Selecciona la potencia óptima en calderas de biomasa
Las calderas industriales basadas en combustibles fósiles son diseñadas para cubrir las necesidades de demanda térmica máxima. Esta metodología de diseño no se puede aplicar a calderas de biomasa, ya que su rango operativo estándar está diseñado para operar por encima de un 30-50% de su capacidad nominal – dependiendo de la tipología de caldera y de la biomasa empleada.
Las calderas de biomasa deben operar de la forma más estable posible y sin grandes cambios en su nivel de carga para lograr su óptima eficiencia y poder mantener las emisiones contaminantes de los gases de combustión dentro de los rangos previstos.
En ocasiones se diseñan calderas de biomasa para cubrir la máxima demanda térmica, llevando a un sobredimensionamiento que puede conllevar serios problemas operativos. En el presente artículo analizaremos algunos de los principales problemas operacionales que puede conllevar un sobredimensionamiento de estos equipos y compartiremos algunas recomendaciones a seguir a la hora de seleccionar la potencia óptima a instalar.
Potenciales problemas operativos por sobredimensionar las calderas de biomasa
Reducción de la eficiencia térmica
El hecho de tener que operar una caldera de biomasa a bajo nivel de carga debido a un excesivo sobredimensionamiento de capacidad instalada, provoca una disminución en la calidad de la combustión y un aumento de las pérdidas de calor fijas en la cámara de combustión. La principal consecuencia de los dos puntos anteriores es la reducción de la eficiencia térmica de la caldera, lo cual provoca un sobrecoste operativo, necesitándose más cantidad de combustible para generar una misma potencia térmica.
Figura 1. Ejemplo de variación de eficiencia térmica de caldera industrial según nivel de carga
Mayor concentración de contaminantes en los gases de combustión
Otra consecuencia de la baja calidad de combustión provocada por una operación a bajo nivel de carga es la mayor concentración de contaminantes en los gases de combustión. Los fabricantes de estos equipos garantizarán el cumplimiento de los límites de emisiones contaminantes a partir de un nivel de carga mínimo ya que, por debajo de este, al no ser una combustión en condiciones eficientes, las concentraciones de agentes contaminantes pueden verse sensiblemente modificadas.
El funcionamiento de calderas de biomasa a baja potencia también afecta a la limpieza de la cámara de combustión y de los equipos de intercambio de calor. Estas partes de la caldera están sujetas a un ensuciamiento intensivo y deberán limpiarse con más frecuencia de lo habitual.
Menor cobertura de demanda térmica
El volumen de energía térmica suministrable por una caldera de biomasa respecto una curva real de consumo va incrementándose hasta llegar al valor de potencia óptima a instalar. A partir de ese punto, aunque se incremente la potencia térmica instalada no se logra abastecer un mayor volumen de energía térmica anual, sino que incluso generalmente éste se va reduciendo por el efecto del nivel de carga mínimo de estos equipos, que se va incrementando a la vez que se incrementa la potencia instalada.
Figura 2. Ejemplo de evaluación de cobertura de demanda térmica real según potencia instalada
¿Cómo determinar la potencia térmica óptima a instalar?
Las calderas de biomasa, a diferencia de las de gas natural, disponen de una cámara de combustión de mayor tamaño, con mayores volúmenes de aire de combustión y una importante cantidad de materia combustionando en su interior. Debido a su velocidad limitada de combustión de biomasa y su elevada inercia térmica, no pueden variar su nivel de carga de forma tan rápida como sucede en las calderas con gas. Generalmente su velocidad de variación de carga está en torno a un 3-4%/min. Por ello, deberán estar diseñadas para operar en un modo estable, sin cambios bruscos de potencia, de forma que sean capaces de seguir la curva de demanda térmica lo máximo posible y operar el mayor número de horas posible al año.
Para seleccionar la potencia térmica óptima de una caldera de biomasa, será necesario llevar a cabo un análisis detallado del comportamiento de la curva de consumo térmico real. La demanda térmica en frecuencia minutal u horaria para un periodo de tiempo representativo permitirá identificar cómo son las fluctuaciones de la demanda de energía térmica y evaluar cuál sería el volumen de energía que podría ser suministrado por parte de la futura caldera de biomasa según su capacidad instalada. Se suelen emplear curvas de demanda térmica horaria ordenadas de mayor a menor consumo (Curva Monótona) así como las propias Curvas Cronológicas para definir la capacidad óptima y evaluar su operativa a lo largo de un año tipo.
La capacidad óptima de caldera suele resultar la mayor parte de las veces en un valor inferior a la demanda térmica máxima ya que estos picos de demanda se requieren únicamente durante unas pocas horas al año o en intervalos cortos durante la operación de algunos procesos discontinuos. En tales casos, la caldera de biomasa proporciona la demanda térmica base durante la mayor parte de las horas del año y los picos de demanda se cubren con una fuente de calor secundaria (normalmente las propias calderas de gas natural que a su vez pueden hacer la función de back-up).
Figura 3. Ejemplos de cobertura de demanda térmica con potencia óptima de caldera de biomasa
En conclusión, la selección de la capacidad térmica adecuada de una caldera de biomasa será una parte crucial para garantizar su correcta integración en la instalación y proceso productivo existentes. Sobredimensionar estos equipos llevará a una reducción de su eficiencia, una menor cobertura de demanda térmica y mayores emisiones contaminantes. Asimismo, podrá causar problemas operativos durante toda su vida e incluso acortarla.
El correcto dimensionamiento de estos equipos será uno de los principales factores clave para garantizar la viabilidad técnica, económica y medioambiental de un proyecto de producción térmica a partir de biomasa.
Autor: Sergio Orero Esteban, Area Manager – Asset Based Engineering
