Aprovechamiento de gases de combustión como fuente CO2 para

Transcripción

Aprovechamiento de gases de combustión como fuente
de CO2 para enriquecimiento carbónico de invernaderos
F. Gabriel Acién Fernández
Dpto. Ingeniería Química, Universidad de Almería
Seminario calefacción de invernaderos mediante biomasa
1
ANTECEDENTES
•La temperatura y concentración de dióxido de carbono (CO2) son, junto
con la disponibilidad de radiación solar, los factores determinantes de la
velocidad de fotosíntesis , y por tanto del crecimiento y productividad
•La temperatura debe ser mantenida dentro de un rango óptimo, 10ºC40ºC, mediante calefacción y/o ventilación al exterior
•La concentración de CO2 óptima para el desarrollo de las especies
hortícolas se ha establecido entre el rango de 700 - 1000 mol mol-1.
•Debido al proceso de asimilación del dosel vegetal, en el interior del
invernadero se produce un decremento respecto de la concentración de
CO2 atmosférica (370 mol mol-1), limitando los cultivos
0.14
700 W/m2
0.1
500 W/m2
0.08
0.15
700 W/m2
0.06
300 W/m2
0.04
0.02
100 W/m2
0
0
10
20
30
40
Temperatura (º C)
Fotosí ntesis (gr CH2O/m2 min)
Fotosí ntesis (gr CH2O/m2 min)
0.12
500 W/m2
0.1
300 W/m2
0.05
50
60
100 W/m2
0
0
200
400
600
800
1000
Concentració n CO2 (ppm)
2
ANTECEDENTES
BENEFICIOS DEL CONTROL DE CLIMA EN INVERNADEROS
3
ANTECEDENTES
APLICACIÓN DE CONTROL DE TEMPERATURA EN INVERNADEROS
•La incorporación de sistemas de calefacción al invernadero aumenta la
cantidad y calidad de la producción.
•El coste de la instalación en orden creciente es:
- aire caliente combustión directa
- aire caliente combustión indirecta
- agua caliente a baja temperatura
- agua caliente a alta temperatura
En todos los casos se consumen
combustibles fósiles de elevado
coste y generadores de emisiones de
CO2
4
ANTECEDENTES
APLICACIÓN DE CONTROL DE TEMPERATURA EN INVERNADEROS
•Combustibles fósiles:
Debido al alto coste de los combustibles fósiles, la incorporación de
estos sistemas necesitan de un mercado que „garantice‟ el precio final del
producto
•Biomasa:
La biomasa es la que presenta una mayor relación PCI/coste, por lo que es
el combustible más barato
Su combustión elimina un problema medioambiental derivado de la
descomposición natural “incontrolada” de la misma.
5
ANTECEDENTES
APLICACIÓN DE ENRIQUECIMIENTO CARBÓNICO EN INVERNADEROS
•Inyección de CO2 almacenado en tanques o bombonas:
Consiste en inyectar CO2 procedente de bombonas o tanques. Es un método
sencillo de instalar y regular, no depende de la actividad de otros elementos
dentro del invernadero para su actividad y el aporte es inmediato. El gas se
inyecta sin impurezas. El mayor inconveniente es el coste del CO2.
CO2=0.2-0.3 €/kg
•Utilización de gases de combustión de la instalación de calefacción
Este método consiste en recuperar los gases de combustión de la calefacción e
introducirlos en el invernadero. Tiene el inconveniente de proporcionar CO2 en
el momento donde es menos efectivo, durante la noche, que es cuando suele
funcionar la calefacción. Es importante la naturaleza del combustible
utilizado, ya que los gases de combustión pueden contener compuestos
perjudiciales.
6
ANTECEDENTES
APLICACIÓN DE ENRIQUECIMIENTO CARBÓNICO EN INVERNADEROS
Bombonas de CO2 puro
Sensor CO 2
Combustión de gases
Producción
CO2
Sensor CO 2
Válvula
invernadero
Válvula
invernadero
Sensor CO 2
Válvula
invernadero
Válvula
general
Controlador
7
ANTECEDENTES
BENEFICIOS MEDIOAMBIENTALES DEL USO DE BIOMASA
130 ha
0,27%
387 ha
0,82%
Campaña 1998/99
605 ha
1,28%
103 ha
0,22%
1.701 ha
3,59%
150 ha
0,32%
4.909 ha
10,37%
31.576 ha
66,68%
Fuente:
Estimaciones finales de campaña 98/99. Servicio de Estadísitcas Agrarias del MAPA.*
7.291 ha
15,40%
21 ha
0,1%
1.610 ha
5,1%
57 ha
0,2%
150 ha
0,5%
3.500 ha
11,1%
750 ha
2,4%
725 ha
2,3%
24.763 ha
78,4%
Fuente:
Consejería de Agricultura y Pesca de la Junta de Andalucía.*
•Los cultivos bajo plástico constituyen un sumidero “natural” de CO2
•El enriquecimiento carbónico mejora la productividad hasta un 60%
•El uso no se han extendido por el coste del CO2 (0.2-0.3 €/kgCO2)
•Cada hectárea fija de forma natural 37 TmCO2/Ha año
•9,2·105 TmCO2/año en Almería, 1,7·106 TmCO2/año en España
•Considerando un aumento del 25% por enriquecimiento carbónico
•1,3·106 TmCO2/año en Almería, 2,3·106 TmCO2/año en España
•Se producen 1.7 Millones de toneladas anuales de RVI (200 kTn en base seca) que se
recogen y procesan en tres plantas de gestión de residuos.
8
OBJETIVOS
1. APLICACIÓN DE COMBUSTIÓN DIRECTA PARA CALOR Y/O CO2
Estudiar las concentraciones máximas admisibles de gases tóxicos en los
gases de combustión. Determinar el aumento de producción por el uso de
sistema de enriquecimiento carbónico con gases de combustión directa.
2. OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE INYECCIÓN DE CO2
Minimizar las pérdidas de CO2 y maximizar el rendimiento de los cultivos
combinando control de temperatura y CO2 con gases de combustión
directa.
3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y/O CO2
Demostrar la posibilidad de utilizar calderas de biomasa en sistemas de
calefacción de invernaderos. Desarrollar un sistema de enriquecimiento
carbónico a partir de los gases de combustión generados.
9
ENSAYOS DE TOXICIDAD DE SOx-NOx EN AMBIENTES CONTROLADOS
Cámara fitoclima 10.000, Aralab
Inicio (t=0 días)
Software de supervisión y control de inyección de
gases
Final (t=21 días)
10
ENSAYOS DE TOXICIDAD DE SOx-NOx EN AMBIENTES CONTROLADOS
Enriquecimiento en SO2, NOx
Young plant
Adult plant
100%
86%
90%
Increase of growth, %
80%
70%
68%
68%
58%
60%
56%
50%
40%
30%
22%
20%
800 vpm CO2
800 vpm CO2+0.2 vpm SO2
800 vpm CO2+0.5 vpm SO2
Adult plant
70%
Increment with respect to 400 vpm CO2 (%)
Enriquecimiento en CO2
58% 58%
60%
56%
50%
50%
40%
30%
22%
20%
15%
10%
10%
4%
3%
0%
10%
Tomato
Cucumber
Pepper
0%
Cucumber
Pepper
•El aporte de 800 vpm de CO2 incrementa la
producción de biomasa de forma notable
(74% planta joven, y 45% planta adulta)
•Efecto adverso del SO2 a partir de 0.5 vpm
•No hay efecto adverso del NOx hasta 1.0 vpm
Increment with respect to 400 vpm CO2
Tomato
100%
Adult plant
800 vpm CO2
800 vpm CO2 + 0.5 vpm NOx
800 vpm CO2 + 1.0 vpm NOx
90%
80%
67% 66%
70%
58%
60%
56%
50%
40%
30%
29% 30%
28% 27%
22%
20%
10%
0%
Tomato
Cucumber
Pepper
11
ENSAYOS DE INYECCION DIRECTA DE GASES DE COMBUSTION
12
19/05
[CO2]max=1200 ppm
21/05 [CO2]max=1000 ppm
24/05
[CO2]max=800 ppm
CONSIGNAS:
Control de CO2: Radiación=10w·m-2 y 5% zona muerta, Tª=25ºC y 5% de zona muerta
Ventilación: 27ºC
13
Con CO2
Sin CO2
Producción total (kg/m2) y por tamaños
en Otoño-Invierno, con aporte de
CO2(N6) y sin aporte de CO2 (N7).
Tamaño de fruto: GG= Muy
grande, G=Grande, M: Mediano, MM:
Pequeño
El enriquecimiento carbónico permite
aumentar un 20% la producción y
mejorar la precocidad, incrementando
el rendimiento económico un 30%.
14
Con aporte de CO2
0.10
Vg/Vt, Yco2=800 ppm
XNOx, YNOx=1 ppm
XSOx, YSOx=0.5 ppm
XNOx propano
XSOx propano
XNOx gasoil
XSOx gasoil
180
Sin aporte de CO2
Contenido en NOx y SOX máximo
tolerable en el gas de combustión, ppm
Tasa fotosíntesis, gCH2O/m2·min
0.12
POSIBILIDAD DE EMPLEAR GASES DE
COMBUSTIÓN DE COMBUSTIBLES
MENOS LIMPIOS SIN TOXICIDAD
Aporte 800 ppm
0.08
0.06
0.04
0.02
160
140
120
100
1.00
0.80
0.60
80
0.40
60
40
0.20
20
0
0.00
8
10
12
14
Hora
16
18
Variación de la velocidad de fotosíntesis estimada
en función del aporte o no de CO2 así como el valor
máximo alcanzable a 800 ppm de concentración de
CO2 constante.
0.00
0
20
Vgas por unidad de volumen de
invernadero a enriquecer
POSIBILIDAD DE INCREMENTAR AÚN
MAS LA PRODUCCION AUMENTANDO EL
APORTE DE CO2 DURANTE EL DÍA
3
6
9
12
15
Contenido CO2 gas combustión, %
Influencia del contenido en CO2 del gas de
combustión en el límite máximo de NOx y SOx en
dicho gas para mantener los niveles de dichos gases
dentro del invernadero por debajo de los niveles de
toxicidad establecidos mediante los ensayos de cultivo
en cámara (NOx<=1ppm, SOx<0.5 ppm)
15
3. APLICACIÓN DE CALDERAS DE BIOMASA PARA CALOR Y CO2
•Las calderas de biomasa pueden utilizarse en sistemas de calefacción
convencionales, con el consiguiente ahorro en combustible y sostenibilidad del
proceso.
•Debido al desacoplamiento de los requerimientos de calor y CO2 para
aprovechar tanto el calor como el CO2 generados durante la combustión es
necesario almacenar uno u otro. El almacenamiento de agua es muy costoso y
poco eficiente por pérdidas de calor. Se pretende almacenar el CO2.
16
DIAGRAMA DE FLUJO
17
INSTALACIÓN DE SISTEMA DE CALEFACCIÓN
SISTEMA DE DISTRIBUCION DE CALOR
CALDERA DE BIOMASA
Pellets
Pino
RVI
Caldera de biomasa de 160 kW, Silo de pellets de 300 kg
de capacidad, operación con pellets de olivo y RVI
Tuberías de polietileno, bomba de recirculación y válvula
proporcional regulables
18
CARACTERIZACIÓN DE LOS RESIDUOS VEGETALES DE INVERNADERO
TOMATE
PIMIENTO
CALABACÍN
BERENJENA
Figura 2. Distribución porcentual del tipo de cultivo sobre la superficie cultivada en las comarcas del Campo de
Dalías, Campo de Níjar, Bajo Andarax y Levante almeriense. Fuente: Delegación en Almería de la Consejería de Agricultura y
Pesca de la Junta de Andalucía. Elaboración propia.
19
120
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Contenido en cenizas
(%, masa cenizas/ masa
seca)
Contenido en H2O
(%, masa H2O/ masa total)
CARACTERIZACIÓN DE LOS RESIDUOS VEGETALES DE INVERNADERO
100
80
60
40
20
0
Tomate
Pepino Berenjena
Ejido medioambiente
Poder calorífico base seca
(Kcal/ Kg)
La Albaida
Pimiento Calabacín
Las Palmerillas
Tomate
La Albaida
Pimiento Calabacín
Ejido medioambiente
Pepino
Berenjena
Las Palmerillas
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
Tomate Pimiento Calabacín Pepino Berenjena
La Albaida
Ejido medioambiente
Las Palmerillas
•Elevada concentración de residuos en solo tres plantas de tratamiento (Níjar, Mojonera y Ejido)
•Gran heterogeneidad en cuanto a presencia de frutos, humedad, rafia, cenizas, poder calorífico
•Diversos y erróneos hábitos de gestión de residuos que de corregirse mejorarían el valor de los RVI
20
Pino
RV
Tomate
Sucio
RV
Tomate
Pélets
Tomate
Pélets
Tomate+
Almendra
Contenido en cenizas
(%, masa ceniza/ masa
seca)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Poder Calorífico de
Combustión (Kcal/ Kg)
Contenido en Humedad
(%, masa H2O/ masa
total)
PELLETS DE RESTOS VEGETALES VS BIOCOMBUSTIBLES USUALES
35
30
25
20
15
10
5
0
PinoRV Tomate Sucio
RV Tomate
Pélets
Pélets
Tomate
Tomate+ Almendra
6000
RVI
5000
4000
3000
2000
1000
0
PinoRV Tomate Sucio
RV Tomate
Pélets
Pélets
Tomate
Tomate+ Almendra
Pellets de RVI presentan similar contenido en humedad y se obtienen con facilidad en
el mismo proceso que los pellets de pino
Pellets de RVI contienen más cenizas lo que reduce su calor de combustión en un
porcentaje equivalente
21
EFICIENCIA DE COMBUSTIÓN
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
120
100
80
60
40
20
0
0
2
4
Tiempo (min)
6
8
10
12
14
Temperatura gases de
combustión (ºC)
[CO2] (% Vol.)
10
Pérdidas térmicas (%)
- Pellets de Pino
350
300
250
200
150
100
50
0
0
Tiempo (min)
2
4
6
8
10
12
14
Tiempo (min)
- Pellets compuestos de restos vegetales de tomate mezclados con poda de almendro
[CO2] (% Vol.)
5
4
3
2
1
0
0
2
4
Tiempo (min)
6
8
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Temperatura humos (ºC)
Pérdidas térmicas (%)
6
0
2
4
6
8
250
200
150
100
50
0
0
2
4
6
8
Tiempo (min)
Tiempo (min)
Mejor eficiencia con pellets de pino. Aunque la de RVI+ almendro es aceptable.
Posibilidad de emplear calderas más específicas para biomasa con alta humedad y cenizas.
22
INSTALACIÓN DE SISTEMA DE CAPTURA Y DISTRIBUCIÓN DE CO2
SISTEMA DE CAPTURA DE CO2
SISTEMA DE DISTRIBUCION DE CO2
250
microtubo
flexible
riego
Flujo gas, L/min
200
Depósito de 2 m3, carbón activo, soplante de baja
presión, válvula de regulación y sensor de CO2
150
100
50
0
0
Tuberías de polietileno de riego por goteo
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Presion entrada, bar
23
SISTEMA DE GESTIÓN DE CALOR Y CO2
24
DEMOSTRACIÓN DEL SISTEMA
ADSORCIÓN DE CO2 EN TANQUE DE CARBÓN ACTIVO
Cantidad de CO2 retenida:35 Kg
A presión elevada se retiene el CO2 desde el gas
de combustión. El resto de gases son emitidos al
aire depurándose así el CO2 para su uso en
invernadero
25
DEMOSTRACIÓN DEL SISTEMA
SISTEMA DE CALEFACCIÓN
SISTEMA DE ENRIQUECIMIENTO CO2
•Durante la noche:
•Aumento de temperatura de 3ºC respecto al sistema sin calefacción
•Durante el día:
•Incremento de la concentración de CO2 hasta 800 vpm a demanda
26
CONCLUSIONES
•La generación de calor y CO2 a partir de biomasa es factible y permite
reducir costes además de suponer un sistema sostenible de producción.
•Los residuos vegetales de invernadero son susceptibles de ser reutilizados
como fuente de calor y CO2 en invernaderos aunque la técnica debe aún ser
mejorada y validada por largos periodos.
•La tecnología desarrollada permite suministrar calor y CO2 de forma
diferenciada en el tiempo, mas eficientemente que los sistemas de
almacenamiento de agua.
•El uso de residuos vegetales como fuente de calor y CO2 para invernaderos
es una alternativa interesante para mejorar la productividad a un menor
coste que otras tecnologías, incrementando además la sostenibilidad de la
producción ante el consumidor.
27
AGRADECIMIENTOS
CENITCO2 (Consorcio Estratégico Nacional
en Investigación Técnica del CO2)
Fundación CAJAMAR
Est. Exp. Las
Palmerillas
Exeleria S.L.
Grupo everis
Dpto. Ingeniería Química
Dpto. Lenguajes y Computación
Universidad de Almería
28

Aprovechamiento de gases de combustión como fuente CO2 para

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