biomasa – sursă de încălzire ecologică durabilă

16
Biomasa – sursă de încălzire ecologică durabilă 1. Introducere Biomasa lemnoasă este o sursă regenerabilă de energie, alături de energia vântului, a apelor si cea solară. Când spunem regenerabil ne referim la faptul că, plantele şi copacii reciclează CO 2 . Pe măsură ce plantele cresc, acestea utilizează CO 2 din aer pentru a-si construi scheletul. Acest carbon atinge jumătate din greutatea lemnului. La arderea biomasei lemnoase, aceasta se descompune rapid şi CO 2 revine în atmosferă. O cantitate similară de CO 2 se ridică încet când arborele cade şi este lăsat să putrezească în pădure. Ca rezultat, folosirea lemnului la încălzire nu contribuie la schimbările climatice aşa cum combustibilii fosili fac acest lucru. Combustibilul lemnos este cu adevărat regenerabil numai dacă se folosesc practicile forestiere sustenabile. Pădurile pot fi o sursă perpetuă de combustibil numai dacă sunt gospodărite si manageriate corespunzător [1]. Fig. 1 - Pelet de lemn si lemn 1

Upload: ionut-ken

Post on 31-Oct-2015

35 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

incalzire ecologica durabila

TRANSCRIPT

Page 1: Biomasa – sursă de  încălzire ecologică durabilă

Biomasa – sursă de încălzire ecologică durabilă

1. Introducere

Biomasa lemnoasă este o sursă regenerabilă de energie, alături de energia vântului, a apelor si cea solară. Când spunem regenerabil ne referim la faptul că, plantele şi copacii reciclează CO2. Pe măsură ce plantele cresc, acestea utilizează CO2 din aer pentru a-si construi scheletul. Acest carbon atinge jumătate din greutatea lemnului.

La arderea biomasei lemnoase, aceasta se descompune rapid şi CO2

revine în atmosferă. O cantitate similară de CO2 se ridică încet când arborele cade şi este lăsat să putrezească în pădure. Ca rezultat, folosirea lemnului la încălzire nu contribuie la schimbările climatice aşa cum combustibilii fosili fac acest lucru. Combustibilul lemnos este cu adevărat regenerabil numai dacă se folosesc practicile forestiere sustenabile. Pădurile pot fi o sursă perpetuă de combustibil numai dacă sunt gospodărite si manageriate corespunzător [1].

Fig. 1 - Pelet de lemn si lemn

Tehnologiile moderne transformă convenabil şi eficient biomasa în căldură, energie electrică si biocombustibil.

Instalaţiile moderne de încălzire cu biomasă sunt foarte uzuale de-a lungul Europei, în special în Austria, Danemarca, Suedia si Finlanda. Rămăsiţele lemnoase si alte categorii de biomasă sunt resurse semnificative care, atâta timp cât se replantează, nu se mai emit noxe în atmosferă şi se absoarbe carbon.

Un sistem integrat de combustibil si producţie de energie va face posibilă o dezvoltare sustenabilă, care va aduce avantaje în managementul local al pădurilor si beneficii economice locale, inclusiv slujbe.

1

Page 2: Biomasa – sursă de  încălzire ecologică durabilă

1.2. Combustibilul din lemn

Cel mai cunoscut combustibil pentru sistemele de încălzire pe biomasă utilizat în sectorul casnic este biomasa lemnoasă, rezultată din pădurile locale şi din deşeurile forestiere, sau din culturile energetice precum pădurile tinere de sălcii. De asemenea, se mai pot folosi deşeurile rămase de la tăierea lemnelor sau de la alte prelucrări ale lemnului. Cele mai convenabile tipuri de biomasă lemnoasă folosite la încălzirea locuinţelor sunt aşchiile din lemn, peletele şi buştenii.

Aşchiile din lemn sunt bucăţi mici de lemn cărora li s-a redus umiditatea. Aşchiile au o umiditate mai mare decât peletele şi o densitate în grămadă mai scăzută. Prin urmare, aşchiile necesită o cameră de depozitare mult mai mare decât peletele, dar sunt mai ieftine pe unitatea de energie decât acestea. Pentru producerea aşchiilor din lemn există diferite tipuri de maşini de aşchiere a lemnului: aşchietoare cu disc, cu cilindru şi cu elice. Fiecare dintre aceste tipuri de maşini prezintă avantaje şi dezavantaje.

Totuşi, caracteristica principală o constituie dimensiunea aşchiilor lemnoase rezultate. În general, cazanele cu ardere de aşchii mici necesită aşchii de calitate ridicată, cu conţinut de umiditate scăzut şi dimensiuni bine definite. Aceste caracteristici se obţin cel mai bine utilizând o materie primă uscată cu aer şi o maşină aşchietoare proiectată special pentru producerea de aşchii destinate folosirii drept combustibil.

Figura 2: Aşchierea lemnului prin utilizarea unei maşini aşchietoarecu cilindru, alimentată de un tractor printr-un arbore de alimentare

Peletele din lemn sunt mai tari şi mai dense decât aşchiile. Ele se produc, de obicei prin compactarea rumeguşului, rezultat, de exemplu, de la

2

Page 3: Biomasa – sursă de  încălzire ecologică durabilă

tăierea lemnului (gatere), utilizând echipamente similare celor folosite la prepararea furajelor pentru animale. Particulele mici tăiate la dimensiuni regulate, facilitează alimentarea automată a arzătorului. Deasemenea, ele sunt mai puţin supuse riscului producerii de mucegai în condiţii de umiditate mare decât aşchiile. Cu toate acestea, datorită gradului ridicat de procesare, peletele necesită în general facilităţi de producere industriale ceea ce conduce la un preţ mai ridicat pe unitatea de energie.

Figura 3: Peletele din lemn de calitate ridicată sunt uscateşi nu se lipesc între ele

Buştenii tradiţionali - încă se folosesc destul de mult pentru încălzire. În general, buştenii se pot folosi doar în echipamente de încălzire cu

alimentare manuală. Diferitele specii de lemn ard uşor diferit şi acest lucru trebuie luat în considerare. Toate tipurile de lemn ard mai bine atunci când sunt uscate, iar unele ard mai bine atunci când sunt tăiate decât sub forma de buşteni. Contrar opiniei populare, toate speciile de lemn au o putere calorifică similară. Diferenţele importante constau în conţinutul de umiditate la tăiere (de ex., ridicat la arin, scăzut la frasin) şi în densitate, care afectează gradul de uscare. Densitatea impune conţinutul de energie prin volum şi în acest fel mărimea stocului de combustibil necesar şi energia rezultată din arderea unei grămezi într-un cazan cu ardere de buşteni.

Brichetele din lemn

Brichetele din lemn reprezintă un combustibil preparat în mod similar cu peletele, dar comparabil cu buştenii ca dimensiuni. Dimensiunile lor conduc la ideea că trebuie arse în aceleaşi echipamente şi instalaţii de ardere folosite şi pentru buşteni.

3

Page 4: Biomasa – sursă de  încălzire ecologică durabilă

Printre factorii importanţi care trebuie consideraţi la alegerea combustibilului se numără:

• disponibilitatea – surse locale, la faţa locului, siguranţă în alimentare• costul, inclusiv prelucrarea şi livrarea• avantajele şi potenţialul pentru automatizare• disponibilitatea spaţiului de depozitare• costul echipamentului de ardere şi a oricărui sistem de alimentare cu

combustibilul necesar.

În tabelul 1 este dată o comparaţie între diferitele tipuri de combustibili.

Tabelul 1: Comparaţie între aşchii de lemn, pelete şi buşteniCombustibil Avantaje DezavantajeAşchii de lemn Uşor de produs local din tăierile

cosmetice ale pădurilorCosturi de combustibil mult mai miciCheltuielile cu combustibilul lemnos pot aduce beneficii economiei locale

Poate necesita o instalaţie de alimentare cu combustibil mai mare, în funcţie de cantitatea de combustibilSistemul de ardere are costuri mai ridicate, deoarece aşchiile necesită o capacitate de depozitare mai mare şi un echipament de alimentare cu combustibil mai robustEste nevoie de serviciile unui aşchietor profesionistPotrivite doar pentru echipamente mai mari, adică > 25 kW

Pelete de lemn Instalaţia de alimentare cu combustibil similară cu cea de la instalaţiile de încălzire convenţionaleCosturi de capital mai ieftine datorită naturii mai uscate şi mai omogene a combustibiluluiCombustibil mai dens înseamnă spaţiu mai redus şi transport mai uşorPotrivit pentru instalaţii foarte mici

Costuri cu combustibilul mai mariEste puţin probabil ca furnizarea combustibilului să se facă local şi aceasta nu produce impact economic local

Buşteni Buştenii pot fi depozitaţi şi transportaţi convenabil când sunt în grămadăCirculaţia uşoară a aerului printr-o grămadă de buşteni permite o bună uscare a acestoraPot fi procuraţi uşor la faţa locului sau local

Mai puţini potriviţi pentru sisteme automateNecesită spaţiu de depozitare mare care să permită păstrarea lor timp de 1-2 ani la uscare

4

Page 5: Biomasa – sursă de  încălzire ecologică durabilă

3. Proprietăţile termice ale biomasei

Orice tip de biomasă are proprietăţile sale specifice ce determină performanţa ei ca combustibil în procesele de conversie a energiei.

Cele mai importante proprietăţi la conversia în energie sunt:• Umiditatea• Conţinutul de cenuşă• Conţinutul de substanţe volatile• Compoziţia elementară• Căldura de ardere (puterea calorică)• Densitatea brută.

UmiditateaUmiditatea biomasei se exprimă prin cantitatea de apă conţinută în

materie ca procent din masa materiei.Această masă se poate referi la masa umedă (sau iniţială), la substanţa

uscata sau la suma substanţelor combustibile (excluzînd apa şi cenuşa).Deoarece conţinutul de apă afectează valoarea biomasei ca şi

combustibil, baza la care conţinutul de apă se raportează trebuie întotdeauna menţionată. Substanţele organice sunt caracterizate printr-o varietate vastă de conţinut de apă (raportată la masa iniţială), variind de la 10% pentru paie pînă la 50-70% pentru reziduurile forestiere.

Conţinutul de cenuşăComponentul neorganic (cenuşa) poate fi exprimat în acelaşi fel ca şi

conţinutul de apă: raportat la masa iniţială, la masa uscată sau la suma substanţelor combustibile. În general, conţinutul de cenuşă este raportat la masa uscată [Quaak, P. s.a.; 1999].

Cantitatea de cenuşă inerentă – partea integrală a structurii plantelor, din care fac parte o multitudine de elemente – reprezintă mai puţin de 0.5% în lemn, 5-10% în diferite reziduuri agricole şi 30-40% în cojile cerealiere.

Cantitatea totală de cenuşă conţinută în biomasă (adăugând la conţinutul inerent praful şi substanţele neorganice colectate) cît şi compoziţia chimică a cenuşii sunt la fel de importante la valorificarea unui anumit tip de biomasă. Compoziţia chimică afectează procesul de ardere sau de gazificare.

Conţinutul de substanţe volatileSubstanţele volatile se referă la partea biomasei care este degajată cînd

biomasa este încălzită (400-500°C). În procesul de încălzire biomasa se descompune în gaze volatile şi partea solidă. În general biomasa are un conţinut mare de substanţe volatile (pînă la 80%) în timp ce cărbunele are un conţinut mic (mai puţin de 20%). Conţinutul de substanţe volatile determină organizarea procesului de ardere.

5

Page 6: Biomasa – sursă de  încălzire ecologică durabilă

Compoziţia elementarăCompoziţia substanţelor participante in reacţiile de ardere în biomasă este

relativ uniformă. Principalii constituenţi sunt carbonul, oxigenul şi hidrogenul. Majoritatea tipurilor de biomasă conţin şi o cantitate mică de azot.

Tabelul 2 prezintă valorile medii a elementelor găsite în biomasă.

Tabelul 2 - Compoziţia elementară a materiei organice tipiceElementul % raportat la suma substanţelor combustibileCarbon 44-51Hidrogen 5,5-6,7Oxigen 41-50Azot 0,12-0,60Sulf 0,0-0,2

Puterea calorică

Puterea calorică a combustibilului este măsura energiei legată chimic în combustibil raportată la un sistem standardizat, parametrii căruia sunt temperatura, starea apei (vapori sau lichidă) şi produsele de ardere (CO2, H2O, ş.a.). Energia legată chimic în combustibil se exprimă prin energia de ardere a combustibilului (J) pe unitate de masă (kg). Această energie nu poate fi măsurată direct, ci numai în raport cu o stare de referinţă. Stările de referinţă pot varia, de aceea există câteva puteri calorice a aceluiaşi combustibil. Cele mai răspândite sunt puterea calorică inferioară şi puterea calorică superioară. Pentru puterea calorică inferioară starea de referinţă a apei este cea gazoasă, iar pentru puterea calorică superioară starea de referinţă a apei este lichidă.

Biomasa în majoritatea sa conţine apă, ce este degajată în formă de vapori la încălzire. La ardere o parte din energia rezultată din reacţiile chimice se consumă la evaporarea apei. Din aceasta cauză căldura de ardere inferioară descreşte odată cu mărirea conţinutului de apă (ignorând faptul că conţinutul mare de apă implică un conţinut mai mic de substanţe combustibile). În practică, conţinutul de apă maxim posibil pentru a aprinde combustibilul şi a extrage energia din el, nu trebuie sa depăşească 55% (raportat la masa umedă).

Unicul efect a conţinutului de apă asupra puterii calorice superioare se referă la conţinutul mai mic de substanţe combustibile pe unitate de masă. Căldura de vaporizare este recuperată complet la condensarea vaporilor de apă când produsele de ardere sunt readuse la starea de referinţă a puterii calorice superioare.

Densitatea brută

Densitatea brută se referă la masa biomasei pe unitate de volum. În general, pentru biomasă, densitatea este raportată la masa uscată. Densitatea brută a biomasei variază între 150-200 kg/m3 pentru paiele grânelor până la 600-900 kg/m3 pentru lemn.

6

Page 7: Biomasa – sursă de  încălzire ecologică durabilă

Densitatea brută a biomasei, împreună cu puterea calorică, determină densitatea energetică a biomasei – energia disponibilă pe unitate de volum. În general, densitatea energetică a biomasei reprezintă aproximativ o zecime din cea a combustibililor fosili, aşa ca petrolul sau cărbunele de calitate înaltă.

4. Avantajele folosirii biomasei lemnoase

Avantajele biomasei lemnoase sunt sintetizate în următoarele motive de a folosi sisteme de încălzire cu lemn:

1- Costul combustibilul lemnos este o parte din cea a combustibililor fosili;2- Aceşti combustibili sunt resurse regenerabile; 3- Sistemele de încălzire cu lemn nu contribuie la schimbările climatice şi

sunt în concordanţă cu Acordul de la Kyoto în privinţa emisiilor în aer;4- Această biomasă lemnoasă este uşor de transportat în colete compacte

spre utilizatori;5- Brichetele si peleţii sunt produse de înaltă clasă obţinute din biomasă,

care se folosesc si se transportă în toată lumea;6- Nu se vor tăia noi copaci pentru brichetele comerciale din biomasă,

pentru că aceşti combustibili sunt produşi din reziduuri lemnoase forestiere si industriale;

7- Sistemele de alimentare, precum si noile si modernele instalaţii pentru ardere înseamnă mai puţină muncă si o mai bună eficienţă;

8- Costurile acestor noi combustibili sunt stabile si nu sunt supuse competiţiei altor producători sau furnizori, cum sunt combustibilii fosili (tabelul 3);

9- Arderea la o temperatură înaltă va elimina rămăşiţe în cantitate mică, precum cenuşa, care este de obicei asociată cu arderea lemnului;

10 - Multe agenţii de protecţia mediului (de aer, apă si sol) consideră căldura obţinută din brichetele si peleţii din lemn ca una dintre cele mai curate arderi, cea mai regenerabilă sursă de energie de pe pământ din zilele noastre.

Avantajele prezentate mai sus sunt cele mai importante, lângă acestea putându-se adăuga avantajele utilizării lemnului brut, pentru că biomasa lemnoasă si produsele sale nu sunt altceva decât lemn.

Tabelul 3 – Costuri comparative ale încălzirii clădirilor

Produse petroliere

Gaz metan Energie electrică

Biomasă lemnoasă

1. Costul iniţial 11150 € 9150 € 6800 € 12450 €2. Costul total al materiei prime

494 € 732 € 851 € 499 €

3. Costul de funcţionare

220 € 130 € 0 € 170 €

4. Cost total anual (inclusiv costul iniţial)

714 € 862 € 851 € 669 €

7

Page 8: Biomasa – sursă de  încălzire ecologică durabilă

5. Condiţiile arderii biomasei lemnoase

Pe baza studiilor teoretice şi practice efectuate s-au găsit zece propuneri principale de soluţii de îmbunătăţire a combustiei biomasei lemnoase si controlul noxelor mari (figura 4), respectiv:

1. Nu se arde lemn verde sau cu umiditate ridicată. Lemnul cu umiditate ridicată elimină în atmosferă o cantitate de noxe mai

mare decât cel uscat.2. Într-o incintă de combustie se arde numai o categorie dimensională de

biomasă lemnoasă, deoarece schimbările frecvente vor produce deranjamente în procesul arderii, vor crea turbulenţe nefavorabile combustiei si vor duce la mărirea cantităţii de noxe eliminate în atmosferă.

3. Nu se va arde orice categorie dimensională de biomasă lemnoasă, ci numai de la o anumită categorie dimensională în sus.

4. Biomasa lemnoasă se colectează si se depozitează întotdeauna pe categorii dimensionale distincte si în funcţie de umiditate.

5. Principalele operaţii de prelucrare a biomasei înainte de ardere sunt colectarea, uscarea, tocarea, despicarea, stocarea, brichetarea si peletizarea.

Bucăţile mari de material lemnos se despică si secţionează la dimensiunile necesare.

6. Instalaţiile pentru combustia biomasei lemnoase trebuie să fie performante, să aibă o ardere avansată, o ardere catalitică si cu posibilităţi de control a admisiei de aer, de alimentare automată cu biomasă lemnoasă, aprindere electronică etc.

Figura 4. Comparaţia emisiilor nocive pentru diferiţi combustibili

7. Admisia aerului se va face în doua etape, conform arderii combustibilului lemnos. Aşadar vor exista două canale de admisie a aerului, respectiv pentru aerul primar si pentru cel secundar. Aerul primar are rolul de a porni combustia biomasei lemnoase, respectiv de a descompune termic lemnul în elementele sale chimice. Aceste elemente chimice se recombină între ele sau cu oxigenul introdus sau cu cele rezultate din descompunerea apei, rezultând în

8

Page 9: Biomasa – sursă de  încălzire ecologică durabilă

final câteva gaze combustibile. Pentru combustia gazelor formate este nevoie de admisia aerului secundar.

8. Reglarea admisiei aerului în incinta de combustie este foarte importantă. Este bine să avem o cantitate constantă de aer care pătrunde în arzător pe toata perioada combustiei, cu excepţia pornirii focului când este necesară o cantitate suplimentară de oxigen.

9. Nu trebuie uitată nici cenusa care rezultă de la arderea biomasei lemnoase, în cantitate deosebit de importantă. Aceasta se elimină periodic, în locuri special amenajate, deoarece cenusa proaspătă este incandescentă si poate provoca incendii.

10. Încărcarea sistemului de combustie trebuie să fie constantă. Pentru aceasta se recomandă încărcarea mecanizată sau automatizată cu material lemnos, folosindu-se transportoare specializate.

6. Cazanele pe pelete

Cazanele cu ardere de pelete sunt disponibile pentru puteri instalate mai mari decât sobele pe pelete (>8 kW) şi pot asigura încălzirea unei clădiri întregi. În general, aceste echipamente sunt adecvate doar pentru utilizarea de pelete din lemn însă ca variantă de rezervă se pot folosi gazul natural şi combustibilul lichid. Cazanele pe pelete au necesităţi reduse de curăţare a cenuşii şi sunt de obicei alimentate cu pelete automat dintr-un depozit, un siloz sau un buncăr.

Cazanele pe pelete prezintă în mod obişnuit următoarele caracteristici:

• Reglare automată a aerului, alimentare modulată;• Auto-aprindere şi regulatoare de timp;• Temperaturi de curgere potrivite pentru radiatoarele din Marea Britanie

(~80°C);• Opţiuni pentru auto-curăţarea schimbătorului de căldură;• Randamente sezoniere obişnuite >80%;• Curăţare automată a cenuşii.

Cazanele pe pelete funcţionează utilizând un sistem de reglare a cantităţii de combustibil introduse în cazan în care mecanismul de alimentare cu combustibil livrează o cantitate mică de pelete în zona de ardere, peletele sunt arse şi apoi mai multe pelete sunt livrate. Acest lucru le face să răspundă mai lent la variaţia cererii de căldură comparativ cu echipamentele pe gaz natural sau pe combustibil lichid. Această problemă poate fi remediată prin utilizarea unui rezervor de apă fierbinte sau a unui rezervor termic.

Cazanele pe pelete funcţionează complet automatizat, având arzătoare cu alimentare combustibil pe la partea superioară, pe la partea inferioară sau orizontal.

9

Page 10: Biomasa – sursă de  încălzire ecologică durabilă

Toate aceste trei tipuri sunt prezentate mai jos:

Cazane alimentate prin partea superioară: acest principiu de ardere permite o alimentare corectă. Este foarte potrivit

a fi utilizat pentru cereri mici de căldură şi pentru moduri de funcţionare pornit/oprit. Pentru a asigura o funcţionare corespunzătoare grătarul trebuie să fie curăţat automatizat. Dacă sunt folosite pelete de proastă calitate poate apărea fenomenul de zgurificare.

Cazane alimentate prin partea inferioară :

Într-un sistem de alimentare pe la baza cazanului peletele sunt livrate în zonele de ardere prin intermediul unui transportor elicoidal. Aerul primar de ardere este introdus printr-un grătar de oţel de formă inelară, aşa cum este prezentat în Figura 5.

Figura 5: Arzător alimentat prin partea inferioară

Arzătorul focarÎn arzătorul focar (cunoscut şi ca arzător orizontal) combustibilul este

introdus orizontal printr-un transportor elicoidal. Un ventilator de mici dimensiuni suflă aer şi pe deasupra combustibilului pentru a asigura aerul primar şi secundar, producând o flacără mare care traversează cazanul şi transferă căldura acestuia.

10

Page 11: Biomasa – sursă de  încălzire ecologică durabilă

Figura 6: Arzător focar

7. Concluzii

În prezent încălzirea cu biomasă lemnoasă sub formă de brichete si peleţi oferă avantaje clare pentru sobele din mediul rural. Câteva din avantajele încălzirii cu biomasă lemnoasă sunt reducerea emisiilor de gaze, creşterea producţiei si exporturilor, managementul forestier îmbunătăţit si folosirea unei resurse regenerabile. Dar folosirea biomasei lemnoase nu este întotdeauna în avantajul consumatorilor individuali. Pentru a înlocui utilizarea combustibililor fosili este de preferat încurajarea folosirea biomasei lemnoase în acele zone unde lemnul este în apropiere si dezvoltarea durabilă a tehnologiilor de încălzire cu acest combustibil ecologic.

Bibliografie

1. AIIR – Manualul de Instalatii, volumul „V“, Editura Artecno Bucuresti 2002

2. M. Ilina, C. Bandrabur, N. Oancea – Energii neconventionale utilizate in instalatiile in constructii, Editura Tehnica Bucuresti 1987;

3. ***: MW distinct heating plant with dried biomass. Available at: http://www.tekes.fi/opet, 2006, Organisation for the promotion of energy technologies. Accessed: 2006-02-25

4. Aurel LUNGULEASA, “Zece motive şi condiţii de folosire a biomasei lemnoase la combustia regenerabilă”, Transilvania University of Brasov, Romania, RECENT, Vol. 9, nr. 2(23), Iulie, 2008

11