“Análisis del ahorro que se obtiene con una caldera de biomasa en una vivienda.”

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Universidad Autónoma de Nuevo León

Termodinámica

Investigación de un Proceso Termodinámico

Tema: “Análisis del ahorro que se obtiene con una caldera de biomasa en una vivienda.”

Maestra: MA. Nora Elia Rodríguez Elizondo

San Nicolás de Los Garza, Nuevo León, 3 de Diciembre de 2014

Introducción

La termodinámica es la parte de la física que estudia los estados de los sistemas materiales macroscópicos  y la ciencia que estudia la energía y sus transformaciones.

El motivo de este producto integrador de aprendizaje es el recopilar todo lo aprendido en el transcurso de la materia y plasmarlo en un proceso real.

El  tema de nuestro trabajo es sobre la biomasa la cual es de un origen principalmente forestal y nos pareció un excelente tema porque ayudaría a reducir la contaminación al planeta y reducir el  gasto en nuestra factura de calefacción.

Primeramente en nuestro marco teórico explicaremos más a detalle que es la biomasa, uno de sus principales usos,  los beneficios que nos trae al utilizarla, sus principales biocombustibles que la conforman, que es y cómo funciona una caldera de este tipo y 11 razones del por qué es mejor una caldera de biomasa en nuestra casa.

Después describimos paso a paso el análisis de nuestro proceso para demostrar que el uso de biocombustibles (pellets) es mucho mejor que los tradicionales (gas natural).  Para lograrlo recurrimos a una casa de superficie útil a calentar de 256m² y una capacidad máxima de 6 personas, esta casa no muy aislada está ubicada en un pequeño rancho llamado Valle de Hidalgo (mejor conocido como “La Cotorra”), en el municipio de Montemorelos N.L. México.

Usando la caldera de biomasa en esta casa como un ejemplo realizamos el análisis paso por paso como se describe a continuación:

Primer paso: Cálculo de la potencia necesaria

Segundo paso: Cálculo de la demanda energética

Tercer paso: Cálculo del combustible necesario

Cuarto paso: Comparativa de coste según el combustible

Y por última las conclusiones de nuestro proyecto.

Esperamos que este proyecto sea de su agrado y pueda animarlo a usar una caldera de biomasa.

Marco teórico

¿Qué es la biomasa?

La biomasa es un combustible de origen principalmente forestal, que se destina a la producción de energía térmica mediante su combustión en calderas, estufas o chimeneas. En grandes centrales, puede también usarse para la producción eléctrica mediante turbinas clásicas o cogeneración.

A diferencia de otros combustibles de origen fósil como el petróleo, el gas y sus derivados, la biomasa es un combustible renovable porque su balance de dióxido de carbono (CO2) es neutro. Esto significa que el CO2 que se libera a la atmósfera después del proceso de combustión es el mismo que previamente han fijado los árboles para producir la madera. Este ciclo se puede observar en la siguiente ilustración:

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La biomasa y sus usos

El uso más extendido de la biomasa es la producción de energía térmica para calefacción y agua caliente sanitaria (ACS). Actualmente, existen gran cantidad de marcas y modelos de calderas y estufas dotadas de la última tecnología para todo tipo de viviendas y locales. Además, la creciente oferta de biomasa hace muy competitiva y recomendable una instalación de este tipo, en especial, para el usuario que disponga de una fuente de subministro próxima a su instalación. En estos casos, el precio de mercado resulta muy inferior respecto al de otros combustibles fósiles, además de resultar una alternativa sostenible para el medio ambiente.

Principales biocombustibles

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Tipos de sistemas y elementos característicos

A- Calderas de biomasa para calefacción y ACS:

Son calderas que pueden sustituir un sistema de calefacción por gas o gasoil o complementarlo mediante un sistema mixto.

• Caldera
• Depósito de inercia
• Radiadores / suelo radiante
• Silo de almacenamiento
• Mecanismo de transporte del combustible (sistema mecánico, tornillo sinfín o neumático)

B- Chimeneas de alto rendimiento y estufas:

Son sistemas de calefacción más económicos y recomendables en zonas mediterráneas donde el invierno es más corto. En zonas frías se pueden usar para espacios reducidos o como sistema complementario.

• Chimeneas cerradas de leña / estufas de pélets o leña
• Sistema de calefacción por aire
• Sistema de calefacción hidráulico (acoplado a sistema de radiadores).

¿Qué son y cómo funciona una caldera de biomasa?

Las calderas de biomasa son aquellas que utilizan combustibles naturales provenientes de fuentes renovables para su funcionamiento. Los pellets de madera, procedentes de residuos forestales o de los excedentes de industrias madereras, huesos de aceituna, cáscaras de frutos secos, leña etc. son las fuentes de energía natural que emplean las calderas de biomasa. El biocombustible del que se alimentan las calderas de biomasa, resulta más económico que los combustibles tradicionales (gasóleo, propano, etc…), siendo su precio, además, más estable a través del tiempo, ya que no depende de los precios que fijan otros países.

Su alto poder calorífico por unidad de peso, (alcanza las 4.200 kcal/kg) hace del biocombustible una forma de energía rentable y renovable y aporta a la caldera de biomasa unos rendimientos caloríficos que casi alcanzan el 100%. Además, su caracterización como fuente energía renovable, hace que eventualmente las Administraciones subvencionen su uso. Comparado con combustibles fósiles, un kilogramo de pellet tiene la mitad de poder calorífico que un litro de gasoil. En otras palabras, necesitaremos dos kilos de pellet o hueso de aceituna para producir la misma energía que un litro de gasoil. Un m3 de pellet pesa aproximadamente unos 650 kg. Así pues, si en un año consume 2.000 litros de gasoil necesitará unos 4.000 kg. de pellet o hueso de aceituna, lo que ocupará aproximadamente unos 6 m3.

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Funcionamiento

Una caldera de biomasa funciona de una forma similar a una caldera de gas. El quemador de combustible quema el pellet que se le proporciona, generando una llama horizontal que entra en la caldera, como suele suceder en los sistemas de gasóleo. El calor generado durante esta combustión (en este caso de combustible natural) es transmitido al circuito de agua en el intercambiador incorporado en la caldera. El agua caliente generada se utiliza para calefacción y agua caliente sanitaria, climatización de piscinas, etc. La calefacción puede ser por cualquiera de los sistemas convencionales de agua, por ejemplo, suelo radiante, radiadores o fancoils. Las calderas de biomasa necesitan un contenedor o silo para el almacenaje del biocombustible situado próximo a la caldera. Desde el mismo, un alimentador de tornillo sin fin o de succión, lo lleva a la caldera, donde se realiza la combustión. El combustible tipo pellet debe almacenarse con una inclinación de unos 45º para su correcta inserción en la caldera. Al quemar biomasa se produce algo de ceniza, que se recoge generalmente de manera automática en un cenicero que debe vaciarse unas cuatro veces al año. El porcentaje de contenido de cenizas en los pellets es inferior al 1%. Para optimizar el funcionamiento de la caldera de biomasa, podemos instalar un acumulador, que almacenará el calor de una forma similar a un sistema de energía solar.

Razones para instalar una caldera de biomasa en una vivienda

1. La biomasa es considerablemente más económica que los combustibles fósiles como el gasoil o el gas natural.
2. La biomasa no genera olores desagradables, como el gasóleo, ni tiene peligro de producir escapes peligrosos, como el gas natural o el propano.
3. Tan solo se paga por lo consumido, no hay que abonar ninguna cuota fija a ningún proveedor.
4. El pellet, combustible ecológico utilizado normalmente en las calderas de biomasa, al presentarse en minúsculas unidades sólidas, es fácil de transportar y de almacenar.
5. El pellet se puede almacenar sin preocupación alguna, ya que no presenta ningún tipo de peligro de explosión.
6. La Bioenergía es una energía renovable, de futuro y respetuosa con el Medio Ambiente, ya que se obtiene mayormente de residuos agrícolas y forestales, respetando así el ciclo natural y ayudando al cumplimiento del Protocolo de Kioto.
7. El pellet se produce localmente, creando puestos de trabajo en el medio rural y, por tanto, fijando la población en esas zonas.
8. Permite la reducción de la dependencia de recursos fósiles, puesto que en la Península contamos con la materia prima para crear biomasa.
9. La producción de Biomasa derivada de residuos forestales, ayuda a la limpieza de los bosques, previniendo el riesgo de incendios.
10. Los cultivos energéticos, utilizados para la creación de biomasa, son un nuevo camino para reactivación del sector agrícola, siendo una alternativa de futuro para nuestros campos.
11. El uso de la biomasa como fuente de energía, reduce el efecto invernadero, ya que durante su combustión libera la misma cantidad de CO2 que la absorbida por la planta durante su desarrollo.

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Análisis de nuestro proceso

Estamos seguros que el uso de los biocombustibles (pellets) es mucho mejor que los tradicionales (gas natural) y para demostrarlo tuvimos que usar lo aprendido en el curso de termodinámica, así como también buscar otras fórmulas, por eso también nos metimos en el campo de la economía moderna para lograr el fin deseado.  

Por consiguiente para realizar el siguiente análisis, buscamos una casa que contara con una caldera de biomasa como la mejor opción para calentar sus instalaciones durante el invierno. La casa necesita calefacción por radiadores o suelo radiante y agua caliente sanitaria (ACS). Las características básicas de la casa son:

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