Resultados

Avanços do projeto Biomasa-AP em 2019 y 2020

Atividade 3: Aproveitamento energético

Na atividade 3, diferentes tecnologias para uso de energia em pequena escala (sistemas de combustão, microgeração e gaseificação) foram desenvolvidas e otimizadas, que podem ser alimentadas com os novos biocombustíveis desenvolvidos.

O papel do INEGI neste projeto foi trabalhar na otimização dos sistemas de densificação e aditivação dos novos biocombustíveis (Figura 1) bem como na validação da sua utilização como combustível em sistemas de combustão (Figura 2) e de gasificação (Figura 3), identificando em paralelo oportunidades de desenvolvimento tecnológico. Em relação à densificação constatou-se que todos as espécies de biomassa estudadas apresentavam caraterísticas físico-químicas capazes de produzir biocombustíveis densificados com elevados potenciais energéticos tendo como comparação as briquetes comerciais.

Figura 1: Briquetes de vide (esquerda), kiwi (centro) e tojo (direita)

Na realização dos ensaios de combustão observou-se que esses mesmos biocombustíveis apresentavam resultados bastantes satisfatórios, em termos de eficiência térmica e de higiene de combustão quando comparados com a queima de briquetes comerciais. Apenas o teor de material não queimado (cinzas) em ambas espécies era fracamente superior aos das briquetes comerciais, o que é um ponto menos favorável. De forma a minimizar este parâmetro, encontra-se em fase de estudo a adição de aditivos no material densificado. Relativamente aos ensaios de gasificação até agora realizados e para determinadas condições operatórias, produziu-se um gás de síntese com elevado poder calorifico (valores próximos de 2kWh/m3). Tendo em conta as caraterísticas do gás de síntese produzido por cada espécie de biomassa ensaiada, têm-se efetuado estudos de viabilidade técnico-económica para possíveis aplicações.

No seguinte PDF que pode ser descarregado é apresentado o relatório associado para o documento: Resultados de fusibilidade de Syngas e cinzas e análise, e o documento: Operação e conclusões dos sistemas de combustão e troca térmica com BNVAP em fogões de briquete.

Por outro lado, o Grupo de Tecnologia Energética da Universidade de Vigo determinou experimentalmente a viabilidade técnica de vários combustíveis de Biomassa Não Valorizável Alto Potencial (BNVAP) peletizados em duas instalações diferentes: um queimador experimental fabricado no laboratório e uma caldeira comercial. Diversas facetas da combustão de BNVAP foram estudadas, desde a estabilidade da combustão ao longo de horas de funcionamento da instalação até aos resíduos deixados pela mesma após o ciclo de funcionamento completo, passando por muitos outros. Os resultados mostram o potencial de alguns combustíveis para substituir a madeira ou complementá-la, apresentando poderes caloríficos semelhantes e permitindo, com a adequada remoção de cinzas, durante períodos de tempo comparáveis. As imagens que acompanham este texto apresentam uma análise da estabilidade do combustível fabricado a partir de podas de vinha, que apresenta grandes semelhanças com a madeira em termos de períodos transitórios e estáveis; o queimador experimental de biomassa em funcionamento e três amostras de combustível a partir de BNVAP.

Imagem 1: Controlo da estabilidade com pellet de vinha

 

Imagem 2: Queimador experimental em funcionamento   Imagem 3: Combustíveis de videira (esquerda), tojo (direita) e kiwi (ao fundo)

 

No seguinte PDF que pode ser descarregado é apresentado no Documento 5: Relatório de Operacionalidade e conclusões dos sistemas de combustão e permuta térmica com BNVAP em caldeiras de pellets.

Atualmente não existem soluções comerciais standard de equipamentos de cogeração de baixa potência (MCHP) alimentados a biomassa (exceto construídos Ad hoc), ao contrário do que acontece com os equipamentos de microcogeração com combustíveis fósseis (equipamentos comerciais a gás natural com ciclo Stirling).

Desde Energylab foi avaliada a viabilidade da aplicação da microcogeneração como sistema de valorização energética das Biomassas Não Valorizadas de Alto Potencial estudadas no âmbito do projeto através de um ciclo orgânico de Rankine (ORC) acoplado a uma caldeira de biomassa. Para isso, conta-se com um laboratório único na Eurorregião com os seguintes componentes principais (Figura 1).

 

Figura 1. Componentes principais da unidade de microcogeração: (a) caldeira, (b) ORC.

 

Os testes experimentais realizados basearam-se em fazer variar as condições de dissipação, (diferença de temperatura entre os focos quente e frio). Em cada um dos testes realizados foram estudados o rendimento e a potência elétricos globais obtidos ao longo das diferentes temperaturas da água atingidas com cada um dos biocombustíveis estudados. Por último, o rendimento térmico e a eficiência do processo de cogeração foram analisados no ponto de pico observado, atingindo valores próximos a 96%, demonstrando-se assim a adequação das biomassas estudadas para a produção simultânea de calor e eletricidade em pequena escala.

Para mais informações, no seguinte PDF é mostrado o Relatório de Entrega 2: “Resultados operacionais dos sistemas de microcogeneração com BNVAP”.

Atividade 2: design, preparação e otimização de biocombustíveis sólidos.

 

O material recolhido foi pré-tratado com o objetivo de alcançar umas condições ideais para a sua posterior densificação. O primeiro passo para consegui-lo foi submeter o referido material a um processo de secagem. Esta operação foi realizada combinando secagem natural e forçada. Durante o processo observou-se que algumas das tipologias de biomassas estudadas permitiam a sua secagem natural em big-bag ventilados durante dias e até semanas, reduzindo o seu conteúdo em humidade de forma considerável.

No entanto, conseguiu-se observar que a humidade existente em tipologias como as podas deokiwi fazia com que estas começassem a compostar passados poucos dias após serem recolhidas.

Após o processo de secagem, o material foi submetido a trituração com a finalidade de reduzir o tamanho até umas dimensões adequadas para serem tratados nos equipamentos de densificação (fabrico de briquetes e pellets). Além disso, realizou-se uma separação granulométrica para obter um tamanho de partícula adequado. Esta separação granulométrica permite por sua vez a separação das frações com maiores conteúdos em cinzas.

Os inúmeros problemas que a equipa técnica encontrou na hora de pré-tratar uma das biomassas objeto de estudo, as podas de coníferas, fez com que esta biomassa residual fosse descartada como possível matéria-prima para a obtenção de um novo biocombustível sólido, não resultando viável o seu aproveitamento sob as condições de trabalho usadas no projeto.

No último semestre do ano as principais novidades do projeto estão relacionadas com as tecnologias de aproveitamento energético das tipologias de biomassas não valorizadas de elevado potencial selecionadas (Atividade 3).

Atualmente estão a ser realizados ensaios de valorização energética (combustão, gaseificação e micro-co-geração) com os primeiros biocombustíveis sólidos em forma de pellets e briquetes. Estes biocombustíveis foram elaborados sem seleção de frações, o que se estima que suporá uma maior rentabilidade do processo, já que deste modo é aproveitada grande parte da matéria-prima recolhida. Em biomassas como as podas do kiwi, foi detetada a necessidade de acrescentar um aditivo ligante para favorecer a compactação do material durante a densificação, evitando que este se desagregue facilmente e melhorando por sua vez o seu comportamento durante os ensaios. Os resultados obtidos até ao momento são altamente prometedores e praticamente equiparáveis àqueles que são obtidos com biomassas usadas habitualmente como biocombustíveis.

Por sua vez, técnicos especializados estão a trabalhar no design 3D em CAD, na definição do modelo numérico a utilizar e nos posteriores testes do modelo e simulação fluido-dinâmica dos citados processos com o fim de prever o comportamento dos novos biocombustíveis e extrapolar os dados obtidos à escala real.

Tendo em conta o papel fundamental que joga a biomassa para cumprir, não só com as prioridades marcadas pelas estratégias regionais de investigação e inovação da Galiza e Portugal, como também com os objetivos fixados pela União Europeia para os próximos anos em matéria de Energia, o projeto contempla a criação de uma Rede Transfronteiriça de biomassa que permita colocar em contato todos os agentes envolvidos na cadeia produtiva e partilhar todos os avanços que se consigam na área da biomassa.

Esta Rede que se aloja numa ferramenta online já desenvolvida e ativa, entrará em funcionamento a partir de janeiro de 2019. Além disso, a equipa de Biomasa-AP tem planificada a ministração de uns cursos formativos em formato presencial e online, tanto na Galiza como em Portugal, cujos conteúdos incluirão o desenvolvimento de três módulos-chave, ambiental, técnico e económico, que têm como finalidade última melhorar a capacitação tanto a agentes públicos como privados em termos de biomassa, incentivando a utilização da mesma em ambos os lados da fronteira.

Atividade 1: seleção e recolha das biomassas objeto de estudo na Eurorregião: restos da poda de videiras, kiwi e matagais.

 

A análise dos principais produtores dos sectores da biomassa e a avaliação do potencial das biomassas selecionadas concluiu que na Eurorregião existe aproximadamente um 1 milhão de hectares de superfície com massas de matagais sem arvoredo, das quais a Galiza tem 53% e o Norte de Portugal os 47% restantes. Dentro das áreas com maior concentração de matagais, estão as províncias de Ourense e Lugo na Galiza, e Trás-os-Montes e Alto Douro no Norte de Portugal.

Além disso, em área idêntica dispõe-se de mais de 108 mil ha de vinha, dos quais 80% estão no Norte de Portugal, e uns 2.500 ha de kiwi, dos quais 72% se encontram no Norte de Portugal.

A biomassa que apresenta uma maior potencialidade, do ponto de vista quantitativo, é a procedente dos matagais. No entanto, foi realizada uma estimação mais realista do potencial energético, considerando vários aspetos:

1.- As superfícies de matagais foram classificadas em três gamas de inclinação média. 0-20%, 20-35% e >35%, considerando-se inviável a mecanização das áreas com mais de 35%, sendo estas áreas eliminadas do estudo.

2. -Aplicou-se um valor médio de carga de biomassa por ha, em função do tipo de massa de matagal (Tojo – Retamas – Urze), e a superfície foi corrigida em função da Fração de Densidade do Matagal.

3.- Aplicou-se um rendimento médio dos equipamentos de recolha de 70% em peso.

4.- Estimou-se, que do total da superfície mecanizável, 30% não será possível aproveitar por outros aspetos como possam ser pedegrosidad, tamanho lote, …

5.- Considerou-se um período de 8 anos, para realizar o aproveitamento das massas existentes.

Tendo em consideração estes aspetos, concluiu-se que existe um potencial de superfície mecanizável que ronda os 500 mil hectares equivalentes de matagal com uma cobertura de 100% de densidade. Desta forma as potenciais existências de matagal, contemplando as áreas mecanizáveis com inclinação, seria de cerca de 25 M toneladas verdes de biomassa.

Desta forma, estima-se que a possibilidade anual de aproveitamento de massas de matagais na região Galiza – Norte de Portugal, poderia chegar a alcançar 1,5 M de toneladas de biomassa em estado verde, que equivaleria energeticamente a mais de 341.000 TEP (tonelada equivalente de petróleo).

No caso da vinha, na eurorregião há um pouco mais de 108.000 ha de vinha, das quais 80% estão na região Norte de Portugal. De toda esta superfície, existem áreas onde é impossível realizar a mecanização da recolha das podas, sobre tudo por acessibilidade, tipo de cultura e largura das ruas. Por isso, estimou-se para cada uma das denominações de origem, tanto da Galiza como de Portugal, uns fatores de correção.

Desta forma, estima-se que poderia ser viável a mecanização em cerca das 55.000 ha. No entanto, ainda existem outros fatores que vão tornar inviável algumas situações como pode ser o tamanho do lote, a utilização de pré-podadoras ou a utilização de outros sistemas de tratamento dos resíduos. Com estas últimas condicionantes, estima-se que poderia ser viável a recolha de restos de poda em cerca de 38.000 ha.

Considerando que em média, um ha de vinha gera 3 t de restos de poda em estado verde, das quais poder-se-iam recolher umas 2 t verdes, teríamos um potencial de umas 75.000 t ano de biomassa verde procedente da poda das vinhas, que equivaleria energeticamente a uns 17.000 TEP (toneladas equivalentes de petróleo).

No caso do kiwi, na eurorregião existem uns 2.500 ha de plantação, dos quais 72% estão na região norte de Portugal e os restantes praticamente nas províncias de Pontevedra e A Coruña. Como habitualmente estas plantações estão preparadas para possibilitar a sua mecanização, e além disso costumam dispor na sua maior parte de um tamanho relativamente grande, considerou-se que praticamente é viável recolher as podas em todas as explorações. Limitações como a altura dos arames de fixação, devem ser tidas em conta na seleção do equipamento a utilizar para a recolha.

Considerando que em média, são gerados anualmente 4,65 t verdes de biomassa por ha, e que destes é possível recolher aproximadamente 77%, estima-se que o potencial de aproveitamento de biomassa da poda do kiwi na eurorregião é de umas 9.000 t em estado verde, o que equivale energeticamente a 1.300 TEP (toneladas equivalentes de petróleo).

Por outro lado, seguindo o trajeto marcado no projeto e após os testes das tecnologias de recolha de biomassa selecionadas, a equipa de Biomasa-AP dispõe já de interessantes resultados derivados dos referidos ensaios.

A recolha das podas do kiwi nos diferentes lotes ensaiados mostra produtividades que podem oscilar desde os 1.650 kg/ha até uns valores máximos de 7.000 kg/ha, o que supõe um valor médio que ronda os 4.650 kg/ha. No caso da recolha de biomassa não só é importante a quantidade de restos recolhidos como também a biomassa que a maquinaria não é capaz de recolher mas que se encontra igualmente disponível sobre o terreno. No caso do kiwi, obteve-se um valor médio de podas não recolhidas de 1050 kg/ha, o que significou uma eficiência na recolha que oscilou entre 74 e 80%. Estes dados traduziram-se numa capacidade de trabalho da maquinaria empregue de entre 0,88 e 1,80 ha/h em função das condições do lote de ensaio.

No caso da videira, os valores são ligeiramente menores, alcançando produtividades máximas de 5.150 kg/ha e mínimas de 1.973 kg/ha, representando uma produtividade média de 1.611 kg/ha menos. Em relação às podas não recolhidas, o valor foi muito semelhante ao obtido no caso do kiwi, alcançando-se um valor médio de 1.042 kg/ha. No entanto, a menor densidade do material depositado significou uma diminuição da eficiência de recolha até um valor médio de 65%. Neste caso, a capacidade de trabalho máxima conseguida foi de 1,05 ha/h a uma velocidade de trabalho de 3,8 km/h, tendo-se registado uma capacidade mínima de 0,57 ha/h a velocidades compreendidas entre os 2,2 e 2,7 km/h.

A variabilidade das condições disponíveis de cada um dos lotes ensaiados tais como a concentração das podas nas linhas ou nos extremos, a altura da ramada ou as características do solo (rugosidade, afloramentos, etc.) condicionaram de forma significativa a eficiência da maquinaria específica de recolha empregue.

O mesmo acontece com o matagal, onde a mistura de matagal de tojo com outras espécies, um declive médio de 25% com zonas de maior inclinação de até 30-35 % são fatores que contribuem para a variabilidade na produtividade, rendimento e densidade do material recolhido

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