Calefacción de invernaderos mediante biomasa Juan Carlos López Hernández FUNDACION CAJAMAR
IMPORTANCIA DE LA TEMPERATURA Temperatura mínima Niveles inferiores a la temperatura mínima biológica provocan: Reducción del transporte y distribución de asimilados Disminución de la absorción de agua y sales Pérdida de fertilidad Reducción del crecimiento Tª media nocturna invernal (7-9ºC) < Tª óptima nocturna (15-20ºC) Productividad Calidad frutos Precios altos
SISTEMAS DE CALEFACCIÓN DE INVERNADEROS Variedad de sistemas disponibles 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
SISTEMAS DE CALEFACCIÓN DE INVERNADEROS Generador de aire caliente Calderas de calefacción por agua
SISTEMAS DE CALEFACCIÓN DE INVERNADEROS Combustibles 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.
/ m2 año Coste de combustible 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 Gasoil Aceituna Almendra Pellets pino 2,0 0,0 0 5 10 15 20 Tª consigna (ºC) Gasto anual en calefacción del invernadero para diferentes combustibles a distintas temperaturas de consigna durante un año en El Ejido
Calefacción por biomasa
Procesado de la biomasa: peletizado Tipos de biomasa-residuos agrícolas RESIDUOS DE CULTIVOS - HERBÁCEOS: - LEÑOSOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES - FRUTOS SECOS - ALMAZARAS RESIDUOS VEGETALES DE INVERNADERO
Procesado de la biomasa: peletizado Acondicionamiento de la biomasa (3) Compactación (peletizado) Se basa en la presión ejercida por una serie de rodillos (de 1 a 5) sobre los residuos situados sobre una matriz metálica dotada de orificios de calibre variable (0,5 a 2,5 cm.) 6-12 mm de diámetro 20-60 mm de longitud densidad 600 kg/m3
Calderas de biomasa para la calefacción de invernaderos Las caldera más adecuada para su empleo en invernadero, debe ser un equipo robusto, de fácil manejo y con alimentación de combustible automatizada A. Calderas de agua B. Generadores de aire
Alimentación del sistema
Fotosí ntesis (gr CH2O/m2 min) IMPORTANCIA DEL CO 2 Concentración de CO 2 La temperatura y concentración de dióxido de carbono (CO 2 ) son, junto con la disponibilidad de radiación solar, los factores determinantes de la fotosíntesis, y por tanto del crecimiento y productividad. La concentración de CO 2 óptima para el desarrollo de las especies hortícolas se ha establecido entre el rango de 700-1000 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 (370 mol mol -1 ), limitando los cultivos. 0.15 700 W/m2 0.1 500 W/m2 0.05 300 W/m2 100 W/m2 0 0 200 400 600 800 1000 Concentració n CO2 (ppm) (Rodríguez, F.)
IMPORTANCIA DEL CO2 Beneficios del control de clima y CO2 (Lorenzo, P.)
ENRIQUECIMIENTO CARBÓNICO Beneficios ambientales del uso de CO 2 en invernaderos 387 ha 0,82% 103 ha 0,22% 130 ha 0,27% 605 ha 1,28% Campaña 1998/99 1.701 ha 3,59% 150 ha 0,32% 31.576 ha 66,68% 4.909 ha 10,37% Fuente: Estimaciones finales de campaña 98/99. Servicio de Estadísitcas Agrarias del MAPA.* 7.291 ha 15,40% 1.610 ha 5,1% 150 ha 0,5% 750 ha 2,4% 21 ha 0,1% 57 ha 0,2% 725 ha 2,3% 3.500 ha 11,1% 24.763 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 El uso no se han extendido por el coste del CO 2 (0,2 /kgco 2 ) Cada hectárea fija de forma natural 37 TmCO 2 /Ha año 9,2 10 5 TmCO 2 /año en Almería, 1,7 10 6 TmCO 2 /año en España
ENRIQUECIMIENTO CARBÓNICO Estrategias de aporte de CO2 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. 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 tóxicos.
ENRIQUECIMIENTO CARBÓNICO Optimización del enriquecimiento carbónico 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. Minimizar las pérdidas de CO2 y maximizar el rendimiento de los cultivos combinando control de temperatura y CO2 con gases de combustión directa APLICACIÓN DE CAPTURA DE CO 2 ACOPLADA A PRODUCCION DE CALOR 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.
ENRIQUECIMIENTO POR COMBUSTIÓN DIRECTA Optimización de la inyección directa
ENRIQUECIMIENTO POR COMBUSTIÓN DIRECTA Límites de toxicidad La combustión directa permite aportar calor y/o CO2 pero pueden presentarse toxicidades para personas y plantas. concentraciones máximas aceptables (vpm) para humanos y plantas GAS PERSONAS PLANTAS PLANTAS 3 CO 2 5000 4550 1 1600 CO 47 100 1 SO 2 3,5 0,1 1 0,015 H2S 10,5 0,01 1 C 2 H 4 5,0 0,01 1 0,020 NO 5,2 1 / 5,0 2 0,5 1 / 0,01-0,1 2 0,250 NO 2 5,0 2 0,2-2,0 2 0,100 La concentración de los gases nocivos que puede dañar los cultivos depende de: duración de la exposición del gas, cultivo, radiación, temperatura, humedad, etc. Los síntomas observados en las plantas cultivadas bajo gases tóxicos son: reducción en el crecimiento, color verde oscuro de las hojas, hojas deformes, reducción del área foliar y abortos florales.
CAPTURA DE CO 2 ACOPLADA A PRODUCCION DE CALOR Descripción del sistema 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 CO 2 para aprovechar tanto el calor como el CO 2 generados durante la combustión es necesario almacenar uno u otro. Se pretende almacenar el CO 2.
Flujo gas, L/min CAPTURA DE CO2 ACOPLADA A PRODUCCION DE CALOR Descripción del sistema SISTEMA DE CAPTURA DE CO2 SISTEMA DE DISTRIBUCION DE CO2 250 200 microtubo flexible riego 150 100 Depósito de 2 m 3, carbón activo, soplante de baja presión, válvula de regulación y sensor de CO2 Tuberías de polietileno de riego por goteo 50 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Presion entrada, bar
CAPTURA DE CO2 ACOPLADA A PRODUCCION DE CALOR Control del sistema
Temperatura Invernadero (ºC) Humedad relativa (%), Apertura ventanas (%) [CO 2 ] invernad (ppm) Radiación PAR (W/ m 2 ) CAPTURA DE CO2 ACOPLADA A PRODUCCION DE CALOR Demostración del sistema SISTEMA DE CALEFACCIÓN SISTEMA DE ENRIQUECIMIENTO CO2 1000 500 800 600 400 200 400 300 200 100 0 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 Tiempo (h:mm) [CO2] inv Radiación 0 Figure. Greenhouse air temperature during the CO 2 supply with closed vents. 30 120 25 100 20 80 15 60 10 40 5 20 0 0 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:0012:0014:00 Tiempo (h:mm) Temp. Invernadero Humedad Ventanas Durante la noche: Aumento de temperatura de 3ºC respecto al sistema sin calefacción Durante el día: Incremento de la concentración de CO 2 hasta 800 vpm a demanda
Presión (bar) Apertura válvula (%) Rendimiento (%) [CO 2 ] tanque (% Vol.) CAPTURA DE CO 2 ACOPLADA A PRODUCCION DE CALOR Descripción del sistema ADSORCIÓN DE CO 2 EN TANQUE DE CARBÓN ACTIVO 120 100 80 60 40 20 0-20 0 50 100 150 200 250 300 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Tiempo (min) Cantidad de CO 2 retenida:35 Kg A presión elevada se retiene el CO 2 desde el gas de combustión. El resto de gases son emitidos a ambiente al liberar gas para regular la presión. 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 50 100 150 200 250 300 Presión Tiempo (min) Válvula tanque 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
GRACIAS