Requisitos de calidad y sostenibilidad de BIOMASUD

JORNADA:SELLOS DE CALIDAD ENplus Y BIOMASUDMadrid, 23 de mayo de 2013

Dr. Luis Saúl Esteban Pascual

CEDER-CIEMAT.

luis.esteban@ciemat.es

UE / EU – FEDER / ERDF

ALGUNOS OBJETIVOS DEL PROYECTO BIOMASUD

• Evaluar la calidad de los biocombustibles de uso

térmico-residencial en el SUDOE

• Establecer uno requisitos mínimos de calidad y

sostenibilidad para los biocombustibles en el SUDOE

• Crear un sello de calidad-sostenibilidad para los

biocombustibles típicos del SUDOE

BENEFICIOS DE ESTANDARIZAR LA CALIDAD DE LOS BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS

• Confianza para los usuarios de calderas

• Fabricación de calderas adaptadas

• Reducción de las emisiones contaminantes

• Mercado más transparente

• Aumento de la utilización de la biomasa

BIOCOMBUSTIBLES TÍPICOS DEL SUDOEPélets de madera (uso térmico doméstico): 250.000 t/año en SUDOE

BIOCOMBUSTIBLES TÍPICOS DEL SUDOEAstillas de madera (uso térmico doméstico): 200.000 t/año en SUDOE

BIOCOMBUSTIBLES TÍPICOS DEL SUDOEHueso de aceituna: 400.000 t/año en SUDOE

BIOCOMBUSTIBLES TÍPICOS DEL SUDOE

Cáscara de almendra: 182.000 t/año en SUDOE

BIOCOMBUSTIBLES TÍPICOS DEL SUDOECáscara de piña: 35.000 t/año en SUDOE

BIOCOMBUSTIBLES TÍPICOS DEL SUDOECáscara de piñón: 10.000 t/año en SUDOE

BIOCOMBUSTIBLES TÍPICOS DEL SUDOECáscara de avellana: 6.000 t/año en SUDOE

¿POR QUÉ ESTABLECER REQUISITOS DE CALIDAD Y SOSTENIBILIDAD?

• Para mantener la calidad del aire en condiciones aceptables fijadas

por la legislación1

• Para preservar el medio ambiente mediante la óptima utilización de

los recursos naturales, la eficiencia energética y la reducción de Gases

de Efecto Invernadero GEI

• Para poder establecer un funcionamiento normalizado2 de los equipos

de combustión

1 Directiva 2001/81/CE, sobre techos nacionales de emisión.Ley 34/2007, 15 de noviembre, de calidad del aire y protección de la atmósferaDirectiva 2010/75/UE, sobre las emisiones industriales (prevención y control integrados de la contaminación)Real Decreto 102/2011, relativo a la mejora de la calidad del airePlan Aire 2013-2016

2 UNE-EN 303-5 (en vigor a partir de junio 2012) Calderas de calefacción hasta 500 kWEN 15270:2007; UNE-EN 15270:2009 :Quemadores de pelets para calderas de calefacción pequeñas. Definiciones,

requisitos, ensayos y marcado

Nueva Norma UNE-EN 303-5 (en vigor desde junio 2012)Calderas de calefacción hasta 500 kW:

1.2.1 Biogenic fuelsBiomass in a natural state, in the form of:� A log wood with moisture content w ≤ 25 %, according to EN 14961-5;� B1 chipped wood (wood chipped by machine, usually up to a maximum length of 15 cm) with moisturecontent from w 15 % to w 35 %, according to EN 14961-4;� B2 chipped wood as under B1, except with moisture content w > 35 %;� C1 compressed wood (e.g. pellets without additives, made of wood and/or bark particles; natural bindingagents such as molasses, vegetable paraffins and starch are permitted), pellets according to EN 14961-2;

� C2 compressed wood (e.g. briquettes without additives, made of wood and/or bark particles; naturalbinding agents such as molasses, vegetable paraffins and starch are permitted), briquettes according toEN 14961-3;� D sawdust with moisture content w ≤ 50 %;� E non-woody biomass, such as straw, miscanthus, reeds, kernels and grains

Para combustibles tipo EPuede llegar hasta 200 mg/m3

EN 15270:2007; UNE-EN 15270:2009 :Quemadores de pelets para calderas de calefacción pequeñas. Definiciones, requisitos, ensayos y marcado:

No existe una norma para el testeo de quemadores pequeños con hueso de aceituna, o cáscaras.

Legislación de distintos países de la UE como Austria1 y Alemania 2Ya se exige el cumplimiento de límites de emisión para pequeñas estufas y calderas,

la normalización y el testeo previo de los combustibles

1 Kundmachung des Landeshauptmannes von Wien, betreffend die Vereinbarung gemäß Art. 15a B-VG über das Inverkehrbringen von Kleinfeuerungen und die Überprüfung von Feuerungsanlagen und Blockheizkraftwerken2 Erste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung überkleine und mittlere Feuerungsanlagen - 1.BImSchV)

ESPAÑA: PLAN AIRE 2013-2016

ESPAÑA: PLAN AIRE 2013-2016

ESPAÑA: PLAN AIRE 2013-2016

PROCESO DE ESTABLECIMIENTO DE LÍMITES DE CALIDAD EN BIOMASUD

Muestreo de biocombustibles en el mercado

Definición de parámetros de calidad

Resultados analíticos. Análisis estadístico de valores

Consulta con los usuarios (fabricantes de calderas)

Pruebas de combustión

Comparación con valores límite establecidos en Normas EN para

pélets y astillas

Definición de límites en hueso y cáscaras para el establecimiento

piloto del sello BIOMASUD

Próximo paso: transferencia de resultados al CTN-164

(Biocombustibles sólidos) para desarrollo de norma UNE sobre

especificaciones y clases de hueso y cáscaras.

PARÁMETROS DEL COMBUSTIBLE RESPONSABLES DE LAS EMISIONES CONTAMINANTES

• Humedad

• Contenido en grasa

• Contenido en finos

• Cloro

• Nitrógeno

• Azufre

• Trazas de metales pesados: As (Arsénico), Cd (Cadmio), Cr (Cromo),

Cu (Cobre), Pb (Plomo), Hg (Mercurio), Ni (Níquel), Zn (Cinc)

PARÁMETROS DEL COMBUSTIBLE IMPORTANTES EN LA OPERACIÓN Y DURABILIDAD DE LA CALDERA O ESTUFA

• Humedad

• Contenido en grasa

• Cenizas: cantidad, composición y fusibilidad

(elementos alcalinos, sílice etc)

• Durabilidad (pélets)

• Densidad

• Contenido en finos

• Cloro

• Azufre

• Baja el PCI

• Provoca emisiones elevadas

• Disminuye estabilidad de llama

• Dificulta la ignicción

• Aumenta el tiempo de residencia

• Degradaciones en almacenamiento

HUMEDAD

Emisiones de partículas en función de la humedadExperimentos de combustión de biomasa forestal. Fuente:Linda Johansson, 2002

HUMEDAD

HUMEDAD

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 5 10 15 20 25 30 35

Humedad (% b.h.)

Incr

emen

to C

O (%

)

presencia de agua superficial

degradación biológica

Hueso de aceituna: Combustión en quemador de pélets de alimentación superior (cestillo)

Incremento porcentual de las emisiones de CO con respecto a pélets ENplus con un 10% de humedadHueso con un 0,1% de grasa

Fuente: CEDER. Proyecto BIOMASUD

CONTENIDO EN GRASA

Hueso de aceituna: Combustión en quemador de pélets de alimentación superior (cestillo)

Incremento porcentual de las emisiones de CO con respecto a pélets ENplus con un 10% de humedadHueso con un 15% b.h. de humedad

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6

Contenido en grasa (% b.s.)

Incr

emen

to C

O (%

)

presencia de aceite superficial

MUESTRAS TOMADAS EN EL MERCADO SUDOE en 2011 y 2012

PAÍSPortugal Francia España TOTAL

Pélets de Madera 9 3 20 32Astillas de madera 4 10 3 17Hueso de aceituna 2 0 10 12Cáscara de almendra 1 0 11 12Cáscara de piñón 3 0 6 9Cáscara de piña 3 0 5 8Cáscara de avellana 0 1 1 2Mezcla cascara piña/piñón 0 0 4 4TOTAL 22 14 60 96

ANÁLISIS DE LAS MUESTRAS : Valores medios obtenidos

Pélets de madera

Astillas de madera

Hueso de aceituna

Cáscara de almendra

Cáscara de piña

Cáscara de piñón

Cáscara de avellana

Mezcla cáscaras

piña/piñónMuestras (nº) 32 17 12 12 8 9 2 4

M (humedad) (% b.h.) 5,2 20,1 10,8 8,9 10,4 10,5 9,3 19,8Contenido en grasa (% b.s.) nd nd 0,49 0,52 na nd nd nd

A (Ceniza) (% b.s.) 0,8 0,8 1,1 1,1 0,9 1,3 1,2 1,5N (Nitrógeno) (% b.s.) 0,3 0,1 0,2 0,4 0,2 0,3 0,3 0,4

S (Azufre) (% b.s.) 0,02 0,01 0,02 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02Cl(Cloro) (% b.s.) 0,02 0,01 0,06 0,01 0,05 0,02 0,01 0,03

Q (PCI b.h.) (MJ/kg b.h.) 17,5 14,2 16,8 16,2 16,5 16,8 17,1 14,8DT (Tª inicial def.) (ºC) 1305 1373 840 851 1219 854 1105 1098HT (Tª hemiesfera) (ºC) 1317 1396 1024 907 1301 1136 1400 1130

FT (Tª fusión) (ºC) 1346 1399 1325 1382 1378 1260 1400 1283BD (Densidad a granel) (kg/m3) 692 243 753 379 410 530 370 398

As (Arsénico) (mg/Kg b.s.) 0,2 0,3 0,2 0,1 0,3 0,2 0,1 0,1Cd (Cadmio) (mg/Kg b.s.) 0,21 0,26 1,20 0,85 0,57 0,82 0,17 0,62Cr (Cromo) (mg/Kg b.s.) 4,0 4,4 2,5 2,1 1,1 1,4 3,3 0,9Cu (Cobre) (mg/Kg b.s.) 6,6 4,2 5,3 5,6 4,2 11,1 7,7 5,8Pb (Plomo) (mg/Kg b.s.) 3,6 0,6 0,9 1,1 0,6 1,6 0,8 0,7

Hg (Mercurio) (mg/Kg b.s.) 0,0044 0,0038 0,0017 0,0018 0,0039 0,0036 0,0015 0,0010Ni (Níquel) (mg/Kg b.s.) 5,3 3,0 3,0 4,4 2,5 4,7 2,3 2,4Zn (Cinc) (mg/Kg b.s.) 15,3 11,2 6,7 3,3 7,8 6,0 6,1 10,2

Finos< 3,15 (%) 1,1 na na na na na na naFinos < 1 (mm) na na 1,3 0,8 0,1 0,1 0,7 0,04Finos < 2 (mm) na na 12,3 1,4 0,1 0,4 0,9 0,07

Du (Durabilidad de pélets) (%) 97,6 na na na na na na nand (no determinado)na (no aplicable)

BIOCOMBUSTIBLE

PRUEBAS DE COMBUSTIÓN EN CALDERA DE PARRILLA COMERCIAL

RESULTADOS DE PRUEBAS DE COMBUSTIÓN

Caldera comercial de 40 kW parrilla móvil sin regulación específica para hueso y cáscaras

PARAMETRO VALOR Total duración (h) 8,0 Period estacionario (h) 6,0 Flujo medio de combustible (kg/h) 10,3 Ciclo de la parrilla  

Tiempo on (s) 3 Tienpo off (s) 120 

O2 consigna (sonda lambda) (%) 8  

Características de las pruebas

RESULTADOS DE PRUEBAS DE COMBUSTIÓN

Resultados obtenidos en pruebas preliminares: emisiones

EN-PLUS, A1 pellets

Olive stones

Chopped pine cone

Almond shells

Pine nut shells

O2 (%) d.b. 7,5 9,4 9,2 7,2 7,9 CO (mg/Nm3) d.b. (1) 393 994 496 3077 57

TOC (mg/Nm3) d.b. (1) (3) 1,6 7,7 1,1 32 0,12 NOx (mg/Nm3) d.b. (1) (2) 128 263 286 258 329

SO2 (mg/Nm3) d.b. (1) 11 20 17 23 9,3 HCl (mg/Nm3) d.b. (1) 0,32 0,49 0,29 0,38 0,25

Particles (mg/Nm3) d.b.(1) (4) 32 131 221 393 45 Combustion air excess (%) (5) 55 80 77 52 60

 d.b.: dry basis.(1): referred to 10% v. O2. (2): NO + NO2, shown as NO2. (3): shown as C. (4): mean value of the 4 filters gathered during the stationary period. (5)  with regard to stoichiometric combustion air. 

European standard EN 303-5 (class 3):CO: 3000 mg/Nm3 (O2,reference: 10% v.).TOC: 100 mg/ Nm3 (O2,reference: 10% v.).Particles: 150 mg/ Nm3 (O2,reference: 10% v.).

RESULTADOS DE PRUEBAS DE COMBUSTIÓN:Aspecto de los intercambiadores de calor

Hueso aceituna

Cáscara de almendra

Cáscara de piña

Cáscara de piñón

Pélets EN+

HUESO Y CÁSCARAS, SÓLO VALORES TÍPICOS en la

norma EN-14961-1Tablas 9 y 10

LÍMITES PARA EL ESTABLECIMIENTO PILOTO DEL SELLO BIOMASUD

Ejemplo: Hueso de Aceituna. Límites preliminares Propiedad /Método de análisis Unidad A B

Origen y fuente EN 14961-1 3.1.2.3 Huesos / cáscaras (no tratados

químicamente) 3.2.2.2 Huesos / cáscaras (tratados químicamente)

3.1.2.3 Huesos / cáscaras (no tratados

químicamente) 3.2.2.2 Huesos /

cáscaras (tratados químicamente)

Contenido de aceite, por método Soxhlet

% < 1,0 < 2,0

Humedad, M, EN 14774-1, EN 14774-2

b.h., p-% M12 < 12 M16 < 16

Cenizas, A, EN14775 p-% b.s. A1.3< 1,3 A2.6 < 2,6 Poder calorífico neto, Q EN 14918

b.h., MJ/kg o kWh/kg

Q16.0, Q > 16,0 o Q > 4,4

Q15.1, Q > 15,1 o Q > 4,2

Densidad aparente, BD, EN 15103 kg/m3 BD650 > 650 BD600 > 600 Nitrógeno, N, prEN 15104 p-% b.s. N0.4 < 0,4 N0.8 < 0,8 Azufre, S, prEN 15289 p-% b.s. S0.03 < 0,03 S0.06 < 0,06 Cloro, Cl, prEN 15289 p-% b.s. Cl0.04 < 0,04 Cl0.08 < 0,08 Arsénico, As, prEN 15297 mg/kg b.s. < 0,5 < 1 Cadmio, Cd, prEN 15297 mg/kg b.s. < 1,5 < 3 Cromo, Cr, prEN 15297 mg/kg b.s. < 10 < 20 Cobre, Cu, prEN 15297 mg/kg b.s. < 10 < 20 Plomo, Pb, prEN 15297 mg/kg b.s. < 5 < 10 Mercurio, Hg, prEN 15297 mg/kg b.s. < 0,01 < 0,02 Níquel, Ni, prEN 15297 mg/kg b.s. < 10 < 20

Nor

mat

iva

Zinc, Zn, prEN 15297 mg/kg b.s. < 10 < 20

DT > 750 DT > 750

Inf. Fusibilidad de las cenizas d,

prEN15370 oC

FT > 1375 FT > 1300

Finos < 1 mm. % < 3 < 6 Finos < 2 mm. % < 30 < 50

Nor

m. Tamaño de

particula, EN 15149-1 Tamaño

máximo mm. Todas< 16 mm. Todas< 16 mm.

a La fusibilidad de las cenizas es informativa pero es obligatorio un análisis de DT y FT. El límite DT es recomendable

REQUISITOS DE SOSTENIBILIDAD PARA BIOMASA SÓLIDA : uso térmico y eléctrico

No existen aún requisitos vinculantes a nivel europeo :Tema aún en debate1

Existe un Informe de la Comisión al Consejo y al Parlamento Europeo relativo a los requisitos de sostenibilidad para el uso de fuentes de biomasa sólida y gaseosa en los sectores de la electricidad, la calefacción y la refrigeración” COM(2010) 11 final y SEC(2010) 65 final

Se recomienda que los sistemas de sostenibilidad se apliquen solo a los grandes productores de energía, con una capacidad eléctrica o térmica igual o superior a 1 MW

Se recomienda la opción de fijar el requisito de una reducción mínima de GEI del 35 % y aumentarlo al 50 % a partir de 2017 en cuanto a las instalaciones existentes y al 60 % en cuanto a las instalaciones nuevas a partir de 2018, opción que es coherente con la Directiva sobre energías renovables. No deben imponerse estos requisitos a los desechos y residuos de transformación industrial, que consiguen sistemáticamente una elevada reducción de GEI

1 Results of the public consultation on additional sustainability measures at EU level for solid and gaseous biomass used in electricity, heating and cooling. July 2011

REQUISITOS DE SOSTENIBILIDAD PARA BIOMASA SÓLIDA : uso térmico y eléctrico

Aunque no existe, hoy por hoy , una obligación se ha considerado una cuestión de responsabilidad social y medioambiental.

Se han establecido dos requisitos mínimos:

GEI (Gases de efecto invernadero): La reducción de las emisionesde gases de efecto invernadero derivada de la utilización del combustible en sustitución de gas natural será de un 70% o superior.

Energía consumida: La energía utilizada en el transporte de lasmaterias primas hasta el centro de producción más la energía utilizada en los procesos de preparación y acondicionamiento del biocombustible no podrá ser superior al 40% de la energía contenida en el combustible en base al PCI en base húmeda del mismo

CONCLUSIONES• Los biocombustibles típicos de SUDOE existentes en el mercado han sido analizados:

sus parámetros químico‐energéticos indican que su calidad como combustible paracalderas comerciales es aceptable pero es precisa la regulación específica en losequipos.

• En el esquema BIOMASUD, para los pélets y astillas de madera, se seguirán las normasya establecidas (EN 14961‐2 y EN 14961‐4).

• Para los biocombustibles como huesos y cáscaras, a falta de normas EN o UNE, se hanestablecido requisitos preliminares de calidad y sostenibilidad.

• En huesos y cáscaras se ha de prestar atención a los siguientes aspectos que se han deinvestigar en mayor profundidad:

‐ La influencia del contenido de grasa y la humedad en la combustión.‐ Fusibilidad de las cenizas‐ La regulación de las calderas comerciales teniendo en cuenta aspectos como ladensidad, humedad, contenido en grasa y las peculiaridades de la combustión delos distintos biocombustibles.

• Se ha dado un primer paso para la normalización de los biocombustibles típicos del Surde Europa. Se realizará una propuesta dentro del comité técnico CTN‐164 de AENOR, enel que participan, entre otras entidades, IDAE, CIEMAT y AVEBIOM

Dr.Luis Saúl Esteban Pascual,

CEDER-CIEMAT.

luis.esteban@ciemat.es

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