Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones.

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Industrial Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. Autor: Blanca Membrillera Serrano Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 ii iii Trabajo Fin de Máster Máster Universitario de Ingeniería Industrial Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. Autor: Blanca Membrillera Serrano Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 iv v Trabajo Fin de Máster: Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. Autor: Blanca Membrillera Serrano Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2018 El Secretario del Tribunal vi A mis padres y mis hermanas. A mis maestros vii viii Resumen En el proyecto se va a llevar a cabo un estudio de las diferentes formas de climatización mediante calderas de biomasa. Conoceremos los distintos tipos de aplicaciones, las diferentes partes de una caldera y su funcionamiento. Se realizará un caso práctico donde se comparará una instalación de una vivienda en la que se utilizan varios tipos de combustibles fósiles y combustibles biomásicos, donde se podrá apreciar que a pesar de la alta inversión inicial de la instalación que emplea biomasa al cabo de los años llega a ser rentable. Y por último se realizará una búsqueda de instalaciones que están en marcha actualmente y se estudiará que tipo de combustible es el más empleado, rango de potencia, tipo de unidad terminal…etc. ix xvi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Abaratamiento en el coste de adquisición de la energía en el Mercado Diario de OMIE. 1 Figura 2: Proporción de viviendas que usan biomasa. [18] 2 Figura 3: Producción de energía primaria con biomasa con en la Unión Europea. [18] 3 Figura 4: Consumo de energía primaria en 2015. Fuente: APPA 3 Figura 5: Situación de la biomasa dentro de las energías renovables. [4] 4 Figura 6: Producción de bioetanol en la UE (en toneladas). [27] 5 Figura 7: Proceso obtención biodiesel. [27] 6 Figura 8: Proceso de obtención del biogás. [28] 7 Figura 9: Objetivos de la biomasa para el sector de calefacción y transporte en España. [22] 8 Figura 10: Ciclo del carbono en la biomasa [5]. 9 Figura 11: Empleos generados por las energía renovables a nivel mundial. 10 Figura 12: Clasificación energética de la biomasa. [30] 11 Figura 13: Proceso de pirólisis. [30] 12 Figura 14: Esquema de una red centralizada para calefacción. 13 Figura 15: Esquema de una planta de producción de electricidad. [18] 14 Figura 16: Esquema de la caldera de Sangüesa. [19] 15 Figura 17: Diagrama energético de la instalación. [31] 15 Figura 18: Balance de masa del proceso de la industria del aceite. [7] 16 Figura 19: Hueso de aceituna del almacén de CGC en Jerez de la Frontera. [7] 17 Figura 20: Distribución del potencial aprovechable en Andalucía [7] 18 Figura 21: Distribución del potencial de biomasa en Andalucía por fuentes de obtención. [8] 21 Figura 22: Instalación de calefacción y producción de ACS con control de la temperatura de retorno [9] 22 Figura 23: Instalación de calefacción de suelo radiante [9] 23 Figura 24: Instalación de suelo radiante y ACS [9] 23 Figura 25: Climatización por medio de biomasa [10]. 24 Figura 26: Esquema de obtención de frío mediante compresión mecánica. [20] 25 Figura 27: Esquema de obtención de frío mediante absorción. [20] 25 Figura 28: Sistema mixto biomasa-solar para calefacción [10]. 26 Figura 29: Sistema de energía solar térmica para calefacción y ACS descentralizada [10]. 27 Figura 30: Sistema de energía solar térmica para calefacción y ACS centralizada [10]. 27 Figura 31: Vivienda unifamiliar con instalación mixta biomasa-solar. 28 Figura 32: Pellets de biomasa. [13] 29 Figura 33: Evolución del precio de la energía (cent €/ kWh) [13] 31 Figura 34: Proceso de peletización. [10] 31 Figura 35: Briquetas. [17] 32 Figura 36: Caldera compacta. [13] 33 xvii Figura 37: Caldera con parrilla móvil. [13] 33 Figura 38: Caldera de combustión en cascada. [14] 34 Figura 39: Caldera de biomasa. [17] 35 Figura 40: Consejos básicos sobre chimeneas. [9] 36 Figura 41: Sistema de alimentación de una caldera de biomasa. [17] 37 Figura 42: Alimentación superior. [9] 37 Figura 43: Alimentación horizontal. [9] 37 Figura 44: Silo textil. [15] 38 Figura 45: Silo enterrado fuera del edificio y bajo el edificio. [15] 39 Figura 46: Silo de obra. [15] 39 Figura 47: Suelo inclinado de un lado y tornillo sinfín recto. [15] 40 Figura 48: Sistema de eliminación de cenizas. [16] 42 Figura 49: Sistema de acumulación en el tubo de equilibrio del colector. [10] 44 Figura 50: Válvula de seguridad. 45 Figura 51: Evolución del coste de los combustibles. 48 Figura 52: Comparativa de las distintas instalaciones 49 Figura 53: Evolución del coste total de las instalaciones. 50 Figura 54: Evolución de las instalaciones de biomasa. [23] 51 Figura 55: Diferentes aplicaciones de la biomasa. 52 Figura 56: Uso de la biomasa. 53 Figura 57: Aplicaciones térmicas frente a la generación de electricidad. 53 Figura 58: Tipo de unidad terminal. 54 Figura 59: Tipos de combustibles. 55 Figura 60: Empleo de los subproductos de la aceituna por comunidades. 55 Figura 61: Empleo del pellet por comunidades. 56 Figura 62: Fabricantes de pellets en 2017. [15] 56 Figura 63: Potencia media instalada (kW). 57 Figura 64: Instalación nueva frente a sustitución. 57 Figura 65: Potencia instalada. [17] 60 xviii 1 1 INTRODUCCIÓN A lo largo de los últimos tiempos el medio ambiente ha ido sufriendo cambios destacados en su mayor parte debido a la acción humana, hasta llegar al punto de generar cierta preocupación en la población. Esta preocupación no deja de aumentar, ya que la naturaleza es vital tanto para los seres humanos como para el resto de los seres vivos. Además el incremento progresivo de la demanda energética y la dependencia de las reservas de los combustibles fósiles, hoy por hoy limitadas, hace necesario la búsqueda de nuevas tecnologías energéticas. Estas nuevas tecnologías deben tener obligatoriamente una serie de características como: alto rendimiento y mínima emisión de contaminantes. A pesar de que las materias utilizadas como combustibles por el hombre han ido evolucionando a lo largo de la historia, la tendencia ahora muestra un aumento del uso de las energías renovables. A comienzos del 2012 se decretó en España un parón energético, que fue provocado por varios motivos: una gran instalación de renovables en un periodo en el que la tecnología no estaba demasiado madura y la necesidad de grandes ayudas públicas. Todo esto coincidió con una crisis que redujo drásticamente la demanda de electricidad por lo que había más energía instalada de la que era demandada, pero después de varios años las energías renovables están volviendo a tomar bastante fuerza. La apuesta por las energías renovables a nivel mundial no se explica únicamente por una motivación medioambiental. Los beneficios de estas energías van mucho más allá de la descarboniazación de la economía. La reducción de la dependencia energética, creación de empleo, fijación de población en entornos rurales, gestión de residuos agrícolas, ganaderos y urbanos...son algunos de los beneficios. Otro aspecto positivo de su uso es el abaratamiento del precio en el mercado diario. Esto ocurre debido a que se eliminan las emisiones, las cuales tienen unos costes en concepto de derechos de emisión. Figura 1: Abaratamiento en el coste de adquisición de la energía en el Mercado Diario de OMIE. Fuente: APPA 4.836 4.848 3.352 4.056 5.871 7.105 4.180 5.370 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Millones de €corrientes “No es la contaminación la que amenaza al medio ambiente, sino la impureza del aire y del agua”. - George W Bush - Introducción 2 2 Las energías renovables se han extendido a nivel mundial gracias a sus grandes ventajas, una importante es la capacidad de obtenerlas en casi cualquier lugar. Las energías renovables son tan variadas como lo es la naturaleza. Se pueden distinguir: energía solar, eólica, hidráulica, biocarburantes, biomasa…etc. En este trabajo nos vamos a centrar en la generación de energía mediante biomasa. La biomasa permite de manera sostenible generar energía natural y de alta calidad en forma de electricidad y calor, haciendo uso de las materias primas. Por lo que se consigue simultáneamente generar energía mientras se están aprovechando recursos, los cuales han sido generados de manera natural en nuestros campos, montes, industrias agroalimentarias y ganaderas presentes en el medio rural español. Además de en nuestras ciudades, pues la mitad de los residuos municipales que se generan en los núcleos urbanos es materia orgánica que se considera biomasa. La Agencia Internacional de la Energía ha calculado que el 10% de la energía primaria mundial procede de los recursos asociados a esta fuente, incluidos los relacionados con biocombustibles líquidos y biogás. La AIE establece que antes del 2100 la cuota de participación de la biomasa en la producción mundial de energía estará entre el 25% y el 46%. Gran parte de este porcentaje corresponde a los países pobres y en desarrollo, donde resulta ser la materia prima más utilizada para la producción de energía. Figura 2: Proporción de viviendas que usan biomasa. [18] Algunos organismos otorgan a la biomasa la máxima responsabilidad en el incremento del peso de las energías renovables para el futuro desarrollo europeo. Creen que si todas las intenciones se llegaran a concretar, la contribución de la biomasa a finales del siglo XXI podría alcanzar la cuarta parte de la producción mundial de energía. En Europa, el 60% de la energía primaria de origen renovable procede de esta fuente, sin embargo sólo supone el 4% sobre el total energético. La mayoría es destinada a la generación de calor en viviendas unifamiliares, comunidades de vecinos y en redes de calefacción centralizada. En general, en torno al 83% se destina a usos térmicos y el 17% a la producción de electricidad. Finlandia cubre con biomasa el 50% de sus necesidades de calor y el 20% del consumo de energía primaria. Aunque la disponibilidad de biomasa es abundante en Europa, el suministro aún no está organizado en muchos casos, siendo necesario promover un verdadero mercado europeo de biomasa. Los biocombustibles sólidos pioneros en este mercado europeo proceden de industrias forestales locales o de los residuos producidos en el aprovechamiento y cuidado de las masas forestales. Este mercado ha crecido rápidamente en los últimos años en algunos países como Austria, Dinamarca, Alemania y Suecia 3 3 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. Figura 3: Producción de energía primaria con biomasa con en la Unión Europea. [18] En España, la biomasa alcanza el 37% de la producción con energías renovables lo que equivale al 5,13% respecto al total del consumo de energía primaria, incluyendo las convencionales. En el cómputo global del consumo, además del sector doméstico, destacan las industrias de pasta y papel; las de madera, muebles y corchos; y las de alimentación, bebidas y tabaco, que suman el 90% del total. Igualmente, tanto en aplicaciones eléctricas como térmicas los recursos más utilizados son los residuos procedentes de industrias forestales y agrícolas. El escaso aprovechamiento de los residuos ganaderos y de los cultivos energéticos han motivado los malos resultados de la biomasa en general. Andalucía, Galicia y Castilla y León son las Comunidades Autónomas que registran un mayor consumo de energía procedente de biomasa, debido principalmente a la presencia de empresas que utilizan grandes cantidades de biomasa, a la existencia de un sector forestal desarrollado y la diseminación de la población que facilita el uso de la biomasa doméstica. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Francia Suecia Finlandia Alemania Polonia España Austria Portugal Italia Dinamarca Gran Bretaña Grecia Holanda Bélgica Irlanda Luxemburgo Mtep Figura 4: Consumo de energía primaria en 2015. Fuente: APPA Introducción 4 4 Andalucía es la comunidad autónoma que cuenta con mayor potencia eléctrica instalada, cuenta con una importante riqueza biomásica, en gran parte procedente del cultivo del olivar y de sus industrias derivadas. El uso de la biomasa está creciendo sobretodo en aplicaciones térmicas donde se emplea la biomasa para la producción de calor y agua caliente sanitaria en el sector doméstico. Ya que esta, permite alimentar un sistema de climatización del mismo modo que lo realiza actualmente cualquier combustible convencional fósil. Este incremento del uso de la biomasa como fuente alternativa de energía limpia se ha visto ayudado por una serie de factores como: subida del precio del petróleo, el crecimiento de la producción agrícola, aumento del conocimiento científico en la investigación de renovables y algunas trabas burocráticas a otro tipo de promoción de energías renovables. 1.1 Biomasa La utilización de la biomasa para obtener calor es tan antigua como son las primeras hogueras de leña que utilizaron los hombres prehistóricos como sistema único de calefacción en sus cuevas. Pero después de miles de años, parece que esta tecnología puede ser una alternativa al grave problema que supone la utilización de los combustibles fósiles La biomasa es aquella materia orgánica de origen vegetal o animal, incluyendo los residuos y desechos orgánicos, susceptibles de ser aprovechados energéticamente. Las plantas transforman la energía radiante del sol en energía química a través de la fotosíntesis y parte de esta energía queda almacenada en forma de materia orgánica. Por lo tanto, quedan fuera de este concepto los combustibles fósiles y las materias orgánicas derivadas de éstos como son los plásticos y la mayoría de los productos sintéticos, ya que aunque tuvieron un origen biológico, su formación tuvo lugar en tiempos remotos. Estos residuos también son denominandos biocombustibles y se pueden encontrar en estado sólido, líquido o gaseoso. BIOMASA Energía solar indirecta Eólica Olas Hidráulica Energía solar directa Captación fotónica Captación térmica Captación fotoquímica Captación fotovoltaica Figura 5: Situación de la biomasa dentro de las energías renovables. [4] 5 5 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. 1.1.1 Biomasa líquida Los biocarburantes, son aquellos combustibles líquidos de origen biológico que por sus características físico químicas resultan adecuadas para sustituir la gasolina o el gasóleo bien sea de manera total, en mezcla de estos últimos o como aditivo. Estos productos se obtienen principalmente a partir de materia vegetal como pueden ser: aceites vegetales, grasas animales o cultivos con alto contenido en azúcares. Actualmente los principales biocarburantes son el biodiesel y el bioetanol, el primero se emplea en motores de gasoil y el segundo en motores de combustión de gasolina. Su transporte y almacenamiento es más seguro, debido al mayor punto de ignición y a la menor inflamabilidad que los convencionales. El biodiésel se obtiene principalmente de plantas oleaginosas, tales como la soja o el girasol, tambien se pueden utilizar igualmente los aceites de fritura usados y las grasas animales. El bioetanol es el otro gran pilar de los biocarburantes, se produce principalmente mediante la fermentación de granos ricos en azúcares o almidón. Dentro del contexto europeo, nuestro país es líder absoluto en la producción de bioetanol. Figura 6: Producción de bioetanol en la UE (en toneladas). [27] 1.1.1.1 Bioetanol La base para la fabricación de bioetanol son los azúcares contenidos en diversas plantas, como la remolacha, la caña de azúcar y el almidón o inulina presentes en los granos de cereal o los tubérculos de patata. Este último grupo de vegetales necesita ser previamente hidrolizado para obtener fructosa o glucosa. Una tercera fuente es la biomasa lignocelulosa, de la que también por hidrólisis, en este caso de la celulosa, se puede obtener glucosa fermentable. Los dos primeros casos son los más extendidos en la actualidad, pero el tercero es el más atractivo por su abundancia y bajo coste. A partir de cualquiera de las opciones comentadas, se obtiene un mosto azucarado cuya fermentación en ausencia de oxígeno transforma la glucosa en etanol hasta obtener un líquido con un grado de alcohol entre el 10 y 15%, que se destila para obtener un alcohol hidratado con una cantidad de agua del 4-5%. El producto resultante es capaz de sustituir a la gasolina en motores de explosión convencionales, aunque es preciso realizar algunas modificaciones mecánicas. 1.1.1.2 Biodiésel En base a su origen, podemos distinguir dos grandes tipos de materia prima para la elaboración del biodiesel. En el primer grupo se podrían incluir los aceites usados de fritura o los aceites vegetales de final de campaña (aceite de oliva de gran acidez). Sin embargo, el volumen de este tipo de residuos es limitado y por ello la tendencia lógica apunta hacia una mayor utilización de los aceites vegetales puros cultivados para uso energético. Estos aceites vírgenes se obtienen a partir de las semillas de plantas como pueden ser el girasol, la soja y la palma oleífera. De esta última no es que haya una gran tradición de cultivo en nuestro país, pero debido a su alto nivel 0 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000 Alemania Francia España Polonia República Checa Suecia Finlandia Lituania Hungría Introducción 6 6 productivo se están realizando cultivos experimentales para determinar las posibilidades que podría ofrecer en el campo español. Una vez obtenida la materia prima, el proceso de fabricación de este producto resulta bastante sencillo desde el punto de vista técnico. Este proceso se realiza en presencia de un catalizador, y a una temperatura moderada de unos 60 °C aproximadamente. En realidad, se trata de algo muy parecido a la elaboración del jabón casero con el que el aceite era reciclado antiguamente. De hecho, durante la elaboración del biodiesel se obtiene el principal compuesto de estos jabones: la glicerina, que es un subproducto de gran valor añadido y con múltiples salidas comerciales en los sectores químico, agrario y alimentario. Figura 7: Proceso obtención biodiesel. [27] Los biocarburantes aportan más energía de la que se necesita para su producción, alrededor del doble en el caso del bioetanol y del triple en el caso del biodiesel. Por lo que el balance energético resulta sumamente positivo. Es cierto que el poder calorífico del carburante vegetal es algo menor que el del carburante fósil pero tiene un mayor poder lubricante que contribuye a alargar la vida de los motores. 1.1.2 Biomasa gaseosa Los biocombustibles gaseosos son aquellos combustibles de origen no fósil obtenidos a partir de la descomposición de materia orgánica en condiciones de ausencia de oxígeno. El más conocido es el biogas. Este se genera en dispositivos específicos o en medios naturales a partir de las diferentes reacciones de biodegradación que sufre la materia orgánica, mediante la acción de microorganismos así como de otros factores en ausencia de aire. El gas resultante de estas reacciones está formado por dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), metano (CH4) y otros gases en menores cantidades. Las principales fuentes son los residuos ganaderos y agroindustriales, los lodos de las depuradoras y la fracción orgánica de los residuos domésticos. La producción de biogás por descomposición sin oxigeno es un modo útil para tratar residuos biodegradables, dado que produce un combustible útil y genera una corriente de agua, llamada digestato que puede utilizarse como abono orgánico para el suelo. Principalmente se emplea para alimentar un generador que produce electricidad, pero también se puede emplear como combustible en cocinas o en iluminación. La utilidad del biogás es similar a la de cualquier gas obtenido de minerales fósiles, pero con la gran ventaja de que su fuente es inagotable, es beneficiosa para el medio ambiente y produce una fuente de ingresos extra a una explotación ganadera, alimentaria o agrícola. 7 7 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. Figura 8: Proceso de obtención del biogás. [28] La forma de obtención de energía a partir del biogas es la siguiente: 1. Un digestor recibe los desechos orgánicos y una vez mezclados, se encierran en un depósito cerrado herméticamente para evitar la entrada de oxígeno. 2. Los desechos orgánicos, gracias a la acción de las bacterias producen un gas rico en metano. 3. Este gas es extraído del depósito y posteriormente es limpiado de impurezas para que pueda ser utilizado. Alguna de sus deventajas es que puede resultar dificil su almacenamiento y distribución, además puede ser peligroso ya que tiene facilidad a inflamarse. 1.1.3 Biomasa sólida En nuestro trabajo nos vamos a centrar en la biomasa sólida, dentro de este grupo los más importantes son los residuos de tipo primario, constituidos por materias procedentes del sector agrícola, forestal y de las industrias de transformación. Se pueden considerar tres grandes grupos en cuanto a las posibles fuentes de biomasa sólida para su aprovechamiento energético:  Biomasa natural: son las masas vegetales que se producen sin intervención humana, constituyen la flora terrestre.  Biomasa residual: es la generada en cualquier actividad que emplee como materia prima recursos orgánicos, provenientes principalmente de procesos productivos de los sectores agrícolas, forestales, industriales o ganaderos, así como la generada por la población en los núcleos urbanos.  Biomasa producida por cultivos energéticos: es aquella producida expresamente con la finalidad de generar energía. Debido a las altas expectativas de los cultivos energéticos, se están redactando diferentes regulaciones que afectan a la sostenibilidad de la biomasa energética especialmente en materia de cultivos energéticos, con el fin de asegurar que su uso representa una mejora en el balance energético, en el balance de emisiones y no una amenaza en el equilibrio natural. Introducción 14 14 1.4.2 Generación de electricidad La producción de electricidad precisa de sistemas aún más complejos dado el bajo poder calorífico de la biomasa, su alto porcentaje de humedad y su gran contenido de volátiles. Para ello se necesitan centrales térmicas específicas con grandes calderas, con volúmenes de hogares mayores que si utilizaran combustibles convencionales, que conllevan inversiones elevadas y reducen su rendimiento. Todo ello, unido a la dificultad de aprovisionamiento de la biomasa, explica el poco peso de la biomasa en la generación de electricidad en el cómputo global de esta energía. La gran demanda de combustible de este tipo de plantas obliga a asegurar un abastecimiento continuo, que tiene la dualidad de encarecer su precio por la distancia a la que se debe buscar el suministro, pero también puede reducirlo al adquirir grandes cantidades. El funcionamiento de una caldera eléctrica de biomasa es el siguiente: la combustión de la biomasa genera enormes cantidades de calor que sirven para transformar el agua en vapor, este vapor que sale de la caldera hace girar las palas de la turbina. En el generador, la energía mecánica producida por la turbina se genera en energía eléctrica. El vapor que sale de la turbina vuelve a transformarse en agua líquida para iniciar de nuevo el proceso de producción de vapor. Figura 15: Esquema de una planta de producción de electricidad. [18] Son pocas las plantas de producción eléctrica que existen en España y la mayor parte de la potencia instalada procede de instalaciones ubicadas en industrias que tienen asegurado el combustible con su propia producción. Es el caso de la industria papelera, y en menor medida, de otras industrias forestales y agroalimentarias, que aprovechan los residuos generados en sus procesos de fabricación para reutilizarlos como combustibles. Una de las explicaciones para este escaso avance es la inexistencia de cultivos energéticos que suministren combustible de manera continuada, en cantidad y calidad a determinadas plantas. Con el fin de mejorar el rendimiento de las instalaciones y por tanto su rentabilidad económica, la innovación tecnológica en este campo está orientada hacia el desarrollo de la gasificación de biomasa y posterior conversión en electricidad a través de moto generadores u otros sistemas de combustión del gas de síntesis producido. El futuro inmediato, se contempla la combustión conjunta de biomasa y otro combustible (como el carbón) en centrales térmicas ya instaladas. Entre los combustibles más utilizados en aplicaciones eléctricas se encuentran los residuos de la industria del aceite de oliva, existiendo plantas de gran tamaño en el Sur de España que se alimentan de estos combustibles. Otra de las mayores plantas de nuestro país se sitúa en Sangüesa, en este caso alimentada con paja de cereal. Como se ya se ha dicho, las industrias forestales y otras industriales agroalimentarias (como las maiceras y las alcoholeras) también tienen su cuota de importancia al producir energía eléctrica con sus propios residuos. 15 15 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. Figura 16: Esquema de la caldera de Sangüesa. [19] En Austria existe una instalación con biomasa que suministra calefacción a un distrito residencial pero su carácter innovador se debe a que el vapor de la planta no se expande en una turbina, sino que se efectúa en un motor con sistema de tornillo conectado a un generador para producir energía eléctrica. La producción combinada de calor y electricidad, es conocida como cogeneración. En el balance de la instalación es significativo que el 70% de la energía se utiliza para la red de calefacción y el 10% para la generación de energía eléctrica. Una de las principales ventajas de este sistema es que se evitan las frecuentes averías de las turbinas clásicas, porque la maquinaria es compacta y con menores gastos de mantenimiento. Figura 17: Diagrama energético de la instalación. [31] Introducción 16 16 1.5 Recursos en Andalucía Desde el punto de vista práctico la biomasa se puede clasificar en función de la fuente de obtención. En la comunidad autónoma andaluza las principales fuentes de biomasa de son: 1.5.1 Biomasa agrícola Se incluyen todos los residuos orgánicos y restos vegetales generados por los cultivos agrícolas, que son el resultado de las podas y de los restos del cultivo tras la cosecha. Debemos destacar esta biomasa entre las demás, ya que la producción de aceite de oliva es uno de los productos más preciados en Andalucía. Mantiene una superficie constante, alrededor de las 1.500.000 hectáreas de olivar. Este cultivo y sus industrias derivadas generan una serie de subproductos con un contenido energético importante. Los subproductos susceptibles de valorización energética son el orujo, orujillo, el hueso de la aceituna, la hoja de almazara y la poda del olivar. Mediante una tecnología adecuada, puede obtenerse tanto energía térmica como eléctrica de dichos subproductos. 1.5.1.1 Orujo El proceso de obtención del aceite de oliva en las almazaras, principalmente por centrifugación y en menor proporción por prensado, genera como subproducto el orujo. El orujo generado se almacena en balsas para su posterior procesado, se trata de un proceso físico de segunda centrifugación, también llamado repaso en las extractoras, obteniéndose aceite de orujo. Una opción alternativa a la extracción es destinar el orujo repasado a la producción de energía eléctrica, previo secado hasta una humedad aproximada del 40% para facilitar la combustión del mismo. 1.5.1.2 Orujillo Una vez el orujo es secado y sometido al proceso de extracción de aceite, se transforma en orujillo. Se trata de un subproducto que tiene unas buenas propiedades como combustible, que puede utilizarse tanto para la generación de energía térmica como para la generación de energía eléctrica. Una parte del orujillo generado en las extractoras es auto consumido en la propia instalación, tanto en el secado del orujo como en calderas para generación de vapor para el proceso. 1.5.1.3 Hueso de aceituna El hueso es un combustible de unas características excelentes: elevada densidad, humedad media del 15%, 1 Tonelada de aceituna 0.27 Toneladas de aceite (27%) 0.73 Toneladas de orujo (73%) 0.197 toneladas de orujillo (27%) 0.010 toneladas de aceite (1,5%) 0.438 toneladas de agua (60%) 0.083 toneladas de hueso (11,5%) Figura 18: Balance de masa del proceso de la industria del aceite. [7] 17 17 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. granulometría muy uniforme y un alto poder calorífico. Por lo tanto, es muy adecuado para usos térmicos, tanto en el sector industrial como doméstico y residencial debido a su buen manejo. Tradicionalmente se ha empleado como combustible en aplicaciones térmicas en la propia industria del olivar, aunque en la actualidad cobra cada vez más importancia las aplicaciones térmicas en el sector servicio y residencial. Figura 19: Hueso de aceituna del almacén de CGC en Jerez de la Frontera. [7] 1.5.1.4 Hoja de olivo Durante el proceso de obtención del aceite se separa una cantidad considerable de hoja de olivo, suele representar el 8% de la aceituna tratada y el uso para la alimentación se encuentra limitada por el mal sabor. Por lo que en la actualidad hay plantas de generación eléctrica que la emplean como combustible. 1.5.1.5 Poda de olivar El olivar debe ser podado cada año. La contribución energética del olivar puede incrementarse de manera significativa valorizando adecuadamente la poda y la hoja de almazara; ya que tanto orujo, orujillo y el hueso, son empleados casi en su totalidad en proyectos energéticos. 1.5.2 Residuos forestales Estos pueden dividirse en: residuos de poda o de corta. Los primeros provienen de realizar tratamientos silvícolas para el mantenimiento y mejora de los montes y masas forestales mediante talas, podas, limpiezas de matorrales, etc. Estos trabajos generan unos residuos como pueden ser: la leña, ramas…etc. Los segundos son residuos son generados en la limpieza de los pies maderables y constituyen cerca de la tercera parte del árbol. Ambos deben ser retirados del monte para evitar que lleguen a ser un alto factor de riesgo de incendios. 1.5.3 Residuos industriales Subproductos generados por la industria, principalmente industrias agroalimentarias, pesqueras y forestales. Un subproducto puede ser empleado como biomasa industrial cuando tiene una serie de criterios como son: adecuada aptitud energética, existencia de alguna tecnología para el aprovechamiento energético, cantidad importante de dicho residuo o que el sector industrial se encuentre concentrado en una localidad. Algunos ejemplos de las industrias y residuos con mayor uso y potencial en Andalucía son: arroceras, cerveceras, industria del vino, industria de frutos secos…etc. 1.5.4 Residuos ganaderos Son la mezcla de los excrementos y del material sobre el cual se recogen. Los residuos ganaderos se han utilizado tradicionalmente como fertilizantes orgánicos. Pero en zonas de alta concentración ganadera, la generación de residuos es muy alta, por lo que resulta imposible utilizar todos los residuos generados. Introducción 18 18 1.5.5 Residuos urbanos Son aquellos que se originan en los núcleos de la población como consecuencia de la actividad habitual y diaria del ser humano. Los residuos urbanos que se pueden considerar biomasa son: - Parte orgánica de los residuos sólidos urbanos. - Aguas residuales y lodos de depuradoras. - Aceites vegetales usados. - Residuos vegetales de parques y jardines. 1.5.6 Cultivos energéticos Son cultivos específicos dedicados exclusivamente a la producción de energía. Tienen características como elevada rusticidad permitiendo tener una alta resistencia a la sequía, a las enfermedades y adaptación fácil a los terrenos marginales. Figura 20: Distribución del potencial aprovechable en Andalucía [7] La existencia de una gran superficie cultivable con un futuro incierto tras las distintas reformas de la política Agraria, convierte a nuestra región en una zona con gran potencial para el aprovechamiento de los cultivos energéticos que, puede suponer una alternativa a nuestros agricultores y una salida a la dependencia por los combustibles fósiles. El éxito o fracaso de un cultivo depende de la disponibilidad de los factores necesarios para su producción. Los insumos que pueden condicionar en mayor medida su desarrollo son la disponibilidad de semilla o plantones para siembre y la maquinaria agrícola especifica. En Andalucía se han llevado a cabo numerosas experiencias tanto públicas como privadas para el ensayo y producción de diferentes especias herbáceas y arbóreas con fines energéticos, en las cuales se han evaluado tanto especies cultivadas tradicionalmente como los cereales, el girasol y la colza, con una aptitud adecuada para la producción de biocarburantes, como especies herbáceas y forestales para el aprovechamiento térmico y/o eléctrico. Mención aparte merece el cultivo de microalgas que puede ser una oportunidad para el desarrollo de la Bioeconomía, mediante industrias capaces de producir alimentos, energía, fármacos,… a gran escala; permitiendo la armonía entre población, territorio, uso de recursos y medio ambiente efectos producidos en el proceso de crecimiento y transformación de estos organismos. Aún no hemos llegado a disponer de la tecnología suficiente que posibilite un uso comercial de las microalgas para aplicaciones a gran escala como la bioenergía, pero muchas son las personas, empresas, instituciones que están trabajando por conseguir esta meta. Existen distintas clasificaciones de los cultivos energéticos, atendiendo en función de la naturaleza del 19 19 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. cultivo (herbáceo y leñoso) del ciclo del cultivo (anual o plurianual), y del tipo de aprovechamiento energético: - Cultivos oleaginosos, para la producción de aceite transformable en biodiesel para la sustitución del gasóleo de automoción. No parece probable que en Andalucía se dedique superficie agrícola a la siembra de cultivos alimentarios para la producción de biocarburantes. - Cultivos alcoholígenos, para la producción de etanol utilizable en sustitución parcial o total de las gasolinas de automoción o para la producción de aditivos antidetonantes exentos de plomo. - Cultivos lignocelulósicos, para la producción de biocombustibles sólidos utilizables con fines térmicos, principalmente para la producción de electricidad. Tabla 1: Cultivos energéticos. [7] Tipología de cultivos Cultivos Alcoholígenos - Remolacha - Patata - Cebada o trigo Oleaginosos - Girasol, colza - Palma, soja Lignocelulósicos - Especies leñosas - Especies herbáceas Los productos obtenidos por los cultivos energéticos son: semilla, grano, frutos y biomasa lignocelulósica (paja, cañote, madera). Aunque tecnológicamente, es factible utilizar todos los productos para las tres aplicaciones energéticas posibles: biocarburantes y usos térmicos o eléctricos, desde el punto de vista práctico y económico lo usual es destinar la semilla, grano y frutos a la producción de biocarburantes, y la biomasa lignocelulósica (paja, cañote, madera) a la producción de energía térmica y eléctrica. 1.6 Situación actual y expectativas en Andalucía En la comunidad andaluza se está incentivando el uso de nuevos sistemas para aprovechar la energía de la biomasa para obtener calefacción de viviendas. Algunos objetivos fijados en la estrategia energética de Andalucía para 2020 son:  Reducir un 25% el consumo de la energía primaria  Aportar con energía renovables un 25% del consumo final bruto de energía. Donde se espera que la energía procedente de la biomasa tenga un peso importante.  Auto consumir el 5% de la energía eléctrica generada con fuentes renovables. En 2016, el consumo de energía primaria en Andalucía debido a la biomasa fue del 7,5% del total de energía. Se produjo un incremento respecto a años anteriores, motivado principalmente por el mayor consumo de biomasa procedente de la industria oleícola Introducción 20 20 Tabla 2: Desglose del potencial por tipo de biomasa. [7] TONELADAS KTEP RESIDUOS AGRICOLAS SUBTOTAL BIOMASA AGRÍCOLA 4.606.473 1.322 OLIVAR 2.524.419 803 FRUTAL 112.611 39 VID 48.305 12 GIRASOL 524.533 152 INVERNADEROS 415.070 50 ARROZ 145.910 41 ALGODÓN 721.353 217 TOMATE 38.449 8 RESIDUOS GANADEROS SUBTOTAL BIOMASA GANADERA 4.342.525 77 PORCINO 1.476.565 17 VACUNO 1.371.182 24 AVICOLA 361.355 18 OTRAS ESPECIES 1.133.424 18 RESIDUOS INDUSTRIALES SUBTOTAL BIOMASA INDUSTRIAL 5.070.029 1.023 HOJA OLIVO 345.108 86 HUESO ACEITUNA 552.434 215 ORUJO HUMEDO GRASO OLIVA 3.011.462 422 CASCARA ARROZ 58.693 20 IINDUSTRIA CERVEZA 123.083 2 MATADERO Y CARNICAS 100.203 14 RESIDUOS CORCHO 10.600 4 DESMOTADORA DE ALGODÓN 16.811 5 CASCARA FRUTOS SECOS 17.500 7 INDUSTRIA VINO Y LICORES 41.097 9 INDUSTRIA Y MADERA 220.410 59 INDUSTRIA AZUCARERA 6.000 2 RESIDUOS INDUSTRIA PESCADO 14.824 1 LICORES NEGROS 474.802 145 GLICERINA BRUTA 77.000 35 RESIDUOS FORESTALES SUBTOTAL BIOMASA FORESTAL 1.345.840 322 QUERCUS 283.237 76 EUCALIPTO 488.706 83 POPULUS 9.087 2 PINUS 564.994 161 CULTIVOS ENERGÉTICOS SUBTOTAL BIOMASA CULTIVO ENERGÉTICO 1.864.600 620 RESIDUOS URBANOS SUBTOTAL BIOMASA URBANA 2.929.782 591 ACEITES VEGETALES USADOS 57.916 52 PARQUES Y JARDINES 208.000 56 FORSU 735.697 276 LODOS EDAR URBANOS 547.775 163 AGUAS RESIDUALES (m3) 1.380.394 44 20.159.249 3.955 21 21 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. El potencial de biomasa detectado en Andalucía a día de hoy asciende a 3.955 ktep. Teniendo en cuenta que el consumo de energía primaria en Andalucía en 2016 fue de 18.277,6 ktep significa que el potencial de biomasa representa el 21,6% de las necesidades energéticas en Andalucía. Figura 21: Distribución del potencial de biomasa en Andalucía por fuentes de obtención. [8] Destacan las provincias de Jaén, Córdoba y Granada por elevado número de instalaciones y potencia instalada, ya que superan entre las tres el 72% de la potencia instalada en Andalucía. El combustible utilizado en la mayor parte de las calderas y generadores de aire es el hueso de aceituna, aunque el consumo de pellet va aumentando en el sector residencial a medida que se construyen nuevas plantas de fabricación de pellet y mejora su distribución. Tabla 3: Distribución provincial de instalaciones térmicas de biomasa por sectores en 2016. [7] Industria Servicios Residencial Primario Provincia Almería 26 14 1.945 6 7% Cádiz 21 17 1.109 2 4% Córdoba 281 57 4.246 5 17% Granada 141 155 6.209 27 24% Huelva 22 25 723 20 3% Jaén 400 210 4.604 15 19% Málaga 96 30 2.301 4 9% Sevilla 127 45 4.518 27 17% Residuos urbanos 15% Residuos agricolas 33% Residuos ganaderos 2% Residuos industriales 26% Forestales 8% Cultivos energéticos 16% 22 2 INSTALACIONES DE CLIMATIZACIÓN El código técnico de la edificación (CTE) aprobado mediante el RD 314/2006, establece el requisito de una contribución solar mínima en la producción del agua caliente sanitaria (ACS) para edificios nuevos o rehabilitados. A su vez, en esta sección se establece que la energía solar térmica puede ser sustituida por otras fuentes de energía renovables, como pueden ser la energía geotérmica, aerotérmica y biomasa. 2.1 Instalaciones habituales con biomasa La biomasa es empleada principalmente para aplicaciones térmicas y para la producción de electricidad. En el sector doméstico, las aplicaciones térmicas más comunes son la producción de calor y de agua caliente sanitaria. Las instalaciones más empleadas en las viviendas son las siguientes: 2.1.1 Instalación de calefacción y producción de ACS con control de temperatura de retorno Cuando en la instalación se tiene un circuito con radiadores de fundición y con tubos de gran tamaño con mucho volumen de agua y con generación de ACS sería recomendable incorporar una válvula mezcladora de tres vías. La válvula mezcladora sirve para evitar que la temperatura de retorno de la caldera sea inferior a 55ºC, evitando así problemas de corrosión por condensación de agua y ácidos en el interior de la caldera y acumulación de suciedad. Este tipo de esquema es el recomendable en el mayor número de instalaciones con biomasa. Figura 22: Instalación de calefacción y producción de ACS con control de la temperatura de retorno [9] 23 23 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. 2.1.2 Instalación de calefacción con suelo radiante Este tipo de instalación cuenta con caldera únicamente para suelo radiante. Como se puede apreciar en este tipo de circuitos también cuenta con una válvula mezcladora de tres vías, para controlar la temperatura de impulsión y la temperatura de retorno, y con un depósito de inercia. Figura 23: Instalación de calefacción de suelo radiante [9] Los depósitos de inercia son depósitos de agua calorifugados que se conectan en serie con la instalación de calefacción. Tienen una doble función, por un lado son los encargados de almacenar la energía o el calor residual para posteriormente distribuirla por el circuito y por otro lado son capaces de hacer que una instalación de biomasa funcione más eficientemente. En función de la caldera que elijamos para la instalación, estos depósitos pueden ser necesarios, recomendables o no necesarios. En el caso que se emplee calderas de leña, deberemos disponer de depósito de inercia, debido a que no se puede controlar la cantidad de combustible que el usuario va a introducir ni su combustión, y es una manera de proteger al sistema en caso de exceso de energía. 2.1.3 Instalación de suelo radiante y ACS En este tipo de instalación se tiene una caldera para suelo radiante y ACS. También se necesita con una válvula mezcladora de tres vías para el control de la temperatura de impulsión y de retorno de la instalación, y con un depósito de inercia. Figura 24: Instalación de suelo radiante y ACS [9] Calderas de biomasa 30 30 A la hora de seleccionar el tipo de biomasa más apropiado para la instalación debemos considerar las ventajas e inconvenientes de cada uno. Tabla 4: Propiedades de los combustibles biomásicos. VENTAJAS INCONVENIENTES PCI (MJ/kg) Astillas -Disposición local. -Precio bajo. -Alto poder calorífico en astillas con baja humedad. -Escasa manipulación. -Ideal para zonas de alta masa forestal. -Alto espacio almacenamiento. -Requerimiento alto de operación y mantenimiento. -Problemas de calidad y uniformidad. 14,4-16,2 Pellets -Mayor poder calorífico y bajo nivel de cenizas. -Idóneo para instalaciones de bajo consumo o edificios en ciudades. -Menor requerimiento de operación, mantenimiento y almacenamiento -Aprovecha el calor residual del humo, para generar más calefacción. -Mayor precio -Requieren también de consumo eléctrico. -Necesidad de almacenarse en un lugar seco. -Uniformidad puede enmascarar materias primas de mala calidad. 18-19,5 Residuos -Poder calorífico elevado. -Precio medio. -Alta variedad y disposición. -Requerimiento de operación y mantenimiento medio. -Producción agroindustrial es estacional, y por lo tanto sus residuos también. -Mayor espacio almacenamiento. - Posibles problemas de emisiones o corrosión de calderas, no son productos homologables. Huesos aceitunas 18 Cáscaras frutos secos 16,7 Leña -Usuales a nivel rural. Suelen funcionar de forma automática. - Precio bajo. - Gran poder calorífico, sobre todo la leña dura. -La alimentación a la caldera, se debe hacer de forma manual. - Genera gran cantidad de cenizas, mayor mantenimiento y limpieza. -Gran espacio de almacenamiento. 14,4-16,2 El precio del combustible es un aspecto clave a la hora de elegir un sistema u otro. Si miramos los datos del 2017, la biomasa es una opción muy competitiva y con precios muchos más estables que el gas o el gasóleo. Como se puede apreciar, algunos combustibles sufren altibajos y en los puntos más bajos, el coste es mayor incluso que el del pellet, astilla o hueso de aceituna. Es cierto que la inversión inicial en una instalación de biomasa es más costosa que la de sistemas de potencia similar basados en gas o gasóleo, pero si tenemos en cuanta el ahorro en combustible los plazos de amortización serán mucho más reducidos. Según datos de la Asociación Española de Valorización Energética de la Biomasa (AVEBIOM) se espera un alza en los precios de los pellets cuando los stocks empiecen a menguar pero en ningún caso, se prevé que esta subida sea alarmante. Los precios del pellet en España son los más bajos que en los países de su entorno e incluso 31 31 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. durante dos años se han mantenido anormalmente bajos y estables. En el caso del hueso de aceituna y de la astilla de madera, se prevé que los precios se mantengan. Figura 33: Evolución del precio de la energía (cent €/ kWh) [13] 3.1.1.1 Pretratamiento de la biomasa  Pellets: La fabricación de pellets se realiza mediante un proceso denominado peletizado que consiste en la compactación de la biomasa de madera natural mediante la aplicación de una gran presión (por encima de 100 bar) con unos rodillos sobre una matriz perforada, a través de la cual se hace pasar el material. Los pellets no necesitan ningún tratamiento posterior. Una vez fabricados, se transportan e introducen en el almacenamiento previo a la caldera.  Astillas: El proceso de astillado puede realizarse en el lugar de producción mediante maquinaría móvil, o bien ser transportados a la planta industrial donde se astillan con máquinas fijas. En cualquier caso, su proceso de adecuación suele implicar el secado natural de la madera, que permite reducir la humedad y aumentar el poder calorífico del residuo. Almacenamiento materia prima Almacenamiento intermedio Molienda Adecuación de humedad Peletización Enfriamiento Envasado Figura 34: Proceso de peletización. [10] Calderas de biomasa 32 32 Normalmente se somete a la materia prima a un petriturado, donde se reduce el tamaño y luego se realiza un post-triturado donde se reduce hasta un tamaño 30-50 mm. Si ha permanecido al aire libre, la humedad puede reducirse al 20 o 30%, estas condiciones son adecuadas para el almacenamiento en destino y posterior consumo de las astillas de madera. Las astillas que contienen mayor humedad deben consumirse tan pronto como se pueda, evitando almacenarlas durante largos periodos de tiempo porque pueden presentar problemas de pudrición y proliferación de hongos.  Residuos agroindustriales: proceden fundamentalmente de las industrias de la aceituna, uva y frutos secos. Como las propiedades de este tipo de residuos son muy variables se recomienda que se especifique el poder calorífico, grado de humedad y una analítica para evitar residuos incorporados como pueden ser pellejos.  Leña y briquetas: la leña se debe dejar secar durante varias semanas o incluso meses hasta que pueda ser utilizada. Las briquetas por su parte, son cilindros compactos de mayor tamaño, obtenidos a partir de la misma materia prima que el pellet y son tratados con un proceso similar a estos. Son similares en su uso a la leña, ya que se introducen directamente en las calderas preparadas para este fin. Figura 35: Briquetas. [17] 3.2 Tipos de calderas de biomasa Las calderas de biomasa pueden clasificarse atendiendo al tipo de combustible que admiten y a la clase de tecnología que utilizan. Según el tipo de combustible, se pueden dividir en: 1. Calderas específicas de pellets, suelen ser pequeñas y altamente eficientes. Destaca su compacidad debido a la estabilidad del combustible empleado. La razón de ser de estas calderas tiene sentido por su bajo coste, pequeño tamaño y un elevado rendimiento. En algunos casos pueden utilizar otros biocombustibles con características similares siempre que el fabricante lo garantice. 2. Calderas de biomasa, su potencia varía desde 25 kW a cientos de kW. No admiten varios combustibles simultáneamente, aunque se puede cambiar el combustible si se programa con suficiente antelación el vaciado del silo, la nueva recarga y la reprogramación de la caldera. Precisan de modificaciones en tornillo de alimentación y parrilla. 3. Calderas mixtas o multicombustibles, admiten varios tipos distintos de combustibles, cambiando de uno a otros de manera rápida y eficiente, como por ejemplo pellets y astillas. Suelen fabricarse para potencias medias o grandes. De acuerdo a las tecnologías principales que se comercializan, las calderas se pueden dividir en: 3.2.1 Equipos compactos Las calderas compactas de biomasa se han diseñado específicamente para su uso en calefacción doméstica, en viviendas unifamiliares o edificaciones. Incluyen sistemas de encendido y limpieza automáticos, que facilitan el manejo al usuario. Normalmente estos equipos son de potencia baja a media y suelen admitir un combustible 33 33 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. estandarizado, que suele ser pellet. Figura 36: Caldera compacta. [13] 3.2.2 Calderas en parrilla fija y alimentación inferior Las parrillas de las calderas de biomasa pueden ser fijas, móviles o mixtas. En el caso de ser fijas, suelen estar dispuestas en forma inclinada y ser vibratorias, a fin de facilitar la distribución del combustible y favorecer la evacuación de cenizas al recipiente de recogida de cenizas. Estas calderas disponen de un sistema de alimentación en la zona inferior, y presentan buen rendimiento con biomasas de alta calidad, es decir, poco húmedas y con bajo contenido de cenizas, como pueden ser las astillas secas, los pellets y algunos residuos agroindustriales. 3.2.3 Calderas con parrilla móvil Este diseño se utiliza generalmente en calderas con una potencia superior a 500 kW, que normalmente utilizan como combustible astillas, residuos agrícolas e, incluso, mezclas de composiciones variables. A pesar de que son más caras, permiten utilizar biomasa de calidad inferior y composición variable, con mayor contenido en humedad y cenizas. Se recomienda también, en procesos donde se requiere una alta disponibilidad de la planta, por lo que suelen ser utilizadas en usos industriales. La parrilla móvil está constituida principalmente por un conjunto de parillas de fundición, estas se disponen en fila y se mueven de forma alterna mediante la actuación de un grupo hidráulico. Este movimiento permite al combustible desplazarse y repartirse de forma homogénea a lo largo de toda la superficie para una óptima combustión. Figura 37: Caldera con parrilla móvil. [13] Calderas de biomasa 34 34 3.2.4 Calderas de gasóleo con un quemador de pellets Cabe la posibilidad de adaptar una caldera de gasóleo existente a biomasa, mediante la incorporación de un quemador de pellets. Este cambio, que permite variar de forma aparentemente sencilla el combustible, pero puede presentar algunos inconvenientes en el sistema de limpieza y eficiencia de la caldera, que deben acondicionarse antes de realizar el cambio. Se debe tener en cuenta que se trabaja con sólido, por lo que el encendido no es instantáneo por lo que si la instalación es mixta, también se deberá instalar un depósito de ACS. 3.2.5 Calderas de combustión en cascada Las calderas con sistema de combustión en cascada disponen de varias etapas sucesivas para la combustión de la biomasa, y tienen una parrilla de configuración similar a una escalera, que favorece la eficiencia y la reducción de los inquemados. Este sistema se utiliza en calderas de tamaño medio, con combustibles de calidad media y alta, como pueden ser los residuos de almazara o los pellets. Deben de utilizarse este tipo cuando la demanda térmica sea muy variable. Existen muchos escenarios en donde durante un periodo de tiempo corto, se eleva la demanda de energía por encima de la media. Estas son situaciones típicas en hoteles, comunidades de vecinos…etc., en los que en horas punta hace falta mucha capacidad y sin embargo, durante el resto del día hay una demanda más baja y constante. También va a existir variaciones de demanda térmicas muy grandes entre verano e invierno: en estos casos es habitual instalar calderas de diferente capacidad: una de menor potencia para las épocas de baja demanda térmica, la de mayor potencia para épocas de demanda térmica media, y utilizar ambas bajo una instalación en cascada, para las de máxima demanda. Figura 38: Caldera de combustión en cascada. [14] 35 35 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. 3.3 Despiece de la caldera La caldera es un dispositivo en el cual se realiza una combustión, en esta se libera calor el cual es absorbido por un fluido denominado calo portador que circula por un intercambiador. Este fluido transporta el calor a través de una línea hasta un receptor, donde se va a aprovechar dicho calor. Los elementos que componen una caldera, se pueden clasificar en: 3.3.1 Parrilla La parrilla es el lugar donde se depositan los sólidos que vamos a combustionar, estos son encendidos a través de un sistema de ignición, este sistema es el encargado de proporcionar la energía para iniciar la reacción. Una vez que la reacción haya comenzado es necesario que exista un comburente, en este caso, el aire. Este aire es el responsable de aportar el oxígeno necesario para la reacción de combustión. En las calderas suele haber dos entradas de aire: Una por debajo de la parrilla, que es lo que denominamos flujo de aire primario y la otra se encuentra por encima de la parrilla, este flujo se denomina aire secundario. Cuando el aire es calentado a temperaturas elevadas, pasa por un intercambiador de calor por donde circula un fluido que pretendemos calentar. En función del tamaño de la caldera, la parrilla puede estar formada por una o varias parrillas de fundición. Las parrillas pueden ser fijas o móviles, la elección de un tipo u otro depende fundamentalmente de la calidad del combustible que vamos a utilizar. Es muy importante que éstas puedan mantenerse limpias ya que por ellas pasa el aire primario para la combustión. Figura 39: Caldera de biomasa. [17] 3.3.2 Cenicero Cuando la biomasa va combustionando, el tamaño de las partículas se va reduciendo. Cuando toda su parte de combustible se ha liberado el tamaño de partícula ha quedado reducido a un tamaño suficientemente pequeño para que pase por unos orificios que contiene la parrilla. La parte no combustionable es lo que denominamos ceniza y quedaría almacenada en la parte inferior, denominada cenicero. 3.3.3 Intercambiador El intercambiador está formado por un conjunto de tubos verticales. Su función es transferir el calor entre los humos y el agua. Una disminución del rendimiento de esta transferencia puede ser ocasionada por el aumento de la suciedad. Si el intercambiador es horizontal la limpieza se realiza a mano. Por el contrario, si éste es vertical, la mayoría de las calderas tienen sistemas automáticos de limpieza mediante sistemas de tubulares integrados. Calderas de biomasa 36 36 3.3.4 Chimenea Los humos que han sido generados por la combustión y que han pasado por el intercambiador. Evidentemente se han ido enfriando ya que han cedido parte de su calor al fluido calo portador. Una vez su temperatura es considerablemente fría, pasan a un sistema de evacuación que denominamos chimenea. Por chimeneas entendemos el conjunto formado por los conductos de humos, que son aquellos por cuyo interior circulan los productos de la combustión. La fuerza que hace posible la evacuación del caudal de humos, venciendo la resistencia que ofrece el conducto, es el tiro, que es la fuerza ascensional causada por la diferencia de densidades debida a la diferencia de temperatura de los humos entre la base de la chimenea y la boca de la misma. El tiro en chimenea es directamente proporcional a esta diferencia de temperaturas y a la altura de la chimenea, por tanto cuanto más calientes estén los humos y más altura tenga la chimenea, mayor tiro existirá. La única diferencia de una chimenea donde se emplee biomasa con una de combustible líquido o gaseoso es el diámetro necesario. En el caso de biomasa hay que prever un volumen de gases ligeramente superior, debido a que la humedad que contiene la biomasa se evapora en la caldera y da lugar a vapor de agua que sale mezclando con los productos de combustión, aumentando así el volumen de los gases. Figura 40: Consejos básicos sobre chimeneas. [9] Como las temperaturas dentro de la caldera pueden ser muy elevadas, toda la caldera tiene un sistema de seguridad de antiincendios. De modo que si la temperatura alcanza un límite establecido pues el sistema de seguridad se activa para reducir automáticamente la combustión. 3.3.5 Sistema de alimentación El sistema de alimentación de una caldera consistiría en un receptáculo donde se va depositando la biomasa y a medida que la temperatura de la cámara de combustión disminuye, hay un sistema que va girando de manera que repone la materia que se debe combustionar. El registro de la temperatura que hay dentro de la cámara se realiza a través de una sonda térmica. En el sistema de alimentación se pueden distinguir distintas partes: 1. Sistema de extracción de combustible del almacén o silo, suele utilizarse un tornillo sinfín, que consiste en un sistema mecánico que conduce el combustible a lo largo de su longitud hasta el depósito que alimenta directamente a la caldera. Este sistema permite que no exista una comunicación directa entre el sistema de alimentación y la cámara de combustión. 37 37 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. 2. Sistema de seguridad antincendios, evita que en caso que hubiera un incendio a través del tornillo sinfín, este sistema evitaría que el incendio se propagase hasta el silo. 3. Sistema de introducción de combustible en la caldera. Figura 41: Sistema de alimentación de una caldera de biomasa. [17] La alimentación se puede realizar de manera superior, horizontal o inferior.  Alimentación superior, en este sistema los pellets caen al lecho de la combustión mediante un conducto. Se consigue de este modo separar las zonas de almacenamiento de las de combustión. Sin embargo, la caída del combustible sobre el lecho de la combustión genera una combustión inestable y ocasiona una mayor liberación de polvo e inquemados que en otro tipo de alimentación. Figura 42: Alimentación superior. [9]  Alimentación inferior, las calderas que disponen de este sistema de alimentación presentan un buen rendimiento con biomasas de alta calidad. La combustión es lenta, estable y controlada, ya que la velocidad de entrada del aire primario es pequeña. El tornillo sinfín transporta la biomasa a través del conducto hasta el quemador y la empuja al plato de combustión.  Alimentación horizontal, son muy similares a los sistemas de alimentación inferior, con la única variación del lecho de combustión. Figura 43: Alimentación horizontal. [9] Calderas de biomasa 38 38 3.4 Almacenamiento de biomasa En edificaciones nuevas, cuando el silo es cargado varias veces por temporada, deberá suplir un mínimo las necesidades de calefacción y ACS de dos semanas a plena carga. Para ello se calculará la autonomía y se avisará con antelación al suministrador. Cuando el silo es suficiente para toda la temporada se recomienda que la compra del combustible se realice en verano debido generalmente a su mayor precio y a las condiciones de humedad. En calderas que no disponga de un silo de almacenamiento, la previsión del suministro se realizará mediante pequeñas bolsas de biomasa, pero garantizando un suministro para dos semanas a plena carga. Independientemente del tipo de caldera que posea, hay que revisar al menos una vez por semana el nivel del silo. Existen distintas opciones a la hora de seleccionar el modo de almacenar el material. Emplear una forma u otra dependerá, principalmente del consumo de combustible de la instalación y del espacio disponible. Mediante estos dos aspectos, se podrá conocer el tipo de depósito o silo, y por lo tanto su tamaño y capacidad. Se pueden distinguir principalmente dos tipos de silos: 3.4.1 Silos prefabricados Estos silos presentan una ventaja, ya que su montaje es rápido y sencillo. En el mercado hay una gran variedad, pudiéndose distinguir:  Silos de carga manual, la carga del combustible como su nombre indica se realiza manualmente por parte del usuario. Aunque puede parecer un inconveniente, ofrece la ventaja que ocupa un espacio muy reducido en la sala de calderas. Esto tipo es recomendado en instalaciones con bajo consumo o donde el espacio disponible sea reducido.  Silos textiles, aportan una gran capacidad con un rápido y sencillo montaje. La carga se realiza de forma neumática y existe una gran variedad de modelos con un gran rango de capacidad. Figura 44: Silo textil. [15]  Silos enterrados, acarrea un mayor proceso para su instalación, pero la solución es muy cómoda ya que libera completamente la sala de calderas, se puede enterrar fuera de la vivienda y también bajo ella. Esta es una buena opción cuando la vivienda cuenta con un jardín, ya que se puede enterrar bajo este y puede llegar a tener una capacidad de 10 toneladas. 39 39 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. Figura 45: Silo enterrado fuera del edificio y bajo el edificio. [15] 3.4.2 Silos de obra Supone una alternativa a los silos prefabricados, ya que permite acondicionar huecos o emplazamientos disponibles para dedicarlos al almacenamiento de combustible. El principal y único requerimiento es que el silo esté perfectamente aislado del agua evitando filtraciones que puedan alcanzar al combustible. Figura 46: Silo de obra. [15] La decisión entre los distintos tipos de silos, quedará definida por las características de la instalación. Otra decisión importante es decidir el lugar donde se va a ubicar el silo. Si el silo es interior, lo más importante es la impermeabilización para evitar las filtraciones. Si se quiere ubicar en el exterior, es decir, a la intemperie se debe tener en cuenta otra serie de factores como pueden ser: la carga del viento, la protección UV, etc. A su vez, los almacenamientos de obra se pueden clasificar en:  Suelo inclinado de dos lados: en ellos se colocan dos falsos suelos inclinados para que el combustible almacenado se deslice por gravedad hasta el tornillo sinfín que transporta el combustible.  Suelo inclinado de un lado: adecuado para silos cuadrados. Si el ángulo de inclinación es pequeño, puede ser necesaria la incorporación de rascadores para suministrar combustible de manera continua al sistema de alimentación.  Suelo horizontal: adecuado cuando hay poco espacio disponible. Hace necesaria la inclusión de rascadores giratorios u horizontales. 46 4 CASO PRÁCTICO Si el sistema va a instalarse en un edificio de nueva construcción la potencia térmica y la demanda de calefacción se debe calcular desde el principio, considerando todos los datos comentados anteriormente. La siguiente tabla se ha confeccionado basándonos en la norma UNE-EN 12831, esta tabla ofrece valores típicos de potencia térmica necesaria para el suministro de calefacción y agua caliente sanitaria a diversos edificios. Es un cálculo simplificado de la carga total del edificio. Tabla 9: Potencia necesaria aproximada para distintos edificios típicos con aislamiento medio-alto. [UNE-EN-12831] Tipo de vivienda Plantas Superficie (m2) Temperatura exterior de diseño TEXT = -10ºC TEXT = 0ºC TEXT = 10ºC Por planta Por vivienda Potencia térmica aproximada (kW) Total Por vivienda Total Por vivienda Total Por vivienda Unifamiliar Aislada 2 75 150 14,7 17,17 13,0 13,0 8,3 8,3 1 medianera 17,1 17,1 12,6 12,6 8,1 8,1 2 medianeras 16,6 16,6 12,3 12,3 7,9 7,9 3 medianeras 15,8 15,8 11,8 11,8 7,7 7,7 Bloque de viviendas Aislado 5 700 135 261 10,0 200 10,0 143 10,0 11 700 135 547 9,7 425 9,7 305 9,7 2 medianeras 5 700 135 236 9,3 185 9,3 135 9,3 11 700 135 491 8,9 390 8,9 287 8,9 En el caso hemos considerado que el aislamiento es medio-alto de la vivienda, pero si el aislamiento fuera bajo o muy alto hay unos factores de corrección para obtener la potencia necesaria en estos casos. Hemos considerado también que la vivienda se ubica en una zona donde la temperatura exterior pueda llegar a alcanzar -10ºC y que se encuentra aislada. 47 47 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. Tabla 10: Factor de corrección según el grado de aislamiento [IDAE] Grado de aislamiento Factor de corrección Potencia térmica aproximada (kW) Bajo 1,50 PMEDIO-ALTO * 1,50 Muy alto 0,75 PMEDIO-ALTO * 0,75 Para nuestro caso práctico vamos considerar las siguientes condiciones de partida: - Vivienda tiene una superficie de 300 m2. - Potencia de instalación será de 30 kW. - Horas de funcionamiento serán 1.500 h/año. Nuestro objetivo con este caso práctico es realizar una comparativa económica entre distintas calderas en las cuales se van a utilizar diferentes combustibles. Se han seleccionado estos combustibles ya que son los que más se emplean en el sector doméstico, serán tanto combustibles tradicionales como combustibles procedentes de biomasa. Para obtener el coste total se van a sumar los costes fijos, es decir, el precio tanto de la caldera como de la instalación que se debe realizar al comienzo y después se sumarán los costes variables a lo largo de toda la vida útil de la caldera. Hemos estimado que la vida útil de una caldera será de unos 15 años, aunque algunos expertos dicen que pueden llegar a durar más tiempo. 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 =𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒𝑠𝑓𝑖𝑗𝑜𝑠 +∑𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒𝑠𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠 15 𝑖=0 4.1 Costes Variables Los costes variables en este caso serán la suma del coste del combustible utilizado, la energía eléctrica necesaria y los costes mantenimiento. Los combustibles tienen propiedades muy diferentes por lo que el consumo de cada uno de ellos no va a ser el mismo. Como se puede apreciar el consumo de biomasa será superior al consumo de los combustibles fósiles esto es debido a que el poder calorífico de los combustibles biomásicos es menor. Usar una mayor cantidad de combustible no implica siempre un mayor coste, ya que como se puede apreciar el precio tanto de los pellets como de las astillas es bastante inferior a los combustibles fósiles. Como el mercado de calderas de biomasa ofrece una amplia gama de posibilidades, se han estudiado dos casos de biomasa en los que varía tanto el precio de combustible, como el de coste de inversión y mantenimiento. Se debe tener en cuenta también, la tendencia que se prevé que van a sufrir los precios, en el caso de los combustibles fósiles se prevé un incremento del 8-6% en los años siguientes, en cambio los combustibles biomásicos se prevé que el incremento del precio sea mínimo tendiendo a mantener su precio en los próximos años. El incremento del precio de los combustibles fósiles se puede achacar a que son recursos limitados y las reservas se van acabando poco a poco, esto no ocurre en los combustibles derivados de biomasa que se pueden considerar ilimitados. Caso práctico 48 48 Tabla 11: Datos de los distintos combustibles. Gasóleo Gas Natural Pellets Astillas Poder calorífico kwh/kg 11,63 13,00 5,20 4,40 Precio combustible €/kg 1,38 0,68 0,26 0,11 c€/kWh 11,9 5,26 5,39 2,45 Incremento del precio anual % 8,00 6,00 3,00 1,00 Rendimiento % 0,80 0,80 0,90 0,85 Consumo combustible Kg 4.837 4.327 9.615 12.032 Se considera la necesidad de un consumo de energía eléctrica de 40€/año para todas las calderas. El término fijo solo se aplica en la caldera de gas natural ya que es un importe que se tiene que pagar al suministrador del combustible. El coste anual en los combustibles fósiles es notablemente superior, sobre todo cuando el combustible empleado es el gasóleo. Tabla 12: Costes anuales. Gasóleo Gas Natural Pellets Astillas Energía eléctrica 40 40 40 40 Operación y mantenimiento 225 225 650 950 Coste combustible 6.282 2.959 2.469 1.497 Término fijo 0 102 0 0 TOTAL [€] 6.547 3.326 3.159 2.487 Vamos a considerar casi todos los costes variables constantes a lo largo del tiempo, es decir, vamos a considerar que no aumentarán ni disminuirán con el paso del tiempo. En cambio, el coste del combustible si vamos a considerar que tiene un incremento anual a lo largo del tiempo. Figura 51: Evolución del coste de los combustibles. 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 Gasóleo Gas Natural Pellets Astillas 49 49 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. 4.2 Costes Fijos Consideraremos coste fijo al coste necesario en la compra de la caldera y de su instalación. Esta inversión se realizará al comienzo de la puesta en marcha y una sola vez. Tabla 13: Costes de inversión. Gasóleo Gas Natural Pellets Astillas Caldera 1.695 1.569 4.215 3.640 Instalación 2.619 2.619 4.042 4.245 TOTAL [€] 4.314 4.188 7.257 6.885 Como se puede apreciar los costes fijos son mayores donde el combustible utilizado es la biomasa, ya que tanto el coste de la caldera como el de la instalación es mayor. Pero no solo hay que tener en cuenta las ventajas económicas, ya que las ventajas medioambientales y funcionales también son importantes. Una ventaja funcional es la desaparición de los paneles solares en cubierta, ya que estos son obligatorios en viviendas nuevas como se ha mencionado anteriormente. Si la instalación fuera en un grupo de viviendas, también hay que considerar el espacio que se obtiene en la vivienda al prescindir de un acumulador y una caldera individual. Además la mayor ventaja reside en la centralización de la calefacción y ACS, que proporciona un mayor confort y menores costes tanto en el consumo como en el mantenimiento. Amistoso con el medio ambiente Coste combustible Coste de la inversión Necesidad de mantenimiento Pellets Astilla Gas Natural Gasóleo Figura 52: Comparativa de las distintas instalaciones Como se puede observar en la Figura 53 las instalaciones donde se utiliza biomasa tienen un coste de inversión inicial mayor a las convencionales. Pero la biomasa es mucho más rentable que el gasóleo, debido a que los gastos de combustible son mucho mayores que el resto. 50 Figura 53: Evolución del coste total de las instalaciones. 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 18.000 20.000 año 0 año 1 año 2 año 3 año 4 año 5 año 6 año 7 año 8 año 9 año 10 año 11 año 12 año 13 año 14 año 15 Gasóleo Gas Natural Pellets Astillas 51 51 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. La biomasa, se hace competitiva frente al gas natural a partir del 5° año. Sin embargo, como la vida útil de un sistema de calefacción se estima en un mínimo de 15 a 20 años. La decisión habría que tomarla por sus efectos a largo plazo. En ese caso, la biomasa y el gas natural acumulan costes de forma similar hasta el año 4 pero desde ese momento hacia delante el uso de la biomasa permite ahorrar bastante. La viabilidad económica del uso de la biomasa en edificios es un hecho objetivo. Pero para que la biomasa sea la opción elegida, además de tener un atractivo de tipo económico tiene que proporcionar la misma fiabilidad y seguridad en el servicio que las instalaciones tradicionales. La ventaja económica principal de la biomasa sobre el gas natural o el gasóleo, radica en el menor coste del combustible y en una mayor estabilidad del precio de éste, al no depender de los precios del petróleo. Esta ventaja tiene que equilibrar y prevalecer frente al mayor coste de inversión inicial que supone instalar un sistema de biomasa frente a uno de gas natural o gasóleo. En este caso práctico no hemos tenido en cuenta ni las ayudas, ni los permisos necesarios. Cada una de las comunidades autónomas publica una serie de ayudas para las instalaciones de energía renovables, incluyéndose dentro de éstas la climatización de edificios con biomasa. Debido a que una de las prioridades dentro del fomento de la utilización de las energías renovables es la promoción de la biomasa, siendo el punto más fuerte del Plan de Fomento de las Energías Renovables en nuestro país. Los permisos requeridos para la legalización e instalación de un sistema de calefacción con biomasa son los mismos que para un sistema convencional. Figura 54: Evolución de las instalaciones de biomasa. [23] Las grandes ventajas que ofrecen este tipo de calderas, han provocado que en 2017 haya casi 245.000 instalaciones de calefacción que utilizan biomasa. El mayor incremento de las instalaciones de calefacción con biomasa se ha visto impulsado por el aumento de las estufas pellets. Aunque el uso del pellet sea ligeramente superior al de las astillas como se puede apreciar en la Figura 54, en el sector de la vivienda se emplea más el pellets debido principalmente a que se necesita menor espacio de almacenamiento y menor mantenimiento que las calderas que utilizan astillas. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Instalaciones de biomasa(miles) 52 5 ANÁLISIS DE INSTALACIONES En este apartado, nuestro objetivo va a ser mostrar la máxima información de las instalaciones que actualmente utilizan biomasa para conocer ciertos aspectos. Como pueden ser el tipo de combustible, aplicaciones, o rango de potencias que son más empleados en la actualidad. 5.1 Diferentes aplicaciones En nuestra base de datos el mayor número de instalaciones son edificios públicos, esto se debe a que la información de dichas instalaciones es más accesible que las instalaciones en viviendas. Como cada vez es mayor la preocupación por el medio ambiente, las autoridades están apostando cada vez más por esta tecnología para edificios públicos, y esta aplicación tiene un gran peso en los edificios públicos como pueden ser: estaciones de bomberos, ayuntamientos, colegios, universidades…etc. El uso de los recursos locales puede generar una sensación de independencia, además los suministradores de biomasa obtendrán una renta adicional y mejorará la economía local, ya que estos suelen pertenecer a la zona. Por otro lado, el ayuntamiento suele ganar credibilidad manifestando sus esfuerzos ambientales aspecto que suele agradar a los ciudadanos. Figura 55: Diferentes aplicaciones de la biomasa. Otro tipo de aplicación muy importante es la aplicación de la biomasa en comunidades de vecinos. En España hay dos capitales de provincia que destacan por el número de edificios donde se han sustituido instalaciones de combustibles convencionales (carbón y gasóleo C principalmente) por biomasa. Estas ciudades, donde ya existen empresas de suministro y distribución de biomasa desarrolladas, son Zaragoza y Madrid. Aunque también hay que destacar el País Vasco donde en los últimos años bastantes comunidades de vecinos se están decantando también por el uso de la biomasa. Central Comunidad vecinos Hostelería Instalaciones Vivienda Edificios públicos 53 53 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. La hostelería también tiene un peso importante en el uso de la biomasa ya que al tener grandes consumos tanto de calefacción como de ACS suele compensar el uso de la biomasa frente a los combustibles convencionales. En los últimos años tanto casas rurales como hoteles de lujo están instalando calderas donde se utiliza la biomasa ya que además de obtener ahorros económicos, la empresa muestra una imagen de compromiso con el medio ambiente. En definitiva en todos los diferentes tipos de aplicaciones el uso de la biomasa está aumentando año tras año debido a todos los beneficios que conlleva el uso de la biomasa frente a otros combustibles. 5.2 Uso de la biomasa Como se explicó anteriormente la aplicación más común suele ser la de aplicaciones térmicas. La mayoría de las veces cuando se realiza una instalación de biomasa se suele reemplazar o utilizar tanto para calefacción como para ACS. Debido a que en las viviendas resulta más rentable instalar ambas aplicaciones y dejar la dependencia de los combustibles tradicionales. La mayor parte de las instalaciones donde solo se emplea calefacción suele ser para edificios públicos donde el gasto de ACS es bastante bajo. Figura 56: Uso de la biomasa. Por otro lado los edificios públicos y la hostelería suele aprovechar dichas instalaciones para climatizar los locales, es decir, generar tanto calor en invierno como frío en verano. Debido a que el consumo es bastante alto y suele compensar en este caso el uso de la biomasa para refrigerar. El aprovechamiento térmico solo se realiza en instalaciones o fábricas donde se utiliza un producto generado que no se desea para generar electricidad de forma casi gratuita. Figura 57: Aplicaciones térmicas frente a la generación de electricidad. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Aprovechamiento térmico Calefacción Calefacción y ACS Climatización Climatización y ACS Electricidad y ACS Generar electricidad N°de instalaciones 90% 10% Aplicaciones térmicas Generación de electricidad Análisis de instalaciones 54 54 La generación de electricidad en las centrales es poco habitual debido a los inconvenientes anteriormente explicados aunque su uso está aumentando sobretodo en la comunidad de Andalucía donde se aprovecha los subproductos de la aceituna. Durante este año se comenzó las obras del mayor complejo de biomasa en España que será la tercera central de energía instalada en dicha ciudad. 5.3 Tipo de unidad terminal Cuando se utiliza la biomasa para la calefacción la unidad terminal puede ser de diferentes tipos. Tanto los radiadores como el suelo radiante son emisores de calor. Estéticamente el suelo radiante es mejor ya que se integra en el suelo, sin embargo, los radiadores quedan a la vista. El suelo radiante permite una distribución homogénea del calor en todos los puntos de la casa pero la instalación inicial es mayor. En cambio los radiadores emiten calor más rápidamente que el suelo radiante pero como como calientan por convección el aire, hace que el calor suba y este se deposite en el techo haciendo que el calor no sea homogéneo en toda la habitación. Figura 58: Tipo de unidad terminal. El suelo radiante suele ser empleado en edificios públicos o en hostelería, debido a que es más rentable porque trabaja con temperaturas de agua más baja que los radiadores, además este tipo de edificios la calefacción no suele ser apagada y encendida varias veces al día, sino que se mantiene encendida todo el día. Los radiadores suelen ser más utilizados en viviendas y comunidades de vecinos, debido a que la ocupación no es constante y suele interesar más este tipo, ya que los radiadores calientan más rápidamente. Por otro lado la calefacción centralizada suele utilizarse en edificios públicos, debido a que el mismo aparato va a generar tanto calor en invierno como frío en verano. Este tipo no suele utilizarse en viviendas ya que suele resecar mucho el ambiente. 5.4 Tipos de combustible Como se ha explicado anteriormente hay muchos tipos de combustible y para la elección de uno u otro hay que tener en cuenta muchos factores. 0 5 10 15 20 25 Centralizada Radiadores Radiadores y suelo radiante Suelo radiante N°de instalaciones 55 55 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. Figura 59: Tipos de combustibles. Los combustibles más empleados son: pellets, astillas y los subproductos de la aceituna. Respecto a los subproductos de la aceituna las comunidades que más la utilizan son Andalucía y Madrid. El subproducto más utilizado es el hueso de aceituna, en un segundo lugar se emplea el orujillo y por último a veces también es utilizada la poda generada. Figura 60: Empleo de los subproductos de la aceituna por comunidades. El combustible más empleado es el pellet, este combustible es utilizado en todo tipo de aplicación: viviendas, hostelería, edificios públicos…etc. Esto mismo ocurre con las astillas que se utilizan todo tipo de aplicaciones. El pellet suele ser utilizado en viviendas o en edificios grandes donde no es posible el suministro de astilla, una de las ventajas del uso del pellet es la escasa generación de ceniza. Las calderas de astillas generan algo más de cenizas pero suelen emplearse en edificios donde la potencia instalada es mayor y el suministro de la astilla es posible. Se utiliza la astilla ya a pesar de que la instalación sea algo superior a la instalación del pellets al ser el precio del combustible menor a lo largo de los años suele ser más económico. 0 5 10 15 20 25 Biomasa forestal y cultivo energético Astilla Astilla y subproducto aceituna Biomasa agrícola Biomasa forestal Cáscara de almendra Leña Pellets Pellets y Astillas Pellets y Leña Policombustible Subproductos aceituna Nº de instalaciones 34% 58% 8% Madrid Andalucia Asturias Bibliografía 62 62 [26] The exploitation of biomass for building space heating in Greece: Energy, environmental and economic considerations. Energy Conversion and Management. [27] Biocarburantes en el transporte. IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía) [28] www.biogas.es [29] www.idae.es/tecnologias/energias-renovables/uso-termico/biogas [30] Energía Biomasa. Energías Renovables. Coordinación de Energías Renovables 2008 [31] Biomasa. Redes de distribución térmica. IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía) 63 ANEXO Catálogos Productos obtenidos por HC Ingeniería. [www.tubiomasaeconomica.es] Caldera de Gasoil Caldera de Gas Natural ANEXO 64 64 Caldera de Biomasa para astillas de madera Caldera de Biomasa para pellets 65 65 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. Mantenimiento e Instalación Los costes del mantenimiento e instalación han sido obtenidos del documento: Producción térmica de frio y calor mediante biomasa en centros hospitalarios. XV Congreso Internacional de Ingeniería de Proyectos.2011 y del documento: Estudio de la viabilidad del aprovechamiento de biomasa para calefacción y ACS en edificación. Escuela Universitaria de Arquitectura Técnica de Madrid, Precio del combustible Los precios de la biomasa se han obtenido de AVEBIOM (Asociación Española de Valorización Energética de la Biomasa) ANEXO 66 66 67 67 Aplicación de la biomasa a la generación de energía térmica. Análisis de instalaciones. Costes de las instalaciones Tabla 14: Costes de las instalaciones. año 0 año 1 año 2 año 3 año 4 año 5 Gasóleo 4.314 6.547 7.050 7.592 8.179 8.812 Gas Natural 4.188 3.326 3.504 3.692 3.891 4.103 Pellets 8.257 3.159 3.233 3.309 3.388 3.469 Astillas 7.885 3.487 3.512 3.537 3.563 3.588 ANEXO 68 68 Tabla 15: Costes de las instalaciones (continuación) año 6 año 7 año 8 año 9 año 10 año 11 9.495 10.234 11.031 11.893 12.823 13.827 4.327 4.564 4.816 5.083 5.366 5.666 3.552 3.638 3.727 3.818 3.911 4.008 3.614 3.641 3.667 3.694 3.721 3.748 Tabla 16: Costes de las instalaciones (continuación) año 12 año 13 año 14 año 15 14.912 16.084 17.350 18.716 5.984 6.321 6.678 7.057 4.108 4.210 4.316 4.425 3.776 3.804 3.832 3.860 Instalaciones de biomasa [1] Biomasa en el ámbito municial. Guía de buenas prácticas. Diputación de Cádiz. [2] www.interempresas.net/Instaladores/Articulos/111380-10-experiencias-con-calderas-KWB-en-viviendas- particulares.html [3] www.tecnohotelnews.com/2013/03/energia-10-ejemplos-de-instalacion-de-biomasa-en-hoteles/ [4] Instalaciones de biomasa. H.C. Ingeniería, SL [5] www.evo-world.com/index.php/case-studies-185.html [6] https://news.soliclima.com/noticias/biomasa/la-experiencia-de-una-comunidad-de-oviedo-con-una-caldera- de-pellets [7] www.enertra.es/proyectos-realizados/biomasa/ [8] EXPERIENCIA DE UTILIZACIÓN DE BIOMASA EN EL MUNICIPIO DE ASPARRENA. [9] Energía de la biomasa (IDAE) [10] Tecnologías para el uso y transformación de biomasa energética. Fernando Gutiérrez Martín. Guillermo San Miguel 69 Tabla 17: Instalaciones de biomasa. Tipo Localización Año Uso Calefacción Combustible Potencia (kW) Motivo 1 Vivienda Madrid 2005 Calefacción y ACS Radiadores Hueso de aceituna 93 Sustitución gas propano 2 Vivienda Ávila 2004 Calefacción y ACS Radiadores Policombustible 40 Sustitución gasóleo 3 Comunidad vecinos Zaragoza 2003 Calefacción Radiadores Cáscara de almendra 400 Sustitución carbón 4 Comunidad vecinos Madrid 2004 Calefacción y ACS Radiadores Hueso de aceituna 580 Sustitución carbón 5 Comunidad vecinos Madrid 2005 Calefacción Radiadores Hueso de aceituna 116 Sustitución carbón 6 Edificios públicos Jaén 2000 Calefacción y ACS Hueso de aceituna y Orujillo 645 7 Edificios públicos León 2005 Calefacción Radiadores y suelo radiante Biomasa forestal 40 8 Edificios públicos Barcelona 2005 Calefacción y ACS Policombustible 60 Sustitución gasóleo 9 Edificios públicos Lleida 2001 Calefacción y ACS Suelo radiante Biomasa forestal 175 Nueva construcción 10 Edificios públicos Córdoba 2000 Calefacción y ACS Poda olivar y Orujillo 291 Nueva construcción 11 Edificios públicos León 2005 Calefacción y ACS Suelo radiante Policombustible 50 Nueva construcción 12 Edificios públicos Tarragona 2005 Calefacción y ACS Policombustible 200 Nueva construcción 13 Edificios públicos Segovia 1999 Calefacción Centralizada Biomasa forestal 16900 14 Edificios públicos Barcelona 2001 Calefacción Centralizada Policombustible 2250 15 Edificios públicos Barcelona 2002 Calefacción Centralizada Biomasa forestal 6000 16 Instalaciones Ciudad Real 2001 Aprovechamiento térmico Biomasa forestal 2560 70 17 Instalaciones Barcelona 2004 Aprovechamiento térmico Astilla 880 Sustitución gasóleo 18 Central Orense 1998 Generar electricidad Biomasa forestal 2350 19 Central Navarra 2002 Generar electricidad Biomasa agrícola 25000 20 Central Jaén 2002 Generar electricidad Orujillo 16000 21 Central Almería 2004 Generar electricidad Biomasa agrícola 1700 22 Central Cantabria 2013 Generar electricidad Biomasa forestal 10000 23 Central Lleida 2012 Generar electricidad Biomasa forestal y cultivo energético 11100 24 Central Huelva 2012 Generar electricidad Biomasa forestal y cultivo energético 50000 25 Comunidad vecinos País Vasco 2012 Calefacción Radiadores Pellets 1440 Sustitución gasóleo 26 Edificios públicos Navarra 2009 Calefacción Centralizada Astilla 700 Sustitución gasóleo 27 Edificios públicos Navarra 2009 Calefacción Centralizada Pellets 96 Sustitución gasóleo 28 Edificios públicos Navarra 2011 Calefacción y ACS Centralizada Pellets 600 Sustitución gas propano 29 Comunidad vecinos País Vasco 2011 Calefacción y ACS Radiadores Pellets y Astillas 720 Sustitución gasóleo 30 Comunidad vecinos País Vasco 2013 Calefacción y ACS Radiadores Pellets 63 Sustitución gasóleo 31 Vivienda Navarra 2012 Calefacción y ACS Radiadores Pellets 20 Sustitución gasóleo 32 Vivienda Navarra 2011 Calefacción y ACS Radiadores Pellets y Leña 20 Nueva construcción 33 Edificios públicos Navarra 2008 Calefacción y ACS Suelo radiante Pellets 70 Nueva construcción 34 Edificios públicos Navarra 2012 Calefacción Suelo radiante Pellets 112 Nueva construcción 35 Edificios públicos Navarra 2009 Calefacción Suelo radiante Astilla 100 Nueva construcción 36 Edificios públicos Navarra 2012 Climatización y ACS Astilla 150 Sustitución gas propano 71 37 Hostelería Navarra 2012 Calefacción Radiadores Pellets y Astillas 250 Sustitución gas propano 38 Instalaciones Navarra 2010 Climatización y ACS Pellets 200 Sustitución gasóleo 39 Edificios públicos Cádiz 2011 Calefacción y ACS Pellets 600 Nueva construcción 40 Comunidad vecinos Andalucía 2011 Calefacción y ACS Radiadores Hueso aceituna 300 Sustitución gasóleo 41 Edificios públicos Jaén 2010 Climatización Hueso aceituna 600 Nueva construcción 42 Vivienda Ávila 2004 Calefacción y ACS Policombustible 40 43 Vivienda Valladolid 2005 Calefacción y ACS Astilla 40 44 Vivienda Córdoba 2009 Calefacción y ACS Hueso aceituna 60 45 Vivienda Pontevedra 2009 Calefacción y ACS Pellets 30 46 Vivienda Madrid 2011 Calefacción y ACS Policombustible 35 47 Vivienda Asturias 2012 Calefacción Suelo radiante Hueso aceituna 15 Nueva construcción 48 Vivienda Vizcaya 2012 Calefacción y ACS Leña 50 Sustitución gasóleo 49 Vivienda Toledo 2012 Calefacción y ACS Pellets 50 Sustitución gas propano 50 Hostelería Ávila 2006 Calefacción y ACS Suelo radiante Astilla 60 51 Hostelería Segovia 2009 Calefacción y ACS Pellets 30 52 Hostelería Ávila 2010 Climatización y ACS Pellets y Astillas 200 Nueva construcción 53 Hostelería Albacete 2010 Calefacción y ACS Astilla 130 54 Hostelería Mallorca 2011 Calefacción Pellets 300 Sustitución gasóleo 55 Hostelería Asturias 2012 Calefacción y ACS Radiadores Pellets 35 Sustitución gasóleo 56 Hostelería Jaén 2012 Climatización Astilla y hueso aceituna 80 Sustitución gasóleo 57 Hostelería Lleida 2012 Calefacción y ACS Radiadores Pellets 100 58 Hostelería Córdoba 2012 Calefacción y ACS Leña 50 Sustitución gasóleo 59 Vivienda Vizcaya 2011 Calefacción y ACS Pellets 30 60 Edificios públicos Madrid 2010 Calefacción Hueso aceituna 50 Sustitución gasóleo