01-01: Εισαγωγή στη λιγνο-κυτταρινούχο βιομάζα

Transcript

1 Κεφάλαιο σελ : Εισαγωγή στη λιγνο-κυτταρινούχο βιομάζα Το ξύλο αποτέλεσε την πρώτη πηγή ενέργειας για την ανθρωπότητα, η οποία χρησιμοποιήθηκε σε ποικιλία εφαρμογών όπως η θέρμανση, η μαγειρική, βιομηχανικές διαδικασίες (π.χ. για την τήξη μετάλλων ή για την παραγωγή τούβλων), κ.α. Τον προηγούμενο αιώνα, το ξύλο αντικαταστάθηκε από ορυκτά καύσιμα, όπως ο άνθρακας, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, κυρίως λόγω της υψηλότερης ενεργειακής πυκνότητας ενέργειας τους, η οποία επιτρέπει την πιο άνετη και αποδοτική χρήση. Παρά το γεγονός αυτό, το Κέντρο Διεθνών Ερευνών για τα Δάση (CIFOR) εκτιμά ότι περίπου 2 εκατομμύρια κυβικά μέτρα ξύλου και ξυλάνθρακα συνεχίζουν να καταναλώνονται κάθε χρόνο παγκοσμίως (Εικόνα ). Σύμφωνα με τον Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας (IEA), περίπου 2,5 εκατομμύρια άνθρωποι στις αναπτυσσόμενες χώρες εξαρτώνται από αυτή την πηγή ενέργειας μόνο και μόνο για τις ανάγκες του μαγειρέματος. Εικόνα : Χρήση λιγνο-κυτταρινούχας βιομάζας για παραδοσιακό τρόπο μαγειρέματος στην Αργεντινή (αριστερά) και μεγάλο σύγχρονο δίκτυο τηλεθέρμανσης ΣΗΘ στη Φιλανδία (δεξιά), (πηγή: Picchi) Σήμερα, και στις βιομηχανικές χώρες, υπάρχει μια σαφής τάση επανεκτίμησης του ξύλου ως πηγή ενέργειας. Θα πρέπει να σημειωθεί πως αυτή το ξύλο ως πηγή ενέργειας δεν εγκαταλείφτηκε ποτέ εντελώς, αλλά περιορίστηκε μόνο σε αισθητικές ή παραδοσιακές χρήσεις σε συνδυασμό με ορυκτά καύσιμα. Η νεά ανάπτυξη του τομέα της βιοενέργειας βασίζεται σε σύγχρονες τεχνολογίες, για την επεξεργασία καυσίμων και τη μετατροπή ενέργειας, άκρως μηχανοποιημένες, αυτόματες, αποδοτικές και με χαμηλές εκπομπές ρύπων. Χάρη σε αυτές τις λύσεις, το ξύλο παραμένει ένα ανταγωνιστικό εναλλακτικό καύσιμο έναντι των άλλων καυσίμων, ακόμα και χωρίς να λαμβάνονται υπόψη περιβαλλοντικά ζητήματα καθώς επίσης και η μείωση της διαθεσιμότητας των ορυκτών καυσίμων. Το παρόν κεφάλιο παρουσιάζει τις βασικές πτυχές του ξύλου ως καύσιμο και τις αλληλεπιδράσεις του με τις κύριες τεχνολογίες μετατροπής ενέργειας.

2 Κεφάλαιο σελ : Τύποι καυσίμων από ξύλο και συσκευές καύσης Κούτσουρα Παραδοσιακά, το ξύλο για παραγωγή ενέργειας καταναλώνεται σε μορφή κούτσουρων διαφορετικού μεγέθους, ανάλογα με τη συσκευή που χρησιμοποιείται (κλίβανος, κουζίνα, τζάκι, κτλ.). Αυτό η μορφή καυσίμου εξακολουθεί να χρησιμοποιείται, κυρίως λόγω του απλού εξοπλισμού που απαιτείται για την παραγωγή του και γιατί συχνά είναι διαθέσιμο σε αγροτικές περιοχές (Εικόνα ). Εικόνα : Βιομηχανικός τεμαχιστής κορμών ξύλου, ελεύθερο και συσκευασμένο υλικό έτοιμο για μεταφορά (δεξιά). (Πηγή: Picchi) Σε όλες τις περιπτώσεις, οι συσκευές καύσης τροφοδοτούνται με κούτσουρα χειρωνακτικά. Γενικά, η απόδοση ενέργειας κυμαίνεται από 20 έως 50 %. Προς το παρόν, οι σύγχρονες θερμάστρες ξύλου τροφοδοτούνται ακόμα χειρωνακτικά, αλλά εμφανίζουν μεγαλύτερη αποδοτικότητα (μεγαλύτερη από 80%). Αυτό οφείλεται στην εισαγωγή / βελτίωση τεχνολογιών καύσης, όπως η αντιστροφή φλόγας καύσης, η οποία διαχωρίζει τις φάσεις ξήρανσης, πυρόλυσης, βελτιστοποιώντας κάθε μία από αυτές. Τέτοιου είδους λέβητες συνήθως έχουν περιορισμένο μέγεθος λόγω του χειρωνακτικού συστήματος τροφοδοσίας και κατά συνέπεια μπορούν να προσφέρουν θέρμανση σε μεμονωμένα νοικοκυριά / γεωργικές εκμεταλλεύσεις (Εικόνα ).

3 Κεφάλαιο σελ. 3 Εικόνα : Δύο τύποι συσκευών καύσης ξύλου, λέβητας με αντίστροφη φλόγα καύσης (αριστερά) και μια παραδοσιακή κουζίνα με ξύλο (δεξιά). Σημειώνεται ότι το μέγεθος του θαλάμου επηρεάζει το μέγεθος των κούτσουρων που θα χρησιμοποιηθούν. (Πηγή: Picchi) Τεμαχισμένο/θρυμματισμένο ξύλο (Wood chips) Τα τεμάχια ξύλου αποτελούν το προϊόν τεμαχισμού. Αυτή η λειτουργία εκτελείται μέσω ειδικών συσκευών τεμαχισμού, οι οποίες τεμαχίζουν ολόκληρα δέντρα, κλαδιά, κορμούς, δέσμες και κάθε είδος ξυλώδους υλικού (Εικόνα ). Τα μεγέθη των τεμαχιδίων ξύλου ποικίλουν ανάλογα με τις απαιτήσεις του τελικού χρήστη και της μηχανής που χρησιμοποιείται, αλλά γενικά είναι μικρότερο από 5 cm. Εικόνα : Οι τεμαχιστές που τροφοδοτούνται με μικρά δέντρα και κλαδιά από εργασίες συντήρησης σε όχθη ποταμού (αριστερά) και ολόκληρα πεύκα μεγάλου μεγέθους (δεξιά) μπορούν να παράγουν ένα μοναδικό είδος καυσίμου: τεμαχισμένο ξύλο. (Πηγή: Picchi) Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα των τεμαχιδίων ξύλου είναι οι παραπλήσιες με υγρό ιδιότητές τους στην αποθήκευση, γεγονός που τους δίνει τη δυνατότητα να

4 Κεφάλαιο σελ. 4 προσαρμόζονται στο σχήμα διάφορων δοχείων (φορτηγά, αποθήκες, σιλό κτλ), όπως απεικονίζονται στην Εικόνα ), να μεταφέρονται και αυτόματα να τροφοδοτούν το λέβητα με κοχλίες μεταφοράς, έμβολα κ.ο.κ. (Εικόνα ). Εικόνα : Συμπεριφερόμενα περίπου ως ρευστό, τα τεμαχίδια ξύλου προσαρμόζονται σε διάφορα σχήματα, βελτιστοποιώντας έτσι τη μεταφορά και την αποθήκευση ( Πηγή: Picchi)

5 Κεφάλαιο σελ. 5 Εικόνα : Παραδείγματα από κοχλίες μεταφοράς για λέβητες τεμαχισμένου ξύλου. Αυτό το σύστημα τροφοδοσίας είναι πολύ ευαίσθητο στο μέγεθος των τεμαχιδίων ένα καύσιμο μεγαλύτερου μεγέθους μπορεί να μπλοκάρει τον κοχλία (Πηγή: Picchi). Λόγω αυτών των ιδιοτήτων, οι λέβητες θρυμμάτων ξύλου έχουν αυτόματο έλεγχο τροφοδοσίας καυσίμου, που παρέχει τη δυνατότητα ιδιαίτερα αποδοτικής καύσης. Αυτά τα συστήματα είναι επίσης πολύ ευέλικτα στο μέγεθος, και μπορεί να να κυμαίνονται από μερικά kw έως αρκετά MW (Εικόνα ).

6 Κεφάλαιο σελ. 6 Εικόνα : Δύο παραδείγματα από συσκευές τεμαχισένου ξύλου: μικρό δίκτυο τηλεθέρμανσης στη Φιλανδία (αριστερά, προσέξτε την απόθεση τεμαχισμένου ξύλου και τον φορτωτή που μετακινεί το καύσιμο) και οικιακός λέβητας για θέρμανση αγροτικού τουριστικού συγκροτήματος στην Ιταλία (δεξιά) (πηγή: Picchi)

7 Κεφάλαιο σελ. 7 Κομμάτια ξύλου (Hog fuel) Τα κομμάτια ξύλου είναι παρόμοια με τα τεμαχίδια ξύλου, αλλά είναι μεγαλύτερου μεγέθους και με ακανόνιστο σχήμα και επιφάνεια. Οι αιχμηρές άκρες / μαχαίρια των θρυμματιστών είναι πολύ ευαίσθητες όταν χρησιμοποιούνται για τον τεμαχισμό ξυλώδους βιομάζας που έχει επιμολυνθεί από άμμο, έδαφος ή πέτρες. Στην περίπτωση μη καθαρής πρώτης ύλης, όπως κούτσουρα ή λιγνοκυτταρινούχα υπολείμματα (χρησιμοποιημένες παλέτες με σιδερένιa καρφιά), χρησιμοπιείται συνήθως σπαστήρας (Εικόνα ). Αυτό το είδος μηχανής λειτουργεί βίαια σπάζοντας το ξύλο αντί να το τεμαχίσει. Τα κομμάτια ξύλου είναι λιγότερο προσαρμόσιμα σε σύστημα αυτόματης τροφοδοσίας με κοχλίες μεταφοράς, λόγω του μεγάλου μήκους τους. Εναλλακτικά συστήματα τροφοδοσίας, όπως έμβολα και προωθητές είναι πιο αξιόπιστα για τέτοια ακανόνιστα καύσιμα. Εικόνα : Σύγκριση μεταξύ κομματιών (αριστερά) και τεμαχισμένου ξύλου (δεξιά) (πηγή: Picchi). Το γάντι χρησιμοποείται ως ένδειξη του πραγματικού μεγέθους. Εικόνα : Σπαστήρας ξύλου σε λειτουργία (πηγή: Picchi) Όλα τα καύσιμα ξύλου που αναφέρθηκαν προηγουμένως αποτελούν απλά το αποτέλεσμα της φυσικής μείωσης του μεγέθους του αρχικού δέντρου (μέρη δέντρου) ή/και υπολείμματα ξύλου που χρησιμοποιούνται ως πρώτη ύλη για την παραγωγή

8 Κεφάλαιο σελ. 8 καυσίμων. Σήμερα, κάποιες νέες μορφές προεπεξεργασμένων βιοκαυσίμων γίνονται όλο και πιo δημοφιλείς: Πελλέτες Οι πελλέτες είναι μικροί κύλινδροι διαμέτρου 6 mm έως 25 mm και μήκους 3 mm έως 50 mm που παράγονται από διάφορες πρώτες ύλες, συχνά περιλαμβανομένης της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας (Εικόνα ). Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα της χρήσης πελλετών ως βιοκαύσιμο είναι: Μείωση κόστους μεταφοράς, διακίνησης και αποθήκευσης Μείωση του κόστους επένδυσης για την κατασκευή και συντήρηση εργοστασίου χρησιμοποιώντας ομογενές καύσιμο για καύση Ομογενοποίηση της ευρείας ποικιλίας των διαθέσιμων ειδών βιομάζας και παραγωγή καυσίμου που καλύπτει καλύτερα τις προδιαγραφές των σύγχρονων λεβήτων Σχήμα : Πελλέτες που παράγονται από τρίμματα / σκόνη ξύλου: εργοστάσιο παραγωγής (πάνω αριστερά), πελλετοποιητής (πάνω κέντρο), αποθήκευση πελλετών (πάνω δεξιά), μήτρα πελλετών (κάτω αριστερά), κοντινή προβολή πελλετών ξύλου (κάτω δεξιά) (Πηγή: Zethræus and Picchi) Ένας σημαντικός περιοριστικός παράγοντας για τις πελλέτες είναι το γεγονός ότι θα πρέπει να προστατεύονται από τις καιρικές συνθήκες. Οι πελλέτες διογκώνονται όταν εκτίθενται σε υγρές συνθήκες και υποβαθμίζονται στην αρχική τους μορφή (αρχικό

9 Κεφάλαιο σελ. 9 μέγεθος σωματιδίων και πυκνότητα). Η ποιότητα των πελλετών μπορεί να υποστεί βιολογική υποβάθμιση εξαιτίας της δράσης μικροοργανισμών, αν δε διαχειρίζονται σωστά. Οι πελλέτες αποθηκεύονται συνήθως σε κοντέινερ ή σε στεγασμένες αποθήκες για τη μείωση της επίδρασης των καιρικών συνθηκών. Μπρικέτες Η μπρικέτα είναι το συσσωμάτωμα ενός συμπιεσμένου εύφλεκτου υλικού που χρησιμοποιείται ως καύσιμο (Εικόνα ). Η πιο εμφανής διαφορά μεταξύ μπρικέτας και πελλετών είναι το μέγεθος οι μπρικέτες είναι γενικά μεγαλύτερες από τις πελλέτες (διάμετρος από 20 mm εως 100 mm). Οι μπρικέτες είναι πιο εύθραστες σε σχέση με τις πελλέτες και λιγότερο ανθεκτικές στη μηχανική φθορά. Η χύδην πυκνότητα είναι 500 kg/m 3, η οποία είναι σημαντικά μεγαλύτερη της φαινομενικής πυκνότητας των πριονιδίων και των υπολειμμάτων τεμαχισμού (που συνήθως χρησιμοποιούντα για την κατασκευή μπρικετών). Σχήμα : Μπρικέτες που παράγονται από τρίμματα ξύλου εργοστάσιο παραγωγής (πάνω αριστερά), αποθήκευση μπρικετών (πάνω δεξιά) κοντινή λήψη μπρικετών ξύλου (κάτω) (πηγή: Zethræus) Η καύση μπρικετών και πελλετών ξύλου είναι πιο αποδοτική από την καύση καυσόξυλων. Ο εξοπλισμός καύσης για μπρικέτες θα πρέπει να είναι ιδιαίτερα ευέλικτος ώστε να διαχειρίζεται σωστά τα πριονίδια και τα ροκανίδια καθώς οι μπρικέτες μπορεί να σπάσουν πριν εισέλθουν στο θάλαμο καύσης. Ως εκ τούτου, οι

10 Κεφάλαιο σελ. 10 μπρικέτες δεν είναι κατάλληλες για λέβητες μικρού μεγέθους (μονοκατοικίες) και είναι πιο κατάλληλες σε εφαρμογές μεγάλης κλίμακας. Θερμικά επεξεργασμένο (Torrefied) ξύλο Η φρύξη (torrefaction) είναι μια διεργασία πυρόλυσης η οποία εξετάζεται ως μια ιδιαίτερα κατάλληλη μέθοδος προεπεξεργασίας βιομάζας που προορίζεται για περαιτέρω θερμική μετατροπή. Η φρύξη αυξάνει τη θερμογόνο ικανότητα της βιομάζας. Ανάλογα με τις συνθήκες τις διεργασίας, η θερμικά επεξεργασμένη βιομάζα έχει χρώμα καφέ έως σκούρο-καφέ και μερικές φορές προσεγγίζει τις ιδιότητες του άνθρακα (Εικόνα ). Μετά τη διαδικασία της φρύξης η βιομάζα είναι σχετικά ξηρή (περιεκτικότητα σε υγρασία από 1 έως 6 % επί ξηρού) και μειώνεται σημαντικά και η υγροσκοπικότητά της. Το θερμικά επεξεργασμένο ξύλο, σε αντίθεση με το μη επεξεργασμένο ξύλο, δεν είναι υδρόφιλο και αντιστέκεται σε μεγάλο βαθμό στη βιολογική υποβάθμιση. Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας σε λιγνίνη και ακόρεστα λιπαρά οξέα της θερμικά επεξεργασμένης βιομάζας μπορούν να παραχθούν πελλέτες με φαινομενική πυκνότητα από 750 έως 850 kg/m 3. Κατά συνέπεια η θερμικά επεξεργασμένη βιομάζα είναι πολύ ελκυστικό καύσιμο για περαιτέρω καύση ή/και αεριοποίηση. Εικόνα : Πελλέτες από θερμοχημικά επεξεργασμένο ξύλο (πηγή: Μια απεικόνιση διαάφορων καυσίμων που προέρχονται από ξύλο παρουσιάζεται στην Εικόνα Ορισμένες πρόσθετες περιγραφές, τεχνικές οδηγίες και χαρακτηριστικά διεργασιών των προαναφερόμενων καυσίμων παρουσιάζονται και σε άλλα κεφάλαια του εγχειριδίου, ιδίως στο ζ.

11 Κεφάλαιο σελ. 11 Εικόνα Άμεση οπτική σύγκριση των τριών βασικών καυσίμων από ξυλώδη βιομάζα καυσόξυλο (επάνω), πελλέτες (κέντρο) και θρύμματα ξύλου (κάτω). (πηγή: Picchi) Ο Πίνακας συνοψίζει τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των εμπορικών μορφών λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας. Υπάρχουν σε εξέλιξη εργασίες για την καθιέρωση προτύπων ποιότητας και ιδιοτήτων της βιομάζας. Προς το παρόν, ο ενδιαφερόμενος αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει στον οδηγό για τα πρότυπα που παρέρχεται από το έργο FOREST.

12 Κεφάλαιο σελ. 12 Θρύμματα ξύλου Τύπος βιομάζας Μέγεθος (mm) Σκόνη ξύλου < 1 Πριονίδι 1 5 Λεπτόκοκκα 5 15 Χονδρόκοκκα Υγρασία (%) 10 - >65 (M10 M65+) 10 - >55 (M10 M55+) Μικρά Κομμάτια >55 κούτσουρ ξύλου (M10 M55+) ή α Καυσόξυλα % νερού επί ξηρού βάρους Ολόκληρο ξύλο > (U11 U122) Κομμάτια ξύλου Πελλέτες Μπρικέτες Διάμετρος 6 25 Μήκος 3 50 Διάμετρος Μήκος Λεπτόκοκκα < 3 Χονδρόκοκκα Τρίμματα 5 15 (M5 M15) (M10 M15) 10 - >55 (M10 M55+) 10 - >30 (M10 M30+) Τέφρα (%) >10 (A0.1 A10.0+) Χύδην πυκνότητα (kg/m 3 ) (BD100 BD350) (BD150 BD450) (BD550 BD 800) Πυκνότητα σωματιδίων (g/cm 3 ) (DE0.8 DE1.2) >450 (BD150 BD450+) >300 (BD100 BD300+) Άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά Ενεργειακή πυκνότητα (kwh/kg ή kwh/m 3 ) ποσοστό μέσου όγκου (%) αποσύνθεση επιφάνεια κοπής Πρόσθετα Ποσότητα πρόσθετα (%) μηχανική αντοχή κλάσμα λεπτόκοκκων 6 25% του βάρους (F06 F25) Φλοιός >65 (M20 M65+) 1 - >10 (A1.0 A10.0+) (BD250 BD450) σχίστες Πίνακας : Χαρακτηριστικά μορφών λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας Το τελικό σημείο αφορά στο μέγεθος της μονάδας παραγωγής ενέργειας και την τεχνολογία καύσης. Το μέγεθος ασφαλώς εξαρτάται από τις απαιτήσεις σε ενέργεια, αλλά επίσης και από τα χαρακτηριστικά των διαθέσιμων καυσίμων. Οι παραδοσιακές και οι ευρέως διαδεδομένες θερμάστρες καυσόξυλων, οι οποίες λειτουργούν με καύση ξύλου (προέρχεται από τμήματα κορμού) εμφανίζουν πολλά πλεονεκτήματα: Ώριμη τεχνολογία καύσης Απλός σχεδιασμός και κατασκευή Υψηλή ασφάλεια και αξιοπιστία Βέλτιστη αποθήκευση καυσίμων (μείωση αποσβέσεων) Ο πιο σημαντικός περιοριστικός παράγοντας είναι οι δυσκολίες στον αυτοματισμό των διαδικασιών της καύσης και η ανάγκη για φόρτωση του καυσίμου χειρωνακτικά. Κατά

13 Κεφάλαιο σελ. 13 συνέπεια αυτή η τεχνολογία περιορίζεται σε μικρής κλίμακας (μονοκατοικία), μόνο για παραγωγή θερμότητας και η ισχύς είναι συνήθως μικρότερη από 35 kw. Αντίθετα, τα θρύμματα ξύλου, οι πελλέτες και οι μπρικέτες, επιτρέπουν την επίτευξη υψηλότερης ισχύος για ένα λέβητα κάτι το οποίο εξαρτάται από τη δυνατότητα αυτοματισμού μεταξύ χειρισμού και καύσης. Σε αυτή την περίπτωση, η ελάχιστη ισχύς της μονάδας παραγωγής ενέργειας ανέρχεται κοντά στα 100 kw, αλλά πολύ συχνά κυμαίνεται μεταξύ 4 ως 8 MW. Σε βιομηχανική κλίμακα αρκετές μονάδες παραγωγής ενέργειας από βιομάζα πλησιάζουν τα 100 MW ή και περισσότερα. Επιπλέον, συνήθως λαμβάνει χώρα και συμπαραγωγή ηλεκτρισμού, πέραν της παραγωγής θερμότητας : Σύνθεση και ιδιότητες καυσίμων από ξύλο α: Χημικά συστατικά Από χημικής σκοπιάς, το ξύλο είναι ένα σύνθετο υλικό (μείγμα) από τις ακόλουθες χημικές ουσίες: Κυτταρίνη και Ημικυτταρίνη, ως δομικά πολυμερή, αποτελούνται κυρίως από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο. Η κυτταρίνη είναι ίνα, το κυριότερο συστατικό του ξύλου και αποτελεί την πρώτη ύλη για την παραγωγή χαρτιού. Η Λιγνίνη είναι ένα πολυμερές που εξασφαλίζει στα φυτά την ακεραιότητα της δομής τους. Δεν υποβαθμίζεται εύκολα από μικροοργανισμούς και με αυτόν τον τρόπο περιορίζει βιολογικές διεργασίες όπως η ζύμωση, ενώ ενισχύει την καύση λόγω της υψηλής θερμογόνου ικανότητας. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι η λιγνίνη χρησιμεύει ως φυσικό συνδετικό υλικό που βοηθάει στη διατήρηση της μορφής και του σχήματος των πελλετών και των μπρικετών. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το ξύλο είναι πιο κατάλληλο για την παραγωγή τέτοιων προϊόντων σε σύγκριση με την ποώδη βιομάζα (που περιέχει λιγότερη λιγνίνη). Εκχυλίσματα είναι μη δομικά συστατικά της βιομάζας και περιλαμβάνουν σάκχαρα, λίπη, κεριά, κολλοειδή, τερπένια, πηκτίνες, ρητίνες, λιπαρά οξέα κ.τ.λ Η θερμογόνος ικανότητά τους είναι εξαιρετικά υψηλή και το υψηλό περιεχόμενό τους στα κωνοφόρα (μαζί με τη λιγνίνη) εξηγεί το γιατί τα κωνοφόρα έχουν ανώτερη θερμογόνο δύναμη από τα πλατύφυλλα. Ορυκτά είναι ανόργανα στοιχεία όπως άζωτο, θείο, χλώριο και βαρέα μέταλλα που δεσμεύονται από ζωντανούς ιστούς των δέντρων ως θρεπτικά. Η συγκέντρωσή τους περιορίζεται κυρίως σε ίχνη, αλλά η παρουσία τους μπορεί να επιφέρει μεγάλη επίδραση για τη χρήση του καυσίμου (βιομάζα) καθώς παραμένουν ως τέφρα μετά την καύση. Η ποσότητα των κύριων δομικών στοιχείων ποικίλει μεταξύ των ειδών ξύλου αλλά και μεταξύ ξύλου διαφορετικής προέλευσης. Οι ποσότητες που προσεγγίστηκαν, εντοπίστηκαν τόσο σε ξύλα από κωνοφόρα όσο και από πλατύφυλλα και οι αντίστοιχες τιμές θερμογόνου ικανότητας συνοψίζονται στον Πίνακα

14 Κεφάλαιο σελ. 14 Θερμογόνος Ικανότητα (MJ/kg) Κυτταρίνη (%) Ημικυτταρίνη (%) Λιγνίνη (%) Εκχυλίσματα (%) Ορυκτά (%) Θερμογόνος Ικανότητα (MJ/kg) Πλατύφυλλα Κωνοφόρα Πίνακας : Χημική σύνθεση κωνοφόρων και πλατύφυλλων επί ξηρού βάρους Εκτός από τα ορυκτά που περιέχονται φυσιολογικά στο ξύλο, ξένα ανόργανα υλικά διαφόρων κλασμάτων μεγέθους (όπως σκόνη, άμμος, πέτρες) μπορεί να εισέλθουν στη βιομάζα κατά τη διάρκεια της συλλογής, του χειρισμού, της μεταφοράς και της αποθήκευσης. Είναι εξαιρετικά σημαντικό να διασφαλιστεί η κατάλληλη διαχείριση της βιομάζας καθόλη τη διάρκεια της εφοδιαστικής αλυσίδας με στόχο να ελαχιστοποιηθεί η επιμόλυνσή της από ανόργανα υλικά. Τα ορυκτά συγκεντρώνονται στην τέφρα και αποτελούν το στερεό υπολείμμα μετά τη θερμική (θερμο-χημική) μετατροπή. Η τέφρα μειώνει την αποδοτικότητα της καύσης και θέτει το πρόβλημα της διάθεσής της. Επιπλέον απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή στο σχεδιασμό του λέβητα και στη διαχείριση της απομάκρυνσης τέφρας / ορυκτών υλικών. Η χημική σύνθεση έχει επίσης σημαντική επίδραση στις ιδιότητες αποθήκευσης του υλικού. Καθώς τα εκχυλίσματα εκλύονται ήδη από το ξύλο σε χαμηλές θερμοκρασίες (μέχρι κάποιο βαθμό) και καθώς η κυτταρίνη και η ημικυτταρίνη προσβάλλονται από μύκητες κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης της βιομάζας, το καύσιμο υποβαθμίζεται και μειώνεται το ενεργειακό του περιεχόμενο κατά τη διάρκεια μη ορθής αποθήκευσης. Μερικές λεπτομέρειες που περιγράφουν αυτούς τους μηχανισμούς και πρακτικές περιορισμού της υποβάθμισης παρουσιάζονται στις ενότητες ε και Περισσότερες πληροφορίες σχετικές με τα χημικά συστατικά του ξύλου και τις επιδράσεις στην ποιότητα της βιομάζας και στις διεργασίες μετατροπής μπορούν να βρεθούν στο Κεφάλαιο

15 Κεφάλαιο σελ β: Οι φυσικές ιδιότητες καυσίμων ξύλου Για μια πρακτική προσέγγιση του χαρακτηρισμού της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας ως εμπόρευμα, θα πρέπει να εξεταστούν οι ακόλουθες παράμετροι: 1. Πυκνότητα: είναι η σχέση μεταξύ της μάζας και του πραγματικού όγκου ενός συγκεκριμένου είδους διομάζας. Έχει μεγάλη επίδραση κατά τις διαδικασίες της μεταφοράς και της αποθήκευσης. Η τιμή της πυκνότητας του ξύλου εξαρτάται από το είδος του και την περιεχόμενη υγρασία. Κυμαίνεται μεταξύ 150 και 1350 kg m -3 (για εξωτικά ξύλα), ενώ οι τιμές για τα Ευρωπαϊκά είδη είναι περίπου 400 kg m -3 για τα κωνοφόρα δέντρα (όπως έλατο ή πεύκο, περίπου 800 kg m -3 για τα πλατύφυλλα (δρύς) και πάνω από 1200 kg m -3 στην περίπτωση συμπυκνωμένων πελλετών από ξύλο. 2. Χύδην πυκνότητα: είναι η σχέση μεταξύ της μάζας και του φαινομενικού όγκου ενός συγκεκριμένου είδους βιομάζας. Επίσης λαμβάνει υπόψη τον κενό χώρο που υπάρχει μέσα στο χύδην υλικό. Η χύδην πυκνότητα εξαρτάται από τη φύση της ξυλώδους βιομάζας, την τάση συσσωμάτωσης και το βαθμό της συμπίεσης (Εικόνα ). Η χύδην πυκνότητα διαδραματίζει έναν ακόμα σημαντικότερο ρόλο κατά τη διάρκεια των φάσων της αποθήκευσης και της μεταφοράς, καθώς καθορίζει τα πραγματικά χαρακτηριστικά της διαχειριζόμενης βιομάζας. Συχνά χρησιμοποιείται ως παράμετρος εμπορίου η βιομάζα μπορεί να αγοραστεί χύμα σε κυβικά μέτρα ή σε μεικτό βάρος. Η φαινομενική πυκνότητα της ξυλώδους βιομάζας γενικά κυμαίνεται από 250 kg m -3 για τεμάχια ξύλου έως 500 kg m -3 για καυσόξυλα από πλατύφυλλα και πλησιάζει την ανώτερη τιμή της κοντα στα 750 kg m -3 με τις πελλέτες. 3. Υγρασία: είναι ένας δείκτης της ποσότητας του νερού στο ξυλώδες υλικό. Είναι μία παράμετρος που συνδέεται αυστηρά με τις υγροσκοπικές ιδιότητες των ιστών του ξύλου. Πολύ χαμηλές τιμές περιεχόμενου νερού, κοντά στο 10 % είναι τυπικές για πελλέτες ξύλου, ενώ για τα τεμάχια ξύλου οι τιμές είναι συνήθως μεγαλύτερες από 30 %. Η περιεχόμενη υγρασία μπορεί ακόμα να είναι και μεγαλύτερη από 50% στην περίπτωση των τεμαχισμένων ξύλων για βιομηχανικές εφαρμογές, καθώς αυτή είναι η τυπική τιμή των πρόσφατα κομμένων δέντρων (45-55 %). Όλες οι προσεγγιστικές τιμές σχετίζονται με το υγρό βάρος της βιομάζας. 4. Ενεργειακό περιεχόμενο: Ονομάζεται επίσης και Κατώτερη Θερμογόνος Ικανότητα (ΚΘΙ), μετρούμενο σε MJ kg -1 και αντιπροσωπεύει την ενέργεια που περιέχεται στους χημικούς δεσμούς, οι οποίοι μπορεί να είναι διαθέσιμοι κατά τη διάρκεια της καύσης, (κατά αυτόν τον τρόπο η περιεχόμενη ενέργεια δεν συμπεριλμβάνει την ενέργεια που απαιτείται για την εξάτμιση του περιεχόμενου νερού. Η ΚΘΙ εξαρτάται κυρίως από το περιεχόμενο νερό, ωστόσο τα είδη δέντρων θα πρέπει επίσης να ληφθούν υπόψη. Η αναλογία των δομικών χημικών συστατικών (αναλογια κυτταρίνης / ημικυτταρίνης / λιγνίνης), καθώς επίσης και η περιεκτικότητα τέφρας και εκχυλισμάτων μπορεί να επηρεάσουν τη συνολική ΚΘΙ. Για περισσότερες πληροφορίες ανατρέξτε στο Κεφάλαιο

16 Κεφάλαιο σελ. 16 Εικόνα : Το μέγεθος και το σχήμα των τεμαχιδίων ξύλου παίζουν σημαντικό ρόλο στον καθορισμό της χύδην πυκνότητας. Χαλαρά κομμάτια ξύλου (αριστερά) και τεμαχιδίων ξύλου (κέντρο) μπορεί να έχουν παρόμοια φαινομενικό όγκο, ενώ οι πελλέτες (δεξιά) λόγω του μικρού και ομοιογενούς τους μεγέθους μπορεί να έχουν μεγαλύτερη χύδην πυκνότητα (Πηγή: Casini) γ: Οι ανατομικές ιδιότητες της ξυλώδους βιομάζας Η χημική σύσταση, η δομή και οι φυσικές ιδιότητες της ξυλώδους βιομάζας ποικίλουν στα διάφορα μέρη του φυτού. Αυτό οφείλεται στο ότι τα φύλλα, τα κλαδία, ο κορμός και οι ρίζες επιτελούν διαφορετικές λειτουργίες. Επομένως, είναι απαραίτητο να γίνει αναφορά σε αυτές τις διαφορές, καθώς επηρεάζουν σημαντικά στην ποιότητα της βιομάζας, την αποθήκευση και τη χρήση της για παραγωγή ενέργειας. Σχηματικά, οι διαφορές μπορούν να συνοψιστούν στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας ): Μέρη δέντρου Κυτταρίνη (%) Ημικυττα ρίνη (%) Λιγνίνη (%) Τέφρα (%) Θερμογόν ος ικανότητα q NET,DAF (MJ/kg) Βελόνες Φύλλα Κλαδιά

17 Κεφάλαιο σελ. 17 Κορμός Φλοιός Ρίζες > Πίνακας : Χημική σύσταση και Κατώτερη Θερμογόνος Ικανότητα από διάφορα μέρη του δέντρου (προσεγγιστικές τιμές, υπολογιζόμενες σε ξηρή βάση) Λόγω των παραπάνω χαρακτηριστικών, είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη το γεγονός ότι ανάλογα με την πρώτη ύλη της βιομάζας που θα χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο, η ποιότητα καυσίμου μπορεί να είναι πολύ διαφορετική. Για παράδειγμα, ο τεμαχισμένος μέρους του κορμού ή ολόκληρων δέντρων, όπου το ποσόστο του κορμού στη συνολική βιομάζα είναι πολύ υψηλό, οδηγεί σε καύσιμο με μικρή περιεκτικότητα τέφρας. Παρόλα αυτά υπάρχει διαφορά στην περίπτωση των κωνοφόρων, οπότε κατά τον τεμαχισμό ολόκληρου του δέντρου λαμβάνονται και βελόνες, οι οποίες αυξάνουν το τελικό περιεχόμενο τέφρας. Πολύ χαμηλότερο ποσοστό τέφρας μπορεί να παραχθεί από πλατύφυλλα δέντρα το χειμώνα (όταν δεν υπάρχουν φύλλα) : Εισαγωγή στα καύσιμα από δέντρα διαφορετικής προέλευσης Τα δάση είναι καταρχήν, η κύρια πηγή πρώτων υλών για την παραγωγή λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας. Ωστόσο, τα δάση διαφέρουν πάρα πολύ μεταξύ τους, όχι μόνο εξαιτίας της σύστασης των διαφόρων ειδών δέντρων, αλλά και εξαιτίας της τοπογραφίας, του κλίματος, της προσβασιμότητας, του τύπου, κτλ. Ανάλογα με το είδος του δάσους, ολόκληρο το σύστημα βιοενέργειας θα πρέπει να βελτιστοποιείται η συλλογή βιομάζας στο βουνό είναι πολύ διαφορετική από ότι σε επίπεδες / πεδινές περιοχές και κατά συνέπεια η ποιότητα του καυσίμου μπορεί να ποικίλει. Για τον καθορισμό των ποσοτήτων μπορεί να εκτιμηθεί ότι το 2010 η συνολική παροχή όλων των πρώτων υλών ξύλου στην ΕΕ-27 ήταν 1 δισεκατομμύριο m 3. Τα δάση παρείχαν το 70 % αυτού του όγκου και το υπόλοιπo προήλθε από ξυλώδη βιομάζα διαφορετικής προέλευσης (όχι από δάση). Παρέχει μια ενδεικτική τιμή για παραγωγή ενέργειας 8500 PJ (Eurowood).

18 Κεφάλαιο σελ. 18 Στην πράξη, πολλές εναλλακτικές (έναντι των δασών) πηγές ξυλώδους βιομάζας μπορούν να ληφθούν υπόψη ως ευκαιρία για παροχή καυσίμων (Εικόνα ): Δασοπονικές καλλιέργειες μικρού περίτροπου χρόνου / βραχυχρόνια αμειψισπορά (πρεμνοφυή δάση): Φυτεύονται συνήθως ως ταχέως ανατπτυσσόμενα είδη (λεύκα, ιτιά κ.τ.λ) σε πεδινές εκτάσεις. Μια τέτοια γεωργική προσέγγιση στην αναπαραγωγή των δέντρων επιτρέπει την μηχανοποίηση της παραγωγής και ειδικά της συγκομιδής. Ολόκληρο το υπέργειο τμήμα του δέντρου συλλέγεται μηχανικά και χρησιμοποιείται ως καύσιμο. Δασοκομία σύντομης αμειψισποράς: είναι παρόμοια με τη προηγούμενη περίπτωση, αλλά η διαφορά έγκειται στη διαχείριση των δασών. Ο χρονικός κύκλος είναι συνήθως μεταξύ 8 και 20 έτη, το παραγόμενο ξύλο (πεύκο, λεύκη, ευκάλυπτος, νότια οξιά κ.τ.λ) συνήθως χρησιμοποιείται από τη βιομηχανία (βιομηχανία ξύλου, κατασκευή παλλετών, παραγωγή χαρτιού, βιοενέργεια, κτλ). Το κύριο προϊόν της δασοκομίας σύντομης αμειψισποράς είναι κορμός μικρής/μεσαίας διαμέτρου (έως ~ 40cm) και τα παραπροϊόντα είναι όμοια με τα συνήθη των δασικών υπολειμμάτων. Νεαρές συστάδες κωνοφόρων: Δέντρα που παράγονται σε αυτούς τους δασικούς σχηματισμούς είναι συνήθως μικρής διαμέτρου που λαμβάνονται με πλήρη κοπή ή αραίωση. Δάση πλατύφυλλων φυλλοβόλων: είναι ιδιαίτερα διαδεμένα στη Νότια Ευρώπη. Η διαχείριση των πρεμνοφυών πλατύφυλλων δασών (δρυς, οξιά, χαρουπιά, κτλα) αποτελεί μια τοπική παράδοση και συνδέεται με την παραγωγή καυσόξυλων. Τα δέντρα έχουν συγκομιστεί σε κύκλους ζωής από 20 έως έτη. Σε αυτή την περίπτωση όλα τα κλαδιά συνήθως εγκαταλείπονται στο έδαφος. Δέντρα αυτοκινητόδρομων (ανεμοφράκτες) και αστικών πάρκων: πρόκειται για δέντρα από διάφορα είδη ξύλου (όπως ευκάλυπτος, πλάτανος, κυπαρρίσι, κ.α) και τα οποία συντηρούνται εντατικά (κλαδέματα) κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους και τελικά αντικαθίστανται. Τα υπολείμματα από τα κλαδέματα όπως και ολόκληρα κομμένα δέντρα αποτελούν εξαιρετική πηγή βιοκαυσίμων. Υπολείμματα που προέρχονται από γεωργικές δραστηριότητες παρεμφερείς με ξυλώδεις καλλιέργειες (όπως μηλιές, ελιές, σταφυλιές) ακόμα κι αν η λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα είναι μόνο παραπροϊόν της παραγωγής φρούτων, μπορεί να ληφθεί υπόψη ως ένα διαθέσιμο και ελκυστικό καύσιμο το οποίο θα χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή βιοενέργειας.

19 Κεφάλαιο σελ. 19 Εικόνα : Διαφορετικά είδη λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας που προέχεται από δέντρα: δασοπονική καλλιέργεια μικρού περίτριπου χρόνου (πάνω αριστερά), δέντρα ανεμοφράκτες (πάνω δεξιά), πλατύφυλλα φυλλοβόλα δάση (κάτω αριστερά) και νεαρές συστάδες κωνοφόρων (κάτω δεξιά) (πηγή: Casini) Διάφορες άλλες περιπτώσεις (όπως συντήρηση δημόσιων χώρων πρασίνου σε αστικά πάρκα, εγγειοβελτιωτικά έργα στις όχθες ποταμών, κ.α.) δημιουργούν ευκαιρίες για συλλογή πολύτιμης λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας. Ωστόσο, η συλλογή θα πρέπει να σχεδιαστεί προσεκτικά εκ των προτέρων καθώς το βιοκαύσιμο θα ποικίλει ανάλογα με τις ιδιότητες, την ποιότητα και τη διαθεσιμότητα. Οι βελόνες και τα φύλλα, για παράδειγμα, έχουν μεγαλύτερο περιεχόμενο υγρασίας σε σχέση με το ξύλο, μειώνοντας έτσι το ενεργειακό περιεχόμενο του καυσίμου.

20 Κεφάλαιο σελ. 20 Επιπρόσθετα, το υψηλό ποσοστό τέφρας, προκαλεί χαμηλότερης αποδοτικότητας καύση και οδηγεί σε υψηλότερο κόστος απόθεσης τέφρας. Ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει τη συνολική ποιότητα της βιομάζας σε μεγαλύτερο βαθμό είναι η παρουσία ακαθαρσιών/προσμίξεων (συνήθως έδαφος και πέτρες) που προέρχονται από το χρησιμοποιούμενο σύστημα χειρισμού (Εικόνα ). Εικόνα : Η βιομάζα από ρίζες δέντρων μπορεί σχεδόν να καθαριστεί από προσμίξεις με κατάλληλη διαχείριση (πηγή: Picchi) Σε πολλές περιπτώσεις η χαμηλή ποιότητα καυσίμου αντισταθμίζεται από τη μεγάλη διαθεσιμότητα της βιομάζας και το χαμηλό κόστος αγοράς. Σε αυτή την περίπτωση θα άξιζε ο σχεδιασμός ενός ειδικού συστήματος καύσης κατάλληλο να διαχειρίζεται αποτελεσματικά τη συγκεκριμένη βιομάζα μιας ευρύτερης περιοχής. Ένα παράδειγμα τέτοιας εγκατάστασης αποτελεί το εργοστάσιο παραγωής ενέργειας με τηλεθέρμανση στο Κλοζ (Τρεντίνο, Ιταλία). Ο λέβητας ισχύος 0,7 MW κατασκευάστηκε ειδικά για την καύση τεμαχισμένων ριζών από δέντρα μηλιάς που συγκομίστηκαν κατά την εκρίζωση δέντρων μηλιάς από τοπικούς οπωρώνες (Εικόνα και Εικόνα ). Το καύσιμο αναπόφευκτα περιέχει μεγάλες ποσότητες ανόργανων προσμίξεων και θεωρείται χαμηλής ποιότητας. Παρόλα αυτά, ο λέβητας, στα έξι χρόνια λειτουργίας του παρουσιάζει αξιοπιστία συγκρίσιμη με αυτή παρόμοιων λεβήτων που χρησιμοποιούν ως καύσιμο καθαρά τεμάχια ξύλου. Η μόνη διαφορά όταν συγκρίνεται με συνήθη καύσιμα είναι η μεγάλη παραγωγή τέφρας, η οποία πλησιάζει το 1 m 3 περίπου την ημέρα.

21 Κεφάλαιο σελ. 21 Εικόνα : Οι ρίζες μηλιάς (αριστερά) έχουν μεγάλο περιεχόμενο προσμίξεων (κέντρο) και παράγουν μεγάλες ποσότητες τέφρας κατά την καύση (δεξιά) Εικόνα : Ο τεμαχιστής (αριστερά) και το κόσκινο-κύλινδρος (δεξιά) είναι ο απαραίτητος εξοπλισμός για την άλεση της βιομάζας από οπωρώνες μηλιάς : Εισαγωγή στα βιομηχανικά στερεά καύσιμα ξύλου Εκτός από τις δασικές εργασίες, καθαρά λιγνοκυτταρινούχα υπολείμματα (χωρίς επεξεργασία και εμποτισμένα πρόσθετα) μπορούν να καταστούν διαθέσιμα για ενεργειακή χρήση από άλλες παραγωγικές δραστηριότητες, όπως η βιομηχανία ξύλου. Τα πριονιστήρια, για παράδειγμα, χρησιμοποιούν ένα βιομηχανικό σύστημα, το οποίο χρησιμοποιεί κορμούς ως πρώτη ύλη για την παραγωγή πριστής ξυλείας (ως κύριο προϊόν) και υπολείμματα σε σταθερό ρυθμό. Συνεπώς, η διαθέσιμη ποσότητα υπολειμμάτων από πριονιστήρια μπορεί να είναι μόνο ένα κλάσμα (περισσότερο ή λιγότερο σταθερό) της συνολικής ποσότητας της κατεργασμένης ξυλείας. Η Εικόνα οπτικοποιεί τις πιθανές πηγές βιομάζας από την κατεργασία ολόκληρου δέντρου σε πριονιστήριο. Μόνο το 28 % του συνολικού βάρους του δέντρου αποτελεί το τελικό προϊόν και το υπόλοιπο (72 %) μπορεί να θεωρηθεί ως πιθανή πρώτη ύλη για βιοκαύσιμο.

22 Κεφάλαιο σελ. 22 Πριστή ξυλεία; 28 Κορυφή, κλαδιά και φύλλωμα; 23 Βάση (εξαιρουμένων ριζών); 10 Φλοιός; 5 Διάφορες απώλειες; 4 Πριονίδι; 5 Πριονίδι και λεπτόκοκκα; 7,5 Πλάκες, άκρες και άλλα σημεία κοπής; 17 Εικόνα : Αναλογία προϊόντων και αποβλήτων από την κατεργασία δέντρων από δάσος (πηγή: FAO) Είναι μάλλον δύσκολο να δώσει κανείς πολύ γενικά δεδομένα για τη χρήση των υπολειμμάτων ξύλου από πριονιστήρια σε Ευρωπαικό ή παγκόσμιο επίπεδο. Μια ιδέα ωστόσο μπορεί να αποκτηθεί με βάση τις πρακτικές στην Περιφέρεια του Τρεντίνο (Πίνακας ). Τομέας εμπορίας Φλοιός Ροκανίδια Θρύμματα Πριονίδια Επαρχιακό δίκτυο τηλεθέρμανσης Υπερ-επαρχιακό δίκτυο τηλεθέρμανσης Επίστρωμα για ανθοκομικά και δασοκομικά είδη Επίστρωμα για ζωοτροφές Μονάδες βιομάζας μικρής κλίμακας Βιομηχανία πελλετών και πάνελ Κατανάλωση σε πριονιστήριο Άλλο Σύνολο Πίνακας : Τελικός προορισμός (τομέας αγοράς) υπολειμμάτων πριονιστηρίων στην επαρχία του Τρέντο (m 3 έτος -1 ) (πηγή: BIOMASFOR) Τα υπολείμματα πριονιστηρίου συνήθως χαρακτηρίζονται από μια ειδική πυκνότητα (ανάλογα με το είδος ξύλου και την περιεχόμενη υγρασία). Από πρακτική σκοπιά, η