Diapositiva 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
.
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.
POTENCIAL ANUAL DE BIOMASA AGRÍCOLA Y FORESTAL EN
ESPAÑA (PER 2011-2020): 64,340,464 t (511PJ)
Producción total y consumo estimados de biocombustibles sólidos en
el sector doméstico en España (excluida la leña) en 2013 .
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)
500,000 (9.0)
200,000 (3.6)
Cáscaras de frutos
secos(20% humedad)
230,000 (3.2)
30,000 (0.4)
Total
1,250,000 (20.2)
445,000 (7.1)
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)
10-30
100-125
Chimeneas de leña
(con ACS)
10-30
100-190
Estufas de leña (aire)
5-15
250-325
Estufas de leña (agua)
5-15
150-300
Estufas de pélets (aire)
6-22
125-170
Estufas de pélets (agua)
6-22
250-300
Calderas de leña
10-30
280-350
Calderas de pélets
10-35
200-350
Caldera de gasóleo
10-35
50-100 (sin acumulador)
120-180 (con acumulador)
Caldera de gas natural
10-35
140-200 (condensación,
con acumulador
(1). Los precios indicados no incluyen la instalación
Precios indicativos (2013) de la biomasa en España en el
sector doméstico y comparación con los de los
combustibles fósiles ( en €/GJ combustible).
(1) Consumo de 50000kWt/año.
Tecnologías comerciales de la combustión directa de la biomasa
Tipo de alimentación
Sistema de combustión
Equipos que la utilizan
Manual
Combustión transversal (no
valido para calderas)
Combustión superior
Combustión inferior (aire
primario lateral o vertical)
Estufas, chimeneas,
cocinas y calderas de
leños o briquetas, de
pequeño tamaño.
Automática
-Lecho fijo (incluye parrillas)
-Lecho fluidizado
-Quemadores de polvo
-Combustión ciclónica
-Quemadores de cocombustión
Estufas, chimeneas,
cocinas y calderas de
pélets, astillas y otras
biomasas distintas a los
leños y briquetas
SISTEMAS DE COMBUSTIÓN DE LA BIOMASA ATENDIENDOA LA
ESTRATEGIA DE DISTRIBUCIÓN DEL AIRE PRIMARIO Y SECUNDARIO
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
Quemadores de biomasa
Quemador de pélets con alimentación inferior
(afloración)
Quemador de pélets con alimentación superior
Quemador con alimentación lateral
Sistemas y equipos de combustión para pequeñas capacidades
Tipo
Cap.
nominal
(MJ/h)
Principio combustión Observaciones
Equipos de calefacción de habitación
Chimeneas
(inserts)
0-15
Combustión transversal
o superior
Inapropiado como sistema
permanente de calefacción
Estufas de
pélets
10-35
Quemador con
alimentación superior
Operación automática, con o sin
producción de agua caliente
Estufas de leña
10-40
Combustión transversal o
superior
No producción de agua caliente
Chimeneas de
obra con
refractario
(masonrite)
5-60
Combustión transversal o
superior
Con o sin agua caliente asociada,
sistemas combinados leña/pélets
Calderas
Calderas de
pélets
>=10
Quemador alimentación
superior, horizontal o
inferior
Completamente automatizadas, tiro
forzado
Calderas de
leños
>=35
Combustión transversal o
inferior
Longitud de los leños hasta 40cm.
Tiro natural o forzado. Se precisa
acumulador
Calderas de
>= 35
Comb.trans./quemador
Operación automatizada posible.
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.
Tecnologías de combustión de biomasa mas
empleadas en centrales térmicas de calefacción de
distrito y otras calderas centralizadas del sector
doméstico
Tecnología
Alimentación Biomasa leñosa
Cap.
Nominal
(GJ/h)
Cont.
humedad
biomasa (%
b.h.)
Parrilla alimentación
inferior
Mecánica
Pélets y astillas
(ceniza <1%)
0,035-9
5-40
Parrillas móviles
(varios tipos)
Mecánica
Flexible (ceniza
hasta 50%)
0,51-170
5-60
BFB
Mecánica
Flexible Tamaño
de partícula <
5cm
20-120
5-60
TECNOLOGÍAS DE CALDERA EMPLEADAS EN
LAS CENTRALES DE DISTRITO
DE BIOMASA: CALDERAS DE PARRILLA MÓVIL
Caldera de biomasa con parrilla
móvil y alimentación lateral
TECNOLOGÍAS DE CALDERA EMPLEADAS EN LAS CENTRALES DE DISTRITO
DE BIOMASA: CALDERAS DE AFLORACIÓN
Caldera de biomasa con alimentación
inferior (afloración).
Control de las emisiones gaseosas en los procesos de
combustión de la biomasa
CO emissions of wood boilers
(log wood, wood chips and wood
pellets) tested according to EN 303-5.
Full load and part load efficiency of
wood boilers (log wood, wood chips
and wood pellets) tested according
to EN 303-5.
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)
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
mg/Nm3
Contenido
en gases
ng/Nm3
CO: 550
mg/Nm3
Contenido en Contenido en
cenizas vol.
gases
ng/Nm3
ng/Nm3
Contenido en
cenizas vol.
ng/Nm3
Benzo(a)antraceno
322.79
53.79
0
102.23
351.48
279.41
0
125.37
286.46
202.21
0
110.96
48.61
7.50
0
31.20
23771
8286.87
37961
15798.19
Benzo(b)fluoranteno
Benzo(k)fluoranteno
Benzo(a)pireno
Total
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
CO: 230
mg/Nm3
mg/Nm3
10% O2
10% O2
Contenido
en gases
ng/Nm3
Contenido en Contenido en
cenizas vol.
gases
ng/Nm3
ng/Nm3
Contenido en
cenizas vol.
ng/Nm3
Benzo(a)antraceno
76.79
14.01
46.52
58.53
0.00
29.52
0.00
103.54
0.00
19.00
0.00
74.52
0.00
4.45
0.00
27.66
552.67
18467.67
3242.34
Benzo(b)fluoranteno
Benzo(k)fluoranteno
Benzo(a)pireno
Total
11051.03
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
Máxima Eficiencia (%)
partículas (milimicras)
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
Sistemas de limpieza
de partículas
Capacidad
[1]
kW
Eficiencia
%
Vida media
años
Salida
mercado
Sistemas
vendidos
(2010)
Precio
$ US
5000
Scrubber/Condensacion
15 - 1000
≤ 70
15 - 20
2007
250
≤ 25
≤ 50
751)
20
2008
20
Carbonizer
20 - 500
≤ 86
> 20
2003
500
Profitherm
15 - 150
50
> 20
-
-
23004)
Hydrocube
Power Condenser
1700
2500
14502)
27503)
Precipitador electrostático
Zumik®on
≤ 35
60 - 90
15 - 20
2006
> 140
1100
Trion
≤ 35
≤ 50
90
15-20
2005
300 - 400
1000 20005)
90
> 60
15
-
2008
2008
0
10
1370
1400
≤ 3500
OekoTube
Airbox
Filtros de mangas
≤ 70
≤ 15
Keramik-filter
> 200
99
15 - 20
-
-
-
200 - 600
< 10 mg/m³
-
-
-
-
Koeb Winkel
1) 50 sin scrubber
2) 20 kW
3) 100 kW
4)
5)
20 kW
Depende del modelo
Medidas para la reducción de NOx
Medidas primarias:
- Recirculación gases de combustión. Poco eficaz pues actúa
sobre Nox térmico. Reducción 10-20%
- 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%.
Medidas secundarias:
- 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%.
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
EFICIENCIA Y EMISIONES DE PEQUEÑAS CALDERAS DE
ÚLTIMA GENERACIÓN (top 25).. Fuente: Bioenergy2020+
Datos a capacidad nominal
Tecnología
Biomasa
Capacidad
(kW)
(%)
CO
(mg/m3
(13%O2)
PM
(mg/m3
(13%O2)
NOX
(mg/m3
(13%O2)
Avg.
Retail
price
(€)
<16
94
38
16
124
8500
16-30
93
35
17
121
9500
30-50
94
34
17
117
11600
50-100
93
22
26
141
16300
>100
93
15
22
99
-
<25
92
118
26
123
7000
25-35
92
149
29
112
7150
35-50
92
11
42
103
8750
>50
92
65
22
106
-
Norma UNE-EN-3035(2012)
ValoresPélets (leña)
< 500kWt
89(>100kWt
500(700)
40(60)
-
-
Directiva de ecodiseño
(elaboración)
< 1MWt
77(>20kWt)
300
20
200
-
Pélets
Caldera
Leña
Parámetros de combustión de diferentes calderas de tecnología
española con pélets de serrín. Fuente: PSE On Cultivos. CIEMAT
Caldera
Pot (kWt)
1
400
2
250
3
220
4
170
Día
CO
mg/Nm3
NOx
mg/Nm3
MP
mg/Nm
T
humos
(ºC)
η (%)
PAHs
(µg/Nm3)
1º
2º
1º
530-730
490-590
420-450
100
120
148
82,1
28,3
n.d.
240
220
120
90
91
90
84,69
41,05
83,31
2º
1º
2º
1º
2º
1º
650-710
310-370
555-585
580-640
500-530
595-630
138
207
203
140
130
187
n.d.
62,5
78,2
31,7
42,7
31,1
120
180
188
230
237
325
90
88
88
84
84
77
103,58
100,99
181,95
25,40
8,59
50,86
2º
1º
2º
1º
2º
1º
2º
1º
2º
470-530
330-360
320-350
430-480
460-560
200-250
200-230
50-70
50-140
178
145
140
152
143
165
170
140
140
38,2
42,1
64,3
34,6
47,7
26,1
22,9
11,7
14,8
343
200
200
210
210
160
162
160
160
78
89
89
91
91
93
92
93
92
31,68
7,18
4,03
56,78
63,85
5,52
4,16
2,57
2,60
35
5
6
25
7
46,5
8
25
9
116
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
Incremento de eficiencia y
reducción de inquemados (CO,
partículas)
Calderas de condensación
Incremento de la eficiencia y
disminución de partículas
Sistemas de combustión en dos etapas (calderas
con pregasificación).
Incremento de la eficiencia y
disminución de partículas y NOx.
Reducción de la sinterización.
Utilización de nuevos elementos de limpieza de
partículas: precipitadores electrostáticos de bajo
coste
Disminución de partículas
4. EVALUACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL PRODUCIDO POR LAS NUEVAS
INSTALACIONES DE BIOMASA DEL SECTOR DOMÉSTICO