Principais características da biomassa e propriedades da cinza de combustão de matos nativos do Norte de Portugal e NW de Espanha

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1 7º Congresso Florestal Nacional Florestas Conhecimento e Inovação 5 a 8 de Junho de 2013 Principais características da biomassa e propriedades da cinza de combustão de matos nativos do Norte de Portugal e NW de Espanha H. Viana 1,2,*, D.J. Vega-Nieva 2, L. Ortiz Torres 2, J. Lousada 3, J. Aranha 3 1: CI&DETS, Escola Superior Agrária, Instituto Politécnico de Viseu. Quinta da Alagoa-Ranhados, Viseu. Tel: ; fax: : Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Forestal. Univerdidade de Vigo 3: CITAB, Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro. Apartado 1014, Vila Real hviana@esav.ipv.pt Resumo: O Norte-Centro de Portugal e a região da Galiza (NW de Espanha) são ocupados por extensas áreas de matos (cerca de 1,4 e 1 milhão de hectares, respetivamente), com elevadas cargas arbustivas, que ciclicamente são consumidos pelos incêndios florestais. No sentido de minimizar os impactes do fogo, bem como diminuir a sua incidência, as politicas estabelecidas nos últimos anos, para a promoção da geração de energia por combustão de biomassa florestal, quer em Portugal como em Espanha, tiveram como foco central a utilização dos matos como potencial fonte de combustível. Desta forma, é fundamental caracterizar esta biomassa quanto às suas características termo-físico-químicas, bem como avaliar as propriedades das cinzas resultantes da combustão. Pelo seu interesse e predominância, este estudo caracteriza a biomassa das principais espécies arbustivas lenhosas, giesta (Cytisus multiflorus), urze (Erica arborea), carqueja (Pterospartum tridentatum) e tojo (Ulex europaeus). Os resultados mostraram um poder calorífico superior de MJ kg -1 para a urze, MJ kg -1 para a giesta, MJ kg -1 para a carqueja e MJ kg -1 para o tojo. O teor de carbono (C) armazenado na biomassa aérea variou entre 46.2 a 49.8 %, e o conteúdo de azoto (N) entre 0.63 a 2.05 %, sendo que a urze é a espécie com a taxa mais alta em C e menor em N. Todas as espécies apresentaram conteúdos de enxofre (S) abaixo de 0,1%. As cinzas da combustão da biomassa variaram entre 1 a 2 %. As análises químicas às cinzas revelaram entre 16.6 % a 33.6 % de sílica e 24 a 30% de metais alcalinos, configurando potenciais problemas de corrosão, bem como depósitos de cinza compactos nas caldeiras de queima. Os resultados obtidos num caso de estudo efectuado para a região Norte de Portugal Continental, mostram que, entre 2006 e 2011, arderam ha, tendo sido consumidas 1.78 milhões de toneladas de biomassa (12,29 t ha -1 ) que, convertidas em valores de Carbono, representam toneladas (6.08 t C ha -1 ). Se convertidos em valores de energia, considerando os PCS de cada espécie representam GJ. Palavras-chave: Matos mediterrâneos, Biomassa, Poder calorífico, corrosão de caldeiras, GIS Abstract: Land cover and land use in North-Central Portugal and Galicia (NW Spain) are mainly occupied by large areas of shrub lands (about 1.4 million hectares and 1, respectively), which are cyclically burnt. In the last 10 years, Portugal and Spain have established policies to promote energy production by forest biomass combustion, in power plants, in order to minimise the fire impacts as well to reduce its occurrence. This way, it is crucial to analyse the thermo-physicalchemical biomass characteristics, and to assess resulting ash s properties. This study characterises biomass from four main woody shrub species: broom (Cytisus multiflorus), heath (Erica arborea), carqueisa (Pterospartum tridentatum) and gorse (Ulex europaeus). The achieved results shown a high calorific value of MJ kg-1 for heath, MJ kg-1 for the broom, MJ kg-1 for carqueisa and and MJ kg-1 for the gorse. Biomass carbon content (C) ranged from 46.2 to 49.8%, and nitrogen content (N) ranged from 0.63 to 2.05%, being the heath, the shrub species with the highest rate of C and lowest of N. All species showed sulphur (S) content below 0.1%. Ashes, from the biomass combustion, ranged from 1 to 2%. Chemical analysis shown that ash silica content ranged from 16.6% and 33.6% and alkali ranged from 24 to 30%, which could result in potential corrosion problems and ash compact deposits on boiler firing.

2 Achieved results, from a case study for the northern region of mainland Portugal, shown that, between 2006 and 2011, they were burnt out 145,065 ha of shrublands, having been consumed 1.78 million tonnes of biomass (12,29 t ha-1), which converted into Carbon values, represents tons (6.08 t C ha-1). If converted into energy values, considering the HHV for each species, represents 33,572 GJ. Keywords: Mediterranean shrub land, biomass, higher calorific value, ash, boiler corrosion, GIS 1. INTRODUÇÃO A procura de soluções para obtenção de energia a partir de fontes renováveis tem feito proliferar vários projetos no sector da biomassa, um pouco por toda a Europa. Com efeito, na persecução de inverter a tendência de emissão de Gases com Efeito de Estufa (GEE), e resultantes consequências nas alterações Climáticas (United Nations, 1998), como reconhecido pelo Painel Intergovernamental sobre Alterações Climáticas (IPCC, 2006), a União Europeia (EU) encetou, desde os anos 90, uma estratégia pioneira para o Clima e energia. Identificado o sector energético como o principal responsável pelas emissões de GEE (European Commission, 1997), foram definidas políticas promovendo a produção de energia a partir de fontes renováveis (European Commission, 2000, 2001), reduzindo desta forma a dependência dos combustíveis de origem fóssil. As metas a atingir, definidas para cada Estado membro da EU, comtemplam a produção de energia a partir da biomassa (eletricidade, calor e biocombustíveis), em virtude deste recurso ser abundante e, portanto, com um grande potencial. Neste seguimento, quer em Portugal (DGGE, 2006), quer em Espanha (Gobierno de España, 2010), foram estabelecidos políticas para a produção de energia, nomeadamente pela construção de centrais de biomassa dedicadas. Estas centrais, as já em funcionamento, assim como as previstas, necessitarão de elevadas quantidades de biomassa, de forma regular que, como apresentado em anteriores estudos (Viana et al., 2010; Viana et al., 2011), poderão não suprir as futuras necessidades, se a fonte de combustível for apenas a biomassa florestal residual de pinheirobravo e eucalipto. Por outro lado, têm-se vindo a implementar diversas unidades de produção de pellets, que requerem também madeira de pinheiro-bravo. Acresce que, em Espanha, as centrais de biomassa e fábricas de pellets têm proliferado a um ritmo elevado, muitas das quais, com uma localização muito próxima, que antecipam a aquisição de matéria-prima em Portugal (APPA, 2011). A disponibilidade limitada de biomassa florestal residual de pinheiro bravo e eucalipto, em Portugal e Espanha (Viana, 2012), tem feito crescer o interesse sobre a avaliação do potencial dos matos para aproveitamento energético (Viana et al., 2012). Desta forma, neste trabalho (1) apresentam-se algumas características da biomassa e propriedades da cinza da combustão de quatro espécies de mato com maior interesse em termos de biomassa no Norte-centro de Portugal e NW de Espanha: a giesta (Cytisus multiflorus), a urze (Erica arborea), a carqueja (Pterospartum tridentatum) e o tojo (Ulex europaeus); e (2) apresenta-se um estudo de caso com a quantificação do potencial energético e do carbono (C) acumulado (t ha -1 ) por estas espécies no Norte do país. 539

3 2. MATERIAL E MÉTODOS 2.1. Análises termo-físico-químicas As espécies analisadas foram recolhidas em parcelas localizadas no Norte-Centro de Portugal ( N, W N, W) e na Galiza, NW de Espanha ( N, W N, W). A biomassa colhida em campo foi transportada em recipientes hermeticamente fechados para caracterização termo-físico-química, de acordo com as especificações técnicas apresentadas nas normas (CEN EN :2009; CEN EN 14918:2009; DD CEN/TS 14780:2005; DD CEN/TS 15104:2005; DD CEN/TS 15148:2005; DD CEN/TS 15289:2006). As análises foram efectuadas nos Laboratórios do Instituto Politécnico de Viseu, da Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Forestal, Universidad de Vigo e da Universidade de Trás-os- Montes e Alto Douro Avaliação do potencial energético e carbono fixado pelos matos No exercício para quantificar o poder energético e o carbono (C) fixado pelos matos, numa área selecionada no Norte do país, utilizaram-se as áreas ardidas no período de 2006 e Com dados provenientes de estudos anteriores (Aranha et al., 2008), recolhidos em 336 parcelas de amostragem (146 no Minho, 145 em Trás-os-Montes e 45 nas Serras do Marão e do Alvão), estabeleceram-se modelos alométricos que relacionam a acumulação da carga arbustiva lenhosa pós-fogo, entre os 2 e os 10 anos de idade. Com os dados provenientes das análises do poder calorífico das análises químicas elementares, estabeleceram-se modelos para predição do potencial energético e C fixado, nas parcelas consideradas. A distribuição espacial foi feita por modelação geoestatística, o que permitiu obter dois mapas com a distribuição contínua das estimativas do potencial calorífico e do C libertado (t ha -1 ), neste período. 3. RESULTADOS 3.1. Características da vegetação Nas parcelas de amostragem, os parâmetros da vegetação (altura, percentagem de cobertura do solo), foram medidos, a biomassa foi separada por espécie e pesada em campo e, em laboratório, determinado o conteúdo de humidade e massa volúmica das espécies estudadas (Tabela 1). Em cada parcela foi recolhida uma subamostra, de cada espécie presente, para as posteriores análises laboratoriais. 540

4 Tabela 1 - Características da vegetação presente nas parcelas de amostragem Espécie h (m) CC (%) B (t ha -1 ) H% MV (kg m -3 ) Norte-Centro de Portugal Cytisus multiflorus 0,8 (±0,3) 27,5 (±22,3) 10.3 (±9.1) 52,3 (±1,2) 417,5 (±89,6) Erica australis 0,7 (±0,4) 21,4 (±17,2) 3.9 (±4.2) 45,6 (±2,8) 569,2 (±183,4) Pterospartum tridentatum 0,2 (±0,1) 12,0 (±7,3) 1.7 (±2.4) 47,6 (±0,5) 485,2 (±40,0) Ulex europaeus 0,7 (±0,5) 25,4 (±11,8) 2.9 (±3.4) 49,6 (±3,9) 417,9 (±104,7) Outras espécies 0,1 (±0,2) 2,4 (±2,6) 0.1 (±0.3) total 18.9 (±13.4) Galiza NW de Espanha Cytisus multiflorus 1,6 (±0,8) 83,7 (±16,1) 8.9 (±9.6) 59,2 (±1,7) 408,1 (±53,8) Erica australis 0,9 (±0,7) 85,9 (±14,3) 4.8 (±5.3) 58,9 (±0,9) 483,3 (±63,5) Pterospartum tridentatum 0,4 (±0,3) 38,6 (±15,7) 3.3 (±4.8) 46,3 (±1,5) 420,5 (±77,5) Ulex europaeus 0,9 (±0,7) 87,2 (±10,4) 9.1 (±10.2) 46,7 (±2,2) 435,2 (±66,0) Outras espécies 0,2 (±0,3) 2,6 (±0,3) 0.2 (±0.5) total 26.3 (±16.2) Sendo: h (m) - altura média do mato, em metros; CC (%) Percentagem de Cobertura do solo; B (t ha -1 ) - Biomassa média nas parcelas amostradas, peso seco em toneladas por hectare; H% - Percentagem de humidade; MV - Massa volúmica (peso seco, Kg m -3 ) Caracterização termo-físico-químicas da vegetação Na tabela 2 apresenta-se a análise química elementar da biomassa das espécies de mato estudadas. Como se observa, o teor de carbono fixado pela componente aérea, destas espécies de mato, varia entre os 46.2 a 49.84%, valores semelhantes aos obtidos para o lenho de diversas espécies arbóreas, como reportado por outros autores (e.g. Elvira and Hernando, 1989). O Enxofre, associado ao problema de corrosão das caldeiras, encontra-se abaixo dos 0,1%, limite máximo definido como não problemático (Obernberger et al., 2006). Taxas de Azoto acima de 0,6% são consideradas problemáticas, pela potencial emissão de óxidos de Azoto (NOx) (Obernberger et al., 2006). Os valores encontrados nas espécies analisadas, acima deste limite, indicam que deverão ser usados filtros nas caldeiras de combustão, adequados à mitigação da emissão destes gases. Tabela 2 Análise elementar das espécies em estudo Espécie C H O N S Norte-Centro de Portugal Cytisus multiflorus 46,20 (±0,26) 6,88 (±0,09) 44,35 (±0,29) 1,24 (±0,06) <0,1 Erica australis 49,84 (±0,10) 7,04 (±0,08) 41,06 (±0,09) 0,63 (±0,02) <0,1 Pterospartum tridentatum 47,95 (±0,16) 6,97 (±0,09) 42,96 (±0,18) 0,67 (±0,04) <0,1 Ulex europaeus 46,32 (±0,43) 6,85 (±0,04) 44,37 (±0,52) 0,95 (±0,01) <0,1 Galiza NW de Espanha Cytisus multiflorus 48,84 (±0,69) 6,55 (±0,39) 43,2 (±0,19) 2,05 (±0,65) <0,1 Erica australis 48,13 (±0,46) 6,08 (±0,55) 42,7 (±0,33) 0,82 (±0,08) <0,1 Pterospartum tridentatum 48,78 (±0,31) 6,65 (±0,03) 42,3 (±0,17) 0,96 (±0,25) <0,1 Ulex europaeus 48,88 (±0,53) 6,49 (±0,12) 42,4 (±0,26) 1,72 (±0,09) <0,1 onde: C Carbono, H Hidrogénio, O Oxigénio, N Azoto, S Enxofre 541

5 Os poderes caloríficos superiores (PCS), das espécies estudadas, são apresentados na Figura 1, sendo representados os valores médios, máximos e mínimos medidos, nas duas áreas de estudo, que não mostraram diferenças significativas entre as duas regiões (p-value 0.05). Figura 1 - Poder calorífico superior das espécies de matos estudadas O PCS destes matos são elevados, acima até dos valores encontrados noutro tipo de vegetação, como é o caso do pinheiro-bravo e eucalipto (Viana, 2012), revelando um potencial interessante neste aspecto. Contudo, a compactação destes materiais vai condicionar a Densidade Energética (GJ m -3 ) (Viana et al., 2012) e, portanto, influenciar os aspectos económicos para a utilização desta vegetação. Com efeito, a compactação, associada aos aspectos técnicos de recolha e ao transporte, determinarão a viabilidade efetiva para o aproveitamento desta vegetação Avaliação do potencial energético e carbono fixado pelos matos Com o intuito de se exemplificar o potencial energético e o carbono (t ha -1 ) que este tipo de vegetação pode armazenar selecionaram-se as áreas ardidas no Norte de Portugal, entre 2006 e 2011 e, desta forma, quantificou-se o C (t ha -1 ) e a energia perdidos neste período, pela ação dos incêndios. Para isso, foi quantificada a acumulação de biomassa nestas áreas, com base em parâmetros e relações alométricas, estabelecidas em estudos prévios (Figura 2). Utilizando as fracções de C e o PCS de cada espécie, apresentados anteriormente, foram estimadas as quantidades de C (t ha -1 ) e o potencial energético, como apresentado nas Figuras 3 e 4, respectivamente. 542

6 Figura 2 Biomassa ardida entre 2006 e Figura 3 Carbono (t ha -1 ) estimado para as áreas ardidas entre 2006 e

7 Figura 4 Potencial energético estimado para as áreas ardidas entre 2006 e As estimativas mostram que numa área ardida de cerca de ha, entre 2006 e 2011, foram consumidas 1.78 milhões de toneladas de biomassa (12,29 t ha -1 ), correspondendo a toneladas de C (6.08 t ha -1 ). Estes valores podem ser convertidos em emissões de dióxido de carbono para a atmosfera, utilizando o factor de conversão (44/12=) 3.67 (IPCC, 2006). A energia estimada para esta biomassa foi de GJ, considerando os PCS de cada espécie. Os valores apresentados são apenas exemplificativos havendo que considerar, evidentemente, as eficiências do processo de combustão, no caso de se querem obter os valores de energia possível de gerar com as quantidades de biomassa quantificadas. Por outro lado, de forma a quantificar a biomassa possível de ser aproveitada, teriam que se considerar apenas as áreas possíveis de explorar, o que não é objectivo deste estudo. 4. CONCLUSÃO A análise feita às quatro espécies de matos: giesta (Cytisus multiflorus), urze (Erica arborea), carqueja (Pterospartum tridentatum) e tojo (Ulex europaeus), com maior predominância e interesse para aproveitamento energético, mostrou que esta biomassa tem um elevado potencial para ser utilizada como combustível para as centrais de biomassa. Por outro lado, são armazenadas elevadas quantidades de carbono (t ha -1 ) nesta biomassa, as quais são libertadas como CO 2 para a atmosfera aquando da ocorrência de fogos florestais. As restrições técnicas e económicas da exploração 544

8 desta biomassa poderão ser o maior obstáculo à utilização como fonte de combustível. Contudo, os estudos viabilidade económica da exploração desta biomassa devem atender à ausência das emissões de CO 2 para a atmosfera, que são evitadas pelos incêndios florestais. Os resultados obtidos anteveem alguns problemas associados à combustão nas caldeiras de biomassa, como sejam a emissão de óxidos de azoto (NOx), de corrosão e de aglomeração de cinzas, pelo que devem ser aprofundados os estudos nesta vertente. REFERÊNCIAS APPA, Inventario de plantas de biomasa, biogás y pellets. Associación de Productores de Energías Renovables, pp. 67. Aranha, J.T., Viana, H., Rodrigues, R., Vegetation classification and quantification by satellite image processing. A case study in north Portugal Bioenergy: Challenges and Opportunities. International Conference and Exhibition on Bioenergy Universidade do Minho, Guimarães, Portugal Available online at, CEN EN :2009, Solid biofuels - Determination of moisture content Oven dry method - Part 1: Total moisture - Reference method. CEN EN 14918:2009, Solid biofuels - Determination of calorific value. DD CEN/TS 14780:2005, Solid biofuels - Methods for sample preparation. DD CEN/TS 15104:2005, Solid biofuels Determination of total content of carbon, hydrogen and nitrogen Instrumental methods. DD CEN/TS 15148:2005, Solid biofuels Method for the determination of the content of volatile matter. DD CEN/TS 15289:2006, Solid biofuels Determination of total content of sulphur and chlorine. DGGE, Estratégia Nacional para a Energia. A criação de uma rede de Centrais de Biomassa dedicadas, Direcção Geral de Geologia e Energia, Lisboa, p. 19. Elvira, L.M., Hernando, C., Inflamabilidad y energía de las especies de sotobosque: estudio piloto con aplicación a los incendios forestales. Monografías INIA. European Commission, Communication from the Commission. Energy for the Future: Renewable Sources of Energy. White Paper for a Community Strategy and Action Plan: COM(97)599 final. Brussels, Belgium. European Commission, BIOMASS: An Energy Resource for the European Union. European Communities, Programme Energy, Environment and Sustainable Development. Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg. EUR 19424, p. 17. European Commission, Directive of the European Parliament and the Council on the promotion of electricity produced from renewable energy sources in the internal electricity market, Directive 2001/77/EC, Brussels, Belgium. Gobierno de España, Plan De Acción Nacional De Energías Renovables De España (PANER) , Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, Gobierno de España, p IPCC, Guidelines for national greenhouse gas inventories. Volume 4, Agriculture, forestry and 545

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