Posibilidades tecnológicas y retos para el desarrollo de la biomasa térmica en los sectores doméstico, institucional y comercial
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- Francisco Vargas de la Fuente
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1 JORNADA SOBRE POTENCIAL Y DESARROLLO DE LA BIOMASA TÉRMICA COIIM Madrid, 3 de Junio de 2014 Posibilidades tecnológicas y retos para el desarrollo de la biomasa térmica en los sectores doméstico, institucional y comercial. Juan E. Carrasco Jefe de la Unidad de Biomasa CEDER-CIEMAT
2 Contenido Estado actual del uso de los biocombustibles sólidos en el sector doméstico. Sistemas y tecnologías de combustión de la biomasa sólida. Medidas de reducción y control de las emisiones. Retos de tipo técnico para el desarrollo de la biomasa térmica en el sector doméstico.
3 POTENCIAL ANUAL DE BIOMASA AGRÍCOLA Y FORESTAL EN ESPAÑA (PER ): 64,340,464 t (511PJ) Producción total y consumo estimados de biocombustibles sólidos en el sector doméstico en España (excluida la leña) en Biocombustible sólido Producción nacional t (PJ) Consumo nacional doméstico t (PJ) Pélets (10% humedad) 300,000 (5.4) 150,000 (2.7) Astillas (20-50% humedad) 220,000 (2.6) 30,000 (20-25% humedad) (0.4) Hueso de aceituna (20% humedad) Cáscaras de frutos secos(20% humedad) 500,000 (9.0) 200,000 (3.6) 230,000 (3.2) 30,000 (0.4) Total 1,250,000 (20.2) 445,000 (7.1)
4 Las instalaciones de biomasa del sector doméstico requieren una inversión muy superior a las de combustibles fósiles Precios indicativos en el mercado de instalaciones individuales de calefacción del sector doméstico de biomasa y de combustibles fósiles en España (1) Tipo de equipo Rango de potencia(kw) Precio ( /kw) Chimeneas de leña (sin ACS) Chimeneas de leña (con ACS) Estufas de leña (aire) Estufas de leña (agua) Estufas de pélets (aire) Estufas de pélets (agua) Calderas de leña Calderas de pélets Caldera de gasóleo (sin acumulador) (con acumulador) Caldera de gas natural (condensación, con acumulador (1). Los precios indicados no incluyen la instalación
5 (1) Consumo de 50000kWt/año. Precios indicativos (2013) de la biomasa en España en el sector doméstico y comparación con los de los combustibles fósiles ( en /GJ combustible).
6 Tecnologías comerciales de la combustión directa de la biomasa Tipo de alimentación Sistema de combustión Equipos que la utilizan Manual Automática Combustión transversal (no valido para calderas) Combustión superior Combustión inferior (aire primario lateral o vertical) -Lecho fijo (incluye parrillas) -Lecho fluidizado -Quemadores de polvo -Combustión ciclónica -Quemadores de cocombustión Estufas, chimeneas, cocinas y calderas de leños o briquetas, de pequeño tamaño. Estufas, chimeneas, cocinas y calderas de pélets, astillas y otras biomasas distintas a los leños y briquetas
7 SISTEMAS DE COMBUSTIÓN DE LA BIOMASA ATENDIENDOA LA ESTRATEGIA DE DISTRIBUCIÓN DEL AIRE PRIMARIO Y SECUNDARIO
8 SISTEMAS DE COMBUSTIÓN DE BIOMASA: QUEMADORES Tipos de quemadores Apto para pélets exclusivamente Apto para pélets y astillas (bajo contenido en cenizas) Apto para pélets, astillas y, con parrillas específicas, para biomasas con alto contenido de humedad y de cenizas
9 Quemadores de biomasa Quemador de pélets con alimentación inferior (afloración) Quemador de pélets con alimentación superior Quemador con alimentación lateral
10 Tipo Chimeneas (inserts) Estufas de pélets Cap. nominal (MJ/h) Principio combustión Observaciones Equipos de calefacción de habitación 0-15 Combustión transversal o superior Quemador con alimentación superior Estufas de leña Combustión transversal o superior Chimeneas de obra con refractario (masonrite) Calderas de pélets Calderas de leños Sistemas y equipos de combustión para pequeñas capacidades 5-60 Combustión transversal o superior Calderas >=10 Quemador alimentación superior, horizontal o inferior >=35 Combustión transversal o inferior Inapropiado como sistema permanente de calefacción Operación automática, con o sin producción de agua caliente No producción de agua caliente Con o sin agua caliente asociada, sistemas combinados leña/pélets Completamente automatizadas, tiro forzado Longitud de los leños hasta 40cm. Tiro natural o forzado. Se precisa acumulador Calderas de >= 35 Comb.trans./quemador Operación automatizada posible.
11 Diferentes pequeños equipos de combustión de biomasa empleados en el sector doméstico Chimenea cerrada (insert) Caldera con depósito para pélets Estufa semiautomática de pélets Chimenea de leños con acumulador de calor. 25kWt. Tulikivi.
12 Tecnología Alimentación Biomasa leñosa Cap. Nominal (GJ/h) Parrilla alimentación inferior Parrillas móviles (varios tipos) Mecánica Mecánica Pélets y astillas (ceniza <1%) Flexible (ceniza hasta 50%) BFB Mecánica Flexible Tamaño de partícula < 5cm Tecnologías de combustión de biomasa mas empleadas en centrales térmicas de calefacción de distrito y otras calderas centralizadas del sector doméstico 0, , Cont. humedad biomasa (% b.h.)
13 Caldera de biomasa con parrilla móvil y alimentación lateral TECNOLOGÍAS DE CALDERA EMPLEADAS EN LAS CENTRALES DE DISTRITO DE BIOMASA: CALDERAS DE PARRILLA MÓVIL
14 TECNOLOGÍAS DE CALDERA EMPLEADAS EN LAS CENTRALES DE DISTRITO DE BIOMASA: CALDERAS DE AFLORACIÓN Caldera de biomasa con alimentación inferior (afloración).
15 Control de las emisiones gaseosas en los procesos de combustión de la biomasa
16 CO emissions of wood boilers (log wood, wood chips and wood pellets) tested according to EN Full load and part load efficiency of wood boilers (log wood, wood chips and wood pellets) tested according to EN
17 Medidas para la reducción de las emisiones de CO y compuestos orgánicos asociados. -Ajustar de forma precisa el aire a valor lambda - Empleo de acumuladores ( equipos de astillas y leños) -Regla 3T: 1. Tiempo de residencia suficiente (volumen y diseño adecuado de la cámara de combustión) 2.Alta temperatura en la cámara de combustión (empleo de refractario) 3. Alta turbulencia en cámara de combustión (cuando la tendencia a la sinterización de la biomasa utilizada es pequeña)
18 Concentración de PAHs en cenizas volantes emitidas en los ensayos de combustión de biomasa de pélet de serrín. Caldera de afloración 60kWt (tecnología de 2003). Fuente: CIEMAT Compuestos CO: 60 CO: 550 mg/nm 3 mg/nm 3 Contenido en gases ng/nm 3 Contenido en cenizas vol. ng/nm 3 Contenido en gases ng/nm 3 Contenido en cenizas vol. ng/nm 3 Benzo(a)antraceno Benzo(b)fluoranteno Benzo(k)fluoranteno Benzo(a)pireno Total
19 Contenido de PAHs en cenizas volantes emitidas en los ensayos de combustión de hueso de aceituna. Caldera de afloración 60kWt (tecnología de 2003). Fuente: CIEMAT Compuestos CO: 60 mg/nm 3 10% O2 CO: 230 mg/nm 3 10% O2 Contenido en gases ng/nm 3 Contenido en cenizas vol. ng/nm 3 Contenido en gases ng/nm 3 Contenido en cenizas vol. ng/nm 3 Benzo(a)antraceno Benzo(b)fluoranteno Benzo(k)fluoranteno Benzo(a)pireno Total
20 Medidas primarias. Medidas para la reducción de las emisiones de partículas - Las mismas que para la reducción de CO Medidas secundarias: empleo de sistemas de limpieza de gases Sistema de limpieza Tamaño mínimo de partículas (milimicras) Máxima Eficiencia (%) Ciclones >50 <50 Multiciclones >5 <80 Precipitadores electrostáticos <1 >99 Filtros de mangas <1 >99 Scrubbers húmedos spray >10 <80 Scrubbers venturi >0.5 <99 Condensación de gases
21 Sistemas de limpieza de partículas Scrubber/Condensacion Capacidad kw [1] Eficiencia % Vida media años Salida mercado Sistemas vendidos (2010) Precio $ US Hydrocube Power Condenser 75 1) Carbonizer > ) ) Profitherm > ) Precipitador electrostático Zumik on > Trion ) OekoTube Airbox 15 > Filtros de mangas Keramik-filter > Koeb Winkel < 10 mg/m³ ) 50 sin scrubber 4) 2) 20 kw 20 kw 5) 3) Depende del modelo 100 kw
22 Medidas primarias: Medidas para la reducción de NOx - Recirculación gases de combustión. Poco eficaz pues actúa sobre Nox térmico. Reducción 10-20% Medidas secundarias: - Separación clara de zona de aire primario y secundario (creación de zona intermedia de reducción en la que se produce la reducción del NO). Reducción 30-60% - Separación combustión biomasa en dos zonas bien diferenciadas (creación de zona de reducción en la que se produce la reducción del NO). Reducción 50-70%. - Empleo de amoníaco o urea que se inyectan en los gases calientes de salida. Reducción 60-70%. Se emite urea o amoníaco debido a que hay que emplearlos en exceso. - Empleo de catalizadores metálicos para producir y acelerar la reducción del NO (Pt, Va, Ti..). Reducción 80-95%.
23 Esquema de estufa de leña con pregasificación Figure: Cutaway of two staged air gasifying wood stove: A stove digital regulation B collector of exhaust gasses C lambda sensor D thermal safety sensor E primary air motorized register F secondary air motorized register G secondary combustion H gas expulsion from the primary room I thermal isolation
24 Tecnología Biomasa Capacidad (kw) EFICIENCIA Y EMISIONES DE PEQUEÑAS CALDERAS DE ÚLTIMA GENERACIÓN (top 25).. Fuente: Bioenergy2020+ (%) Datos a capacidad nominal CO (mg/m 3 (13%O 2 ) PM (mg/m 3 (13%O 2 ) NO X (mg/m 3 (13%O 2 ) Avg. Retail price ( ) < Pélets Caldera > Leña < > Norma UNE-EN-303-5(2012) ValoresPélets (leña) Directiva de ecodiseño (elaboración) < 500kWt 89(>100kWt 500(700) 40(60) - - < 1MWt 77(>20kWt)
25 Parámetros de combustión de diferentes calderas de tecnología española con pélets de serrín. Fuente: PSE On Cultivos. CIEMAT Caldera Pot (kwt) Día CO mg/nm 3 NOx mg/nm 3 MP mg/nm T humos (ºC) η (%) PAHs (µg/nm 3 ) , º , ,69 2º , ,05 1º n.d ,31 2º n.d ,58 1º , ,99 2º , ,95 1º , ,40 2º , ,59 1º , ,86 2º , ,68 1º , ,18 2º , ,03 1º , ,78 2º , ,85 1º , ,52 2º , ,16 1º , ,57 2º , ,60
26 NECESIDADES TECNICAS PARA EL DESARROLLO DE LA BIOMASA EN EL SECTOR DOMÉSTICO 1. Desarrollo de sistemas logísticos sostenibles de suministro 2. Normalización y clasificación de la calidad de los biocombustibles 3.Desarrollo tecnológico de los equipos de combustión Desarrollo de softwares de control mejor adaptados a las características de los sistemas de combustión -. de biomasa Calderas de condensación Sistemas de combustión en dos etapas (calderas con pregasificación). Utilización de nuevos elementos de limpieza de partículas: precipitadores electrostáticos de bajo coste Incremento de eficiencia y reducción de inquemados (CO, partículas) Incremento de la eficiencia y disminución de partículas Incremento de la eficiencia y disminución de partículas y NOx. Reducción de la sinterización. Disminución de partículas 4. EVALUACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL PRODUCIDO POR LAS NUEVAS INSTALACIONES DE BIOMASA DEL SECTOR DOMÉSTICO
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