2. Τεμαχισμένο / θρυμματισμένο ξύλο (woodchips) foto

Transcript

1 Δ. ΚΑΥΣΙΜΑ ΕΙΔΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΤΥΠΟΙ ΚΑΥΣΙΜΩΝ α). ΛΙΓΝΟ ΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΑ (ΞΥΛΩΔΗΣ) ΒΙΟΜΑΖΑ 1. Κούτσουρα (Woodlogs)foto 2. Τεμαχισμένο / θρυμματισμένο ξύλο (woodchips) foto 3. Κομμάτια ξύλου (Hogfuel ) foto 4. Πελλέτες (Pellets) foto

2 5. Μπρικέτες (Briquettes) foto 6. Θερμικά επεξεργασμένο ξύλο φρύξη (Torrefaction) foto ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΙΓΝΟ ΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΑΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Τύπος βιοµάζας Μέγεθος Υγρασία Τέφρα Χύδην Άλλα σηµαντικά

3 (mm) πυκνότητα (kg/m 3 ) χαρακτηριστικά Θρύµµατα ξύλου Μικρά κούτσουρα Σκόνη ξύλου < > 65 (M10 - Πριονίδι 1-5 M65+) Λεπτόκοκκα > 55 (M10 - Χονδρόκοκκα M55+) Κοµµάτια ξύλου Καυσόξυλα Ολόκληρο ξύλο > 500 Κοµµάτια ξύλου Πελλέτες Μπρικέτες ιάµετρος 6-25 Μήκος 3-50 ιάµετρος Μήκος Λεπτόκοκκα <3 Χονδρόκοκκα Τρίµµατα Φλοιός > 55 (M10 - M55+) ή % νερού επί ξηρού βάρους: (U11 - U122) 5-15 (M5 - M15) (M10 - M15) 10 - > 55 (M10 - M55+) 10 - >30 (M10 - M30+) 20 - >65 (M20 - M65+) > 10 (A0.1 - A10+) 1 - >10 (A1.0 - A10.0+) (BD100 - BD350) (BD150 - BD450) (BD550 - BD800) Πυκνότητα σωµατιδίων (g/cm 3 ) (DE0.8 - DE1.2) >450 (BD150 - BD450+) >300 (BD100 - BD300+) (BD250 - BD450) Ενεργειακή πυκνότητα (kwh/kgor kwh/m 3 ) Ποσοστό µέσου όγκου Αποσύνθεση Επιφάνεια κοπής Πρόσθετα Ποσότητα Πρόσθετα Μηχανική αντοχή Κλάσµα λεπτόκοκκων 6 25% του βάρους (F06 - F25) Σχίστες ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΞΥΛΟΥ 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

4 Θερµογόνος Ικανότητα (MJ/kg) Πλατύφυλλ α Κυτταρίν η Ηµικυτταρίν η Λιγνίν η Εκχυλίσµατ α Ορυκτ ά Θερµογόνο ς Ικανότητα (MJ/kg) Κωνοφόρα Πίνακας : Χηµική σύνθεση κωνοφόρων και πλατύφυλλων επί ξηρού βάρους 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 βιοµάζας. 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

5 τέφρας και εκχυλισµάτων µπορεί να επηρεάσουν τη συνολική ΚΘΙ. Για περισσότερες πληροφορίες ανατρέξτε 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 Ηµικυτταρίνη Λιγνίνη Τέφρα Θερµογόνος ικανότητα q NET,DAF (MJ/kg) Βελόνες Φύλλα Κλαδιά Κορµός

6 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).

7 β). ΠΟΩΔΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑ Ορισµός ποώδους βιοµάζας Το Ευρωπαϊκό Πρότυπο EN (Στερεά βιοκαύσιµα Προδιαγραφές και κατηγορίες καυσίµων Μέρος 1: Γενικές απαιτήσεις) διακρίνει τέσσερις κατηγορίες στερεών βιοκαυσίµων(ξυλώδη, ποώδη, φρουτώδη και συνδυασµοί/µείγµατα) και δίνει τον ακόλουθο ορισµό για την ποώδη βιοµάζα: Η ποώδης βιοµάζα προέρχεται από φυτά που έχουν ένα µη-ξυλώδες στέλεχος και τα οποία πεθαίνουν στο τέλος της εποχής ανάπτυξης. Περιλαµβάνει καρπούς ή σπόρους από τη βιοµηχανία επεξεργασίας τροφίµων και τα παραπροϊόντα τους όπως το άχυρο σιτηρών. Ανάλογα µε την προέλευσή τους και τα µέρη του φυτού που χρησιµοποιούνται, το EN δίνει µια αναλυτική κατηγοριοποίηση της ποώδους βιοµάζας, όπως αυτή που παρουσιάζεται στον Πίνακα Ολόκληρα φυτά Μέρη αχύρου Καλλιέργειες σιτηρών Χόρτα Καλλιέργειες ελαιωδών καρπών Ριζώδεις καλλιέργειες Καλλιέργειες οσπρίων Καρποί ή σπόροι Τσόφλια ή κελύφη Συνδυασµοί και µείγµατα Ολόκληρα φυτά Μέρη αχύρου Σπόροι Κελύφη Συνδυασµοί και µείγµατα Ολόκληρα φυτά Στελέχη και φύλλα Σπόροι Τσόφλια ή κελύφη Συνδυασµοί και µείγµατα Ολόκληρα φυτά Στελέχη και φύλλα Ρίζες Συνδυασµοί και µείγµατα Ολόκληρα φυτά Στελέχη και φύλλα Φρούτα

8 2.1.6 Λουλούδια Περικάρπια Συνδυασµοί και µείγµατα Ολόκληρα φυτά Στελέχη και φύλλα Σπόροι Συνδυασµοί και µείγµατα ιαλεγµένη ποώδης βιοµάζα από κήπους, πάρκα, συντήρηση δρόµων, αµπέλια και δενδρώνες φρούτων Συνδυασµοί και µείγµατα Πίνακας : : Κατηγοριοποίηση ποώδους βιοµάζας από γεωργία και χορτοκαλλιέργεια σύµφωνα µε το EN Αντίστοιχη κατηγοριοποίηση υπάρχει και για τα παραπροϊόντα και υπολείµµατα της βιοµηχανίας επεξεργασίας ποωδών υλών. Ποώδης βιοµάζα: εµπορικές µορφές Τόσο οι ενεργειακές καλλιέργειες όσο και τα αγροτικά υπολείµµατα παράγονται σε ένα χωράφι και πρέπει να συλλεχθούν/αποµακρυνθούν από εκεί πριν τη χρήση τους σε µια ενεργειακή µονάδα. Ανάλογα µε το εάν είναι υπόλειµµα ή κύριο προϊόν, η ποώδης βιοµάζα είτε συλλέγεται ως ολόκληρο το φυτό είτε ως µέρος αυτού (π.χ. θερισµός του καρπού, θερισµός του εναποµένοντος όρθιου φυτού ή των υλικών που κείτονται στο έδαφος). Με την εξαίρεση του θερισµού καρπών, που είναι αντίστοιχος µε τις πρακτικές που ακολουθούνται για την παραγωγή τροφής, η ποώδης βιοµάζα στην εφοδιαστική αλυσίδα µπορεί να βρίσκεται µε µια από τις ακόλουθες τρεις µορφές: τεµαχισµένη, δεµατοποιηµένη ή σε πελλέτα. Ένα υλικό προκύπτει τεµαχισµένο εάν ο θερισµός του υπολείµµατος ή της καλλιέργειες γίνει µε κατάλληλο εξοπλισµό, όπως µια χορτοκοπτική µηχανή.. Εξαιτίας της χαµηλής πυκνότητας του υλικού, δε χρησιµοποιείται συχνά σε συστήµατα βιοενέργειας, µε κύρια εξαίρεση το θερισµό ενσιρώµατος για την παραγωγή βιοαερίου. Τα δεµάτια είναι η πιο συχνά χρησιµοποιούµενη µορφή ποώδους βιοµάζας σε εφαρµογές βιοενέργειας. Παράγονται µε χρήση κατάλληλου εξοπλισµού και µπορεί να είναι διαφορετικών σχηµάτων και διαστάσεων στα συστήµατα βιοενέργειας η πιο κοινή µορφή είναι οι µεγάλες ορθογώνιες µπάλες µε διαστάσεις 120 x 130 x 240 cm και πυκνότητα περίπου 150 kg/m 3. Η δεµατοποιηµένη ποώδης βιοµάζα είναι συνήθως κάπως πυκνότερη από την τεµαχισµένη. Το κύριο πλεονέκτηµά της πάντως είναι η ευκολία χειρισµού της σε διάφορα στάδια της εφοδιαστικής αλυσίδας κάποια από τα οποία µπορεί να γίνουν και µε ελάχιστη ή καθόλου χειρονακτική εργασία. Οι πελλέτεςείναι µικρά, κυλινδρικά κοµµάτια συµπιεσµένης βιοµάζας µε τυπικές διαµέτρους εύρους 6 8 mm και µήκους µέχρι και 40 mm. Η χύδην πυκνότητά τους είναι γύρω στα kg/m 3, περίπου 4 φορές µεγαλύτερη από αυτή της δεµατοποιηµένης βιοµάζας, και εποµένως επιτρέπει ακόµα οικονοµικότερη µεταφορά και µειωµένες απαιτήσεις επιφάνειας αποθήκευσης. Ωστόσο, η πελλετοποίηση είναι µια ενεργοβόρος διεργασία και όχι τόσο συχνά χρησιµοποιούµενη για την ποώδη όσο για την ξυλώδη βιοµάζα. Οι πελλέτες µπορούν να παραχθούν µε χρήση ειδικού εξοπλισµού απευθείας στο χωράφι αλλά µε διαφορά η πιο κοινή λύση είναι η

9 παραγωγής τους σε ειδικές µονάδες, στις οποίες µεταφέρεται η ποώδης βιοµάζα σε δεµατοποιηµένη µορφή. Η µορφή των αγρο-βιοµηχανικών υπολειµµάτων διαφέρει ανάλογα µε τη διεργασία και την πρώτη ύλη, συνήθως πάντως είναι φλοιοί, κελύφη ή πυρήνες. Το υλικό συνήθως χρησιµοποιείται ως έχει, αν και είναι δυνατή και η παραγωγή πελλετών. Η Εικόνα παρουσιάζει τις διαφορετικές µορφές της ποώδους βιοµάζας στην εφοδιαστική αλυσίδα. Η µορφή του καυσίµου και τα χαρακτηριστικά του, το πιο σηµαντικό από τα οποία είναι η ενεργειακή πυκνότητα, µαζί µε τις απαιτήσεις τις διεργασίας καθορίζουν τα διαφορετικά βήµατα της εφοδιαστικής αλυσίδας. Εικόνα : Συνήθεις µορφές ποώδους βιοµάζας στην αλυσίδα καυσίµου: τεµαχισµένο άχυρο (πάνω αριστερά, πηγή: µπάλα αχύρου (πάνω δεξιά) πελλέτεςαχύρου (κάτω αριστερά, πηγή: ΕΚΕΤΑ), φλοιός ρυζιού (κάτω δεξιά, πηγή: Wikipedia). Ποώδης βιοµάζα: ιδιότητες και διεργασίες Η ποώδης βιοµάζα µπορεί να είναι µια εξαιρετικά ευέλικτη πρώτη ύλη και να χρησιµοποιηθεί πρακτικά για κάθε τεχνολογία µετατροπής και για την παραγωγή όλων των ενεργειακών φορέων (υγρά και αέρια βιοκαύσιµα, θερµότητα, ηλεκτρισµός). Ωστόσο, πρέπει να ληφθούν υπόψη τα ακόλουθα σηµεία: Πολλά είδη ποώδους βιοµάζας περιέχουν µεγαλύτερη συγκέντρωση ηµικυτταρίνης

10 και κυτταρίνης σε σχέση µε τη λιγνίνη. Η θετική πλευρά είναι ότι, καθώς η ηµικυτταρίνη και η κυτταρίνη είναι ευκολότερο να χωνευτούν ή/και να ζυµωθούν εν συγκρίσει µε τη λιγνίνη (αν και γενικά απαιτείται ένα στάδιο προεπεξεργασίας), η ποώδης βιοµάζα είναι καλύτερος υποψήφιος για την παραγωγή υγρών και αέριων βιοκαυσίµων µε βιοχηµικές διεργασίες σε σχέση µε την ξυλώδη βιοµάζα. Το αρνητικό είναι ότι η θερµογόνος ικανότητα του καυσίµου είναι µικρότερη σε σχέση µε την ποώδη βιοµάζα και αυτό επηρεάζει την καύση αλλά και την οικονοµικότητα της εφοδιαστικής αλυσίδας. Εξαιτίας του ταχύτερου ρυθµού ανάπτυξης των ποώδων φυτών σε σχέση µε τα δέντρα, η ποώδης βιοµάζα τείνει να συγκεντρώσει µεγαλύτερες ποσότητες στοιχείων και υλικών που µπορεί να είναι προβληµατικά για αρκετές τεχνολογίες µετατροπής ή να έχουν αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις όταν ελευθερώνονται πάλι στο περιβάλλον µετά την καύση. Η πιο χαρακτηριστική περίπτωση είναι η υψηλή περιεκτικότητα της ποώδους βιοµάζας σε χλώριο και τέφρα και η επίδρασή της σε θερµικές διεργασίες. Ο ακόλουθος πίνακας συνοψίζει την τρέχουσα κατάσταση για διαφορετικές τεχνολογίες µετατροπής και την πιθανή χρήση τους σε πρώτες ύλες ποώδους βιοµάζας.. Γενικά, η ποώδης βιοµάζα είναι ένα πιο δύσκολο καύσιµο σε σύγκριση µε την ξυλώδη βιοµάζα αλλά το εύρος των πιθανών εφαρµογών της σηµαίνουν ότι αναµένεται να διαδραµατίσει κύριο ρόλο στην ανάπτυξη της βιοενέργειας τα προσεχή έτη, όπως θα φανεί και από την ακόλουθη ενότητα. Θερµικές διεργασίες Κατάσταση αγοράς Κύρια Πλεονεκτήµατα Σηµαντικά Ζητήµατα Καύση οικιακή κλίµακα Εµπορική Γνώση και δοκιµασµένη τεχνολογία Ταιριάζει καλά στις θερµικές ανάγκες αγροτικών κοινοτήτων Θέµατα διάβρωσης Ενδεχοµένως υψηλές εκποµπές Υψηλή τέφρα και εποµένως µεγάλη συχνότητα καθαρισµού λιγότερη άνεση για τους χρήστες Καύση µεγάλη κλίµακα Εµπορική Γνώση και δοκιµασµένη τεχνολογία υνατή συµπαραγωγή Τα συστήµατα µεγάλης κλίµακας µπορούν να αντιµετωπίσουν καλύτερα τα προβλήµατα από την τέφρα και να καθαρίσουν το καυσαέριο Η τέφρα προκαλεί προβλήµατα στη διεργασία Ο τρόπος αξιοποίησης της τέφρας δεν είναι πάντα σαφής Αεριοποίηση Ηµιβιοµηχανική Παραγωγή ενός πολύ ευέλικτου ενεργειακού φορέα (αέριο καύσιµο) Η τέφρα προκαλεί προβλήµατα στη διεργασία Προβληµατικός καθαρισµός αερίου

11 Πυρόλυση Ηµιβιοµηχανική Παραγωγή ενός εύρους ενεργειακών φορέων (στερεών, υγρών και αέριων καυσίµων) Η τέφρα προκαλεί προβλήµατα στη διεργασία Η τέφρα παραµένει στα στερεά προϊόντα και δηµιουργεί προβλήµατα κατά την καύση τους