Biomassa forestal: Instal·lacions i usuaris finals
Objectiu: aportar coneixements generales a propietaris forestals i estudiants per millorar la utilització de biomassa en la producció d’energia
ÍNDEX
1
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
1 Tecnologies de transformació
Elsmètodesdetransformaciódelabiomassaenenergiaesbasenenlautilitzaciódecalorcomafontdeconversió.
Elsprincipalsprocessossónlacombustió,lagasificacióilapiròlisi.
o Combustió:Éseltipusdeconversióenergèticamésemprat(estufes,llars,calderes),ons'aprofitadirectamentlacalor
generadaalacambradecombustióienelsgasosd'escapament,quesurtenambaltestemperatures.Suposal'oxidació
completadelabiomassaaaltestemperatures(800-1000ºC).
o Gasificació:Tecnologiaperaprofitarelgasproduït(syngas)com
a combustible. Aquest gas pot emprar-se en diversitat
d'instal·lacions per generar calor i / o electricitat. Suposa una
combustió incompleta a altes temperatures (700 - 1200 ºC) en
presènciadepocoxigen.Elprincipalavantatgedelagasificacióés
l'obtenciód'uncombustibleversàtil(syngas)quepotserutilitzat
enequipsdissenyatsperagasogasoil,substituintcompletament
oparcialmentalscombustiblesfòssilsconvencionals.
o Piròlisi:Tecnologiaperaprofitarelspossiblesproductesgenerats:biocombustiblesòlid(carbó),líquidi/ogasós.La
ràtiodeproductesgeneratsdepènde lavelocitat iduradadelprocésdepiròlisi.Ésadir,segons lescondicionsde
l'operacióespotobtenirméscarbó,oméslíquid,omésgas.Suposaunacombustióincompletaabaixestemperatures
(400-600ºC)enabsènciad'oxigen.Perexemple,éselsistemaempratperal'obtenciódecarbó.
Figura1:Esquemadelprocésdegasificaciódebiomassa.
2
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
2 Aplicacions generals (1) 2.1 Generació d’energia tèrmica Generarcalorambbiomassaésl'aplicacióméscomuna,generalmentperacalefacció.Apartird'aquestaenergiaes
generaaiguacalenta,airecalentivapor.Amés,espotaprofitarelvaporperalaproducciód'energiaelèctricaoaltres
processosindustrials. 2.2 Generació d’energia elèctrica
Obtingudaprincipalmentdelatransformaciótèrmicadelabiomassa.Pergenerarl'energiaelèctricaapartirdelabiomassa
hihadiferentstecnologies:
• Cicledevapor:basaten lacombustióde labiomassaapartirde laqualesgeneravapor,elqual
mitjançantlasevaexpansiófamoureunaturbina.
• Turbinadegas:basatenlagasificaciódelabiomassa.Utilitzaelsgasosdesíntesiobtinguts,elsquals
fanmoureunaturbina.Sielsgasosquesurtendelaturbinas'aprofitenenuncicledevapor,llavors
esparladeciclecombinat.
• Motoralternatiu:motorqueutilitzaelsgasosde síntesiobtingutsapartirde lagasificacióde la
biomassa.
Elrendimentdelageneracióelèctrica, igualqueambaltresfontsd'energia,ésmoltvariable.Peralabiomassasolestar
entreel20%iel30%.Larestadel'energiasolperdreenformadecalor.
3
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
2.3 Cogeneració
És la producció conjunta d'electricitat i calor. Aquest aprofitament simultani de calor i electricitat comporta un
rendimentglobalméselevat,adiferènciadelageneracióelèctricaconvencional.
Per tant, la cogeneració és un sistema d'alta eficiència, que permet reduir la factura energètica sense alterar el procés
productiu.Elsusuarispotencialssónempresesamb:
oDemandesdecalorid'electricitatsimultàniesicontínues.
oCalendarilaboralde4.500a5.000horesanuals.
oEspaisuficientilegalitzacióadequadaperalaubicaciódelsnousequips.
COGENERACIÓN (80%
100% DERIVATS DEL PETROLI 44% ELECTRICITAT 43% AIGUA CALIENTA O VAPOR
100% DERIVATS DEL PETROLI 35% ELECTRICITAT 65% PÈRDUES A
100% DERIVATS DEL PETROLI 70% AGUA CALIENTA O VAPOR
PRODUCCIÓ ELECTRICITAT TRADICIONAL (50% RENDIMENT)
SISTEMA DE PRODUCCIÓ COMBINAT DE CALOR I ELECTRICITAT
CALDERA (GAS)
XARXA (PÚBLICA)
COGENERACIÓ (80% RENDIMENT)
Figura2:Esquemad’unaplantadecogeneració
4
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
2.4 Trigeneració
La trigeneració és la producció conjunta d'electricitat, calor i fred. Una planta de trigeneració és similar a una de
cogeneració,alaquals'afegeixunsistemad'absorcióperalaproducciódefred.Gràciesalseualtrendiment,espotreduir
considerablementelcostenergèticdelsprocessosproductiusquanesnecessitengransquantitatsdecalor,fredindustrial
oenergiaelèctrica.
La trigeneració és aplicable al sector terciari, on -amés de calefacció i ACS (aigua calenta sanitària) - es necessiten
quantitatsimportantsdefredperaclimatització.
L'estacionalitatd'aquestsconsums(calefaccióal'hiverniclimatitzacióal'estiu)impediriaelfuncionamentnormald'una
plantadecogeneracióclàssica.
REFRIGERACIÓ CALOR BIOFUEL
GENERADORMOTOR
REFRIGERADORPERABSORCIÓ
RELECTRICITAT
Figura3:Componentsdelprocésdetrigeneració
5
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
3 Tipus de calderes de biomassa (2)
LescalderesdebiomassapodendotarelsedificisdecalefaccióiACS,ilasevafiabilitatésequiparablealssistemes
habitualsdegasogasoil.
Les instal·lacionsdeproduccióde calor ambbiomassa forestal requereixenuna inversió inicial de3 a5 vegadesmés
elevadaqueelssistemesconvencionalsambelmateixnivelld'automatismes.Noobstantaixò,elpreudelcombustibleés
mésbarat.Peraixòs'utilitzenquanhihanecessitatstèrmiquesconstantsielevades,onl'economiadelpreudelabiomassa
respectealpreudelcombustiblefòssilpermetamortitzarmésràpidamentlainversió.
L'úsdebiomassaperacalefaccióestàespecialmentrecomanatonescompleixalgundelsrequisits:
§ Calderainstal·ladaambmésde15anys(degasnaturalogasoil)
§ Depròximarenovació
§ Defuturaconstrucció
§ Ambdemandadeclimatitzacióaltaiconstant
§ Ambespaiperlasitjailadescàrrega
Lescalderesdebiomassaesclassifiquensegonseltipusdecombustiblequeadmeten:
• Calderesdellenya:midapetita,molteficientsibaixcost.
• Calderesespecífiquesdepèl·let:midapetita(finsa40kW),altamenteficientsibaixcost.
• Calderesd'estella:midamitjanaogran,altamenteficientsiunamicaméscaresquelesdepèl·lets.
• Calderesmixtesopolicombustibles:admetendiferentstipusdecombustible(pèl·let,estella,restesdepoda,
pinyold'oliva,closcadefruitssecs,etc.)reprogramantelsparàmetresdelacaldera(simultàniament,no).Per
aixòpotescollir-seelcombustibleenfunciódelpreuiladisponibilitatlocal).Sóndemidamitjana(25kW-150
kW)omajor(>200kW).
6
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
Avuidia,l'avançtecnològichapermèsquelescalderesdebiomassaigualinenprestacions,comoditatirendimenta
les calderes de combustibles fòssils. Així i tot, l'ús energètic de la biomassa presenta alguns inconvenients en
comparacióambl'úsdelscombustiblesfòssils:
o Labiomassatémenysdensitatenergètica,elquefaqueelssistemesd'emmagatzematgesiguinmésgrans.
o Elssistemesd'alimentaciódelcombustibleil'eliminaciódelescendressónméscomplexosirequereixenuns
costosd'operacióimantenimentméselevats.
o Elscanalsdedistribuciódelabiomassanos'handesenvolupattantcomelsdelscombustiblesfòssils.
o Labiomassatéuncontingutelevatd'humitat,elquefaqueendeterminadesaplicacionspuguisernecessari
unprocésprevid'assecat.
Cal plantejar-se des del principi el biocombustible que es vol emprar i les característiques del lloc a calefactar, per tal de dissenyar la instal·lació a l'efecte (tipus de caldera, cremador, sistemes d'alimentació, sitja, etc.).
7
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
3.1 Calderes de llenya DescripcióLallenyasegueixsentlaformaméscomunadecalefacciódomèstica.Lescalderesmésmodernespresentenuna
avançadatecnologia,ambrendimentssuperiorsal90%.Lasevapotènciaoscil·laentre19i40kW.
ÚsrecomanatCalefacciódecasesaïlladesd'unopocspisos,amb
superfíciesaescalfardefinsa230m2.Especialment
interessantsiesdisposadellenyadeproducciópròpia
ComponentsoCalderadeflamainvertida
oAcumuladorinercialdelacalor
oEscalfadorperl'ACS
ocentraldecontrol
DissenydelsistemaDimensions:Enfunciódelescaracterístiquesdelsistema
decalefaccióiaïllamentdel'edificiidelazonaclimàtica
onestroba,generalmentesrecomanaunapotència
entre20i40W/m3.
Calunapotènciamenorenedificisbenaïllatsiamb
sistemesdecalefacciód'altaeficiència,comelsdeterra
oparetsradiants.
Sistema
d’aspiració
Bescanviadortèrmic
Echangeurthermique
Càrregadellenya
Cambra
de
combustió
sonda
centraletade
microprocessador
Recuperador
defums
Amblaporta
oberta
Figura4:Calderadellenya.
8
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
Nombredecàrreguesaldia:Constitueixl'autonomiadefuncionamentdesitjada.Depèndelacapacitatdelaboca
d'entradapercarregarlallenyaidelapotènciadelacaldera.Larelacióentreaquestesduesmesures,expressantla
capacitatdecàrregadellenyaenlitresilapotènciaenkW,proporcionaelnombreaproximatd'horesd'autonomia
defuncionamentcontinualamàximapotència.
CombustibleLlenyaambhumitatinferioral25%Hbh.Ésadir,assecadaalmenysun
anyal'aire,preferiblementsotacoberta.
CondicionantsLes calderes de llenya tenen avantatges enfront de les xemeneies de
llenyaconvencional:
oLasevanetejaésmoltmenysfreqüent,encaraquemésqueamb
calderesd'altresbiomasses
oGeneralmentsónd'alimentaciósemiautomàtica,ésadir,ques'ha
derealitzarlacàrregadelallenyamanualmentunaoduesvegades
aldia.
Foto1:Estufadellenyaambcàrregainferior
comporta
9
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
3.2 Calderes de pèl·lets
DescripcióElpèl·letésdemidapetita,homogeniiformacilíndricaillisa.Peraixòtendeixacomportar-secomunfluid,facilitant
elmovimentdelcombustibleilacàrregaautomàticadelescalderes.
Lasevapotènciapotoscil·larentreels12iels500kW,ambunrendimentproperal90%.
ÚsrecomanatCalefaccióenedificisdemidapetitaomitjanacomp.ex.casesindividuals
dinsd'unnucliurbà,blocsdepisos,hotels,etc.
ComponentsoCaldera
oDipòsitdepèl·let
oSistemad'alimentació
ocentralderegulació
oOpcionalment,acumuladorinercialiescalfadorperaACS
Figura3:Esquemad’unaestufadepèl·lets
10
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
DissenydelsistemaEldipòsitd'emmagatzematgehad'estaralcostatdelasaladelacalderaomoltpròxim.
Lescalderesméssenzillesescarreguenmanualmentambsacsde15kg,peraunaautonomiad'unopocsdies.En
canvi,encalderesambmajorpotènciapothaver-hiundipòsitmésgrandetipusmetàl·lic,flexibleod'obra,dedimensions
moltvariadesenfunciódelsdiesomesosd'autonomiaqueesprefereixi.
CombustiblePèl·letsquecompleixinelsrequerimentsdelacalderaenbasealsestàndardsestablerts,queregulenlaqualitatipoder
caloríficdelcombustible.
Elpèl·letestàdisponiblealmercatendiferentsformats:
oSacspetitsde10-15kg,utilitzatsenestufes,xemeneiesicalderespetitesambdipòsitdecàrregamanual
oBigbagsde800a1.000kg,utilitzatsensistemesd'alimentaciódecargolbisensfi
oAdojo,utilitzatensitgesd'emmagatzematge
CondicionantsElpreudelpèl·letéssuperioralde l'estella.Peraixò,quanhihagiespaisuficientpera lasitjad'emmagatzematgede
l'estellaisilaprioritatésl'estalvieconòmic,esrecomanaunacalderad'estellafrontunadepèl·lets,jaques'amortitza
abanslainstal·lació.Siesprioritzal'estalvienoperacionsdemanteniment,elpèl·letsempreésmilloropció.
11
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
3.3 Calderes d’astella
DescripcióElssistemesd'estellasóntotalmentautomatitzatsinotenenlímitdemida,podentaconseguirpotènciesDe25fins
a1.000kW,ambunrendimentproperal90%.
ÚsrecomanatCalefaccióenedificisdemidamitjanaograncom p.ex.
masies,hotels,escoles,comunitatsdeveïns,
hospitals,ajuntaments,centrescomercials,piscines
cobertes,etc.Tambéperausosindustrialsamb
elevadademandatèrmicacomgrangesd'engreix,
hivernacles,formatgeries,etc.
ComponentsoCaldera
oDipòsitperemmagatzemarl'estella
oSistemad'alimentació
ocentralderegulació
oOpcionalment,acumuladorinerciali
escalfadorperaACS
Figura4:Esquemad’unaestufad’astella
12
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
Foto2:Càrregad’estellapergravetat.CTFC
DissenydelsistemaEldipòsitd'emmagatzematgehad'estaralcostatdelasaladelacalderaomoltpròxim.Had'estardimensionaten
funciódelapotènciairendimentdelacaldera,delescaracterístiquesdelcombustibleidel'autonomiarequerida
(mínim15dies).
Eltipusdedescàrregadeterminaràlaconfiguraciódelasitja:
oDescàrregapergravetat:sitgesenterrats;permetl'úsdecamionsambcaixa
basculant(elsmésusualsieconòmics).
oDescàrregaambelevació:permetunamajorflexibilitateneldissenydela
sitja,peròesrequereixunremolcespecial.
oDescàrregaambsistemapneumàticomitjançantimpulsorsauxiliars:permet
unaflexibilitatabsolutaenlaubicaciódelasitja.
CombustibleEstellaquecompleixielsrequerimentsdelacalderaenbaseaunestàndard.
Perexemple,peralescalderesaustríaquess'utilitzalanormaÖNORMM7133:
oCalderesdomèstiques:G30=midaaproximatde2,8a16mmihumitatinferioral30%
oCalderesmitjanes:G50=midaaproximatde5,6a31,5ihumitatinferioral35%.
CondicionantsUndelscondicionantsmésimportantsperalaconstrucciód'unsistemadecalefacciód'estellesésladisponibilitatd'un
localperal'emmagatzematge,enunaposicióaccessibleperalsmitjansdetransportdelcombustibleiambunespai
adequatperalesmaniobres.
13
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
4 Implicacions per a cada tipus d’instal·lació (1)
4.1 Mida de la instal·lació
Segonsladimensióespodendistingirelstipusd'instal·lació:
oLesmenors:calderesd'autoconsum(consumde<100tany)ilesmini-xarxesdecalor(<1000t/any).Generen
únicamentcalor.
oCentralstermoelèctriques(CHP,CombinedHeatandPower)apartirde5MWe(<100.000t/any)
Commésgranéslainstal·lació,menoréslainversióperunitatinstal·lada(€/kW),laqualcosafaméseconòmiquesles
instal·lacionsgrans.Noobstantaixò,amesuraques'augmentaelvolumdedemandadematèriaprimeratambé
s'incrementaelradirequeritd'aprovisionament,ipertants'incrementenelscostosdetransportipertantdelamatèria
primera(4).
Pertant,lesplantesméspetitestenenunacàrregamésreduïdapelquefaacostosdetransport.
D'altrabanda,laproducciódebiomassa(t/ha)aixícomlasevalocalització,afectenelcostdel'energiai-pertant-sobre
lamesuraòptimadelaplanta.
Aixímateix,coms'hacomentat,enpetitesinstal·lacionsperacalefaccióelscostosd'inversió(€/kW)sónméselevats
queensistemesconvencionalsambgasogasoil,mentrequeelcombustible(€/kWh)ésmésbarat.
14
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
4.2 Variació estacional de la demanda Esprodueixsobretotenplantespetites,iprovocaalhoracertafluctuacióenl'activitatd'aprofitamentforestali
subministrament.
Lesgransplantestermoelèctriquestenenunademandamésestable.Noobstantaixò,peraaquestesgransdemandescal
evitarembussosdevehiclesdesubministramentenèpoquesdemàximademandaialsmatinsprogramantacuradament
elslliuraments(5).
4.3 Garantia de subministrament Calgarantirunsubministramentsuficientquecobreixieventualitatscomp.ex.:
oIncidènciesclimàtiques
oAvariesdelsequipsdesubministramentocontratempsdelpersonal
oAltsibaixosenelmercatdelafusta
Peraixòlesinstal·lacionsdemitjàogranconsumsolentenirelsubministramentdiversificat(mixdesubministrament),
ambdiferentsproveïdors idiferents fontsdebiomassa llenyosa (perexemple,biomassad'origenagrícola). Enaquest
sentit,unaplantadegranconsumdebiomassasituadapropdelacostapermetincloureenelmixdesubministrament
l'aprovisionamentlocalialhoraelmarítimdesd'altrespaïsosaunpreucompetitiu.
4.4 Requisits Elsrequisitsperalamatèriaprimeravariensegonslaplanta,elsistemad'alimentacióielssistemesdecontrol.Commés
granéslainstal·lació,soladmetreestellademenysqualitat:majorsdimensions,majorhumitat,ambmésimpureses.Per
aixòi l'economiad'escala,enpetitesplantesdecalefaccióelcombustibleésméscarquelamitjana, jaquelaqualitat
requeridaésmajor(5)ilesquantitatssubministradesmenors.
15
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
Enrelacióalahumitatesconsiderenelssegüentsvalorsdereferència(6)(5):
->1MW:admetfustaassecadaal'airelliure,finsal50%Hbh.
-<1MW:esrequereixhumitatmàximadel25-30%Hbh.
Taula1:Enrelacióalagranulometria,aFranças'esmentenlessegüentsdimensionsmitjanessegonseltipusdecaldera(6):
DestinacióDimensió(cm)
NotesLongitud Amplada Grossor
Calderesgrans 8 5 1-3 Comunacaixadelluminsgran
Calderesindividualsy
medianes(30-400kW)1,5-3 1-1,5 0,5 Méspetitaqueundit
4.5 Xarxa de subministrament
Bonapartdelmaterialdisponiblecomafontdebiomassasónelsaprofitamentsforestals.Pertant,dinsdelmixde
subministramentésnecessaricomptar,enprimerllocamblescadenesd'aprofitamentforestalpreexistents,lesqueja
estansubministrantmatèriesprimeresalaindústriadelafustaobiomassaaaltresinstal·lacions.
Eninstal·lacionsdegranconsumaquestmixhad'incloureproveïdorsdediferentsescales(granescala,mitjana,
propietarisoempresesparticulars)pergarantirelgruixdelademandaicobrirlesfluctuacions(7).
16
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
5 Elecció d’una caldera
Al'horadetriarunacalderadebiomassahihaunasèried'aspectesaconsiderarprèviament:
●Consumanualestimat:perescollirlapotènciadecalderamésadequada.
●Disponibilitatd'espaiiaccessos:unsistemadecalefaccióambbiomassatéunesexigènciesd'espaimajorsqueun
sistemaconvencional.Engeneral,caldisposard'espaisuficientperalacaldera,lasitjail'accésdelscamionsperpoder
subministrarlabiomassa.
●Capacitatdeldipòsitsegonselnombredecàrreguesanuals.
●Garantiadesubministramentdelproducte:hadeassegurar-seelsubministramentamig-llargterminiambunaqualitat
delabiomassaaltaiconstantabansdelseuestabliment.Elsubministramentdellenyaiestellaésrecomanableadistàncies
curtes,mentrequeelpèl·let(acausadelasevaelevadadensitatenergètica)facilitaelseutransportallarguesdistàncies.
●Mantenimentdelacaldera:quannos'utilitzencalderesdebiomassaambsistemesautomàticsdeneteja,calplanificar
laretiradaperiòdicadelescendresdelsintercanviadorsdecalor.Amés,s'hadevigilarelnivelldecombustiblealasitja
d'emmagatzematgeiplanificarlasevareposicióperevitarlamancadesubministrament.
●Serveitècnicdeconfiançaiproper
17
Biom
assafo
restal–In
stal·lacion
siusuarisfin
als
B – Bibliografia
1AFIB(APROFITAMENTSFUSTERSIBIOMASSA),CTFC.Síntesid'informaciótemàtica:Biomassa.19pp.Recuperado
en2017desdehttp://afib.ctfc.cat/sintesi-dinformacio-tematica-biomassa:[s.n.],2011.
2LÓPEZ,I.etal.Tecnologiesiaplicacionsdelabiomassa..Dossiertècnic,n.62,p.337-346,2013.3RODRÍGUEZ,J.etal.Aprofitamentidesemboscdebiomassaforestal.[S.l.]:GeneralitatdeCatalunya.Departamentde
MediAmbientiHabitatge.CentredelaPropietat(CPF).,2006.
4KUMAR,A.;CAMERON,J.B.;FLYNN,P.C.BiomasspowercostandoptimumplantsizeinwesternCanada.BiomassandBioenergy,n.24,p.445-464,2003.5HAKKILA,P.(.P.Developingtechnologyforlarge-scaleproductionofforestchips.WoodEnergyTechnologyProgramme1999-2003.Finalreport.TEKES.[S.l.],p.99pp.2004.6LAURIER,J.-P.;POUËT,J.-C.;BALLAIRE,P.Bois-energie:Ledéchiquetageenforêt.ADEME.CollectionConnaîtrepour
agir.ed.Paris:[s.n.],1998.111pp.
7BELL,J.F.V.;TEMMERMAN,M.;SCHENKEL,Y.Threelevelprocurementofforestresiduesforpowerplant.Biomassandbioenergy,n.24,p.401-409,2003.
Dissenyiredacció:JuditRodríguezCrèditsd’Il·lustracions:AFiB-CTFC
Edició:maig2019
Maquetació:Eduter-CNPR
Aquest projecte va ser finançat amb el suport de la Comissió Europea. Aquesta publicació (comunicació) reflecteix únicament l'opinió de l'autor, i la Comissió Europea no és responsable de l'ús que pugui fer de la informació continguda en la mateixa.
Peramésinformaciócontactaramblesentitats
sòciesdelprojecteeforOwnSietspropietari/aforestal
ABèlgica AEspanya AFrança
Sietsestudiantoformador/a
ABèlgica AEspanya AFrança