Κεφάλαιο 04-02 σελ. 1 04-02: Ποώδης βιομάζα Ιδιότητες και διεργασίες Εν συγκρίσει με την αξιοποίηση πρώτων υλών από ξυλώδη βιομάζα, η χρήση ποώδους βιομάζας σε ενεργειακές εφαρμογές είναι μέχρι σήμερα σχετικά περιορισμένη. Παραδόξως ίσως, αυτό δε σημαίνει ότι ένα μεγάλο μέρος αυτής της πρώτης ύλης δεν καίγεται στην πράξη, μεγάλες ποσότητες αγροτικών υπολειμμάτων καίγονται σε ανοιχτές εστίες στα χωράφια μετά την περίοδο του θερισμού. Η πρακτική αυτή είναι μια πηγή ανεξέλεγκτων εκπομπών ενώ είναι και μια πιθανή εστία πυρκαγιών. Επίσης, η ποώδης βιομάζα χρησιμοποιείται ως καύσιμο θέρμανσης, μαγειρικής ή άλλων χρήσεων σε πολλές χώρες του Τρίτου Κόσμου, όπου η πρόσβαση σε άλλες πηγές καυσίμου είναι δύσκολη ή απαγορευτικά ακριβή. Η συνολική ενεργειακή απόδοση αυτών των διεργασιών πάντως είναι γενικά χαμηλή. Η απάντηση στην ερώτηση γιατί η χρήση της ποώδους βιομάζας στην Ευρώπη, καθώς και στον υπόλοιπο κόσμο, έχει μείνει πίσω σε σχέση με τη χρήση άλλων πηγών βιομάζας μπορεί να δωθεί σε τρια σκέλη: Μερικά ποώδη υπολείμματα, όπως το άχυρο, αποτελούν ήδη μέρων καθιερωμένων αγροτικών πρακτικών, π.χ. ως ζωοτροφή. Αυτό εξετάζεται στο Κεφάλαιο 02-02 σχετικά με το δυναμικό ποώδους βιομάζας. Γενικά, η εφοδιαστική αλυσίδα ποώδους βιομάζας αντιμετωπίζει αρκετές δυσκολίες; Χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα, εποχιακές διακυμάνσεις, αυξημένη τάση για αποσύνθεση του υλικού κτλ. Τα θέματα αυτά εξετάζονται στο Κεφάλαιο 03-02. Τέλος, η ποώδης βιομάζα θεωρείται ως ένα πιο προβληματικό καύσιμο σε σχέση με την ξυλώδη βιομάζα, εξαιτίας συγκεκριμένων συστατικών της που επηρεάζουν τη συμπεριφορά της κατάτην καύση.η φύση των συστατικών αυτών και η ακριβή τους επίδραση στους διαφορετικούς τρόπους ενεργειακής αξιοποίησης είναι ακριβώς και το αντικείμενο του παρόντος κεφαλαίου. Παρά τα θέματα που αναφέρθηκαν παραπάνω, υπάρχουν αρκετά επιτυχημένη παραδείγματα αξιοποίησης πρώτων υλών ποώδους βιομάζας για την παραγωγή ενέργειας. Ένα από τα πλέον γνωστά παραδείγματα είναι η εκτεταμένη χρήση του αχύρου στη Δανία για ηλεκτροπαραγωγή ή συμπαραγωγή σε δίκτυα τηλεθέρμανσης. Επίσης, η αύξηση του ποσοστού της βιοενέργειας που προέρχεται από ποώδη βιομάζα, όπως αγροτικά υπολείμματα και ορισμένα είδη ενεργειακών καλλιεργειών, είναι ένα σημαντικός στόχος για τις ΑΠΕ στην Ευρωπαϊκή Ένωση, όπως έχει περιγραφεί στο Κεφάλαιο 02-02. Ακολουθώντας τη συζήτηση του Κεφαλαίου 04-00, οι κύριες διεργασίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ωφέλιμης ενέργειας από οποιοδήποτε είδος βιομάζας, συμπεριλαμβανομένης της ποώδους βιομάζας, είναι οι ακόλουθες: Τρεις διαφορετικές θερμικές διεργασίες Καύση για άμεση παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού σε μονάδες συμπαραγωγής (ΣΗΘ) ή μεικτή καύση σε βιομηχανικές διεργασίες, Θερμική αεριοποίηση και μετέπειτα καύση του παραγόμενου αερίου σε μονάδες ΣΗΘ, σε εργαστηριακές διεργασίες ή εναλλακτικά για περαιτέρω χημική επεξεργασία αυτού.
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 2 Πυρόλυση για τη μετέπειτα καύση του στερεού, υγρού ή/και αέριου υπολείμματος σε μονάδες ΣΗΘ, σε βιομηχανικές διεργασίες ή εναλλακτικά για περαιτέρω χημική επεξεργασία του προϊόντος της πυρόλυσης. Η πυρόλυση μπορεί να είναι υψηλών θερμοκρασιών (περίπου 700 o C) ή χαμηλών θερμοκρασιών (περίπου 300 o C, γνωστή ως «torrefaction»). Κάθε διεργασία δίνει διαφορετικές αναλογίες στερεού (εξανθράκωμα), υγρού (έλαιο πυρόλυσης) και αέριου (αέριο πυρόλυσης) υπολείμματος. Δυο διαφορετικές βιοχημικές διεργασίες Ζύμωση και μετέπειτα καύση του υγρού καυσίμου (αλκοόλη, κυρίως αιθανόλη) σε μηχανικές εσωτερικής καύσης ή ως ενισχυτικό καύσιμο σε μονάδες ΣΗΘ, σε βιομηχανικές διεργασίες ή ως πρώτη ύλη για τη σύνθεση νέων προϊόντων. Αναερόβια χώνευση και μετέπειτα καύση του αέριο προϊόντος (βιοαερίου) σε μονάδες ΣΗΘ, σε βιομηχανικές διεργασίες ή ως πρώτη ύλη για τη σύνθεση νέων προϊόντων. Προκειμένου να επιλεχθεί η κατάλληλη τεχνολογική διεργασία για την εκάστοτε πρώτη ύλη, είναι σημαντικό να υπάρχει καλή κατανόηση από την πλευρά των ενεργειακών σχεδιαστών των χαρακτηριστικών που διαφοροποιούν τις ποώδεις πρώτες ύλες από άλλα είδη βιομάζας καθώς και τα κύρια θέματα που προκύπτουν κατά την χρήση ποώδους βιομάζας σε διαφορετικές τεχνολογίες ενεργειακής μετατροπής. 04-02-01: Ιδιότητες διεργασιών καυσίμου και τέφρας ποώδους βιομάζας Ως προϊόν της φωτοσύνθεσης, όπως αναφέρθηκε στο Κεφάλαιο 01-00, η ξηρά ύλη της βιομάζας αποτελείται συνήθως από πολυμερή υδρογονανθράκων (κυτταρίνη, ημικυτταρίνη), φαινολικά πολυμερή (λιγνίνη) και, σε μικρές ποσότητες, άλλες ουσίες, όπως ρητίνες, λίπη και λιπαρά οξέα. Μια βασική διαφορά μεταξύ της ποώδους και της ξυλώδους βιομάζας είναι η μειωμένη περιεκτικότητα της πρώτης σε λιγνίνη και η αυξημένη περιεκτικότητα σε κυτταρίνη και ημικυτταρίνη. Μερικές χαρακτηριστικές τιμές για διάφορα είδη βιομάζας παρουσιάζονται στον Πίνακα 04-02 1, από τον οποίο προκύπτει ότι οι πρώτες ύλες ποώδους βιομάζας περιέχουν λιγνίνη σε ποσοστά από 15% περίπου έως λίγο πάνω από 20%. Καθώς η λιγνίνη είναι λιγότερο οξειδωμένη από την ημικυτταρίνη, έχει μεγαλύτερη θερμογόνο ικανότητα. Επομένως, η ποώδης βιομάζα έχει χαμηλότερη θερμογόνο ικανότητα εν συγκρίσει με την ξυλώδη βιομάζα ή κάποια αγροβιομηχανικά υπολείμματα, όπως ο ελαιοπυρήνας. Η μικρότερη περιεκτικότητα λιγνίνης επηρεάζει εν μέρει και την ταχύτητα καύσης ενώ, στις βιοχημικές διεργασίες, επηρεάζει το ποσοστό της οργανικής ύλης που μπορεί να μετατραπεί σε τελικό προϊόν (η λιγνίνη εν γένει δε χωνεύεται/ζυμώνεται και παραμένει στο στερεό υπόλειμμα, ενώ η κυτταρίνη και η ημικυτταρίνη μετατρέπονται πιο εύκολα σε σάκχαρα).
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 3 Είδος βιομάζας Σύσταση (% ξηρή, άνευ τέφρας) Ημικυτταρίνη Κυτταρίνη Λιγνίνη Φύλλα καπνού 41,5 43,5 15,0 Υπολείμματα αραβόσιτου 31,3 45,8 22,9 Μίσχανθος 27,9 50,0 22,1 Switchgrass 33,6 43,9 22,5 Άχυρο σιτηρών 45,2 33,8 21,0 Ξύλο φυλλοβόλων 32,3 45,9 21,9 Ξύλο κωνοφόρων 24,8 42,7 32,5 Τσόφλι φουντουκιού 30,3 26,7 43,0 Ελαιοπυρήνας 21,6 23,1 55,3 Πίνακας 04-02 1: Σύσταση σε κυτταρίνη, ημικυτταρίνη και λιγνίνη διαφόρων ειδών βιομάζας. Η σύσταση δίνεται επί ξηρού, ελεύθερη τέφρας και άλλων συστατικών. Για τις θερμικές διεργασίες, η χρήση της προσεγγιστικής (ή άμεσης) και της στοιχειακής ανάλυσης είναι συνηθέστερη και αποτελεί καλύτερο κριτήριο της επίδρασης του είδους της βιομάζας σε μια διεργασία. Δείτε το Παράρτημα Αναλύσεων Καυσίμου για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις αναλύσεις αυτές και των μετρούμενων μεγεθών στις συνθήκες καύσης. Μερικές ιδιότητες που αφορούν συγκεκριμένα τα ποώδη είδη βιομάζας αναφέρονται και παρακάτω. Όπως αναφέρθηκε στο Κεφάλαιο 03-02, η περιεκτικότητα σε υγρασία των περισσότερων αγροτικών υπολειμμάτων είναι αρκετά χαμηλή για καύσιμου τύπου αχύρου οι τυπικές τιμές της βιβλιογραφίας είναι κάτω του 15% κ.β. Άλλα υπολείμματα όμως, όπως τα ζαχαρότευτλα, έχουν πολύ υψηλότερη υγρασία, μέχρι και 40 60% κ.β., και μπορεί να είναι πολύ προβληματικά σε εφαρμογές καύσης. Η περιεκτικότητα υγρασίας προφανώς εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες (για τις πρώτες ύλες που συλλέγονται ή αποθηκεύονται στο χωράφι) ή την εκάστοτε διεργασία παραγωγής (για τα αγροβιομηχανικά υπολείμματα). Με βάση τα παραπάνω, τα περισσότερα κοινά είδη ποώδους βιομάζας είναι κατάλληλα για εφαρμογές καύσης, τουλάχιστον όσον αφορά την περιεχόμενη υγρασία τους. Τα υπολείμματα υψηλής υγρασίας απαιτούν υπερβολική ξήρανση πριν την καύση και βρίσκουν καλύτερη εφαρμογή σε βιοχημικές διεργασίες μετατροπής. Όπως και τα περισσότερα είδη βιομάζας, έτσι και οι πρώτες ύλες ποώδους βιομάζας έχουν υψηλότερη περιεκτικότητα σε πτητικές ουσίες σε σχέση με τους άνθρακες και λίγο υψηλότερες σε σχέση με την ξυλώδη βιομάζα ή ορισμένα αγροβιομηχανικά υπολείμματα. Μια γενική τάση είναι ότι η περιεκτικότητα σε πτητικά αυξάνει όσο μικρότερη είναι η περιεκτικότητα σε λιγνίνη ενός είδους βιομάζας. Η χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία των περισσότερων ποωδών πρώτων υλών σημαίνει ότι η έκλυση πτητικών αρχίζει σχεδόν αμέσως μετά την επαφή του καυσίμου με ένα μέσο υψηλής θερμοκρασίας. Η υψηλή περιεκτικότητα σε πτητικά σημαίνει και γρήγορη
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 4 απελευθέρωση του μεγαλύτερου μέρους της καύσιμης ύλης της ποώδους βιομάζας στην αέρια φάση. Επομένως, ένας σωστός σχεδιασμός του θαλάμου καύσης είναι απαραίτητος προκειμένου να δοθεί επαρκής χρόνος παραμονής για την πλήρη καύση των πτητικών αερίων. Θα πρέπει επίσης να τονιστεί ότι η εύκολη απελευθέρωση πτητικών από την ποώδη βιομάζα μπορεί να προκαλέσει προβλήματα ασφάλειας κατά το χειρισμό της η απελευθέρωση και η καύση των πτητικών μπορεί να πραγματοποιηθεί εύκολα αν η βιομάζα έρθει σε επαφή με θερμές επιφάνειες ή η θερμοκρασία της ανέβει σε αρκετά μεγάλα επίπεδα εκτός του θαλάμου καύσης. Ωστόσο, παρά τις ευνοϊκές συνθήκες εξαιτίας της χαμηλής υγρασίας και των υψηλών πτητικών, το χλώριο και η περιεχόμενη τέφρα είναι αυτά που θέτουν τα σημαντικότερα ζητήματα στις θερμικές διεργασίες με χρήση ποώδους βιομάζας. Τα προβλήματα δεν οφείλονται στην ποσότητα της τέφρας (αν και η ποώδης βιομάζα έχει εν γένει υψηλότερη περιεκτικότητα τέφρας σε σχέση με την ξυλώδη) αλλά με την ποιότητά της. Τα θέματα ποιότητας αφορούν κυρίως στις υψηλές συγκεντρώσεις στοιχείων όπως αλκάλια και πυρίτιο στην τέφρα της ποώδους βιομάζας, σε συνδυασμό με το χλώριο που περιέχεται στο καύσιμο. Τα στοιχεία αυτά τείνουν να σχηματίζουν ιδιαίτερα πτητικές ή/και εύτηκτες ενώσεις που είτε επηρεάζουν ορισμένες κατηγορίες ρυπαντών (π.χ. σωματίδια μικρών διαμέτρων) είτε προκαλούν λειτουργικά προβλήματα, όπως επικαθίσεις/επισκωριώσεις και διάβρωση. Τα θέματα αυτά εξετάζονται αναλυτικά στο Παράρτημα Τέφρας. Η δημιουργία συσσωματωμάτων είναι άλλο ένα θέμα που προκύπτει από τις χαμηλές θερμοκρασίες τήξης τέφρας ορισμένων βιοκαυσίμων και αφορά συγκεκριμένα τις διεργασίες που πραγματοποιούνται σε ρευστοποιημένες κλίνες. Εξετάζεται αναλυτικότερα στην ενότητα 04-02-02α. Όσον αφορά τη στοιχειακή σύσταση (δείτε για περισσότερες λεπτομέρειες το Παράρτημα Αναλύσεων Καυσίμου), τα ακόλουθα κύρια σημεία μπορούν να τονιστούν για τα είδη ποώδους βιομάζας: Η περιεκτικότητα σε άνθρακα (C) είναι μικρότερη σε σχέση με την ξυλώδη βιομάζα εξαιτίας της μικρότερης περιεκτικότητας σε λιγνίνη των φυτών. Αυτό συνεπάγεται και μικρότερη θερμογόνο ικανότητα ως προς τη μάζα ξηρού και ελεύθερου τέφρας καυσίμου. Το άζωτο (N) βρίσκεται στην ποώδη βιομάζα σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις σε σχέση με την ξυλώδη βιομάζα εξαιτίας του υψηλότερου ρυθμού ανάπτυξης και της χρήση λιπασμάτων αζώτου στα χωράφια. Ως αποτέλεσμα, οι εκπομπές NO x από την καύση ποώδους βιομάζας τείνουν να είναι μεγαλύτερες από αυτές τις ξυλώδους βιομάζας κάτω από αντίστοιχες συνθήκες καύσης. Αντίστοιχα, το θείο (S) είναι παρόν σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις σε ποώδεις βιομάζες σε σχέση με ξυλώδεις και μπορεί να οδηγήσει σε υψηλότερες εκπομπές SO x ή σε ορισμένα λειτουργικά προβλήματα, όπως διάβρωση ή θέματα καθαρισμού του αερίου σύνθεσης σε εφαρμογές αεριοποίησης.
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 5 Το χλώριο (Cl) είναι η βασικότερη διαφοροποίηση μεταξύ της ποώδους και της ξυλώδους βιομάζας. Τα είδη ποώδους βιομάζας έχουν περιεκτικότητα χλωρίου που κυμαίνεται από μικρότερο του than 0,1% μέχρι 2% ή περισσότερο. Επομένως, αυξημένες εκπομπές (διοξινών ή σωματιδίων τέφρας)καθώς και λειτουργικά προβλήματα μπορεί να παρατηρηθούν κατά την καύση της ποώδους βιομάζας. Γενικά, ως προς τη θερμογόνο ικανότητα, η χαμηλότερη περιεκτικότητα λιγνίνης/άνθρακα της ποώδους βιομάζα συνεπάγεται χαμηλότερη ΑΘΙ σε σχέση με τα καύσιμα ξυλώδους βιομάζας. Επίσης, η μεγαλύτερη περιεκτικότητα τέφρας συνεισφέρει στη μείωση της θερμογόνου ικανότητας που λαμβάνεται ανά κιλό καυσίμου. Το εύρος της ανώτερης θερμογόνου ικανότητα για διάφορα είδη ποώδους βιομάζας κυμαίνεται μεταξύ 17 19 MJ/kg επί ξηρού, ενώ η κατώτερη θερμογόνος ικανότητα είναι συνήθως μεταξύ 14 16 MJ/kg ως έχει για υλικά τύπου αχύρου. Η χαμηλότερη περιεκτικότητα υγρασίας σημαίνει ότι η διαφορά μεταξύ της ΚΘΙ και της ΑΘΙ δεν είναι τόσο μεγάλη όσο στη ξυλώδη βιομάζα. 04-02-02: Ποώδης βιομάζα σε εφαρμογές καύσης μεσαίας και μεγάλης κλίμακας 04-02-02α: Αποκλειστική καύση ποώδους βιομάζας Τα συστήματα καύσης μέσης προς μεγάλης κλίμακας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή θερμότητας (π.χ. θερμότητα διεργασιών, θερμότητα για δίκτυα τηλεθέρμανσης), ηλεκτρισμού ή/και των δυο μαζί. Η θερμοκή ισχύς αυτών των συστημάτων ποικίλει από λίγα MW έως 50 MW και (πολύ σπανιότερα) παραπάνω. Γενικά, η καύση της ποώδους βιομάζας σε τέτοιες εφαρμογές οδηγεί σε προβλήματα επικαθίσεων και διαβρώσεων, όπως αυτά εξετάστηκαν στο Παράρτημα Τέφρας, καθώς και σε συγκεκριμένα περιβαλλοντικά ζητήματα, που εξετάστηκαν στο Παράρτημα Καυσίμου. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι να αποτελεί κοινή πρακτική η τροφοδότηση ενός λέβητα που λειτουργεί με ξηρή βιομάζα με ένα μείγμα ξηρής ξυλώδους βιομάζας (το μεγαλύτερο μέρος) και ενός μικρότερου ποσού ποώδους βιομάζας. Ωστόσο, υπάρχουν και αρκετά παραδείγματα λεβήτων αποκλειστικής καύσης ποώδους βιομάζας. Το άχυρο είναι το συχνότερα χρησιμοποιούμενο καύσιμο σε αυτούς τους λέβητες και οι ηγετικές εταιρείες σε αυτές τις τεχνολογίες είναι Δανέζικες. Για τις μονάδες ηλεκτροπαραγωγής που τροφοδοτούνται με ποώδη βιομάζα, οι επιβλαβείς συνέπειες των διαβρωτικών ουσιών που ελευθερώνονται κατά την καύση της περιορίζονται συνήθως με μείωση των θερμοκρασιών ατμού σε σχέση με τις μονάδες ηλεκτροπαραγωγής από άνθρακα ή ξυλώδη βιομάζα. Έτσι, οι μονάδες αυτές λειτουργούν με σχετικά χαμηλότερους βαθμούς απόδοσης, όπως αναφέρεται και στην ενότητα 04-00-08-ζ. Υπάρχουν τρία κύρια είδη τεχνολογιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές καύσης μέσης προς μεγάλης κλίμακας. Με σειρά μειούμενου μεγέθους υλικού που διαχειρίζονται είναι οι εξής: σταθερές κλίνες, ρευστοποιημένες κλίνες και μονάδες κονιοποιημένου καυσίμου.
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 6 Τα συστήματα σταθερής κλίνης είναι η πιο διαδεδομένη τεχνολογία για την αποκλειστική καύση ποώδους βιομάζας. Είναι κατάλληλα για κάθε είδος προβληματικού στερεού καυσίμου, π.χ. υψηλής υγρασία, υψηλής περιεκτικότητας σε τέφρα και μεγάλου μεγέθους σωματιδίων. Η καύση σε αυτές τις μονάδες συνήθως λαμβάνει χώρα σε μια εσχάρα που βρίσκεται στον πυθμένα του λέβητα. Η καύσιμη βιομάζα τεμαχίζεται ή κόβεται πριν εισέλθει στον λέβητα, αλλά δε χρειάζεται να κονιοποιηθεί πλήρως. Με την είσοδό του στο θάλαμο καύσης, το καύσιμο αεριοποιείται πάνω στην εσχάρα. Τα θερμά καυσαέρια καίγονται στα άνω επίπεδα του θαλάμου καύσης, ενώ το εναπομένον εξανθράκωμα καίγεται στην εσχάρα και το μεγαλύτερο μέρος της παραγόμενης τέφρας συλλέγεται στο κατώτερο επίπεδο της εσχάρας (βλέπε και Εικόνα 04-00 6). Μέρος της τέφρας παρασύρεται από τα καυσαέρια και πρέπει να συλλεχθεί από κατάλληλη συστήματα καθαρισμού, όπως ηλεκτροστατικά φίλτρα. Πρακτικά, καθώς το μεγαλύτερο μέρος της μάζας και της ενέργειας του καυσίμου ελευθερώνεται με τα πτητικά αέρια, ο κατάλληλος σχεδιασμός του ανώ μέρους του θαλάμου καύσης είναι απαραίτητος για να εξασφαλιστεί η σωστή ανάμειξη με αέρα και οι χρόνοι παραμονής που θα εξασφαλίσουν την πλήρη καύση των αερίων. Η κίνηση του καυσίμου πάνω στην εσχάρα μπορεί να γίνεται μέσω της βαρύτητας και μόνο (σταθερές εσχάρες) ή με την εφαρμογή κάποιου είδους κίνησης της εσχάρας, από την οποία παίρνουν και το όνομά τους οι διάφοροι τύποι τεχνολογιών: σταθερές, δονούμενες, κυλιόμενες, μετακινούμενες ή περιστρεφόμενες εσχάρες. Οι σταθερές εσχάρες αποτελούν την απλούστερη και χαμηλότερου κόστους επένδυσης επιλογή, προσφέρουν όμως το μικρότερο έλεγχο των συνθηκών καύσης. Επιπρόσθετα, είναι πιο ευάλωτες στα προβλήματα που προκαλούν τα τηγμένα σωματίδια τέφρας. Οι δονούμενες εσχάρες χρησιμοποιούνται συχνά με καύσιμα που χαρακτηρίζονται από χαμηλές θερμοκρασίες τήξης τέφρας, όπως το άχυρο, καθώς η συνεχής δόνηση αποτρέπει το σχηματισμό μεγάλων συσσωματωμάτων τηγμένης τέφρας. Ωστόσο, η δόνηση μεταφέρει τελικά περισσότερο σωματίδια τέφρας στα καυσαέρια και επομένως, απαιτούνται πιο δραστικά μέτρα καθαρισμού των καυσαερίων. Μια ηλεκτροπαραγωγική μονάδα καύσης αχύρου δονούμενης εσχάρας παρουσιάζεται στην Εικόνα 04-02 2. Μια παραλαγή των συστημάτων εσχάρας περιλαμβάνει τη χρήση ενός καυστήρα τύπου «σιγαρέτου». Ο καυστήρας αυτός μπορεί να τροφοδοτηθεί απευθείας με μπάλες αχύρου, χωρίς προηγούμενο τεμαχισμό τους. Μέρος της μπάλας καίγεται πάνω από την εσχάρα, καθώς εισέρχεται στο θάλαμο καύσης, ενώ το υπόλοιπο μέρος πέφτει και καίγεται στην εσχάρα. Το πλεονέκτημα αυτού του συστήματος είναι ότι η συνεχής τροφοδοσία του συστήματος μπορεί να επιτευχθεί με ελάχιστη προεπεξεργασία. Το μειονέκτημα είναι ότι μπορεί να χειριστεί μόνο δεματοποιημένη βιομάζα, η ευαισθησία στις μεταβολές του μεγέθους της μπάκας και οι σχετικά υψηλές εκπομπές CO και ο χαμηλός βαθμός απόδοσης. Για τους λόγους αυτούς, τα τελευταία χρόνια δεν έχουν εγκατασταθεί νέες μονάδες αυτού του τύπου και η τεχνολογία έχει πρακτικά εγκαταλειφθεί.
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 7 Εξαιτίας των δυσκολιών στην επίτευξη ομογενών συνθηκών καύσης, τα συστήματα εσχάρας δεν αποτελούν την καλύτερη επιλογή για την επεξεργασία μειγμάτων ποώδους και ξυλώδους βιομάζας. Ωστόσο, μερικές τεχνολογίες, όπως τα συστήματα περιστρεφόμενης εσχάρας, ισχυρίζονται ότι μπορούν να πετύχουν καλά αποτελέσματα ακόμα και με αυτό το είδος καυσίμου, εξαιτίας της φυσικής ανάμειξης που προκαλεί η κίνηση της εσχάρας. Ο έλεγχος των εκπομπών όταν η μονάδα λειτουργεί σε μερικό φορτίο επίσης δεν είναι βέλτιστος. Τέλος, αν και το κόστος επένδυσης για αυτά τα συστήματα είναι εν γένει αρκετά χαμηλό, η απαίτηση για μεγάλη περίσσεια αέρα προκειμένου να εξασφαλιστεί η καύση των πτητικών αερίων οδηγεί τελικά σε χαμηλούς βαθμούς απόδοσης. Ατμοστρόβιλος Γεννήτρια Υπόγεια καλώδια Δίκτυο Μετασχηματιστής Καμινάδα Λέβητας Ατμός Υποσταθμός Επιστροφή νερού Κανάλι Προθερμαντήρας αέρα Φίλτρα Οικονομητήρας νερού Ατμός Ατμός Τύμπανο Αντλία Νερό ψύξης Νερό Συλλογή ιπτάμενης τέφρας Σωληνοτοιχώματα Τεφρολεκάνη Δονούμενη εσχάρα Τεμαχιστής αχύρου Εικόνα 04-02 2: Η ηλεκτροπαραγωγική μονάδα καύσης αχύρου της εταιρείας ACCIONA στην περιοχή Sanguesa της Ισπανίας (Πηγή: ACCIONA) Τα συστήματα ρευστοποιημένων κλινών αναπτύχθηκαν αρχικά τη δεκαετία του 1970 για χρήση με άνθρακες υψηλής περιεκτικότητας σε θείο, η καύση των οποίων σε συμβατικά συστήματα θα οδηγούσε σε μη επιτρεπόμενα επίπεδα εκπομπών SO x. Η κύρια ιδέα πίσω από την τεχνολογία αυτή είναι η καύση του καυσίμου σε μια κλίνη γεμάτη από ένα «αδρανές» πληρωτικό υλικό, ενώ ο αέρας τροφοδοτείται από τον πυθμένα του θαλάμου καύσης.
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 8 Εφόσον η ταχύτητα του αέρα είναι αρκετά μεγάλη, τα σωματίδια της κλίνης και του καυσίμου παρασύρονται και αιωρούνται και είναι στην πράξη «ρευστοποιημένα». Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι ρευστοποιημένων κλινών: οι αναβράζουσες ρευστοποιημένες κλίνες (BFB), στις οποίες η ταχύτητα του αέρα είναι σχετικά χαμηλή και τα σωματίδια σχηματίζουν μια σαφώς καθορισμένη ζώνη στο θάλαμο καύσης, η οποία θυμίζει ένα αναβράζον υγρό και οι ρευστοποιημένες κλίνες ανακυκλοφορίας (CFB), στις οποίες η ταχύτητα ρευστοποίησης είναι μεγαλύτερη και τα σωματίδια εξέρχονται συνεχώς από το θάλαμο καύσης και πρέπει να «ανακυκλοφορήσουν» πίσω σε αυτόν αφού περάσουν από έναν κυκλώνα διαχωρισμού μεγέθους. Τα συστήματα ρευστοποιημένων κλινών παρουσιάζουν αρκετά πλεονεκτήματα: Είναι ικανές να λειτουργούν με μεγάλο εύρος καυσίμων, με μεγάλες διακυμάνσεις ως προς το μέγεθος σωματιδίων, την περιεκτικότητα σε υγρασία και τέφρα. Η ευελιξία αυτή παραμένει εν μέρει ακόμα και μετά την κατασκευή του λέβητα. Έχουν μεγάλη θερμοχωρητικότητα και έτσι μπορούν να συνεχίσουν να λειτουργούν ακόμα κι αν η παροχή καυσίμου σταματήσει για μερικά λεπτά. Ο χρόνος παραμονής των σωματιδίων του καυσίμου είναι αρκετά μεγάλος. Έτσι, μπορεί να επιτευχθεί υψηλός βαθμός απόδοσης σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, με το πρόσθετο πλεονέκτημα της μείωσης των εκπομπών των θερμικών NOx (βλέπε Παράρτημα Καυσίμου). Με χρήση κατάλληλων πρόσθετων στη ρευστοποιημένη κλίνη, τα εκπεμπόμενα SO x μπορούν να απορροφηθούν και να ελαχιστοποιηθούν χωρίς την καταφυγή σε ακριβά συστήματα δευτερεύοντος καθαρισμού. Υπάρχουν και κάποια μειονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας, όπως το υψηλό σωματιδιακό φορτίο που απαιτεί ιδιαίτερα αποδοτικά συστήματα απομάκρυνσης της σκόνης από τα καυσαέρια και η αυξημένη μηχανική διάβρωση των επιφανειών που είναι εκτεθειμένες στην κλίνη των σωματιδίων. Το πιο σημαντικό θέμα πάντως, και αυτό που αφορά περισσότερο την καύση ποώδους βιομάζας είναι το φαινόμενο που ονομάζεται συσσωμάτωση. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι ρευστοποιημένες κλίνες λειτουργούν με την παροχή αέρα ικανοποιητικηςταχύτητας που εισέρχεται από τον πυθμένα του θαλάμου καύσης. Η απαιτούμενη ταχύτητα του αέρα για τη ρευστοποίηση εξαρτάται από τις ιδιότητες των σωηματιδίων, π.χ. μέγεθος και πυκνότητα. Τα πολύ μικρού μεγέθους σωματίδια (όπως τα καμένα σωματίδια καυσίμου) παρασύρονται εκτός της ζώνη ρευστοποίησης, ενώ τα πολύ μεγάλα δεν μπορούν να ρευστοποιηθούν και πέφτουν στον πυθμένα. Η ποώδης βιομάζα χαρακτηρίζεται συνήθως από χαμηλές θερμοκρασίες τήξης τέφρας. Έτσι, τα σωματίδια της τέφρας που βρίσκονται στη ζώνη ρευστοποίησης είναι συχνά λιωμένα ή μισολιωμένα και κολλούν στην επιφάνεια των σωματιδίων της κλίνης, τα οποία με τη σειρά τους αρχίζουν να σχηματίζουν μεγαλύτερα συσσωματώματα. Αν το μέγεθος αυτών των συσσωματωμάτων γίνει αρκετά μεγάλα, τότε η ταχύτητα αέρα δεν επαρκεί πλέον για τη ρευστοποίηση και αυτά πέφτουν στον πυθμένα, οδηγώντας έτσι σε διακοπές λειτουργίας. Τα αλκάλια που περιέχονται στην ποώδη βιομάζα μπορούν επίσης να αντιδράσουν με το
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 9 πληρωτικό υλικό της κλίνης και να σχηματίσουν ευτηκτικές ενώσεις. Οι ρευστοποιημένες κλίνες υπόκεινται επίσης στα προβλήματα επικαθίσεων και διάβρωσης που παρατηρούνται κατά την καύση βιομάζας με υψηλές συγκεντρώσεις χλωρίου και αλκαλίων. Τέλος, οι ρευστοποιημένες κλίνες συνεπάγονται μεγαλύτερο κόστος επένδυσης σε σχέση με τους λέβητες εσχάρας ή τα συστήματα κονιοποιημένου καυσίμου. Σε κάποιο βαθμό, το πρόβλημα της συσσωμάτωσης μπορεί να ελεγχθεί με μέτρα που περιορίζουν την επίπτωση της διάβρωσης και των επικαθίσεων. Η χρήση προσθέτων σε αυτή την τεχνολογία είναι εύκολη, αλλά το κόστος παραμένει μεγάλο. Για το λόγο αυτό, η χρήση ποώδους βιομάζας σε τέτοια συστήματα λεβήτων περιορίζεται σε ποσοστά θερμικής υποκατάστασης μικρότερα του 50%. Οι περισσότεροι χειριστές λεβήτων θα προτιμούσαν ακόμα χαμηλότερα ποσοστά, της τάξης του 20%. Τα συστήματα κονιοποιημένου καυσίμου καίνε ένα αιώρημα εξαιρετικά λεπτόκοκκων σωματιδίων καυσίμου αναμεμειγμένο με αέρα καύσης. Σήμερα, τα συστήματα αυτά είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνολογία σε ανθρακικές μονάδες. Καθώς η άλεση της βιομάζας και ιδίως της ποώδης βιομάζας (βλέπε ενότητα 03-02-04) σε λεπτόκοκκα σωματίδια είναι πολύ ενεργοβόρο, η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται μόνο σε εφαρμογές αποκλειστικής καύσης βιομάζας για τις οποίες υπάρχουν εύκολα διαθέσιμα λεπτόκοκκα σωματίδια, όπως πριονίδια. 04-02-02β: Μεικτή καύση άνθρακα και ποώδους βιομάζας Οι προηγούμενες παράγραφοι αναφέρονταν σε εγκαταστάσεις που χρησιμοποιούν είτε αποκλειστικά ποώδη βιομάζα είτε ένα μείγμα ποώδους με ξυλώδη βιομάζα. Ωστόσο, υπάρχει και μια άλλη επιλογή, αυτής της χρήσης ποώδους βιομάζας για την αντικατάσταση ενός μέρους της θερμικής ισχύος που παρέχει ένα ορυκτό καύσιμο, κυρίως ανθρακικό, σε μια υπάρχουσα μονάδα. Η επιλογή αυτή είναι γνωστή ως μεικτή καύση (ή σύγκαυση) και παρέχει ορισμένα σημαντικά πλεονεκτήματα όπως τη δυνατότητα μείωσης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, SOx και NOx από ανθρακικές μονάδες. Επιπρόσθετα, οι μονάδες που τροποποιούνται για λειτουργία μεικτής καύσης μπορούν, στις περισσότερες των περιπτώσεων, να επιστρέψουν σε κανονική λειτουργία αποκλειστικής καύσης άνθρακα και επομένως μπορούν να αντιμετωπίσουν καλύτερα ελλείψεις σε καύσιμη βιομάζα. Η μεικτή καύση υλοποιείται είτε σε μονάδες κονιοποιημένου καυσίμου είτε σε ρευστοποιημένες κλίνες οι σταθερές κλίνες έχουν εγκαταληφθεί πλέον ως τεχνολογία καύσης του άνθρακα. Υπάρχουν αρκετές εναλλακτικές οδοί στην υλοποίηση της μεικτής καύσης σε μια υπάρχουσα ανθρακική μονάδα (βλέπε Εικόνα 04-02 3): Η άμεση μεικτή καύση σημαίνει ότι η καύσιμη βιομάζα και ο άνθρακας καίγονται στον ίδιο λέβητα. Ο απλούστερος και λιγότερο ακριβός τρόπος να υλοποιηθεί αυτό είναι η τροφοδότηση της βιομάζας στους υπάρχοντες μύλους και καυστήρες του άνθρακα (βλέπε επιλογή 1 στην Εικόνα). Ο τρόπος αυτός είναι όμως και ο λιγότερο βελτιστοποιημένος και αυτός με τις περισσότερες πιθανότητες να οδηγήσει σε προβλήματα κατά τη μεικτή καύση. Μια πιο περίπλοκη λύση είναι η μείωση του μεγέθους της βιομάζας σε έναν ξεχωριστό μύλο, με ταυτόχρονη χρήση των υπαρχόντων ανθρακικών καυστήρων (επιλογή 2). Το κόστος ανεβαίνει εξαιτίας της εγκατάστασης νέων μύλων και ο έλεγχος
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 10 των συνθηκών καύσης δεν είναι ο βέλτιστος, ωστόσο δεν απαιτούνται μεταβολές του λέβητα και του θαλάμου καύσης. Τέλος, μπορούν να εγκατασταθούν καινούριοι καυστήρες και μύλοι βιομάζας (επιλογή 3). Το κόστος είναι υψηλότερο από τις προηγούμενες περιπτώσεις, ωστόσο οι τεχνικοί κίνδυνοι είναι σαφώς μειωμένοι. Αν η βιομάζα υποβληθεί σε μια διεργασία πυρόλυσης χαμηλών θερμοκρασιών (torrefaction, βλέπε 04-02-06), γίνεται εύκολα αλέσιμη και οι ιδιότητες καύσης της προσεγγίζουν περισσότερο αυτές του άνθρακα. Τότε μπορεί να τροφοδοτηθεί απευθείας στους ανθρακικούς μύλους και καυστήρες (επιλογή 5). Η έμμεση μεικτή καύση σημαίνει ότι η καύσιμη βιομάζα οδηγείται σε έναν αεριοποιητή (επιλογή 4) και το αέριο προϊόν τροφοδοτείται απευθείας στον ανθρακικό λέβητα. Στην περίπτωση αυτή, τα θέματα που αφορούν την τέφρα της βιομάζας μένουν εκτός του ανθρακικού λέβητα ωστόσο το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας είναι μεγαλύτερο ενώ υπεισέρχονται και ζητήματα που αφορούν την αεριοποίηση της βιομάζας (βλέπε 04-02-05). Η παράλληλη μεικτή καύση σημαίνει ότι η βιομάζα καίγεται σε έναν ξεχωριστό λέβητα, σχεδιασμένος ώστε να μπορεί να ανταπεξέλθει στις όποιες δυσκολίες της πρώτης ύλης. Ο λέβητας ίσως πρέπει να λειτουργεί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες ατμού ώστε να μην υπάρχουν προβλήματα διάβρωσης (δείτε σχετικά και το Παράρτημα Τέφρας), ωστόσο ο συνολικός βαθμός απόδοσης ανεβαίνει μέσω της σύνδεσης του κύκλου ατμού της βιομάζας και του άνθρακα. Όλες οι παραπάνω επιλογές, εκτός της πυρόλυσης χαμηλών θερμοκρασιών, έχουν εφαρμοστεί σε επιδεικτικές εφαρμογές σε διάφορες χώρες του κόσμου. Το μέγιστο ποσοστό της βιομάζας στο μείγμα καυσίμου μιας μονάδας μεικτής καύσης εξαρτάται από πολλές παραμέτρους, όπως τις ιδιότητες των καυσίμων και της τέφρας τους (τόσο του άνθρακα όσο και της βιομάζας), την κατασκευή και το σχεδιασμό του λέβητα, τις οδούς αξιοποίησης της τέφρας, καθώς και από τη διαθεσιμότητα και το κόστος της βιομάζας. Ένας πολύ γενικός εμπειρικός κανόνας είναι ότι η ξυλώδης βιομάζα μπορεί να τροφοδοτηθεί σε έναν ανθρακικό λέβητα σε ποσοστά θερμικής υποκατάσταση μέχρι και 20% χωρίς σημαντικά προβλήματα ή ανάγκη τροποποιήσεων, ενώ για την ποώδη βιομάζα το ποσοστό αυτό μειώνεται στο 10% εξαιτίας της περιεκτικότητάς της σε χλώριο και αλκάλια. Η μεικτή καύση με άνθρακες υψηλού θείου ίσως ελαττώσει την ένταση ορισμένων προβλημάτων διάβρωσης της ποώδους βιομάζας, όπως συζητήθηκε στο Παράρτημα Τέφρας. Γενικά πάντως, η μεικτή καύση αποτελεί μια εξαιρετική επιλογή για την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας. Για παράδειγμα, ένας από τους πιο αποδοτικούς (42% ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης, 92% συνολικός βαθμός απόδοσης) και μεγαλύτερους σταθμούς ΣΗΘ στον κόσμο είναι το Avedøre 2 της εταιρείας DONG Energy. Η μονάδα Avedøre 2 τροφοδοτεί το σύστημα τηλεθέρμανσης της Κοπεγχάγης και λειτουργεί βάσει ενός μείγματος καυσίμων. Ο κύριος λέβητας, δυναμικότητας 800 MWth, χρησιμοποιεί ένα μείγμα φυσικού αερίου, βαρέων κλασμάτων πετρελαίου και πελλετών ξύλου, ενώ ένας συμπληρωματικός λέβητας εσχάρας δυναμικότητας 105 MWth λειτουργεί με καύσιμο μπάλες αχύρου. Ο ατμός που παράγεται από τον λέβητα αχύρου χρησιμοποιείται στον ίδιο ατμοστρόβιλο με τον κύριο
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 11 λέβητα, πρόκειται δηλαδή για την εκδοχή της παράλληλης μεικτής καύσης με στόχο τη μεγιστοποίηση της συνολικής απόδοσης. Πυρόλυση (Torrefaction) Αεριοποιητής Καμινάδα Άνθρακας Μύλοι Καυστήρες Λέβητας Καθαρισμός καυσαερίων Προεπεξεργασία Μύλοι Ατμοστρόβιλος Βιομάζα Εικόνα 04-02 3: Τεχνικές μεικτής καύσης σε ανθρακικές μονάδες (Πηγή: KEMA/IEA Task 32) Τα τελευταία χρόνια, και τόσο για οικονομικούς όσο και για περιβαλλοντικούς λόγους, υπήρχαν αρκετά πρωτοβουλίες για τη μετατροπή παλαιών ανθρακικών μονάδων σε μονάδες καύσης με πολύ υψηλά χρήσης βιομάζας. Το Βέλγιο είναι στη διεθνή πρωτοπορία αυτής της τάσης: δυο παλιές ανθρακικές μονάδες, η Μονάδα 4 της ανθρακικής μονάδας του Les Awirs και η Μονάδα 4 του ηλεκτροπαραγωγικού σταθμού Rodenhuize έχουν ήδη μετατραπεί σε 100% καύση πελλετών ξύλου. Οι μεγάλες ποσότητες βιομάζας που απαιτούνται για τη λειτουργία τέτοιων μονάδων συνήθως εισάγονται από το εξωτερικό, π.χ. από τον Καναδά. Τέτοια συστήματα με χρήση ποώδους βιομάζας δεν έχουν ακόμα υλοποιηθεί, εν μέρει εξαιτίας των τεχνικών δυσκολιών που παρουσιάζει η πρώτη ύλη, και εν μέρει εξαιτίας της απουσίας μιας παγκόσμιας αγοράς για πελλέτες από βιομάζα αγροτικής προέλευσης. 04-02-04: Ποώδης βιομάζα σε εφαρμογές οικιακής θέρμανσης Όπως αναφέρθηκε στην εισαγωγή αυτού του κεφαλαίου, η χρήση ποώδους βιομάζας για την παραγωγή θερμότητας για οικιακές ανάγκες είναι πολύ διαδεδομένη σε αρκετές χώρες του Τρίτου Κόσμου καθώς και σε μερικές αγροτικές περιοχής στην Ευρώπη. Η απόδοση και οι εκπομπές παρουσιάζουν μεγάλη διακύμανση ανάλογα με την τεχνολογία και το καύσιμο. Το άχυρο είναι μάλλον το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο είδος ποώδους βιομάζας σε μικρής κλίμακας εφαρμογές θέρμανσης στην Ευρώπη. Στο πιο κοινό τύπο λέβητα αχύρου, ο θάλαμος καύσης τροφοδοτείται περιοδικά με μια ολόκληρη μπάλα άχυρου. Τα μικρότερα σε μέγεθος συστήματος τροφοδοτούνται χειροκίνητα με μικρές μπάλες, ενώ τα μεγαλύτερα συστήματα απαιτούν κυλινδρικές ή μεγάλες ορθογώνιες μπάλες οι οποίες τροφοδοτούνται με
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 12 φορτωτή. Υπάρχουν διαθέσιμα και συστήματα αυτόματης τροφοδοσίας αχύρου, στα οποία η μπάλα μεταφέρεται με ένα σύστημα ταινιών και τεμαχίζεται πριν εισέλθει στο θάλαμο καύσης. Ο βαθμός απόδοσης αυτών των συστημάτων έχει αυξηθεί από 30-40% από τα μέσα της δεκαετίας του 1970 σε 80% και πάνω σήμερα. Τα συστήματα αυτόματης τροφοδοσίας έχουν γενικά μεγαλύτερους βαθμούς απόδοσης σε σχέση με τα χειροκίνητα. Παρά αυτή τη σημαντική τεχνολογική πρόοδο, τα συστήματα καύσης ποώδους βιομάζας για εφαρμογές μικρής κλίμακας υστερούν ακόμα σε σχέση με τα αντίστοιχα για την ξυλώδη βιομάζα. Το ισχύον Ευρωπαϊκό Πρότυπο για τη λειτουργία των λεβήτων βιομάζας είναι το 303:05. Σύμφωνα με το πρότυπο, οι λέβητες βιομάζας κατατάσσονται σε κλάσεις από 1 έως 5. Κάθε κλάση πρέπει να πληροί συγκεκριμένες απαιτήσεις ως προς τις εκπομπές και το βαθμό απόδοσης ανάλογα με το σύστημα τροφοδοσίας (χειροκίνητο ή αυτόματο) και τη δυναμικότητα του λέβητα. Στην Ελλάδα, για παράδειγμα, οι λέβητες βιομάζας πρέπει να ελέγχονται εργαστηριακά ώστε να αποδεικνύεται ότι είναι Κλάσης 3 ή μεγαλύτερης προκειμένου να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές οικιακής θέρμανσης. Αυτή η απαίτηση ικανοποιείται ευκολότερα από λέβητες που χρησιμοποιούν ξυλώδη βιομάζα, παρά από αυτούς που λειτουργούν με ποώδη βιομάζα. Οι εκπομπές σωματιδίων για παράδειγμα, και ιδίως επιβλαβών εκπομπών PM1, τείνουν να είναι υψηλότερες για τους λέβητες ποώδους βιομάζας εξαιτίας του υψηλότερου πτητικού ανόργανου περιεχόμενού της σε σχέση με τη ξυλώδη βιομάζα. Η υψηλή περιεκτικότητα τέφρας της ποώδους βιομάζας θέτει επίσης ορισμένα λειτουργικά ζητήματα, καθώς και θέματα «άνεσης» για τους λέβητες που την αξιοποιούν. Οι επικαθίσεις και η διάβρωση είναι ένα πρόβλημα για αυτούς τους λέβητες, όπως και για τα μεγαλύτερου μεγέθους αντίστοιχά τους. Ένας λέβητας πελλετών που καίει πελλέτες αχύρου μπορεί να εμφανίσει προβλήματα εμπλοκής του συστήματος απομάκρυνσης τέφρας εξαιτίας της τηγμένης τέφρας. Επίσης, εν συγκρίσει με μια συχνότητα καθαρισμού της τάξης του ενός μηνός για πελλέτες ξύλου, ο χειριστής ενός λέβητα πελλετών που καίει άχυρο μπορεί να χρειαστεί να καθαρίζει το τεφροδοχείο τέσσερις με έξι φορές πιο συχνά, ακόμα κι αν δεν προκύψουν άλλα ζητήματα. Γενικά, οι λέβητες θέρμανσης μονοκατοικιών δεν αποτελούν σήμερα τη βέλτιστη λύση για την αξιοποίηση των πρώτων υλών ποώδους βιομάζας, ιδίως όταν είναι εγκατεστημένοι σε αστικές περιοχές. Υπάρχουν κάποια επιτυχημένα παραδείγματα αυτών των τεχνολογιών, αν και ανήκουν συνήθως στις μεγαλύτερες δυναμικότητες της «μικρής κλίμακας». Συστήματα θέρμανσης σε επίπεδο γειτονιάς έχουν εγκατασταθεί σε πολλές περιπτώσεις στη Δανία. Συνήθως, αυτά τα συστήματα ανήκουν σε έναν αγρότη με πρόσβαση σε αρκετή ποσότητα φθηνού αχύρου. Ο αγρότης εγκαθιστά και λειτουργεί το λέβητα στις εγκαταστάσεις τους, καλύπτει τις δικές του θερμικές ανάγκες και παρέχει την εναπομένουσα θερμότητα σε 70-80 γειτονικές οικίες ή άλλα κτίρια. Η απόσταση μεταξύ των κτιρίων στο δίκτυο δεν πρέπει να είναι πολύ μεγάλη ώστε να αποφευχθούν οι απώλειες σωληνώσεων και να παραμείνει το έργο κερδοφόρο. Οι κρίσιμοι παράμετροι που πρέπει να εξεταστούν για το σχεδιασμό του
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 13 συστήματος είναι η ενεργειακή πυκνότητας της περιοχής και το φορτίο γραμμής βλέπε σχετικά και την ενότητα 04-00-08κ. 04-02-05: Ποώδης βιομάζα σε εφαρμογές θερμικής αεριοποίησης Η θερμική αεριοποίηση είναι μια διεργασία που στοχεύει στην πλήρη μετατροπή ενός στερεού καυσίμου σε ένα καύσιμο αέριο μείγμα, όπως εξηγήθηκε στην ενότητα 04-00-04. Η διεργασία συνήθως λαμβάνει χώρα σε υψηλές θερμοκρασίες και σε αντιδραστήρες τύπου είτε σταθερής είτε ρευστοποιημένες κλίνης. Η διαφορά με τα συστήματα καύσης είναι ότι η παροχή οξυγόνου καθ όλη τη διεργασία είναι μικρότερη από την απαιτούμενη για την πλήρη οξείδωση του καυσίμου, έτσι ώστε τα παραγόμενα αέρια να διατηρούν τη θερμογόνο ικανότητά τους. Γενικά, το παραγόμενο αέριο από τη διεργασία αεριοποίησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε ως καύσιμο οπότε και δεν τίθεται θέμα για τη θερμοκρασία τήξης της τέφρας είτε ως αέριο σύνθεσης για την παραγωγή χημικών οπότε και υπάρχουν αυστηρότερες απαιτήσεις ως προς τις ακαθαρσίες του καυσίμου. Η χρήση ποώδους βιομάζας σε αντιδραστήρες αεριοποίησης θέτει δυο ειδών προβλήματα: Το πρώτο, όπως και στην περίπτωση της καύσης, σχετίζεται με την περιεχόμενη τέφρα του καυσίμου. Αν και το παραγόμενο αέριο μπορεί να μείνει ελεύθερο τέφρας και επομένως να καεί πολύ ευκολότερα σε σχέση με την πρώτη ύλη, οι θερμοκρασίες τήξης τέφρας παραμένουν προβληματικές για τον αεριοποιητή. Η αεριοποίηση σε ρευστοποιημένες κλίνες για παράδειγμα μπορεί να 04-02-03α. Για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων, η Δανέζικη εταιρεία DONG Energy έχει αναπτύξει έναν αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης που λειτουργεί σε χαμηλές θερμοκρασίες (Εικόνα 04-02 3). Σε αυτή τη διεργασία, άχυρο και άλλα προβληματικά είδη βιομάζας τροφοδοτούνται αρχικά σε μια ρευστοποιημένη κλίνη χαμηλής θερμοκρασίας (~ 650 o C), όπου και πυρολύονται. Η θερμοκρασία της διεργασίας είναι αρκετά χαμηλή ώστε να εμποδίσει την τήξη της τέφρας και την απελευθέρωση μεγάλου μέρους των πτητικών ανόργανων ενώσεων της τέφρας. Το εναπομένον εξανθράκωμα αεριοποιείται σε δεύτερο αντιδραστήρα, υψηλότερης θερμοκρασίας. Δυο κυκλώνες χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση των σωματιδίων της σκόνης και κατόπιν το παραγόμενο αέριο είναι κατάλληλο για καύση. Μια επιδεικτική μονάδα 6 MW λειτουργεί ήδη στη Δανία. Το 95% της ενέργειας του καυσίμου περιέχεται στο παραγόμενο αέριο, το οποίο αξιοποιείται ενεργειακά σε μια παρακείμενη ανθρακική μονάδα. Περισσότερες πληροφορίες γι'αυτή τη μονάδα μπορείτε να βρείτε εδώ: www.dongenergy.com Το δεύτερο πρόβλημα με τη χρήση ποώδους βιομάζας σε εφαρμογές αεριοποίησης σχετίζεται με τις ακαθαρσίες που περιέχονται στο παραγόμενο αέριο. Καθώς η ποώδης βιομάζα έχει σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις θείου, χλωρίου και πτητικών αλκαλίων, ακαθαρσίες όπως H 2 S (υδρόθειο), HCl, αμμωνία και μικρόκοκκα σωματίδια βρίσκονται στο αέριο σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις σε σχέση με το παραγόμενο από την αεριοποίηση ξυλώδους βιομάζας. Όπως έχει αναφερθεί προηγουμένως, οι ακαθαρσίες αυτές θέτουν σημαντικά
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 14 προβλήματα σε ορισμένες εφαρμογές του αερίου, π.χ. την καύση του σε στροβίλους ή κελιά καυσίμου ή τη χρήση του ως αέριο σύνθεσης για την παραγωγή χημικών προϊόντων. Ένα μεγάλο μέρος σχεδόν το ένα τρίτο σε ορισμένες διεργασίες τις ενέργειας του παραγόμενου αερίου έχει τη μορφή της αισθητής θερμότητας εξαιτίας των υψηλών θερμοκρασιών κατά την αεριοποίηση. Η ψύξη του αερίου καθιστά ευκολότερο τον καθαρισμό, αλλά με τίμημα των απώλεια μεγάλου μέρους της ενέργειας. Ο θερμός καθαρισμός των αερίων είναι από την άλλη πολύ δυσκολότερος και παραμένει ένα μεγάλο εμπόδιο στην περαιτέρω εξάπλωση των τεχνολογιών αεριοποίησης. Εικόνα 04-02 3: Ο αεριοποιητής με τροφοδοσία άχυρου στο Kalundborg (Πηγή: DONG Energy) 04-02-06: Ποώδης βιομάζα σε εφαρμογές πυρόλυσης Η πυρόλυση είναι μια διεργασία που μπορεί να λάβει χώρα είτε σε υψηλές είτε σε χαμηλές θερμοκρασίες. Τα παραγόμενο προϊόν είναι ένα μείγμα καύσιμων αερίων, υγρών και στερεών μεταβαλλόμενης σύστασης ανάλογα ακριβώς με τη θερμοκρασία. Για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης σε υγρό κλάσμα, η πυρόλυση θα πρέπει να λαμβάνει χώρα σε χαμηλέ ς θερμοκρασίες (~ 500 o C), υψηλούς ρυθμούς θέρμανσης και μικρούς χρόνους παραμονής των αερίων. Τα υγρά προϊόντα της πυρόλυσης της βιομάζας είναι συνήθως ένα μείγμα οξυγονούχων οργανικών ενώσεων, όπως φουράνες, οξέα, κετόνες, αρωματικοί υδρογονάνθρακές, κτλ. Η μεταξύ τους αναλογία στο έλαιο της πυρόλυσης εξαρτάται από την πρώτη ύλη και τις συνθήκες της διεργασίας. Για παράδειγμα, η πυρόλυση παρουσία ενός ζεολιθικού καταλύτη μπορεί να οδηγήσει σε μικρότερες αποδόσεις υγρού κλάσματος, με χαμηλότερο όμως ποσοστό οξυγονούχων ενώσεων, δηλαδή λιγότερο καύσιμο αλλά καλύτερες ποιότητας.
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 15 Για την ποώδη βιομάζα, ορισμένες συστατικά της τέφρας, ιδίως το κάλιο και το ασβέστιο, καταλύουν την πυρόλυση και τις αντιδράσεις σχηματισμού εξανθρακώματος. Τα σωματίδια εξανθρακώματος που παράγονται από τις αντιδράσεις αυτές καταλήγουν στο υγρό κλάσμα ως αιωρούμενα σωματίδια πολύ μικρών διαστάσεων και περιέχουν μέρος της τέφρας του καυσίμου. Έτσι, εκτός κι αν πραγματοποιηθεί μια αναβάθμιση του υγρού καυσίμου της πυρόλυσης, η απελευθέρωση της τέφρας και των αλκαλίων κατά την καύση του μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα. Μέχρι σήμερα, ο αριθμός των εμπορικών μονάδων πυρόλυσης σε λειτουργία είναι γενικά μικρός και επομένως το κόστος κεφαλαίου για μια τέτοια επένδυση είναι αρκετά ακριβό εν συγκρίσει με άλλες διεργασίες. Σε περίπτωση που το επιθυμητό προϊόν της πυρόλυσης είναι στερεό, τότε πρέπει να χρησιμοποιηθούν χαμηλές θερμοκρασίες και χαμηλοί ρυθμοί θέρμανσης. Η διεργασία αυτή είναι κοινώς γνωστή ως «torrefaction» (φρύξη). Κατά τα τελευταία έτη, πολλές δραστηριότητες έρευνας και τεχνολογικής ανάπτυξης έχουν επικεντρωθεί σε αυτή την ιδέα, με στόχο την παραγωγή αναβαθμισμένων στερεών βιοκαυσίμων μεγαλύτερης ενεργειακής πυκνότητας, εύκολων στην άλεση και με υδροφοβικές ιδιότητες. Κατά βάση, η φρύξη είναι μια διεργασία εξανθράκωσης με στόχο την παραγωγή ενός καυσίμου που μπορεί εύκολα να αντικαταστήσει τον άνθρακα σε μεγάλες ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες. Μέχρι σήμερα, οι περισσότερες δραστηριότητες και εφαρμογές της τεχνολογίας αυτής για την οποία υπάρχουν αρκετές παραλλαγές έχουν επικεντρωθεί στη ξυλώδη βιομάζα. Για την ποώδη βιομάζα, το κύριο θέμα είναι το χλώριο και τα αλκάλια της τέφρας, όπως αναφέρθηκε στην ενότητα 04-02-02. Υπάρχουν αντικρουόμενες αναφορές σχετικά με το κατά πόσον οι πτητικές αυτές ουσίες όντως απομακρύνονται από το στερεό βιοκαύσιμο κατά την φρύξη και επομένως δεν είναι σαφές αν αυτή η διεργασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση προβλημάτων που σχετίζονται με την τήξη της τέφρας, επικαθίσεις, διάβρωση, κτλ της ποώδους βιομάζας. Περισσότερες πληροφορίες για τη διεργασία της φρύξης και την εφαρμογή της σε ξυλώδη βιομάζα μπορεί να βρει κανείς στην ενότητα 04-01-02δ. 04-02-07: Ποώδης βιομάζα σε βιοχημική ζύμωση Η παραγωγή βιοαιθανόλης από αγροτικά προϊόντα κοινώς γνωστή ως παραγωγή βιοκαυσίμων 1 ης γενιάς αποτελεί μια δοκιμασμένη και πλήρως εμπορική τεχνολογία με εφαρμογές σε χώρες όπως η Βραζιλία και οι ΗΠΑ. Οι τυπικές πρώτες ύλες για τα βιοκαύσιμα 1 ης γενιάς είναι πλούσιες σε σάκχαρα ή / και άμυλο: ζαχαροκάλαμα και σπόροι καλαμποκιού. Ωστόσο, καθώς αυτά τα προϊόντα είναι βρώσιμα από τους ανθρώπους, η παραγωγή βιοκαυσίμων 1 ης γενιάς αποτελεί αντικείμενο διενέξεων στα πλαίσια της παγκόσμιας συζήτησης για την «τρόφιμα εναντίον καυσίμων». Η παραγωγή βιοαιθανόλης από βιοκαύσιμα 2 ης γενιάς, όπως άχυρο, υπολείμματα αραβοσίτου και άλλα αγροτικά υπολείμματα, θεωρείται πιο αποδεκτή, θέτει όμως και μεγαλύτερες τεχνολογικές προκλήσεις. Αυτές οι πρώτες ύλες περιέχουν κυτταρίνη και ημικυτταρίνη, οι
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 16 οποίες μπορούν να διασπαστούν σε σάκχαρα με χρήση κατάλληλων ενζύμων. Ωστόσο, η δομή της βιομάζας και η παρουσία της λιγνίτης, η οποία είναι μη χωνεύσιμη, απαιτεί κάποιο είδος προεπεξεργασίας ώστε να γίνει η κυτταρίνη εύκολα προσβάσιμη από τα ένζυμα. Η παρούσα κατάσταση των τεχνολογιών προεπεξεργασίας και η έλλειψη ή/και το υψηλός κόστος αποτελεσματικών ενζύμων για την αποδόμηση της κυτταρίνης και της ημικυτταρίνης ήταν τα κύρια εμπόδια για την παραγωγή βιοαιθανόλης από πρώτες ύλες 2 ης γενιάς ποωδών βιοκαυσίμων. Ωστόσο, αρκετές ερευνητικές και επιδεικτικές δραστηριότητες έχουν φέρει αυτή την τεχνολογία πολύ πιο κοντά στην εμπορική εφαρμογή. Στις ΗΠΑ, έχει δοθεί έμφαση στη χρήση υπολειμμάτων αραβοσίτου (καλαμποκιού) ως πρώτη ύλη, εξαιτίας της αφθονίας της πρώτης ύλης και της λειτουργίας αρκετών εγκαταστάσεων που παράγουν ήδη αιθανόλη από τον καρπό του καλαμποκιού. Το ερευνητικό ενδιαφέρον στην Ευρώπη από την άλλη έχει επικεντρωθεί κυρίως στο άχυρο. Όπως και στην καύση του άχυρου, έτσι και εδώ, οι τεχνολογίες αιχμής προέρχονται κυρίως από Δανέζικες εταιρείες. Η πρώτη βασική παραλλαγή της τεχνολογίας (Εικόνα 04-02 4, αριστερά) αναπτύχθηκε από την εταιρεία Inbicon, θυγατρική της DONG Energy. Αρχικά, το άχυρο προεπεξεργάζεται σε πίεση 15 bar και θερμοκρασία περίπου185 o C, με αποτέλεσμα την διάσπαση της δομής της βιομάζας σε σάκχαρα (και με πρόσθετο πλεονέκτημα την απομάκρυνση των χλωριούχων αλάτων). Ακολούθως, η διεργασία είναι αντίστοιχη με την παραγωγή βιοαιθανόλης από βιοκαύσιμα 1 ης γενιάς (δηλαδή ζύμωση των σακχάρων σε αιθανόλη και απόσταξη του προϊόντος). Τα εναπομένοντα στερεά, κυρίως η λιγνίτη της βιομάζας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο σε μια συνδεδεμένη μονάδα ΣΗΘ που παρέχει τον ατμό διεργασίας για την προεπεξεργασία του αχύρου ή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για άλλες χρήσεις. Η Inbicon έχει σε λειτουργία μια μονάδα στην περιοχή Kalundborg που επεξεργάζεται ετησίως 30,000 tn αχύρου και παράγει 5,4 εκατομμύρια λίτρα βιοαιθανόλης, μαζί με ποσότητες πελλετών λιγνίνης και μολάσσας C5. Περισσότερες πληροφορίες μπορούν να βρεθούν εδώ. Μια δεύτερη παραλλαγή της τεχνολογίας έχει αναπτυχθεί από την εταιρεία BIOGASOL και παρουσιάζεται στα δεξιά της Εικόνας 04-02 4. Η προεπεξεργασία του αχύρου σε αυτή την περίπτωση λαμβάνει τη μορφή του «μαγειρέματος υπό πίεση», η οποία είναι ουσιαστικά μια υδροθερμική επεξεργασία σε ένα ήπιο όξινο ή βασικό διάλυμα. Μετά την αποδόμηση της βιομάζας, τα ένζυμα προστίθενται σε δυο στάδια, το πρώτο για τη μετατροπή της γλυκόζης από την κυτταρίνη σε αιθανόλη, ενώ το δεύτερο κάνει το ίδιο πράγμα για την ξυλόζη που προέρχεται από την ημικυτταρίνη. Το νερό της διεργασίας, μαζί με τα υπολείμματα της βιομάζας, τροφοδοτείται σε έναν αντιδραστήρα βιοαερίου για την παραγωγή βιομεθανίου. Μέχρι στιγμής, η τεχνολογία αυτή έχει βρει εφαρμογή σε πιλοτικό επίπεδο, ενώ με το έργο BornBioFuel φιλοδοξεί να περάσει σε ημι-βιομηχανική κλίμακα.
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 17 Μπάλες άχυρου Άχυρο Υγρή οξείδωση C5 μολάσσες Ατμός Βιοκαύσιμο Νερό Ίνες Ένζυμα ΒΙΟΑΕΡΙΟ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ Ένζυμα Απόσταξη Αιθανόλη Μονάδα ΣΗΘ Ζύμωση Ηλεκτρισμός & θέρμανση Υγρές ίνες Μονάδα βιοαερίου Ζύμωση Ζύμη Ζύμωση Εικόνα 04-02 3: Παραγωγή βιοαιθανόλης από άχυρο χρησιμοποιώντας τις τεχνολογίες Inbicon (αριστερά) και Biogasol (δεξιά) (Πήγη: INBIOM)
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 18 04-02-08: Ποώδης βιομάζα σε βιοχημική (αναερόβια) χώνευση Όπως αναφέρθηκε στην ενότητα 04-00-01, η βιοχημική (αναερόβια) χώνευση είναι η διεργασία με την οποία παράγεται ένα αέριο αποτελούμενο κυρίως από μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα μέσω της χώνευσης διαφόρων υγρών πρώτων υλών βιομάζας από βακτήρια ή μύκητες. Η αναερόβια χώνευση είναι καλή διεργασία για πρώτες ύλες που χωνεύονται εύκολα, π.χ. υγρά απόβλητα, κοπριά, ιλύ λυματολάσπης, κτλ. Η υψηλή περιεχόμενη υγρασία αντί θα είναι εμπόδιο, όπως στις εφαρμογές καύσης, εδώ δημιουργεί ευνοϊκές συνθήκες για τη διεργασία χώνευσης. Για την ποώδη βιομάζα, η ευκολία χώνευσης εξαρτάται από την αναλογία μεταξύ των δομικών της συστατικών: κυτταρίνης, ημικυτταρίνης και λιγνίνης. Η λιγνίνη, όπως και στην περίπτωση της ζύμωσης, δεν είναι εύκολα χωνεύσιμη και αποικοδομήσιμη. Επομένως, η προεπεξεργασία της ποώδους βιομάζας και η διάσπαση της δομής της στο βήμα που ονομάζεται «υδρόλυση» (βλέπε Κεφάλαιο 04-03) είναι συχνά απαραίτητη προκειμένου να επιτευχθούν επαρκής αποδόσεις αερίου και να γίνει οικονομική η όλη διεργασία. Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι προεπεξεργασίας που μπορούν να εφαρμοστούν σε πρώτες ύλες ποώδους βιομάζας πριν την αναερόβια χώνευση: φυσικές, χημικές, φυσικοχημικές και βιολογικές. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι η επεξεργασία με ατμό, ζεστό νερό, θειικό οξύ, καυστικό νάτριο ή άλλες ουσίες, η υγρή οξείδωση, κτλ. Εάν η ποώδης βιομάζα είναι η μόνη πρώτη ύλη σε μια διεργασία παραγωγής βιοαερίου, τότε το χωνευμένο υπόλειμμα περιέχει αρκετά θρεπτικά συστατικά καθώς και άνθρακα που δε μετατράπηκε σε αέριο και μπορεί να επιστρέψει στο χωράφι ως φυσικό λίπασμα. Εάν χρησιμοποιείται μείγμα ποώδους βιομάζας και άλλων αποβλήτων, τότε αυτή η ανακύκλωση υπόκειται σε περιορισμούς που σχετίζονται με την καθαρότητα του υπολείμματος. Η παραγωγή βιοαερίου από ενεργειακές καλλιέργειες και μερικά αγροτικά υπολείμματα, συνηθέστερα ενσίρωμα αραβοσίτου, είναι πολύ διαδεδομένη σε αρκετές Ευρωπαϊκές χώρες και, παρά κάποια λειτουργικά προβλήματα, η τεχνολογία μπορεί να χαρακτηριστεί ως ώριμη. Δείτε το Κεφάλαιο 04-03 για περισσότερες πληροφορίες για αυτή τη διεργασία. 04-02-09: Θέματα σχεδιασμού για εφαρμογές ποώδους βιομάζας Το κεφάλαιο αυτό πρέπει να κατέστησε σαφές στον αναγνώστη ότι η ενεργειακή αξιοποίηση της ποώδους βιομάζας για την παραγωγή ενέργειας συνεπάγεται πολύ περισσότερες τεχνικές προκλήσεις σε σχέση με την ξυλώδη βιομάζα. Αυτός είναι και ένας βασικός λόγος για τον οποίο τα έργα που χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη την ποώδη βιομάζα δεν είναι τόσο διαδεδομένα. Τα περισσότερα από τα τεχνικά προβλήματα με την ποώδη βιομάζα προκύπτουν από συγκεκριμένα στοιχεία της κυρίως το περιεχόμενό της σε χλώριο και αλκάλια στην τέφρα του καυσίμου. Καθώς οι παράμετροι αυτές εξαρτώνται από το είδος του φυτού, τις εδαφολογικές συνθήκες, τις παραμέτρους αποθήκευσης, κτλ, είναι γενικά σκόπιμο να υπάρχει ένας αριθμός αναλύσεων του καυσίμου που θα χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη, καθώς και της τέφρας του. Οι αναλύσεις αυτές θα δώσουν μια ιδέα για τις ιδιότητές τους και
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 19 έτσι κι αλλιώς θα ζητηθούν από τους περισσότερους κατασκευαστές εξοπλισμού. Δεδομένα από τη βιβλιογραφία μπορούν να χρησιμοποιηθούν, αλλά ενδέχεται να διαφέρουν σημαντικά από τις πραγματικές συνθήκες και για ορισμένες πρώτες ύλες, όπως πολλές ενεργειακές καλλιέργειες, τα δεδομένα μπορεί να είναι σπάνια ή αντιφατικά. Όσον αφορά το μέγεθος των εφαρμογών, η ποώδης βιομάζα είναι γενικά ακατάλληλη για εφαρμογές μικρής κλίμακας, καθώς οι εκπομπές και τα διάφορα λειτουργικά προβλήματα δύσκολα μπορούν να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά σε αυτή την κλίμακα. Τα μεγαλύτερα συστήματα είναι γενικά προτιμητέα από λειτουργική και περιβαλλοντική άποψη, ωστόσο το μέγεθος στο οποίο τελικά υλοποιούνται περιορίζεται από την εφοδιαστική αλυσίδα και τις ενεργειακές απαιτήσεις στην περιοχή (για παράδειγμα, η ενεργειακή πυκνότητα μιας περιοχής όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας είναι μικρότερη στις αγροτικές περιοχές σε σχέση με αστικές ζώνες). Η άμεση καύση είναι εν γένει η πιο ώριμη τεχνολογία, με μεγάλο αριθμό λειτουργούντων μονάδων. Η βιοχημική ζύμωση και η αναερόβια χώνευση είναι οι επόμενες τεχνολογίες σε βαθμό εμπορικής ωριμότητας και οι υπόλοιπες ακολουθούν. Γενικά, το τεχνικό ρίσκο με ποώδεις πρώτες ύλες είναι μεγαλύτερο και ο σχεδιαστής συστημάτων θα πρέπει να προσπαθήσει να διαλέξει επιλογές αξιοποίησης με επιτυχή ιστορικό επιδείξεων, ώστε να αποφευχθούν μελλοντικές αποτυχίες. Η διαθεσιμότητα στα πρώτα χρόνια λειτουργίας μιας μονάδας, μέχρι να βελτιστοποιηθεί η λειτουργία της και να ξεπεραστούν τα πρώτα προβλήματα, μπορεί να είναι μικρότερη από το αναμενόμενο, κάτι που επηρεάζει και την οικονομική απόδοση του έργου. Για την αποφυγή των θεμάτων που σχετίζονται με την τέφρα της ποώδους βιομάζας είναι δυνατή η χρήση της ως πρόσθετο ή υποκατάστατο καύσιμο σε μείγματα καυσίμων η μεικτή καύση με άνθρακα είναι για παράδειγμα μια διεργασία με υψηλό βαθμό απόδοσης, η οποία μπορεί να απορροφήσει μεγάλη ποσότητα καυσίμου εξαιτίας του μεγέθους των ανθρακικών μονάδων. Η αντικατάσταση ξυλώδους βιομάζας με ποώδη βιομάζα είναι δυνατή στις περισσότερες εφαρμογές με την πιθανή εξαίρεση της οικιακής θέρμανσης. Ένας γενικός κανόνας είναι ότι η ποώδης βιομάζα θα μπορούσε να συνεισφέρει χωρίς προβλήματα το 10 20% της ενέργειας του καύσιμου μείγματος ο ακριβής καθορισμός του ποσοστού πάντως είναι ευθύνη του προμηθευτή εξοπλισμού. Τέλος, το ζήτημα της διαχείρισης των αποβλήτων πρέπει να λαμβάνεται υπόψη από τον ενεργειακό σχεδιαστή. Η τέφρα ή/και τα υπολείμματα από διεργασίες που χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη αποκλειστικά ποώδη βιομάζα μπορούν συνήθως να επιστρέψουν στο χώμα ως λιπάσματα. Ένα η ποώδης βιομάζα επεξεργάζεται μαζί με άλλα καύσιμα, η ανακύκλωση των θρεπτικών συστατικών της τέφρας της ίσως να μην είναι εφικτή αν υπάρχουν ρυπαντές στο υπόλειμμα. Επίσης, σε περιπτώσεις όπου η ποώδης βιομάζας καίγεται από κοινού με άνθρακα ή ξυλώδη βιομάζα, οι περιορισμοί στη διαχείριση της τέφρας του κύριου καυσίμου ίσως θέσουν περιορισμούς στη μέγιστη συμμετοχή της ποώδους βιομάζας στο καύσιμο μείγμα. Δείτε σχετικά και το Παράρτημα Τέφρας για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την αξιοποίησή της.
Κεφάλαιο 04-02 σελ. 20 Αναφορές Όσον αφορά τα χαρακτηριστικά του καυσίμου και των τεφρών ποώδους βιομάζας, πληροφορίες μπορούν να βρεθούν σε υπάρχουσες βάσεις δεδομένων, όπως οι ακόλουθες: Phyllis database BIODAT NREAL biomass database Άλλα δημοσιευμένα άρθρα ή δημοσιεύσεις μπορούν να έχουν χρήσιμες πληροφορίες, ωστόσο ο αναγνώστης πρέπει να μην ξεχνάει ότι η σύσταση τέφρας για την ποώδη βιομάζα μπορεί να διαφέρει σημαντικά από περιοχή σε περιοχή ακόμα και για το ίδιο είδος. Τα ακόλουθα άρθρα φάνηκαν χρήσιμα στους συγγραφείς: R.R. Bakker, H.W. Elbersen, Managing Ash Content and Quality in Herbaceous Biomass: An analysis from plant to product J. Werther, M. Saenger, E.U. Hartge, T. Ogada, Z. Siagi (2000) Combustion of agricultural residues, Progress in Energy and Combustion Science, 26(1):1-27 Για μια πιο τεχνική περιγραφή των ιδιοτήτων της ποώδους (και όχι μόνο) βιομάζας και τω τεχνολογιών καύσης και αεριοποίησης αλλά χωρίς να ασχοληθεί κανείς με δημοσιευμένα ερευνητικά άρθρα τα ακόλουθα βιβλία μπορεί να αποβούν χρήσιμα: Van Loo S., Koppejan J. (2008), Handbook of biomass combustion & co-firing, Earthscan, London, United Kingdom. Grammelis P. (ed.) (2010), Solid Biofuels for Energy: A Lower Greenhouse Gas Alternative, Springer-Verlag, London, United Kingdom. Η IEA Bioenergy έχει συγκροτήσει μια σειρά Ομάδων Εργασίας σχετικά με διάφορες πτυχές της αξιοποίησης βιομάζας, οι οποίες βρίσκονται συγκεντρωτικά εδώ. Ιδιαίτερα χρήσιμες είναι η Ομάδα Εργασίας 32: Καύση και μεικτή καύση βιομάζας, Ομάδα Εργασίας 33: Θερμική αεριοποίηση βιομάζας, Ομάδα Εργασίας 34: Πυρόλυση βιομάζας. Στην Ευρώπη, η Δανία είναι η χώρα με την περισσότερη συσσωρευμένα γνώση στην ενεργειακή αξιοποίηση του άχυρου. Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τεχνολογίες και μονάδες που λειτουργούν με πρώτη ύλη το άχυρο μπορούν να βρεθούν στις ακόλουθες δημοσιεύσεις: Straw to energy status, technologies and innovation in Denmark 2011 Bioenergy for electricity and heat experiences from biomass-fired CHP plants in Denmark