Planificación, logística y valorización de biomasa forestal residual en la provincia de Valencia

Abstract

[EN] In the framework of a sustainable bio-based economy, this doctoral thesis aims to stimulate sustainable forest management by providing scientific information and guidelines tending to plan and mobilizate bioenergy resources from Mediterranean forests, protect forest ecosystems from forest fires, optimize the carbon balances of the entire bioenergy value chain and finally, contribute to the rural development through employment and richness creation in the renewable energy sector.

To achieve these goals, the general objective of this research is to analyse and develop an integral management, planning, logistics and energy valuation model for the forest biomass residues available in the Valencian Province.

For that purpose, forest and agricultural crops data in the Valencian Province have been analised by using Geographical Information Systems (GIS) and applying selection and sustainable harvesting criteria. Biomass quantity and real available biomass residues have been estimated. Based on a sustainable management, planning, logistics, transformation and biomass use model, eight bioenergy districts have been identified at a supramunicipal level. Representative forest plots have been selected and two harvesting systems, the integrated system (separated use of logs and forest residues) and the whole tree system, have been tested. Subsequently, productivity, costs, environmental impact, carbon emissions and energy balances have been compared and the quality of the obtained chips has been analysed according to European quality norms. In addition, a pilot pellet plant at a laboratory scale has been designed and started and pellets have been fabricated. Finally, pellet quality and influencing variables such as species, tree fraction of the chips and bark presence have been studied together with the maximum amount of bark that quality pellets can tolerate.

It has been estimated 28t/ha of residual biomass for the Valencian Province. A total of eight bioenergy districts have been identified, which could provide a in which a sustained supply of high quality biomass.

Representative forest plots are those with a pole stage of Pinus halepensis with a canopy cover estimated in between 40-69% at altitudes around 600 m above the sea level, east-southwest dominating aspects and 15% of average slope.

The integrated system has proven to be the most suitable for harvesting Pinus halepensis in a pole stage in the Valencian Province due to a higher harvesting productivity, which in turn means lower fuel consumption, lower total costs, higher economic and financial profitability due to the higher value of log woodchips in the market, lower environmental impact due to the need of less manoeuvrability forwarder space with the integrated systems and a lower number of cycles, slightly lower emissions thanks to a lower fuel consumption and finally, a slightly higher energy balance, with an energy contained in biomass that is around ten times the energy necessary for the biomass mobilization and use.

In conclusion, it is possible to obtain high quality woodchips from these two harvesting systems (integrated and whole tree system) when moisture and ash content are properly monitored. It is also possible to obtain high quality pellets from barked and debarked logs as well as from branches. This implies that the abundant forest biomass residues in the Valencian Province can be transformed into high added value solid biofuels.

[ES] En el marco del desarrollo de una bioeconomía sostenible, esta tesis doctoral pretende estimular la gestión forestal sostenible orientada a la ordenación y movilización de los recursos bioenergéticos de los montes mediterráneos, proteger los ecosistemas forestales frente a los incendios forestales, optimizar los balances de carbono en la cadena de valor de la bioenergía forestal y, finalmente, contribuir al desarrollo rural mediante la generación de empleo y riqueza en el sector de las energías renovables.

Para alcanzar estos retos, el objetivo general de la investigación es el análisis y el desarrollo de un modelo integral de gestión, planificación, aprovisionamiento y valorización energética de la biomasa forestal residual de la Provincia de Valencia.

Para ello, se ha analizado el territorio de la Provincia de Valencia a partir de información forestal y agrícola recogida en distintas bases de datos mediante la aplicación de Sistemas de Información Geográfica (SIG) y de criterios de selección y aprovechamiento sostenible. Se ha estimado la cantidad de biomasa agroforestal residual existente y aprovechable. Se han definido e identificado distritos bioenergéticos en base a un modelo sostenible de gestión, aprovisionamiento, transformación y uso de la biomasa a escala supramunicipal. Se han seleccionado parcelas forestales representativas y en ellas se han llevado a cabo aprovechamientos experimentales de biomasa mediante el sistema de aprovechamiento integrado (aprovechamiento separado de fuste y residuos forestales) y el sistema de árbol completo. A continuación, se han comparado rendimientos, productividad, costes, rentabilidad, impacto ambiental, emisiones de carbono y balances energéticos de ambos sistemas. Posteriormente, a partir del material recogido se ha analizado la calidad de las astillas según la normativa de calidad europea. En paralelo, se ha diseñado y puesto en marcha una planta piloto a escala de laboratorio para la fabricación de pellets a partir de astillas obtenidas en campo. Por último, se ha analizado la calidad de los pellets y se ha estudiado la influencia de factores como la especie, la fracción del árbol y la presencia de corteza sobre las variables de calidad, estableciendo los límites máximos tolerables de corteza para la producción de pellets de calidad.

Como resultados, se ha estimado que en la Provincia de Valencia la cantidad de biomasa residual aprovechable es de en torno a 28t/ha, identificándose ocho distritos bioenergéticos en que se podría dar un suministro sostenido en cantidad y calidad de biomasa en base a sus propios recursos agroforestales. Las parcelas representativas de las masas dominantes pertenecen al estrato Pinus halepensis en estado de latizal-fustal con una fracción de cabida cubierta de entre el 40-69%, situadas a altitudes medias de 600 m sobre el nivel del mar, con orientaciones dominantes este-suroeste y pendientes medias en torno al 15%.

El sistema de aprovechamiento integrado ha resultado ser el más adecuado para el aprovechamiento de estas masas debido a un mayor rendimiento en el desembosque que se traduce en menores consumos de combustible, menores costes totales, mayor rentabilidad económica y financiera, un menor impacto ambiental, emisiones ligeramente menores en el sistema integrado frente al completo y un balance energético algo superior, siendo la energía contenida en la biomasa, en ambos casos, diez veces superior respecto a la que se necesita para su aprovechamiento.

Se concluye que es posible obtener astillas de calidad procedente de estos sistemas de aprovechamiento biomásico (fustes y árbol completo) siempre que se controle la humedad y el contenido en cenizas y que es posible obtener pellets de alta calidad a partir de fustes descortezados y sin descortezar, así como de su fracción de ramas, lo que implica que los abundantes recursos biomásicos en la Provincia de Valencia pueden ser transformados en

[CA] En el marc del desenvolupament d'una bioeconomia sostenible, aquesta tesis doctoral pretén estimular la gestió forestal sostenible orientada a l'ordenació i movilització dels recursos bioenergètics dels forets mediterranis, protegir els ecosistemes forestals front als incendis forestals, optimitzar els balanços de carboni en la cadena de valor de la bioenergia forestal i, finalment, contribuir al desenvolupament rural mitjançant la generació de treball i riquesa en el sector de les energies renovables.

Per a assolir aquests reptes, l'objectiu general de la investigació és l'anàlisis i el desenvolupament d'un model integral de gestió, planificació, aprovisionament i valorització energètica de la biomasa forestal residual de la Provincia de València.

Per a fer açò possible, s'ha analitzat el territori de la Provincia de València a partir d'informació forestal i agrícola recollida en distintes bases de dades mitjançant l'aplicació de Sistemes d'Informació Geogràfica (SIG) i de criteris de selecció i d'aprofitament sostenible. S'ha estimat la quantitat de biomasa agroforestal residual existent i aprofitable. S'han definit e identificat districtes bioenergètics en base a un model sostenible de gestió, aprovisionament, transformació i ús de la biomasa a escala supramunicipal. S'han seleccionat parcel·les forestals representatives i en elles s'han dut a terme aprofitaments experimentals de biomasa mitjançant el sistema integrat (aprofitament per separat de canó i de residus forestals) i el sistema d'arbre complet. A continuació, s'han comparat ambdós sistemes pel que fa a rendiments, productivitat, costs, impacte ambiental, emissions de carboni i balanços energètics. Posteriorment, a partir del material recollit s'ha estudiat la qualitat de les estelles generades amb els aprofitaments segons la normativa de qualitat europea. En paralel, s'ha disenyat i posat en marxa una planta pilot a escala de laboratori per a l'elaboració de pellets a partir de les estelles obtingudes de camp. Per últim, s'ha analitzat la qualitat dels pellets i s'ha estudiat la influència de factors com l'espècie, la fracció de l'arbre i la presencia d'escorça sobre les variables de qualitat establint els límits màxims tolerables d'escorça per a la producció de pellets de qualitat.

Com resultats, s'ha estimat que en la Provincia de València la quantitat de biomasa residual aprofitable és d'al voltant de 28t/ha, identificant-se huit districtes bioenergètics en els que es podria donar un sumisitre sostingut en quantitat i en qualitat de biomasa en base als seus propis recursos agroforestals. Les parceles representatives de les mases dominants perteneixen al estrate Pinus halepensis en estat de perxada amb una desnitat de recobriment de entre el 40-69%, situades a altituds mitjanes de 600 m sobre el nivell del mar, amb orientacions dominants est-suroest i pendents mitjanes al voltant del 15%.

El sistema d'aprofitament integrat ha resultat ser el més adequat per a l'aprofitament d'estes mases dominants debut a un major rendiment en el desembosc que se tradueix en menors consums de combustible, menors costs totals, major rentabilitat econòmica i financiera, un menor impacte ambiental, unes emissions lleugerament menors del sistema integrat front al complet per menor consum de combustibles i un balanç energètic lleugérament superior, siguent l'energia continguda en la biomasa per a amdós sistemes deu voltes superior respecte a la que es necessita per a la seua mobilització i aprofitament.

Se conclou que és possible obtindre estelles de qualitat procedent d'aquests sistemes d'aprofitament biomàsic (canó i arbre complet) sempre que se controle la humitat i el contigut de cendres i que és possible obtindre pellets d'alta qualitat a partir de canons descorçats i amb escorça, així com de la seua fracció de rames, el que implica que els abundants recursos biomàsics de la Provincia de València poden ser