% 8% 7% 6% 68% 86% Young plant Adult plant 68% 58% 56% Enriquecimiento en SO2, NOx 7% 6% 5% 4% Adult plant 58% 58% 8 vpm CO2 8 vpm CO2+.2 vpm SO2 8 vpm CO2+.5 vpm SO2 56% 5% 5% 4% 3% 2% 22% 3% 2% 1% 22% 15% 4% 1% 3% 1% % Tomato Cucumber Pepper El aporte de 8 vpm de CO 2 incrementa la producción de biomasa de forma notable (74% planta joven, y 45% planta adulta) Efecto adverso del SO 2 a partir de.5 vpm No hay efecto adverso del NOx hasta 1. vpm % 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % Tomato Cucumber Pepper Adult plant 29% 3% 22% 67% 66% 8 vpm CO2 8 vpm CO2 +.5 vpm NOx 8 vpm CO vpm NOx 58% 56% 28% 27% Tomato Cucumber Pepper Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 11

12 2. OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE INYECCIÓN DE CO2 ENSAYOS DE INYECCION DIRECTA DE GASES DE COMBUSTION Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 12

13 2. OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE INYECCIÓN DE CO2 ENSAYOS DE INYECCION DIRECTA DE GASES DE COMBUSTION 19/5 [CO 2 ]max=12 ppm 21/5 [CO 2 ]max=1 ppm 24/5 [CO 2 ]max=8 ppm CONSIGNAS: Control de CO 2 : Radiación=1w m -2 y 5% zona muerta, Tª=25ºC y 5% de zona muerta Ventilación: 27ºC Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 13

14 2. OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE INYECCIÓN DE CO2 ENSAYOS DE INYECCION DIRECTA DE GASES DE COMBUSTION Con CO2 Sin CO2 Producción total (kg/m 2 ) y por tamaños en Otoño-Invierno, con aporte de CO2(N6) y sin aporte de CO2 (N7). Tamaño de fruto: GG= Muy grande, G=Grande, M: Mediano, MM: Pequeño El enriquecimiento carbónico permite aumentar un 2% la producción y mejorar la precocidad, incrementando el rendimiento económico un 3%. Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 14

15 Tasa fotosíntesis, gch2o/m2 min Contenido en NOx y SOX máximo tolerable en el gas de combustión, ppm Vgas por unidad de volumen de invernadero a enriquecer 2. OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE INYECCIÓN DE CO2 ENSAYOS DE INYECCION DIRECTA DE GASES DE COMBUSTION POSIBILIDAD DE INCREMENTAR AÚN MAS LA PRODUCCION AUMENTANDO EL APORTE DE CO2 DURANTE EL DÍA Sin aporte de CO2 Con aporte de CO2 Aporte 8 ppm POSIBILIDAD DE EMPLEAR GASES DE COMBUSTIÓN DE COMBUSTIBLES MENOS LIMPIOS SIN TOXICIDAD Vg/Vt, Yco2=8 ppm XNOx, YNOx=1 ppm XSOx, YSOx=.5 ppm XNOx propano XSOx propano XNOx gasoil XSOx gasoil Hora Contenido CO2 gas combustión, %. Variación de la velocidad de fotosíntesis estimada en función del aporte o no de CO2 así como el valor máximo alcanzable a 8 ppm de concentración de CO2 constante. Influencia del contenido en CO 2 del gas de combustión en el límite máximo de NOx y SOx en dicho gas para mantener los niveles de dichos gases dentro del invernadero por debajo de los niveles de toxicidad establecidos mediante los ensayos de cultivo en cámara (NOx<=1ppm, SOx<.5 ppm) Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 15

16 3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y CO2 Las calderas de biomasa pueden utilizarse en sistemas de calefacción convencionales, con el consiguiente ahorro en combustible y sostenibilidad del proceso. Debido al desacoplamiento de los requerimientos de calor y CO2 para aprovechar tanto el calor como el CO2 generados durante la combustión es necesario almacenar uno u otro. El almacenamiento de agua es muy costoso y poco eficiente por pérdidas de calor. Se pretende almacenar el CO2. Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 16

17 3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y CO2 DIAGRAMA DE FLUJO Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 17

18 3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y CO2 INSTALACIÓN DE SISTEMA DE CALEFACCIÓN CALDERA DE BIOMASA Pellets Pino SISTEMA DE DISTRIBUCION DE CALOR RVI Caldera de biomasa de 16 kw, Silo de pellets de 3 kg de capacidad, operación con pellets de olivo y RVI Tuberías de polietileno, bomba de recirculación y válvula proporcional regulables Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 18

19 3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y CO2 CARACTERIZACIÓN DE LOS RESIDUOS VEGETALES DE INVERNADERO TOMATE PIMIENTO CALABACÍN BERENJENA Figura 2. Distribución porcentual del tipo de cultivo sobre la superficie cultivada en las comarcas del Campo de Dalías, Campo de Níjar, Bajo Andarax y Levante almeriense. Fuente: Delegación en Almería de la Consejería de Agricultura y Pesca de la Junta de Andalucía. Elaboración propia. Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 19

20 Poder calorífico base seca (Kcal/ Kg) Contenido en H 2 O (%, masa H 2 O/ masa total) Contenido en cenizas (%, masa cenizas/ masa seca) 3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y CO2 CARACTERIZACIÓN DE LOS RESIDUOS VEGETALES DE INVERNADERO Tomate Pimiento Calabacín Pepino Berenjena La Albaida Ejido medioambiente Las Palmerillas Tomate Pimiento Calabacín Pepino Berenjena La Albaida Ejido medioambiente Las Palmerillas Tomate Pimiento Calabacín Pepino Berenjena La Albaida Ejido medioambiente Las Palmerillas Elevada concentración de residuos en solo tres plantas de tratamiento (Níjar, Mojonera y Ejido) Gran heterogeneidad en cuanto a presencia de frutos, humedad, rafia, cenizas, poder calorífico Diversos y erróneos hábitos de gestión de residuos que de corregirse mejorarían el valor de los RVI Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 2

21 Poder Calorífico de Combustión (Kcal/ Kg) Contenido en Humedad (%, masa H 2 O/ masa total) Contenido en cenizas (%, masa ceniza/ masa seca) 3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y CO2 PELLETS DE RESTOS VEGETALES VS BIOCOMBUSTIBLES USUALES Pino RV Tomate Sucio RV Tomate Pélets Tomate Pélets Tomate+ Almendra PinoRV Tomate Sucio RV Tomate Pélets Pélets Tomate Tomate+ Almendra 6 5 RVI PinoRV Tomate Sucio RV Tomate Pélets Pélets Tomate Tomate+ Almendra Pellets de RVI presentan similar contenido en humedad y se obtienen con facilidad en el mismo proceso que los pellets de pino Pellets de RVI contienen más cenizas lo que reduce su calor de combustión en un porcentaje equivalente Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 21

22 [CO 2 ] (% Vol.) Pérdidas térmicas (%) Temperatura humos (ºC) [CO 2 ] (% Vol.) Pérdidas térmicas (%) Temperatura gases de combustión (ºC) 3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y CO2 EFICIENCIA DE COMBUSTIÓN - Pellets de Pino Tiempo (min) Tiempo (min) Tiempo (min) - Pellets compuestos de restos vegetales de tomate mezclados con poda de almendro Tiempo (min) Tiempo (min) Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa Tiempo (min) Mejor eficiencia con pellets de pino. Aunque la de RVI+ almendro es aceptable. Posibilidad de emplear calderas más específicas para biomasa con alta humedad y cenizas.

23 Flujo gas, L/min 3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y CO2 INSTALACIÓN DE SISTEMA DE CAPTURA Y DISTRIBUCIÓN DE CO2 SISTEMA DE CAPTURA DE CO2 SISTEMA DE DISTRIBUCION DE CO microtubo flexible riego 15 1 Depósito de 2 m3, carbón activo, soplante de baja presión, válvula de regulación y sensor de CO2 Tuberías de polietileno de riego por goteo Presion entrada, bar Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 23

24 3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y CO2 SISTEMA DE GESTIÓN DE CALOR Y CO2 Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 24

25 3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y CO2 DEMOSTRACIÓN DEL SISTEMA ADSORCIÓN DE CO 2 EN TANQUE DE CARBÓN ACTIVO Cantidad de CO2 retenida:35 Kg A presión elevada se retiene el CO 2 desde el gas de combustión. El resto de gases son emitidos al aire depurándose así el CO 2 para su uso en invernadero Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 25

26 3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y CO2 DEMOSTRACIÓN DEL SISTEMA SISTEMA DE CALEFACCIÓN SISTEMA DE ENRIQUECIMIENTO CO2 Durante la noche: Aumento de temperatura de 3ºC respecto al sistema sin calefacción Durante el día: Incremento de la concentración de CO2 hasta 8 vpm a demanda Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 26

27 CONCLUSIONES La generación de calor y CO 2 a partir de biomasa es factible y permite reducir costes además de suponer un sistema sostenible de producción. Los residuos vegetales de invernadero son susceptibles de ser reutilizados como fuente de calor y CO2 en invernaderos aunque la técnica debe aún ser mejorada y validada por largos periodos. La tecnología desarrollada permite suministrar calor y CO 2 de forma diferenciada en el tiempo, mas eficientemente que los sistemas de almacenamiento de agua. El uso de residuos vegetales como fuente de calor y CO2 para invernaderos es una alternativa interesante para mejorar la productividad a un menor coste que otras tecnologías, incrementando además la sostenibilidad de la producción ante el consumidor. Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 27

28 AGRADECIMIENTOS CENITCO2 (Consorcio Estratégico Nacional en Investigación Técnica del CO 2 ) Fundación CAJAMAR Est. Exp. Las Palmerillas Exeleria S.L. Grupo everis Dpto. Ingeniería Química Dpto. Lenguajes y Computación Universidad de Almería Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa 28