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

.

JORNADA SOBRE POTENCIAL Y

DESARROLLO DE LA BIOMASA TÉRMICA COIIM

Madrid, 3 de Junio de 2014

• 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.

Contenido

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)

Precios indicativos en el mercado de instalaciones individuales de calefacción del

sector doméstico de biomasa y de combustibles fósiles en España (1)

Las instalaciones de biomasa del sector doméstico

requieren una inversión muy superior a las de

combustibles fósiles

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 co-

combustión

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 con alimentación lateral

Quemador de pélets con alimentación superior

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

astillas

>= 35 Comb.trans./quemador

horizontal/comb. inferior

Operación automatizada posible.

Aconsejable acumulador

Sistemas y equipos de combustión para pequeñas capacidades

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.

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 combustión de biomasa mas

empleadas en centrales térmicas de calefacción de

distrito y otras calderas centralizadas del sector

doméstico

Caldera de biomasa con parrilla

móvil y alimentación lateral

TECNOLOGÍAS DE CALDERA EMPLEADAS EN

LAS CENTRALES DE DISTRITO

DE BIOMASA: CALDERAS DE PARRILLA MÓVIL

Caldera de biomasa con alimentación

inferior (afloración).

TECNOLOGÍAS DE CALDERA EMPLEADAS EN LAS CENTRALES DE DISTRITO

DE BIOMASA: CALDERAS DE 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)

Compuestos CO: 60

mg/Nm3

CO: 550

mg/Nm3

Contenido

en gases

ng/Nm3

Contenido en

cenizas vol.

ng/Nm3

Contenido en

gases

ng/Nm3

Contenido en

cenizas vol.

ng/Nm3

Benzo(a)antraceno

322.79 53.79 0 102.23

Benzo(b)fluoranteno

351.48 279.41 0 125.37

Benzo(k)fluoranteno

286.46 202.21 0 110.96

Benzo(a)pireno

48.61 7.50 0 31.20

Total

23771 8286.87 37961 15798.19

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

10% O2

CO: 230

mg/Nm3

10% O2

Contenido

en gases

ng/Nm3

Contenido en

cenizas vol.

ng/Nm3

Contenido en

gases

ng/Nm3

Contenido en

cenizas vol.

ng/Nm3

Benzo(a)antraceno

76.79 14.01 46.52 58.53

Benzo(b)fluoranteno

0.00 29.52 0.00 103.54

Benzo(k)fluoranteno

0.00 19.00 0.00 74.52

Benzo(a)pireno

0.00 4.45 0.00 27.66

Total

11051.03 552.67 18467.67 3242.34

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

Medidas primarias.

- 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

Medidas para la reducción de las emisiones de

partículas

Sistemas de limpieza

de partículas

Capacidad

kW

Eficiencia

%

Vida media

años

Salida

mercado

Sistemas

vendidos

(2010)

Precio

$ US

Scrubber/Condensacion

Hydrocube 15 - 1000 ≤ 70 15 - 20 2007 250 5000

Power Condenser ≤ 25

751) 20 2008 20 1700

≤ 50 2500

Carbonizer 20 - 500 ≤ 86 > 20 2003 500 14502)

27503)

Profitherm 15 - 150 50 > 20 - - 23004)

Precipitador electrostático

Zumik®on ≤ 35 60 - 90 15 - 20 2006 > 140 1100

Trion

≤ 35

90 15-20 2005 300 - 400 1000 -

20005) ≤ 50

≤ 3500

OekoTube ≤ 70 90 15 2008 0 1370

Airbox ≤ 15 > 60 - 2008 10 1400

Filtros de mangas

Keramik-filter > 200 99 15 - 20 - - -

Koeb Winkel 200 - 600 < 10 mg/m³ - - - - 1) 50 sin scrubber 2) 20 kW 3) 100 kW

4) 20 kW 5) Depende del modelo

[1]

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%.

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

Esquema de estufa de leña con pregasificación

EFICIENCIA Y EMISIONES DE PEQUEÑAS CALDERAS DE

ÚLTIMA GENERACIÓN (top 25).. Fuente: Bioenergy2020+

Tecnología

Biomasa

Capacidad

(kW)

Datos a capacidad nominal

(%)

CO

(mg/m3

(13%O2)

PM

(mg/m3

(13%O2)

NOX

(mg/m3

(13%O2)

Avg.

Retail

price

(€)

Caldera

Pélets

<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 -

Leña

<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-303-

5(2012)

ValoresPélets (leña)

< 500kWt 89(>100kWt 500(700) 40(60) - -

Directiva de ecodiseño

(elaboración)

< 1MWt 77(>20kWt) 300 20 200 -

Caldera Pot (kWt) Día CO

mg/Nm3

NOx

mg/Nm3

MP

mg/Nm

T

humos

(ºC)

η (%) PAHs

(µg/Nm3)

1 400 1º 530-730 100 82,1 240 90 84,69

2º 490-590 120 28,3 220 91 41,05

2 250

1º 420-450 148 n.d. 120 90 83,31

2º 650-710 138 n.d. 120 90 103,58

3 220 1º 310-370 207 62,5 180 88 100,99

2º 555-585 203 78,2 188 88 181,95

4 170 1º 580-640 140 31,7 230 84 25,40

2º 500-530 130 42,7 237 84 8,59

5

35

1º 595-630 187 31,1 325 77 50,86

2º 470-530 178 38,2 343 78 31,68

6 25 1º 330-360 145 42,1 200 89 7,18

2º 320-350 140 64,3 200 89 4,03

7 46,5 1º 430-480 152 34,6 210 91 56,78

2º 460-560 143 47,7 210 91 63,85

8 25 1º 200-250 165 26,1 160 93 5,52

2º 200-230 170 22,9 162 92 4,16

9 116 1º 50-70 140 11,7 160 93 2,57

2º 50-140 140 14,8 160 92 2,60

Parámetros de combustión de diferentes calderas de tecnología

española con pélets de serrín. Fuente: PSE On Cultivos. CIEMAT

-.

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

4. EVALUACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL PRODUCIDO POR LAS NUEVAS

INSTALACIONES DE BIOMASA DEL SECTOR DOMÉSTICO

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