Combustión de biomasa

Historia de la calefacción: 100 años sin cambios!

Antes de la década de 1900, el mundo en su conjunto utilizaba madera (incluyendo madera convertida en carbón vegetal) para calentar los hogares y la industria. Por la década de 1920, sin embargo, el carbón y los combustibles líquidos para calefacción habían reemplazado en gran medida a las fuentes de energía renovables en los países industrializados, a pesar de que, para el calefacción doméstica y la generación de energía hidroeléctrica, la madera se mantuvo en amplio uso. A finales del siglo 20, cerca del 90% del suministro de energía comercial provenía de combustibles fósiles. La población mundial en el año 2100 superará los 12 mil millones. Si las tendencias actuales en progreso tecnológico e innovación continúan, la demanda de energía entonces sería 5 veces mayor de lo que es ahora. Si continuamos con la política de usar carbón, petróleo y gas al ritmo actual, para el año 2100 la temperatura global habrá aumentado 2 grados Celsius. No necesitamos recordar los efectos adversos que esto tendría: mayor riesgo de inundaciones en las zonas bajas, procesos de desertificación, y el cambio climatico por todo el mundo.

La conciencia de necesidad de cambio de la manera en la que el calor y la energía son producidos ha direrccionado significantes esfuerzos técnicos hacia proveer alternativas viables. Una de las alternativas más prometedoras es volver a hacer uso generalizado de madera y otras biomasas sólidas como fuente de calor y energía térmica.

A principios de la década de 1990, la tecnología para generar calor con madera estaba, básicamente, al mismo nivel tecnológico que 100 años antes. Al nivel de una casa particular, una caldera de leña necesitaba encendido manual, alimentación de combustible manual, limpieza manual frecuente y extracción de ceniza. Además, la calidad de la combustión dependía de la construcción de la caldera y las características de la chimenea. El resultado de este sistema es un nivel de eficiencia extremádamente bajo (sólo un 30-40% de la energía de la biomasa es transferida al agua para calefacción) y, por otro lado, una gran emisión de gases peligrosos  (CO, NOx, ...) y partículas. Cuando consideramos el volumen de troncos de madera necesarios para reemplazar un tanque de aceite de calefacción de 2.000 litros es obvio que este sistema no puede competir con el rendimiento y comodidad proporcionada por una caldera de gas o de aceite de calefacción que necesita intervención de mantenimiento una sola vez al año. 

Pellets: el primer paso importante después de 100 años

Por el año 2000 la situación cambió drásticamente. El primer paso importante es representado por el pellet. Los pellets están hechos de aserrín y tiene 2 grandes características – pueden alimentarse  automáticamente dentro de un sistema de combustión y tienen una alto valor de densidad energética comparados a otros conmbustibles de madera. El segundo paso es el uso de electrónica para controlar el proceso de quema o comustión de biomasa. El uso de sensores, sofisticados algoritmos para controlar la alimentación y motores de ventilación permite a las carderas alimentadas por biomasa modernas conseguir unos niveles de eficiencia de más del 95% y emisiones 10 veces más bajas que los sistemas tradicionales.

Combustión de biomasa: cómo funciona?

Para asegurar una completa combustión de biomasa con bajas emisiones y baja escoria, la cantidad y método de abastecimiento del aire de combustión es de extrema importancia. Para optimizar la combustión, es necesario dividir la cámara de combustión en una zona de combustión primaria y  una secundaria, donde cada zona tiene su propio suministro de aire. En la zona primaria se dan las combustiones primarias que consisten en dos fases, la fase de secado, la fase de gasificación de madera (también conocida como pyrolysis) y la combustión final. Durante el secado, el agua restante es liberada y evaporada de la biomasa de madera.  Entonces, la biomasa de madera seca se descompone en combustible, componentes volátiles y carbón. La combustión primaria requiere entradas de energía y tiene lugar con una relación de aire por debajo de la relación estequiométrica (relación aire/combustible), por ejemplo, con abastecimiento deficiente de aire. Durante la combustión secundaria, los gases inflamables se queman en la zona secundaria con exceso de aire. Simultaneamente, el carbón se quema en la zona de la combustión primaria. Durante las dos oxidaciones, se libera energía. En la zona de la combustión primaria, las combustiones primaria y secundaria se efectúan al mismo tiempo, cuando se alimentan pellets sin quemar. Para una combustión optimizada, es requerida una mezcla adecuada del aire secundario con los gases de combustión. Esto se puede conseguir mediante una dosificación precisa de aire en la cámara de combustión. Cuanto más tiempo permanezca el gas de combustión en la cámara, más completa será la combustión. La cantidad de aire en exceso en la zona secundaria no es solo de importancia  para el monóxido de carbono (CO) e hidrocárburos no quemados (OGC).

Hay una compensación entre estas emisiones y la emisión de óxido de nitrógeno (NOx). Muy poco aire resultará en aumento de emisiones de CO y OGC, pero mantendrá baja la cantidad de NOx en el gas de combustión. Con mayor exceso de aire, más NOx será liberado del quemador. Las mediciones han demostrado que los quemadores de biomasa suelen emitir de 2 a 4 veces más NOx que los quemadores de aceite. Las calderas y quemadores de biomasa sin procesos de combustión controlados electrónicamente están desarrollados para funcionar, predominantemente, con mayor exceso de aire. Un mayor control del suministro de aire usando un ventilador de velocidad variable controlado un sensor de CO o una sonda Lambda ayudará a minimizar las emisiones. Las calderas de biomasa con control Lambda ya son de última generación, mientras que la mayoría de dispositivos de calefacción de biomasa solo permiten un ajuste manual.

Otros dos parámetros importantes para bajo monóxido de carbono, hidrocárburos no quemados y óxido de nitrógeno son el tiempo de permanencia del gas de combustión y la temperatura en la cámara de combustión. Una alta temperatura y un largo tiempo de permanencia  reducen las emisiones de CO y OGC hasta casi cero. El contenido de óxido de nitrógeno en el gas de escape es creciente con el aumento de temperatura a no ser que se consiga un tiempo suficiente de permanencia. Por consiguiente, la regulación del aire  para obtener altas temperaturas y tiempo de permanencia prolongados es un método práctico para reducir emisiones de las calderas de pellet.