04-01: Λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα Ιδιότητες και διεργασίες

Transcript

1 Κεφάλαιο σελ : Λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα Ιδιότητες και διεργασίες Το ξύλο (λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα) αποτελεί την πιο άφθονη βιομάζα και, σε παγκόσμιο επίπεδο, το πιο σημαντικό βιοκαύσιμο. Ωστόσο, πολλά ξυλώδη καύσιμα έχουν χρησιμοποιηθεί σε ακατάλληλες διεργασίες οι οποίες εκλύουν αιθάλη και βαρείς υδρογονάνθρακες με αποτέλεσμα την πρόκληση παθήσεων του πνεύμονα σε φτωχούς κατοίκους της Αφρικής και της Ασίας. Σε κάποιο βαθμό, τα παραπάνω προβλήματα έχουν δυσφημίσει την καύση του ξύλου ακόμη και σε βιομηχανοποιημένες χώρες, όπου είναι διαθέσιμες περιβαλλοντικά φιλικές τεχνολογίες. Οι δύο κύριοι λόγοι για τους οποίους το ξύλο έχει υπάρξει ιστορικά το πιο σημαντικό καύσιμο για την ανθρωπότητα είναι Εύκολα διαθέσιμο σε μεγάλες ποσότητες (βλ. ενότητες , α κτλ) Έχει την ικανότητα να φτάνει πολύ υψηλές θερμοκρασίες καύσης. Οι υψηλές θερμοκρασίες χρησίμευαν ιστορικά στην παραγωγή γυαλιού, τούβλων, τσιμέντου, μπρούντζου, σιδήρου όλα τα υλικά που βρίσκονται για παράδειγμα στο παλάτι των Βερσαλλιών. Το παραπάνω συνήθως ξεχνιέται, με αποτέλεσμα πολλοί άνθρωποι σήμερα να θεωρούν ότι το ξύλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο σε εφαρμογές χαμηλής θερμοκρασίας, όπως την παραγωγή ατμού. Παρακάτω συγκρίνονται οι θερμοκρασίες φλόγας με αέρα και ο όγκος του παραγόμενου όγκου καυσαερίων ανά μονάδα ενέργειας, όταν καίγονται το ξύλο και ορισμένα ανταγωνιστικά ορυκτά καύσιμα. Οι δύο παραπάνω τιμές είναι κρίσιμες για την ποιοτική αξιολόγηση του καυσίμου. Καύσιμο Θερμοκρασία φλόγας ( o C) Όγκος καυσαερίων / μονάδα ενέργειας (m 3 /MJ) Προπάνιο Ελαφρύ πετρέλαιο Ξηρό ξύλο Άνθρακας (ξηρός) Ξυλοκάρβουνο Ξύλο (10 % υγρασία) Πίνακας : Ιδιότητες καύσης επιλεγμένων καυσίμων Οι παραπάνω τιμές εξηγούν το λόγο που το ξύλο και το ξυλοκάρβουνο έχουν χρησιμοποιηθεί ιστορικά σε εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας. Γενικά, οι θερμοκρασίες καύσης του ξύλου είναι υψηλότερες σε σύγκριση με αυτές που επιτυγχάνονται με την καύση ποώδους βιομάζας, αν και υπάρχουν και υγρά βιοκαύσιμα, όπως η ελαιοκράμβη, που μπορούν να θεωρηθούν ανταγωνιστικά σε ότι αφορά στην παραπάνω ιδιότητα.

2 Κεφάλαιο σελ. 2 Οι γενικές ιδιότητες του ξύλου, το καθιστούν ένα εξαιρετικό καύσιμο. Σήμερα, η κύρια χρήση του στο Ευρωπαϊκό ενεργειακό σύστημα είναι για εφαρμογές θέρμανσης και σε μικρότερο ποσοστό - για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Εικόνα : Μερίδιο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) στην ΕΕ-27 για το έτος 2008 (Πηγή: Eurostat, Statistics in focus, 56/2010) 5,5 % θέρμανση από ΑΠΕ 4,0 % ηλεκτρική ενέργεια από ΑΠΕ 0,8 % ΑΠΕ για μεταφορές Το υπόλοιπο 89,7 % προέρχεται από μη ανανεώσιμες πηγές Εξετάζοντας τη χρήση των ΑΠΕ για παραγωγή θερμότητας για την ΕΕ-27 και το έτος 2008 συμπεραίνεται ότι 611,2 TWh θερμότητας παράχθηκαν με χρήση ξυλωδών καυσίμων, 90,2 TWh θερμότητας παράχθηκαν από «βιομάζα», 12,6 TWh παράχθηκαν από ηλιοθερμικά συστήματα, 12,6 TWh παράχθηκαν από βιοαέριο, 8,6 TWh παράχθηκαν από γεωθερμικά συστήματα και 6,4 TWh παράχθηκαν από υγρά βιοκαύσιμα. Συνεπώς, σε ότι αφορά στη θέρμανση από ΑΠΕ, η καύση ξύλου έχει τη μέγιστη συνεισφορά, παρέχοντας το 2008 περισσότερο από το 80 % της συνολικής παραγόμενης θερμότητας (611 από τις 742 TWh) από ΑΠΕ. Επίσης σε ότι αφορά στη συνολική κατανάλωση ΑΠΕ (1 459,6 TWh το 2008), τα ξυλώδη καύσιμα αποτελούν σημαντική πηγή με ποσοστό γύρω στο 42 %. Η συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας το 2008 ήταν 3 356,5 TWh από την οποία το 16,7 % ή 560,5 TWh προέρχονταν από ΑΠΕ. Το μεγαλύτερο ποσοστό προέρχεται από υδροηλεκτρικές μονάδες (60 % ή 336 TWh), ακολουθούμενη από την αιολική (21 % ή 118 TWh) και τη βιομάζα (17 % ή 95 TWh).

3 Κεφάλαιο σελ. 3 Συμπερασματικά, το 2008 το ξύλο ήταν η κυρίαρχη ΑΠΕ στην Ευρώπη παρέχοντας 611 TWh ενέργειας, ακολουθούμενη από την υδροηλεκτρική με 336 TWh, την αιολική (118 TWh) και τη θερμότητα/ηλεκτρισμό από «βιομάζα» με ( ) TWh. Προφανώς, τα παραπάνω στατιστικά δεν είναι επικαιροποιημένα το βιοαέριο και η αιολική ενέργεια έχουν αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Παρόλα αυτά, ο πολύ σημαντικός ρόλος του ξύλου ως καύσιμο στην επέκταση του ανανεώσιμου ενεργειακού συστήματος φαίνεται καθαρά. Ο κύριος λόγος του κυρίαρχου ρόλου του ξύλου είναι η απλότητα της χρήσης του ως καύσιμο, γεγονός που απορρέει από τη θεμελιώδη σύστασή του και τις ιδιότητές του : Επισκόπηση της σύστασης της ξυλώδους βιομάζας α: Ανατομία δένδρου επίδραση στη σύσταση Ένα δένδρο δεν αποτελείται μόνο από λιγνοκυτταρίνη αλλά επίσης από κορμό, κλαδιά και φύλλωμα. Για την παραγωγή του καυσίμου, δεν θα πρέπει να θεωρείται ως δεδομένη η πρώτη ποιότητα του κορμού, όπως τονίστηκε στην ενότητα γ. Με πολύ πρόχειρη εκτίμηση θα μπορούσε κανείς να πει ότι ένα πλήρως αναπτυγμένο κωνοφόρο δένδρο αποτελείται από (73+10) % κορμό, (10+5) % κλαδιά, (5+3) % φλοιό και (5+3) % βελόνες. Για τα πλατύφυλλα δένδρα, το ποσοστό του χρήσιμου κορμού είναι 5-10 % χαμηλότερο, αφού πολλά είδη τέτοιων δένδρων είναι διχαλωτού κορμού. Περισσότερες λεπτομέρειες για αυτές τις κατανομές μπορούν να αναζητηθούν στην ενότητα , όπου οι πηγές ξυλωδών καυσίμων αναλύονται λεπτομερέστερα. Οι αναλογίες στα διαφορετικά μέρη των δένδρων ποικίλλουν και δεν εξαρτώνται μόνο από το είδος, αλλά και από την ηλικία και εποχή. Τα νεαρά δένδρα και τα λεπτά κλαδιά θα έχουν προφανώς μεγαλύτερη αναλογία φλοιού προς κορμό από ότι ένας παχύς κορμός, τα φύλλα των πλατύφυλλων δένδρων θα είναι λιγότερα το χειμώνα από ότι το καλοκαίρι, κτλ. Στο αναπτυσσόμενο δένδρο, η κύρια μεταφορά των μεταλλικών και θρεπτικών συστατικών δηλαδή των κύριων συστατικών της ενδογενούς τέφρας λαμβάνει χώρα στα εξωτερικά στρώματα του κορμού και στο εσωτερικό στρώμα του φλοιού. Στη συνέχεια τα συστατικά αυτά μεταφέρονται μέσω των κλαδιών στα πράσινα μέρη (βελόνες και φύλλα) όπου πραγματοποιείται η διεργασία της φωτοσύνθεσης. Συνεπώς, καθίσταται εμφανές ότι το εξωτερικό κομμάτι του κορμού, το εσωτερικό κομμάτι του φλοιού και τα φύλλα θα έχουν μεγαλύτερο περιεχόμενο σε τέφρα σε σχέση, για παράδειγμα, με τα κεντρικά κομμάτια του κορμού. Το ίδιο ισχύει και για τα λεπτά κλαδιά.

4 Κεφάλαιο σελ. 4 Εκτός από την τέφρα μεγαλύτερη θα είναι και η περιεκτικότητα σε κύρια θρεπτικά συστατικά, όπως το άζωτο - το οποίο δημιουργεί σημαντικά ζητήματα στη θερμική αξιοποίηση ενός καυσίμου δεδομένης της συνεισφοράς του στο σχηματισμό οξειδίων του αζώτου β: Ανατομία δένδρου οργανικά συστατικά και θερμογόνος Ένα δένδρο δεν αποτελείται μόνο από λιγνοκυτταρίνη αλλά επίσης από κορμό, κλαδιά και φύλλωμα. Τα προϊόντα της φωτοσύνθεσης, όπως αναλύθηκε στο Κεφάλαιο και στην ενότητα α, αποτελούνται βασικά από υδατανθρακικά πολυμερή (κυτταρίνη και ημικυτταρίνη), φαινολικά πολυμερή (λιγνίνη) και άλλες ουσίες, όπως ρετσίνι, λίπη και λιπαρά οξέα, γνωστές ως εκχυλίσματα. Στα κωνοφόρα δένδρα, το περιεχόμενο της λιγνίνης φτάνει το 30 % επί ξηρού, ενώ στα περισσότερα πλατύφυλλα είναι χαμηλότερο, γύρω στα %. Ως εμπειρικός κανόνας μπορεί να θεωρηθεί το περιεχόμενο της κυτταρίνης σταθερό, περίπου 40 %, από το οποίο συνάγεται ότι το συνολικό περιεχόμενο της ημικυτταρίνης και των εκχυλισμάτων είναι τυπικά χαμηλότερο στα κωνοφόρα από ότι στα πλατύφυλλα. Δεδομένου ότι η κατώτερη θερμογόνος ικανότητα της λιγνίνης είναι MJ/kg ενώ η κυτταρίνη και η ημικυτταρίνη έχουν θερμογόνους της τάξης των MJ/kg, το υψηλότερο ποσοστό της λιγνίνης στα κωνοφόρα τους προσδίδει υψηλότερη θερμογόνο ικανότητα. Τα εκχυλίσματα τερπένια και άλλοι πτητικοί υδρογονάνθρακες που δρουν ως ζιζανιοκτόνα και εντομοκτόνα και προστατεύουν το δένδρο από μύκητες και άλλα έντομα αποτελούν λιγότερο από το 5 % του συνολικού βάρους. Συνεπώς, παρά την υψηλή τους θερμογόνο (35+2 MJ/kg), συνεισφέρουν λίγο μόνο στην θερμογόνο ικανότητα. Η φυσική δομή ενός κυττάρου δένδρου είναι ότι τα μεγάλα μακρομόρια της κυτταρίνης και της ημικυτταρίνης «κολλάνε» μεταξύ τους με λιγνίνη σχηματίζοντας μία πορώδη, κυψελοειδή δομή από τοιχώματα κυττάρων. Η μηχανική αντοχή της δομής καθορίζεται μερικώς από την ποσότητα της «κόλλας», δηλαδή της λιγνίνης. Συνεπώς τα μέρη εκείνα του δένδρου όπου η ανάγκη για αντοχή είναι μέγιστη όπως το εσωτερικό μέρος των παχιών κλαδιών ή το χαμηλότερο κομμάτι του κορμού, θα έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε λιγνίνη και υψηλότερη θερμογόνο ικανότητα σε σχέση με τα άλλα μέρη. Είναι γενικά παραδεκτό ότι η λιγνίνη είναι το συνδετικό μέσο στις πελλέτες και ότι η υψηλή περιεκτικότητα λιγνίνης στην ξυλώδη βιομάζα καθιστά εύκολη την παραγωγή ανθεκτικών πελλετών χωρίς πρόσθετα, π.χ. από καθαρά μέρη ξυλείας κορμού όπως τα πριονίδια. Η μηχανική αντοχή του ξύλου είναι καλή από την άποψη της μεταφοράς, καθώς δε σχηματίζονται πολλά θρύμματα λόγω τριβών. Από την άλλη πλευρά όμως, η αντοχή αυξάνει την ειδική ενεργειακή απαίτηση για την άλεση ή την παραγωγή τεμαχιδίων του υλικού στην απαιτούμενη κοκκομετρία για την ενεργειακή διεργασία η οποία μπορεί να είναι καύση,

5 Κεφάλαιο σελ. 5 αεριοποίηση, μεικτή καύση ή άλλη. Η υψηλή μηχανική αντοχή είναι επίσης προαπαιτούμενο για τα αναβαθμισμένα καύσιμα όπως οι πελλέτες. Δεν πρέπει να θρυμματίζονται σε μεγάλο ποσοστό κατά την μεταφορά τους. Η υψηλή περιεκτικότητα σε λιγνίνη του ξύλου βοηθά στην παραγωγή πελλετών που να πληρούν αυτά τα κριτήρια αντοχών. Η υψηλή περιεκτικότητα σε λιγνίνη κάνει όμως την δασική βιομάζα ακατάλληλη για βιοχημικές διεργασίες. Στην ενότητα αναφέρεται ότι η λιγνίνη θεωρείται σχεδόν αχώνευτη στις πιο κοινούς αναερόβιους αντιδραστήρες. Συνεπώς, η σχετικά υψηλή περιεκτικότητα σε λιγνίνη είναι κρίσιμος παράγοντας για την διάκριση της ξυλώδους (λιγνο-κυτταρινούχα) από την ποώδης βιομάζα, καθιστώντας τα ξυλώδη υλικά καταλληλότερα για χρήση σε θερμοχημικές διεργασίες παραγωγής ενέργειας, όπως η καύση, από τη βιομάζα που προέρχεται από αγροτικές καλλιέργειες γ: Ρυθμός ανάπτυξης δένδρου ανόργανα συστατικά Η απαραίτητη εισροή θρεπτικών και μεταλλικών συστατικών σε ένα αναπτυσσόμενο δένδρο καθορίζεται από τον ρυθμό ανάπτυξής του. Ο ρυθμός ανάπτυξης περιγράφεται ως η κλασματική αύξηση σε οργανική μάζα ανά μονάδα χρόνου και μπορεί να εκφραστεί ως η % αύξηση βάρους ανά έτος ή οποιαδήποτε άλλη κατάλληλη χρονική περίοδο. Είναι προφανές ότι τα νέα δένδρα αναπτύσσονται ταχύτερα από τα ώριμα με αποτέλεσμα ένα νέο δένδρο να έχει υψηλότερο ενδογενές περιεχόμενο σε τέφρα απ ότι ένα πιο ώριμο. Στις δασικές καλλιέργειες μικρού περίτροπου χρόνο, όπως στις φυτείες ιτιάς για παραγωγή ενέργειας (βλέπε ) όπου η συγκομιδή της βιομάζας γίνεται όταν τα δέντρα είναι μικρής ηλικίας μπορεί να προκύψει καύσιμο με μεγάλο περιεχόμενο σε τέφρα. Ανάλογα με την τεχνολογία συγκομιδής, το τεμαχισμένο ξύλο από τέτοιες φυτείες θα έχει συνήθως μεγάλες ποσότητες φλοιού, που επίσης συνεπάγεται αυξημένο περιεχόμενο τέφρας. Στην περίπτωση που στη καλλιέργεια χρησιμοποιείται ως λίπασμα χωνευμένο υπόλειμμα από ζύμωση αποβλήτων με μεγάλη περιεκτικότητα σε βαρέα μέταλλα, τότε το καύσιμο που θα προκύψει μπορεί να έχει επίσης ένα ανεπιθύμητα υψηλό περιεχόμενο σε βαρέα μέταλλα. Όταν τα καύσιμα προέρχονται από υπολείμματα δασικής ξυλείας ώριμων δένδρων και ή από δασικές εκτάσεις χωρίς λιπάσματα, τα προαναφερόμενα προβλήματα είναι γενικά αμελητέα δ: Σύσταση δένδρων και καλλιεργειών Οι καλλιέργειες για τροφή και ζωοτροφές, όπως τα δημητριακά και άλλα βασικά αγροτικά είδη, διαφέρουν από την ξυλώδη βιομάζα από πολλές απόψεις και κυρίως σε ότι αφορά τον τελικό στόχο της καλλιέργειας: τα παραπάνω προϊόντα προορίζονται για τροφή ενώ το ξύλο όχι. Συνεπώς, η καλλιέργεια τους στοχεύει σε υψηλές περιεκτικότητες εύπεπτων σακχάρων, λιπαρών και πρωτεϊνών, όπως άλλωστε φαίνεται και από τη σύστασή τους.

6 Κεφάλαιο σελ. 6 Λόγω της μεγαλύτερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνες στα αγροτικά υπολείμματα τροφών και ζωοτροφών, τα παραγόμενα καύσιμα από αυτές τις πρώτες ύλες περιέχουν μεγαλύτερες ποσότητες αζώτου, χλωρίου, θείου και άλλων στοιχείων τα οποία μπορούν να προκαλέσουν βλαβερές εκπομπές καυσαερίων ή να είναι διαβρωτικά στις ενεργειακές διεργασίες. Για παράδειγμα το περιεχόμενο σε χλώριο του αχύρου μπορεί να ξεπεράσει το 0,5 % επί ξηρού. Σε αντιπαράθεση, το περιεχόμενο σε χλώριο και θείο στην καθαρή λιγνοκυτταρίνη είναι πολύ κάτω από 0,1 % κατά βάρος ενώ το περιεχόμενο σε άζωτο της ξυλείας κορμού είναι συνήθως κάτω από 1 % :Ιδιότητες των καυσίμων και εφοδιαστική αλυσίδα Η εφοδιαστική αλυσίδα (βλ. ενότητα για γενική επισκόπηση και Κεφάλαιο για πιο ειδικά θέματα και περιγραφές για την ξυλώδη βιομάζα) μπορεί να αποτελείται από μέχρι και οκτώ διαφορετικά βήματα: Συλλογή/Ανάκτηση: Οι λειτουργίες και ο εξοπλισμός διαφέρουν ανάλογα με την προέλευση της βιομάζας. Η συγκομιδή δεν επηρεάζεται τόσο από τις ιδιότητες της βιομάζας αλλά θα έχει ισχυρό αντίκτυπο στην ποιότητα του καυσίμου. Βλέπε ενότητα α και Κεφάλαιο (Οδική) Μεταφορά, με επαναφορτώσεις: Η οδική μεταφορά αποτελεί συχνά ένα σημαντικό κομμάτι του συνολικού κόστους για τη δασική βιομάζα (κεφάλαιο 05-01) και αυτό επηρεάζεται κυρίως από την ενεργειακή πυκνότητα (χύδην), (παράγραφοι β και ). Ξήρανση: Στην περίπτωση που χρειάζεται ξήρανση δεν χρειάζεται στην περίπτωση ξηρού ξύλου κατεδαφίσεων ή στα υπολείμματα μύλων πλανίσματος ο απαραίτητος χρόνος είναι συνάρτηση του μεγέθους των σωματιδίων, της υγρασίας και του τρόπου οργάνωσης της ξήρανσης; Εξαναγκασμένη ξήρανση, μηχανική ξήρανση, αεροξήρανση (βλέπε γ). Στη διάρκεια εκτεταμένων περιόδων ξήρανσης, μπορεί να παρατηρηθεί βιολογική υποβάθμιση ( ε), ανάλογα με το είδος του καυσίμου. Μείωση μεγέθους: Όπως τονίστηκε στην παράγραφο δ, η μείωση μεγέθους είναι αναπόφευκτη στην στερεά βιομάζα καθώς συλλέγεται συνήθως σε διαστάσεις πολύ μεγάλες για χρήση σε ενεργειακές διεργασίες. Η μηχανική αντοχή της δασικής βιομάζας καθιστά ενεργοβόρα τη διαδικασία και καθίσταται σημαντική όχι μόνο η σωστή επιλογή του εξοπλισμού (βλέπε δ για επισκόπηση) αλλά και η διατήρηση κάποιων ορίων στη διεργασία, π.χ. να μην γίνεται προσπάθεια για υπερβολικά μικρά σωματίδια. Αποθήκευση: Για την αποθήκευση γενικά, δείτε την ενότητα ε. Η δασική βιομάζα είναι λιγότερο ευπαθής σε βιολογική υποβάθμιση σε σχέση με τα περισσότερα άλλα είδη βιομάζας. Όπως φαίνεται και από τις ιδιότητες στην ενότητα , το ξύλο δεν είναι κατάλληλο για βιοχημική χώνευση, ωστόσο μπορεί να γίνεις στόχος μούχλας και άλλων σαπρομυκήτων οι οποίοι καταναλώνουν κατά σειρά την κυτταρίνη, την ημικυτταρίνη και τελικά τη λιγνίνη. Η υγρασία και το μέγεθος των σωματιδίων είναι οι δύο κύριοι παράγοντες

7 Κεφάλαιο σελ. 7 καθορισμού του ρυθμού της αποσύνθεσης. Ανάλογα με τις συνθήκες αποθήκευσης και τα πρότυπα μεταχείρισης μπορεί να υπάρξει και κίνδυνος αυτανάφλεξης. Ομογενοποίηση: Η ανάγκη για ομογενοποίηση πριν από την τροφοδοσία στον λέβητα, στον αεριοποιητή, στον αντιδραστήρα πυρόλυσης ή σε άλλη διεργασία εξαρτάται κυρίως από τον αντιδραστήρα παρά από το ίδιο το καύσιμο. Συμπίεση: Ο όρος αφορά την αύξηση πυκνότητας με σκοπό τη μείωση του κόστους μεταφοράς, την ομογενοποίηση του υλικού και τη βελτίωση των μεταφορικών ιδιοτήτων. Όπως προαναφέρθηκε ( β), το υψηλό περιεχόμενο σε λιγνίνη καθιστά τη δασική βιομάζα κατάλληλη για πελλετοποίηση και μπρικετοποίηση. Τροφοδοσία: Βλέπε σχετικά την ενότητα η. Το τεμαχισμένο ξύλο το πιο κοινό καύσιμο εφαρμογές μεσαίας και μεγάλης κλίμακας είναι ακανόνιστου μεγέθους, έχει σχετικά χαμηλή πυκνότητα και τραχεία εξωτερική επιφάνεια. Τα παραπάνω έχουν ως αποτέλεσμα υψηλή εσωτερική τριβή μεταξύ των σωματιδίων, η οποία συνεισφέρει στη διατήρηση ομοιόμορφης ροής στον τελικό αντιδραστήρα. Ωστόσο, η τροφοδοσία απαιτεί σημαντική κατανάλωση ενέργειας για την υπερνίκηση της τριβής αυτής. Για το τεμαχισμένο ξύλου η απαιτούμενη ενέργεια μπορεί να είναι έως και 2 % του ενεργειακού περιεχομένου του καυσίμου, με αποτέλεσμα ένα εργοστάσιο δυναμικότητας 100 MW th να απαιτεί μέχρι και 2 MW el μόνο για την τροφοδοσία του καυσίμου. Για τις πελλέτες τα πράγματα είναι καλύτερα και η απαιτούμενη ισχύς για την τροφοδοσία σπάνια ξεπερνά το 0,5 % της προσφερόμενης ισχύος του καυσίμου. Ποιοτικός έλεγχος: Είναι προφανές ότι ο ποιοτικός έλεγχος και τα άλλα θέματα ποιότητας πρέπει να προσαρμοστούν στο είδος του καυσίμου α: Ιδιότητες ξυλώδους βιομάζας αναφορικά με τη συλλογή Οι διεργασίες συλλογής και ανάκτησης έχουν ισχυρή επίδραση στην τελική περιεκτικότητα τέφρας (ενδογενούς και εξωγενούς) του καυσίμου. Οι ιδιότητες του ξύλου καθ αυτού έχουν μικρή επίδραση στη διαδικασία συγκομιδής β: Ιδιότητες ξυλώδους βιομάζας αναφορικά με τη μεταφορά Η μεταφορά σε μεγάλες αποστάσεις της ξυλώδους βιομάζας τείνει να είναι σχετικά ακριβή λόγω της χαμηλής ενεργειακής πυκνότητας του καυσίμου. Η χωρητικότητα του οχήματος τρέιλερ, φορτηγό ή σιδηροδρομικό βαγόνι μπορεί να περιορίζεται είτε από τον όγκο είτε από το βάρος. Τα όρια των βαρών στα Ευρωπαϊκά κράτη είναι διαφορετικά και μπορούν να βρεθούν εδώ. Όπως φαίνεται, η πλειοψηφία των κρατών επιτρέπει συνολικό βάρος περίπου τόνους, κάποια μέχρι και κάποια πάνω από 60. Η Ευρωπαϊκή Οδηγία 2002/7/ΕΚ παραθέτει κάποια από αυτά τα όρια, δίνοντας αναφορές για όσους αναζητούν περισσότερες λεπτομέρειες. Ωστόσο, για μία απλή εκτίμηση, ας υποθέσουμε ένα τρέιλερ που έχει δύο συνδεόμενα κοντέινερ των 100 m 3 (13.6 m) και 57.5 m 3 (7.82 m) και μέγιστου βάρους 44 τόνων. Υποθέτοντας ότι το άδειο φορτηγό έχει συνολικό βάρος περίπου ίσο με 25 % του μεγίστου, έτσι ώστε το ωφέλιμο φορτίο να είναι ίσο με το 75 % του μεγίστου βάρους, βρίσκουμε ότι ο λόγος βάρους ανά όγκο είναι 33 tn/157.5 m 3 ή 210 kg/m 3. Με μικρότερο όχημα, για

8 Κεφάλαιο σελ. 8 παράδειγμα με χρήση μόνο ενός κοντέινερ, πρέπει να υποθέσει κανείς ότι η χωρητικότητα μειώνεται και έτσι μόνο το ωφέλιμο φορτίο γίνεται ίσο με τα 2/3 του μέγιστου (αντί για 75% αυτού). Εικόνα : Περιορισμοί βάρους και όγκου στην μεταφορά (βλέπε ενότητα ) Με χρήση της περιοριστικής τιμής από το παραπάνω παράδειγμα 210 kg/m 3 εξάγεται το συμπέρασμα ότι η μεταφορά υλικού με χαμηλότερη πυκνότητα από την παραπάνω (πριονίδια, υπολείμματα κοπής) θα φτάσει το όριο όγκου ενώ η μεταφορά υλικού με μεγαλύτερη πυκνότητα ( ξύλο, πελλέτες, μπρικέτες) θα φτάσει το όριο του βάρους. Το τεμαχισμένο ξύλο με υγρασία γύρω στα % και κανονική κατανομή μεγέθους παραγόμενο από έναν τεμαχιστή ή σπαστήρα θα έχει μια χύδην πυκνότητα γύρω στα kg/m 3. Με τη σιδηροδρομική μεταφορά, μπορεί να θεωρήσει κανείς ότι διπλασιάζεται το όριο στη χύδην πυκνότητα γ: Ιδιότητες ξυλώδους βιομάζας αναφορικά με την ξήρανση Ανάλογα με την υγρασία, τα καύσιμα από ξύλο μπορούν να ταξινομηθούν στις παρακάτω κατηγορίες: Πριονίδια και φλοιός χαρτοπολτού: Για αποφυγή ρωγμών λόγω ξηρότητας, η ξυλεία κορμού στα πριονιστήρια συχνά υγραίνεται με διατάξεις σπρέι πριν από την κοπή. Αν και τα

9 Κεφάλαιο σελ. 9 εργοστάσια χαρτιού και πολτού δεν ακολουθούν την παραπάνω διαδικασία, το ξύλο αποθηκεύεται σε εξωτερικό χώρο, με αποτέλεσμα ο φλοιός να είναι αρκετά υγρός. Ο υγρός φλοιός χρησιμοποιείται συχνά στα πριονιστήρια για παραγωγή ατμού στους ξηραντήρες, στους πολτοποιητές για αντικατάσταση του πετρελαίου στις ασβεστοκαμίνους και στις χαρτοποιίες για την παραγωγή ατμού για ξήρανση. Η υψηλή υγρασία (πάνω από %) σε συνδυασμό με τις χαμηλές απαιτήσεις που τίθενται από τις θερμοκρασίες καύσης (περίπου 40 %) καθιστούν τη μηχανική ξήρανση ως την πιο οικονομική λύση. Δασικά υπολείμματα: Κλαδιά, κορυφές και υπολείμματα από την κοπή. Κατά την συγκομιδή, το κλάσμα αυτό θα έχει την υγρασία του δένδρου, η οποία εξαρτάται ισχυρά από την εποχή. Στη διάρκεια της άνοιξης και στις αρχές του καλοκαιριού η υγρασία μπορεί να φτάσει στο 55 ή και 60 % ενώ το χειμώνα πέφτει στο 40 % ή και λιγότερο. Η πιο οικονομικά αποτελεσματική μέθοδος μείωσης της υγρασίας στο 40% ή και λιγότερο (προφανώς εξαρτώμενη και από το κλίμα) είναι η αεροξήρανση σε σειρές, όπως φαίνεται στην εικόνα , ενότητα Υπολείμματα ξυλουργείων και βιομηχανιών ξύλου: Το κλάσμα αυτό μπορεί να αποτελείται από δύο είδη, το υγρό υλικό που παράγεται στα αρχικά στάδια της αλυσίδας τροφοδοσίας και το ξηρό υλικό που παράγεται στα τελευταία στάδια. Και στις δύο περιπτώσεις, το υλικό έχει τη μορφή μικρών κομματιών μεγέθους έως και σκόνης και είναι αποκλειστικά ξύλο κορμού. Άλλες πηγές αυτού του κλάσματος μπορεί να είναι απορριπτόμενο τεμαχισμένο ξύλο από τις βιομηχανίες χαρτοπολτού, απορριπτόμενο (λεκιασμένο ξύλο) από ξυλουργεία και άλλα. Το ξηρό και το υγρό υλικό πρέπει να συλλέγονται και να διαχωρίζονται. Συνήθως, το υγρό υλικό θα έχει υγρασία κάτω από 50 % και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο χωρίς ξήρανση. Ο διαχωρισμός ξηρού με υγρού υλικού δίνει την ευκαιρία για ομογενοποίηση του υλικού με ανάμειξη πριν την τροφοδοσία στην ενεργειακή διεργασία, αποφεύγοντας έτσι το κόστος ξήρανσης. Υπολείμματα ξύλου και ξύλα κατεδαφίσεων: Το κυρίως μέρος αυτού του ξύλου θα έχει χρησιμοποιηθεί για εσωτερική χρήση ενώ μέρους αυτού χρησιμοποιημένες παλέτες ή ξυλότυποι - έχει εκτεθεί σε εξωτερικές συνθήκες. Πάλι, είναι σημαντικό να γίνει διαχωρισμός μεταξύ ξηρού και υγρού υλικού για αποφυγή του βήματος ξήρανσης δ:Ιδιότητες ξυλώδους βιομάζας αναφορικά με τη μείωση μεγέθους Ενώ η καθαρή λιγνοκυτταρίνη έχει χαμηλό περιεχόμενο σε τέφρα, αυτό δεν ισχύει για τα «πραγματικά» κλάσματα καυσίμων. Υπολείμματα υλοτομίας καθώς και υπολείμματα εκριζώσεων μπορεί να περιέχουν σημαντικές ποσότητες χώματος αλλά και πέτρες ανάλογα με τον τρόπο που έγινε η συγκομιδή. Ο πιο κοινός εξοπλισμός που χρησιμοποιείται στα πρώτα στάδια της επεξεργασίας του ξύλου είναι οι τεμαχιστές και οι σπαστήρες (βλέπε δ) και μερικές φορές οι σχίστες.

10 Κεφάλαιο σελ. 10 Στην περίπτωση καθαρού υλικού χωρίς πέτρες, μεταλλικά αντικείμενα, πλαστικά κομμάτια και παρόμοια υλικά οι τεμαχιστές συνήθως προτιμώνται. Αν υπάρχει πιθανότητα για πέτρες ή άλλα μεγάλα κομμάτια σκληρού υλικού, π.χ. τσιμέντο, καρφιά, βίδες και άλλα που συναντώνται σε ξύλο κατεδαφίσεων ή σε φθαρμένες παλέτες, τότε προτιμώνται οι σπαστήρες. Στην περίπτωση υλικού σε δεμάτι, όπου υπάρχουν πλαστικές κλωστές ή δίχτυα, συνιστάται η χρήση των σχιστών. Και στις τρεις περιπτώσεις, η συνολική ενεργειακή απαίτηση για την μείωση του μεγέθους εξαρτάται από τέσσερις κύριους παράγοντες: Τον τύπο και την κατασκευή του εξοπλισμού. Δεν υπάρχουν συγκεκριμένα μοντέλα για τη θεωρητική πρόβλεψη της συνολικής ενεργειακής απαίτησης για μείωση μεγέθους της βιομάζας η εμπειρία δείχνει ότι διαφορετικά μοντέλα εξοπλισμού έχουν διαφορετική ενεργειακή κατανάλωση, που μπορεί να είναι της τάξης των 5 kwh/tn ή και να ξεπερνάει τις 100 kwh/tn. Τον λόγο της διάστασης των σωματιδίων εισόδου προς τα σωματίδια εξόδου, δηλαδή τον λόγο μείωσης του μεγέθους. Όσο πιο μεγάλη είναι η μείωση του μεγέθους, τόσο πιο μεγάλη είναι και η ενεργειακή κατανάλωση. Η σχέση δεν είναι γραμμική αλλά η ειδική ενεργειακή κατανάλωση τείνει να αυξάνει γρηγορότερα όσο αυξάνει ο λόγος μείωσης. Το περιεχόμενο σε υγρασία. Οι μηχανικές ιδιότητες του ξύλου εξαρτώνται από την υγρασία και έτσι το ξηρό ξύλο είναι αρκετά σκληρό ενώ το υγρό πιο εύκαμπτο. Ανάλογα με τον τρόπο μείωσης του μεγέθους της βιομάζας (τεμαχισμός, διάτμηση και σχίσιμο σε σχίστη, συμπίεση και σπάσιμο σε σπαστήρα) απαιτεί διαφορετικό επιθυμητό επίπεδο υγρασίας. Η σύσταση του καυσίμου. Ενώ ο ξηρός φλοιός είναι πολύ ψαθυρό υλικό, το ξηρό ξύλο πλατύφυλλων είναι εξαιρετικά ανθεκτικό στη μηχανική φθορά. Σε εφαρμογές μεικτής καύσης κονιοποιημένο ξύλο μαζί με κονιοποιημένο άνθρακα είναι προτιμότερο να αλέθονται τα καύσιμα στον ίδιο μύλο. Για αυτόν το λόγο, το ξύλο πρέπει να υπόκειται σε προεπεξεργασία και είτε να εισάγεται στον μύλο σε μορφή πελλέτας είτε να πυρολύεται σε χαμηλή θερμοκρασία (η διεργασία που είναι γνωστή ως torrefaction) πριν την εισαγωγή του στον μύλο. Χωρίς αυτήν την προεπεξεργασία, το ξύλο πρέπει να αλεστεί χωριστά από τον άνθρακα, αυξάνοντας έτσι το κόστος επένδυσης και λειτουργίας της μονάδας μεικτής καύσης.

11 Κεφάλαιο σελ ε: Ιδιότητες ξυλώδους βιομάζας αναφορικά με την αποθήκευση Ενώ η καθαρή λιγνοκυτταρίνη, ο κορμός ξύλου δηλαδή, είναι σχετικά ανθεκτική σε μικροβιολογική επίθεση, ιδίως αν η υγρασία είναι χαμηλή, η ξυλώδης βιομάζα δεν είναι ποτέ εντελώς ανεπηρέαστη από βιολογικούς και χημικούς παράγοντες. Σχετικές αναφορές γίνονται και στις ενότητες και α. Λόγω του μεγάλου όγκου της ξυλώδους βιομάζας για τροφοδότηση μιας μονάδας συνηθισμένων δυναμικοτήτων ( MW th ), η αποθήκευση γίνεται συνήθως σε εξωτερικούς χώρους. Οι πελλέτες και οι μπρικέτες όμως πρέπει να στεγαστούν σε χώρο αδιάβροχο. Εικόνα α: Εξωτερική αποθήκευση πριονιδιού σε εργοστάσιο χαρτοπολτού Εικόνα β: Εξωτερική αποθήκευση τεμαχιδίων ξύλου σε εργοστάσιο χαρτοπολτού

12 Κεφάλαιο σελ. 12 Στην πάνω εικόνα φαίνονται οι στοίβες πριονιδιού που καλύπτονται μερικώς από χιόνι ενώ στην κάτω εικόνα φαίνεται ένας λόφος από τεμαχισμένο ξύλο (στο βάθος) να είναι καλυμμένος από πλαστικό σε αντίθεση με το ακάλυπτο υλικό μπροστά. Είναι σημαντικό να κατανοηθεί ότι στοίβες υλικού, το μέγεθος των οποίων φαίνεται στον πίνακα στην ενότητα , δεν είναι τόσο ευαίσθητη στη βροχή και ότι στην πραγματικότητα η υγρασία του υλικού μέσα στη στοίβα (δηλαδή σε απόσταση μεγαλύτερη από 0,5 m από την επιφάνεια) επηρεάζεται πολύ λίγο από τις εξωτερικές κλιματολογικές συνθήκες. Ωστόσο το κλίμα επηρεάζει την αποθήκευση σε μεγάλες (δηλαδή ψηλές) στοίβες καθώς σε θερμότερα κλίματα έχουμε αύξηση των θερμοκρασιών στο εσωτερικό της στοίβας, και κίνδυνο εμφάνισης αυτανάφλεξης του υλικού. Τα όρια ύψους που αναφέρονται στον πίνακα είναι για τις κλιματολογικές συνθήκες στη Σουηδία (δηλαδή για τη Βόρεια κλιματική ζώνη) και πρέπει να προσαρμοστούν για πιο ζεστά κλίματα. Η βιολογική και χημική δραστηριότητα μέσα στο σωρό του καυσίμου επηρεάζεται σαφώς από το υλικό, από την υγρασία και από την ροή του αέρα, δηλαδή τη διαπερατότητα του σωρού. Η χημική δραστηριότητα αυξάνεται ραγδαία παρουσία καταλυτών σιδήρου, νικελίου, χρωμίου και άλλων μετάλλων οι οποίοι αυξάνουν τον κίνδυνο αυτανάφλεξης. Αυτό σημαίνει ότι η καθαριότητα και η τήρηση των κανόνων ασφαλείας στην αποθήκη του καυσίμου είναι υψίστης σημασίας. Σπασμένα δόντια φορτωτών ή εκσκαφέων, παρατημένα μεταλλικά εργαλεία και οποιαδήποτε άλλο αντικείμενο από κράμα χάλυβα ή γενικά από οποιοδήποτε άλλο μέταλλο που καλύπτονται από τη σωρό του υλικού, μπορεί να αποτελέσουν σημεία έναυσης καύσης. Γενικός κανόνας είναι ότι τα διαφορετικά κλάσματα καυσίμων πρέπει να αποθηκεύονται ξεχωριστά. Αν υπάρχει ξηρός και υγρός φλοιός ξύλου, τότε πρέπει να αποθηκεύονται σε ξεχωριστούς σωρούς. Το ίδιο ισχύει και για ξηρά (< 40 % υγρασία) και υγρά (> 45 % υγρασία) υπολείμματα υλοτομίας: είναι απαραίτητη η ξεχωριστή αποθήκευση. Υπάρχει μία σημαντική εξαίρεση: Το ξηρό πριονίδι ξυλουργείου μπορεί να αναμιχτεί με τα ξηρά ξύσματα ξυλουργείου και να αποθηκευτούν στην ίδια σωρό. Με έναν ακατάλληλο σχεδιασμό αποθήκευσης, για παράδειγμα με ανάμειξη διαφορετικών κλασμάτων καυσίμων, οι απώλειες υλικού καύσης μπορεί να φτάσουν και το 5 %/μήνα ενώ ένας προσεχτικός σχεδιασμός μπορεί να μειώσει τις απώλειες στο 2 % ή και στο 1 %/μήνα για ορισμένα κλάσματα καυσίμου. Είναι προφανές ότι μία φωτιά που μπορεί να προκληθεί από αμέλεια για παράδειγμα ένα κλειδί να πέσει κατά λάθος και να παραμείνει σε μία σωρό τεμαχισμένου ξύλου θα αυξήσει ραγδαία τις απώλειες του καύσιμου υλικού.

13 Κεφάλαιο σελ ζ:Ιδιότητες ξυλώδους βιομάζας σε σχέση με την συμπίεση Όπως αναφέρεται στην ενότητα β, η υψηλή περιεκτικότητα σε λιγνίνη της ξυλώδης βιομάζας την καθιστά κατάλληλη για παραγωγή πελλετών. Οι πελλέτες ξύλου (παρουσιάζονται στην παρακάτω εικόνα στο φυσικό μέγεθός τους) αποτελούν ένα αναβαθμισμένο καύσιμο προερχόμενο από καθαρή ξυλεία κορμού χωρίς πρόσθετα. Για τις προσπάθειες ανάπτυξης Ευρωπαϊκών προτύπων και κριτηρίων ποιότητας πελλετών Γίνεται προσπάθεια να τεθούν ομοσπονδιακά κριτήρια ή κριτήρια ποιότητας πελλετών και όποιος αναγνώστης ενδιαφέρεται περισσότερο μπορεί να ανατρέξει εδώ. Εικόνα : Πελλέτες ξύλου, περίπου στο φυσικό μέγεθός τους Η παραγωγή υψηλής ποιότητας πελλετών απαιτεί πρόσβαση σε καθαρό ξυλεία κορμού κατάλληλης κατανομής μεγέθους σωματιδίων και υγρασίας, ένα πελλετοποιητή και ένα πύργο ή μονάδα ψύξης. Ακόμα και αν η παραγωγή πελλετών ενσωματωθεί σε ένα πριονιστήριο και τα πριονίδια χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πελλετών, θα υπάρχει συνήθως ανάγκη για πρόσθετη άλεση μέσω ενός σφυρόμυλου. Θα είναι επίσης απαραίτητο να ρυθμιστεί η υγρασία έτσι ώστε να είναι γύρω στο % πριν από τον πελλετοποιητή. Σε αυτόν, τα σωματίδια συμπιέζονται μέσα από τρύπες σε κυκλική στεφάνη με πίεση γύρω στα 700 bar. Τότε η λιγνίνη γίνεται πλαστική «κόλλα» και οι πελλέτες κόβονται στην έξοδο της κυκλικής στεφάνης. Η απαιτούμενη ενέργεια εξαρτάται από τον πελλετοποιητή αλλά συνήθως είναι kj/kg πελλετών.

14 Κεφάλαιο σελ. 14 Η ίδια τεχνολογία χρησιμοποιείται για την πελλετοποίηση ποώδους βιομάζας, αλλά δεδομένου ότι η ποιότητα των πελλετών εξαρτάται σημαντικά από το περιεχόμενο σε λιγνίνη, το ξύλο αποτελεί το καλύτερο υλικό για πελλετοποίηση. Εικόνα : Φθαρμένη πρέσα παραγωγής πελλετών σε μία βροχερή μέρα Σε αντίθεση με τις πελλέτες ξύλου, οι μπρικέτες είναι χαμηλότερης ποιότητας προϊόν που παράγεται σε πίεση 150 bar και με πολύ λιγότερη μηχανική αντοχή. Η εικόνα παρακάτω δείχνει ξυλώδεις μπρικέτες στο 25% περίπου του φυσικού τους μεγέθους. Εικόνα : Μπρικέτες ξύλου,1/4 περίπου του φυσικού τους μεγέθους Οι μπρικέτες μπορούν να γίνουν από μείγματα πριονιδιού και ξυσμάτων κοπής και, όπως και οι πελλέτες, έχουν υγρασία %. Και στην περίπτωση αυτή, είναι η υψηλή

15 Κεφάλαιο σελ. 15 περιεκτικότητα σε λιγνίνη ή η παρουσία ξυλείας κορμού που κάνουν εφικτή τη διαδικασία. Υλικά με χαμηλή περιεκτικότητα σε λιγνίνη δεν μπορούν να μπρικετοποιηθούν χωρίς πρόσθετο, σε αντίθεση με το ξύλο : Ιδιότητες καυσίμου ανάλογα με την πηγή α: Ιδιότητες ξυλώδους βιομάζας προερχόμενη από υλοτομία Η ποιότητα της βιομάζας εξαρτάται κύρια από την ικανότητα του προσωπικού και λιγότερο από το μέρος συλλογής ή τα είδη των δένδρων. Με ανεκπαίδευτο προσωπικό, το συνολικό περιεχόμενο σε τέφρα μπορεί να ξεπεράσει το 10 % κατά βάρος, η ποσότητα των φύλλων μπορεί να είναι μεγάλη ενώ μπορεί να υπάρχουν ακόμα και πέτρες ή παρόμοια αντικείμενα στο μεταφερόμενο καύσιμο. Οι χρήστες πρέπει να αποδεχτούν ότι το καύσιμο από εργασίες υλοτομίας θα περιέχει φλοιό, καθώς και φυλλώματα μαζί με την ξυλεία κορμού, οπότε και η περιεχόμενη υγρασία θα είναι μεταβλητή. Η διεργασία για παραγωγή ενέργειας θα πρέπει να μπορεί να ανταπεξέλθει σε τέτοιες μεγάλες μεταβολές ποιότητας με υψηλές - ή τουλάχιστον αποδεκτές περιβαλλοντικές επιδόσεις β: Ιδιότητες ξυλώδους βιομάζας από εργασίες αραίωσης και δασοπονικές καλλιέργειες Οι εργασίες αραίωσης, όπως και η ξυλεία από δασοπονικές καλλιέργειες μικρού περίτροπου χρόνου (SRC), παράγουν καύσιμο προερχόμενο κυρίως από μικρής ηλικίας δέντρα. Όπως τονίστηκε στην ενότητα για τον ρυθμό ανάπτυξης των δένδρων ( γ), το παραπάνω έχει ως αποτέλεσμα υψηλή ποσότητα υγρασίας κατά τη συγκομιδή και σχετικά υψηλή περιεκτικότητα ενδογενούς τέφρας. Ανάλογα με τη χρήση λιπάσματος (για τις δασοπονικές καλλιέργειες), το καύσιμο μπορεί επίσης να είναι επιμολυσμένο από υψηλές συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων γ: Ιδιότητες ξυλώδους βιομάζας από δενδρώνες, πάρκα και κήπους Όπως συμβαίνει με τις εργασίες αραίωσης και τις δασοπονικές καλλιέργειες, η βιομάζα που προέρχεται από δενδρώνες, πάρκα και κλαδέματα κήπων αποτελείται από λεπτά κομμάτια ξύλου με υψηλό περιεχόμενο σε φλοιό. Συνεπώς το περιεχόμενο σε τέφρα είναι και σε αυτή την περίπτωση μεγάλο. Στην περίπτωση υπολειμμάτων εκρίζωσης, για παράδειγμα από την ανανέωση φρουτώδων δενδρώνων, υπάρχουν μεγάλες ποσότητες χώματος, άμμου ή και πέτρες στο κλάσμα του καυσίμου πάλι εναπόκειται στην ικανότητα του προσωπικού.

16 Κεφάλαιο σελ δ: Ιδιότητες ξυλώδους βιομάζας από βιομηχανία χαρτιού και πολτού Σε αυτήν την κατηγορία, δύο ξεχωριστά κλάσματα στερεού καυσίμου μπορούν να διακριθούν: Ο υγρός φλοιός από την αποφλοίωση. Αυτό το κλάσμα είναι έντονα επιμολυσμένο από χώμα και άμμο και επομένως δεν είναι κατάλληλο για παραγωγή τεμαχιδίων ή άλεση. Συνήθως το κλάσμα αυτό ξηραίνεται μέσω μηχανικής πίεσης, διέρχεται από σχίστη και χρησιμοποιείται ως εσωτερικό καύσιμο στη μονάδα είτε στις ασβεστοκάμινους είτε για την παραγωγή θερμότητας (ατμού). Απορριφθέντα, λεκιασμένα ή δυσ-χρωματισμένα τεμαχίδια ξύλου που μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά την ποιότητα του χαρτιού ή του πολτού. Αυτό το κλάσμα είναι καθαρή ξυλεία κορμού και η συνήθης υγρασία του κυμαίνεται στα ίδια επίπεδα με τα τεμαχίδια ξύλου για παραγωγή χαρτοπολτού: γύρω στα %. Ο χρωματισμός των τεμαχιδίων δεν έχει καμία επίδραση στις ιδιότητες του καυσίμου, οπότε η ποιότητα του καυσίμου παραμένει υψηλή, όπως αυτή του καθαρού ξύλου κορμού. Η τρίτη κατηγορία βιοκαυσίμων που μπορεί να εντοπίσει κανείς σε αυτόν τον βιομηχανικό τομέα είναι τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται εσωτερικά για διάφορες διεργασίες, όπως το black liquor και άλλα παρόμοια. Τα καύσιμα αυτά δεν εξετάζονται από τον παρόντα οδηγό ε: Ιδιότητες ξυλώδους βιομάζας από βιομηχανίες επεξεργασίας ξυλείας Η κατηγορία αυτή περιλαμβάνει τα αρχικό πριονιστήριο, μεταφορά του φρέσκου κορμού, την αποφλοίωση και μεταφορά πριστών σανίδων και πλακών ξηρών ή υγρών, πλανισμένων ή μη και γενικά όλα τα βήματα μέχρι τα επιπλοποιεία, τις βιομηχανίες κατασκευής τμημάτων προκατασκευασμένων σπιτιών ή οποιουδήποτε άλλου τελικού προϊόντος. Εκτός από το πρώτο στάδιο, το αρχικό πριονιστήριο, το παραγόμενο κλάσμα καυσίμου αποτελείται κυρίως από ξυλεία κορμού σχετικά χαμηλής υγρασίας. Πολλά από τα παραπροϊόντα των σταδίων κατασκευής αποτελούν άριστο υλικό για παραγωγή πελλετών προς πώληση στον οικιακό τομέα ή σε εφαρμογές μεικτής καύσης μεγάλης κλίμακας σε μονάδες κονιοποιημένου καυσίμου (βλ. τελευταία παράγραφο στην ενότητα δ). Ωστόσο, χρειάζεται προσοχή στο μεταλλικό περιεχόμενο του υλικού αφού η φθορά των κοπτήρων ή των λεπίδων αλυσοπρίονων μπορούν να επιμολύνουν το υλικό με χάλυβα. Επίσης στη λείανση, η φθορά από την άμμο του χαρτιού οδηγεί σε σχετικά μεγάλο περιεχόμενο τέφρας στο κλάσμα καυσίμου ζ: Ιδιότητες ξυλώδους βιομάζας από κλάσματα αποβλήτων Η ποιότητα των καυσίμων από τα υλικά αυτά εξαρτάται κυρίως από την χρήση τους καθώς και την ηλικία της πρώτης ύλης. Για παράδειγμα, ξύλα από σιδηροδρομικές γραμμές μπορεί να είναι διαποτισμένα από χημικές ουσίες και γι αυτό πρέπει να μεταχειρίζονται με προσοχή και να χρησιμοποιούνται ως καύσιμο μόνο από ειδικές μονάδες. Αντιθέτως, ένα μη βαμμένο ξύλινο ράφι όπως αυτά των ΙΚΕΑ είναι καθαρή ξυλεία κορμού και μπορεί να υπόκειται

17 Κεφάλαιο σελ. 17 στους κανονισμούς για τα απόβλητα, ανάλογα με τη νομοθεσία της κάθε χώρας. Ανεξάρτητα από την προέλευση ένα μεγάλο μέρους αυτού του καυσίμου θα είναι ξηρό. Οι κύριες επιμολύνσεις που επηρεάζουν άμεσα τη χρήση αυτών των κλασμάτων καυσίμου είναι τρεις: Μπογιά. Η σύσταση των χρωμάτων εμπεριέχει συγκεντρώσεις βαρέων ή άλλων μετάλλων τέτοιες που να τοποθετούν το καύσιμο στην αρμοδιότητα των κανονισμών για απόβλητα. Άλλες εμποτισμένες ουσίες, π.χ. αντισκωριακές. Ισχύει το ίδιο όπως και στην προηγούμενη περίπτωση για τα χρώματα. Στερεές ουσίες όπως τσιμέντο, καρφιά, βίδες και άλλα παρόμοια υλικά. Με χρήση σπαστήρα συνοδευόμενο από μαγνητικό διαχωριστή και διαχωριστή πυκνότητας (π.χ. σάρωση με αέρα) είναι δυνατόν να απομακρυνθούν οι παραπάνω ανεπιθύμητες ουσίες από το καύσιμο. Αυτό δεν εγγυάται την καθαρότητα του καυσίμου αλλά σε συνδυασμό με έναν ποιοτικό έλεγχο στην παραλαβή του υλικού ίσως και εφόσον επιτρέπεται από την εκάστοτε νομοθεσία και τις επιβλέπουσες περιβαλλοντικές υπηρεσίες αυτό το κλάσμα καυσίμου να μπορεί κατηγοριοποιηθεί ως βιοκαύσιμο. Η χρήση αυτού του κλάσματος για ενεργειακούς σκοπούς εξαρτάται επομένως σημαντικά από την κρατική νομοθεσία και από τις εγγυήσεις που μπορεί να προσφέρει ο προμηθευτής σχετικά με τη διαχείριση και το είδος της πρώτης ύλης : Επισκόπηση διεργασιών για ξυλώδη βιομάζα Όπως τονίστηκε στο Κεφάλαιο 04-00, οι κύριες διεργασίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ωφέλιμης ενέργειας από κάθε είδος βιομάζας είναι οι ακόλουθες πέντε: Τρεις θερμικές διεργασίες Καύση για άμεση παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού σε μονάδες συμπαραγωγής ή σε μεικτή καύση σε βιομηχανικές διεργασίες, Θερμική αεριοποίηση και μετέπειτα καύση του αέριου προϊόντος σε μονάδες συμπαραγωγής, σε βιομηχανικές διεργασίες ή χρήση του για παραγωγή χημικών προϊόντων, Πυρόλυση και μετέπειτα καύση του στερεού, υγρού ή/και αέριου προϊόντος σε μονάδες συμπαραγωγής, σε βιομηχανικές διεργασίες ή χρήση του προϊόντος της πυρόλυσης για παραγωγή χημικών ειδών. Η πυρόλυση μπορεί να είναι υψηλών θερμοκρασιών (περίπου 700 o C) ή χαμηλών θερμοκρασιών (περίπου 300 o C, «φρύξη») κάθε διεργασία δίνει διαφορετικούς λόγους στερεού (εξανθράκωμα), υγρού (έλαιο πυρόλυσης) και αέριου (αέριο πυρόλυσης) υπολείμματος. Υπάρχουν επίσης δύο διαφορετικές βιοχημικές διεργασίες:

18 Κεφάλαιο σελ. 18 Ζύμωση και κατόπιν καύση του υγρού καυσίμου (αλκοόλη, κυρίως αιθανόλη) σε μηχανικές εσωτερικής καύσης, ως πρόσθετου καυσίμου σε μονάδες συμπαραγωγής, σε βιομηχανικές διεργασίες ή ως πρώτη ύλη για τη μετέπειτα σύνθεση ενός νέου προϊόντος Αναερόβια χώνευση και κατόπιν καύση του αέριου καυσίμου (βιοαέριο) σε μηχανικές εσωτερικής καύσης, ως πρόσθετου καυσίμου σε μονάδες συμπαραγωγής, σε βιομηχανικές διεργασίες ή ως πρώτη ύλη για τη μετέπειτα σύνθεση ενός νέου προϊόντος Για την κατάλληλη επιλογή της χρησιμοποιούμενης τεχνολογίας, είναι σημαντικό οι σχεδιαστές συστημάτων βιοενέργειας να κατανοούν καλά τα χαρακτηριστικά εκείνα της ξυλώδους βιομάζας που μπορούν να επηρεάσουν τις διαφορετικές διεργασίες α: Χρήση και συμπεριφορά ξυλώδους βιομάζας σε διεργασίες άμεσης καύσης Όπως τονίστηκε στην εισαγωγική ενότητα αυτού του κεφαλαίου, η καύση του ξύλου για ποικίλους σκοπούς αποτελεί γνωστή και σημαντική διεργασία ιστορικά. Ο βασικός λόγος είναι ότι το ξύλο είναι εξαίρετο υλικό για την παραπάνω διεργασία. Το χαμηλό περιεχόμενο σε τέφρα σε συνδυασμό με τις υψηλές θερμοκρασίες τήξης τέφρας (δείτε το Παράρτημα Τέφρας) καθιστά την καύση καθαρής ξυλείας κορμού μια απλή και ευέλικτη διεργασία. Η τεχνολογία καύσης ξυλώδους βιομάζας είναι ώριμη και γνωστή για μεγάλο εύρος κλιμάκων εφαρμογής, από οικιακές εφαρμογές θέρμανσης (μερικά kw) μέχρι εφαρμογές μερικών εκατοντάδων MW. Η μεικτή καύση με άνθρακα έχει επίσης αποδειχθεί ότι είναι εφικτή σε ποσοστά μεταξύ % ης θερμικής ισχύος. Με της σύγχρονες τεχνολογίες καύσης, το ξύλο μπορεί να αντικαταστήσει το ορυκτό καύσιμο σε πολλές βιομηχανικές διεργασίες υψηλής θερμοκρασίας β: Χρήση ξυλώδους βιομάζας σε διεργασίες θερμικής αεριοποίησης Οι ίδιες ιδιότητες που κάνουν τη καύση ξύλου βασική πηγή ανανεώσιμης ενέργειας στην ΕΕ- 27 για το 2008, είναι αυτές που καθιστούν το ξύλο εξαιρετικό καύσιμο για θερμική αεριοποίηση. Το μεγάλο πλεονέκτημα της ξυλώδους βιομάζας ως καύσιμο στην αεριοποίηση σε αντίθεση με την ποώδη βιομάζα, είναι το σχετικά χαμηλό ποσοστό χλωρίου, αζώτου και θείου. Η χαμηλή συγκέντρωση των παραπάνω στοιχείων στη λιγνοκυτταρίνη έχει ως αποτέλεσμα το παραγόμενο αέριο να περιέχει λιγότερο υδροχλωρικό οξύ, αμμωνία και υδρόθειο σε σχέση με το αντίστοιχο αέριο που παράγεται από αεριοποίηση ποώδους βιομάζας. Έτσι, μειώνεται ο κίνδυνος διάβρωσης μετά τον αεριοποιητή ενώ ο καθαρισμός του αερίου καθίσταται απλούστερος και φθηνότερος.

19 Κεφάλαιο σελ. 19 Ωστόσο, αν και το περιεχόμενο της τέφρας του χλωρίου, του αζώτου και του θείου είναι πολύ μικρότερο στην παρθένα λιγνοκυτταρίνη (ξυλεία κορμού) απ ότι στην ποώδη βιομάζα, δεν είναι αρκετά χαμηλό ώστε να είναι επιτρεπτή η παροχή του παραγόμενου αερίου από τον αεριοποιητή κατευθείαν στο στρόβιλο χωρίς ενδιάμεσο καθαρισμό. Σήμερα, οι περισσότεροι εγκατεστημένοι αεριοποιητές δε χρησιμοποιούνται για εφαρμογές συνδυασμένου κύκλου, δηλαδή σε στροβίλους, ούτε για την παραγωγή υψηλής ποιότητας αερίου σύνθεσης, αλλά είναι συνδεδεμένοι απευθείας σε λέβητες για καύση αερίου. Σε τέτοιες εφαρμογές, η χρήση της αεριοποίησης δεν έχει σημαντικό πλεονέκτημα σε σχέση με την απευθείας καύση του ξύλου. Μία ενδιαφέρουσα εφαρμογή ωστόσο, αποτελεί η χρήση της θερμικής αεριοποίησης του ξύλου, πριν από διεργασίες κλιβάνων υψηλών θερμοκρασιών, όπως η παραγωγή γυαλιού ή χάλυβα. Το πλεονέκτημα είναι ότι το σύστημα ελέγχου των καυστήρων και του κλίβανου είναι απλούστερο σε σχέση με την καύση κονιοποιημένου ξύλου, ενώ απλούστερη καθίσταται και η διανομή του αερίου σε πολλούς καυστήρες σε σχέση με τη χρήση ξεχωριστών τροφοδοτών στερεού καυσίμου για κάθε καυστήρα. Η τεχνολογία έχει επιδειχθεί σε μεγάλη κλίμακα για λιώσιμο γυαλιού, ωστόσο, με τις ισχύουσες τιμές των ορυκτών καυσίμων η εφαρμογή αυτή δεν είναι οικονομικά βιώσιμη γ: Χρήση και συμπεριφορά ξυλώδους βιομάζας σε διεργασίες πυρόλυσης Η αυτόθερμη, υψηλής θερμοκρασίας πυρόλυση ξύλου για την παραγωγή κάρβουνου χαλυβουργίας ή για χρήση σε υψικαμίνους έχει χρησιμοποιηθεί σε διάφορα ιστορικά παραδείγματα. Επίσης η αυτόθερμη πυρόλυση χαμηλής θερμοκρασίας για την παραγωγή πίσσας είναι μια ευρέως γνωστή διεργασία από αρχαιοτάτων χρόνων. Η απανθράκωση, δηλαδή η πυρόλυση σε υψηλή θερμοκρασία με σκοπό την παραγωγή κάρβουνου ως κύριου προϊόντος θα έχει γενικά τα χαρακτηριστικά του παρακάτω απλού παραδείγματος: Θεωρώντας ότι ξηρό σωματίδιο ξύλου, 1 kg, έχει θερμικό περιεχόμενο περίπου 20 MJ και υποθέτοντας ότι η απαραίτητη ενέργεια για τη διεργασία παρέχεται από εξωτερική πηγή τότε όλη η αρχική ενέργεια (20 MJ) θα κατανέμεται στα προϊόντα Μέσω πλήρους πυρόλυσης στους 700 C, τα περισσότερα είδη ξύλου χάνουν το 70 % περίπου του βάρους τους, και το παραγόμενο κάρβουνο έχει θερμογόνο ικανότητα ίση με MJ/kg. Συνεπώς, τα τελικά προϊόντα μετά την πυρόλυση θα είναι τα εξής: 1: 0,3 kg κάρβουνου ενέργειας 33 MJ/kg, δηλαδή τα 10 MJ ή το μισό της αρχικής ενέργειας (20 MJ του αρχικού 1 kg ξηρού ξύλου) παραμένουν στο κάρβουνο, 2: Το άλλο μισό της αρχικής ενέργειας, 10 MJ, βρίσκεται στα 0,7 kg του υγρού (πυρολυτικό έλαιο) και αέριου (αέριο πυρόλυσης) προϊόντος.

20 Κεφάλαιο σελ. 20 Για να είναι η διεργασία πυρόλυσης αυτόθερμη, κομμάτι της ενέργειας που θα προορίζονταν για τα προϊόντα, χρησιμοποιείται σε εσωτερική ή εξωτερική καύση για τη διατήρηση της επιθυμητής θερμοκρασίας της διεργασίας. Στη σύγχρονη πυρόλυση χαμηλής θερμοκρασίας (γνωστή ως torrefaction) η θερμοκρασία διεργασίας είναι μόλις C έτσι ώστε να η πυρόλυση να μην είναι πλήρης και μέρος του πυρολυτικού ελαίου να παραμένει στο στερεό προϊόν. Το αποτέλεσμα είναι ότι μεγαλύτερο μέρος της αρχικής ενέργειας πάνω από 80% - βρίσκεται στο στερεό προϊόν, το οποίο αποκτά και υδροφοβικές ιδιότητες. Η θερμογόνος ικανότητά του είναι παρόμοια με του άνθρακα, MJ/kg, είναι ψαθυρό και εύκολο στην άλεση. Το ξύλο από torrefaction λοιπόν ανταγωνίζεται με τις πελλέτες pellets ως το ευκολότερο καύσιμο για μεικτή καύση με άνθρακα σε λέβητες κονιοποιημένου καυσίμου, κυρίως σε μεγάλης κλίμακας μονάδες δ: Χρήση και συμπεριφορά ξυλώδους βιομάζας σε βιοχημικές διεργασίες Όπως ήδη τονίστηκε πολλές φορές σε αυτό το κεφάλαιο, η λιγνοκυτταρίνη δεν είναι πολύ κατάλληλη για βιοχημικές διεργασίες όπως η ζύμωση και η χώνευση Υπάρχουν αρκετά έργα έρευνας και ανάπτυξης σε εξέλιξη τα οποία στοχεύουν σε μεθόδους προεπεξεργασίας τέτοιες ώστε να καταστήσουν τη κυτταρίνη και την ημικυτταρίνη που είναι δεσμευμένες στη λιγνίνη προσβάσιμες σε μικροοργανισμούς και επομένως να καταστήσουν οικονομικά βιώσιμη τη βιοχημική κατεργασία της λιγνοκυτταρίνης. Μέχρι τώρα πάντως, το κόστος και το υψηλό περιεχόμενο σε λιγνίνη αποτρέπουν την επίτευξη του παραπάνω στόχου : Σχεδιασμός για τη χρήση ξυλώδους βιομάζας Το κυριότερο θέμα στον σχεδιασμό της αλυσίδας τροφοδοσίας και στη χρήση των καυσίμων από ξύλο για παραγωγή ενέργειας είναι η γνώση ότι οποιοδήποτε λάθος στην εφοδιαστική αλυσίδα θα επηρεάσει την υψηλή ποιότητα του λιγνοκυτταρινούχου καυσίμου. Η καθαρή λιγνοκυτταρίνη, σε σύγκριση με άλλα στερεά βιοκαύσιμα, έχει υψηλή θερμογόνο, χαμηλή τέφρα, χαμηλές συγκεντρώσεις περιβαλλοντικά προβληματικών στοιχείων όπως αζώτου, χλωρίου και θείου και υψηλή θερμοκρασία τήξης τέφρας. Αποτελεί παραπροϊόν πολλών κλάδων της βιομηχανίας: πριονίδια και ξύσματα από κατασκευαστές επίπλων (μικρή κλίμακα) και υπολείμματα από χαρτοποιίες και βιομηχανίες πολτού ( μεγάλη κλίμακα) Η καθαρή λιγνοκυτταρίνη μπορεί να αναβαθμιστεί σε εξαιρετικό καύσιμο, υψηλής ενεργειακής πυκνότητας (πελλέτες ξύλου) χωρίς την ανάγκη χρήσης πρόσθετων ή πολύπλοκης επεξεργασίας.

21 Κεφάλαιο σελ. 21 Με κατάλληλο σχεδιασμό για τις απαραίτητες ενδιάμεσες αποθηκεύσεις, μπορεί κανείς να εκμεταλλευτεί την φυσική αντίσταση σε επιθέσεις μικροβίων στην καθαρή λιγνοκυτταρίνη και να κρατήσει τις αναπόφευκτες απώλειες του υλικού σε ελεγχόμενα επίπεδα. Οι τεχνολογίες και οι διεργασίες για πλήρη χρήση των παραπάνω ιδιοτήτων σε εφαρμογές παραγωγής θερμού νερού ή υπέρθερμου ατμού, στις ίδιες πιέσεις και θερμοκρασίες που μπορούν να επιτευχθούν με την καύση άνθρακα, είναι πλέον ώριμες, αποδεκτές και διαθέσιμες εμπορικά. Ωστόσο υπάρχουν και νέες εξελίξεις: Έχει αποδειχθεί ότι η συνάλεση και η μεικτή καύση με άνθρακα με προσθήκη πελλετών ξύλου ή ξύλου που έχει υποστεί θερμική επεξεργασία (torrefaction) πριν τους μύλους είναι μια ευέλικτη διεργασία, με την προϋπόθεση ότι η ενέργεια που προέρχεται από το ξύλο είναι στο όριο του 15 % (ή λίγο παραπάνω) της συνολικά παραγόμενης ενέργειας. Τέλος, έχει αποδειχθεί σε δοκιμές μεγάλης κλίμακας ότι το αεριοποιημένο ξύλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αντικατάσταση του προπανίου στη βιομηχανία γυαλιού για την τήξη του. Η χρήση των παραπάνω ιδιοτήτων, των εμπορικά διαθέσιμων τεχνολογικών λύσεων και της τρέχουσας γνώσης απαιτεί τη βελτιστοποίηση όλων των σταδίων της αλυσίδας τροφοδοσίας και την επαρκή εκπαίδευση κάθε ατόμου που εμπλέκεται σε αυτήν. Επομένως, καθήκον του σχεδιαστή είναι να λάβει υπόψη του τα προσόντα και την τεχνογνωσία των επιχειρηματιών και μεσαζόντων σε όλη την αλυσίδα, ελέγχοντας παράλληλη την καταλληλότητα του εξοπλισμού που χρησιμοποιείται στις διεργασίες. Τα υπολείμματα των καυσίμων λιγνοκυτταρίνης θα έχουν μεγαλύτερο ποσοστό τέφρας, διάφορα ποσοστά υγρασίας και μπορεί να περιέχουν ανόργανες και άλλες ανεπιθύμητες ουσίες προερχόμενες από την αρχική χρήση του υλικού, π.χ. μπογιά ή άλλες εμποτισμένες ουσίες. Τέτοιες ουσίες μπορεί να θέτουν ένα καύσιμο στην αρμοδιότητα της Οδηγίας 2000/76/ΕΚ για την Αποτέφρωση Αποβλήτων. Παρόλα αυτά ένα μείγμα σχετικά υψηλής ποιότητας λιγνοκυτταρίνης σε ένα ταξινομημένο κλάσμα αστικών στερεών αποβλήτων (ΑΣΑ) μπορεί να συνεισφέρει στη σταθεροποίηση της διεργασίας καύσης και στη βελτίωση της περιβαλλοντικής επίδοσης του αποτεφρωτήρα.