1

Lemnul ca sursa de energie

Tehnologii neconventionale

Conf.dr.ing.Lidia Gurau

2

Introducere

• Materialului lemnos i se atribuie cca 50% din potentialul mondial de energie

• Reprezinta cea mai mare sursa de energieregenerabila pe glob

• cel mai mare potential de utilizare a biomasei forestiere este –ca sursa de energie.

3

World population development (UN, 2006)

Populatia globului

Sursa: Barbu (2003)

4

POPULATIA GLOBULUI 2004

PRODUS MONDIAL BRUT

Consuma 33% din energia mondiala

5

PRODUCTIA MONDIALA DE BUSTENI

-30% din suprafata terestra este acoperita cu paduri (3.9 miliarde ha)

-57% in tari subdezvoltate

-3.3 miliarde mc se recolteaza anual, dar 55% este lemn de foc!

6

Criza energetica• Crestere galopanta a costului petrolului

– Incepand cu jumatatea anilor 1970- sunt stimulate largi programe de cercetare• Din 1973- se admite faptul ca exista un potential limitat privind resursele de petrol

(criza energetica-OPEC)• Creste importanta resurselor de energie regenerabile• interes mondial in sursa lemnoasa ca sursa de energie• Schimbare de atitudine: conferinta UN privind Resursele noi si regenerabile de

energie- Nairobi 1981– Pretul petrolului atinge US $35-50/baril in anii 1980 (1 baril = 158,9 l)– (iulie 2008- 123,89 $; nov. 2008-50 $/baril)– 2011-112$/baril)-SURSA FMI– 2014- 95 $/baril- criza din Rusia- risc de recesiune- exportul de petrol- 68%

din totalul veniturilor din export ale Rusiei. Rusia este cel mai mare producătorde petrol dn lume, cu 10.730.000 de barili pe zi, adică 12,65% din producţiamondială (http://cursdeguvernare.ro )

7

Situatia rezervelor de petrol in lume in 2003, (%)

(Kavalov siPeteves, 2005)

Consum de energie pe sectoarein EU-25 in 2002

8

Obiective ale politicilor energetice1. Asigurarea securitatii energetice; rezervele de petrol sunt

limitate- necesitatea cautarii unor noi surse de energie2. Schimbarile climatice- ingrijorare- necesita actiune:

– Arderea combustibililor folsili produce CO2 –consecinteserioase asupra mediului

– Incalzirea globala, schimbari climatice recente- cauza suntemisiile de gaze cu efect de sera (GHG): CO2 , CH4, SOx, NOx - pericol in crestere

– Kyoto Protocol (1997) din cadrul Conventiei UN privindschimbarile climatice (UNFCCC-United Nations Framework Convention on Climate Change )-scopreducere GHG

– De ex|.EU si USA s-au angajat sa reduca GHG in perioada2008-2012 la 8% (7%) din nivelul emisiilor din 1990.

– In feb. 2009- protocolul a fost ratificat si semnat de 183 state

9

• Ce prevede protocolul de la Kyoto?• Numiti si descrieti obiectivele

politicilor energetice

10

IEA (The International Energy Agency)

• Fondata in timpul crizei petrolului din anii 1973-74• 190 membri, experti in chestiuni energetice si

statisticieni din 27 state (membre IEA)-securitateenergetica si protectie a mediului.

• rolul sau: consultant in politici energetice- largprogram de cercetare privind energia-analiza, publicatii si diseminare a celor mai recente politicienergetice (http://www.iea.org ).

11

• Ce este IEA si care este rolul sau?

12Sursa: IEA-Key World Energy Statistics 2013http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/name,31287,en.html

13

Sursa: IEA

14

Potenţialul energetic al resurselorregenerabile de energie

http://www.agir.ro/buletine/337.pdf

Lemn impregnat cu zeolit

in America printre primele 25 de inventii de varf ale anului 2007

“Enertia”

15

Energy situation

Global increase in renewable energy

Sursa: Barbu (2003)

16

• Ce alte surse regenerabile de energie cunoasteti?

17

Surse de biomasa

http://www.agir.ro/buletine/337.pdf

18

• Enuntati alte tipuri de biomasa in afara celei lemnoase

19

Lemnul si deseurile din lemn comparate cu altesurse de bioenergie- EU-2002

Productia de bioenergie in UE-25 in 2002

20

• Care era ponderea lemnului din totalul de biomasa in UE la nivelul anului 2002?

21http://www.icia.ro/Documents_Files/uma5g_Valorificare%20biomasa.pdf

22

231PJ (Petajoule)=1015J

24

Biomasa (incluzand lemnul)- un inlocuitor al combustibililor fosili

• Utilizarea biomasei pentru energie asiguraavantaje semnificative pt. protectiamediului:– plantele, in procesul natural de crestere,

consuma CO2 din atmosfera, in timp cecombustibilii folsili genereaza GHG (combustialor reprezinta cca. 2/3 din emisiile totale de bioxid de carbon)

– video

25

Avantajele folosirii lemnului ca sursa de energie comparativ cu combustibilii fosili

• Este o resursă regenerabilă• este disponibilă în mod continuu și nu

intermitent• Este o resursă energetică mai prietenoasă

pentru mediu decât cărbunele-este „carbon neutral” (neutră din punct de vedere al carbonului), adică emisiile în atmosferă prin procesele de ardere sunt compensate de absorbția carbonului sub formă de CO2 în procesul de fotosinteză al pădurii.

26

Dezavantajele folosirii lemnului ca sursa de energie comparativ cu combustibilii fosili

• Energia eliberată prin combustia biomasei lemnoase este mai scăzută decât în cazul resurselor neregenerabile de combustibili fosili.

• Lemnul și deșeurile din lemn necesită spații largi pentru stocare, iar costurile de transport pot fi ridicate

• În unele aplicații energetice, care vor fi amplu tratate în capitolele următoare, lemnul trebuie întâi uscat

• Lemnul poate fi contaminat dacă provine din reciclări sau deșeuri

27

• Care sunt avantajele utilizarii biomasei ca sursa de energie in comparatie cu combustibilii fosili?Dar dezavantajele?

28

Rezerva mondiala de lemn• in 1990 -4077 Mha

padure• in 2005 -3952 Mha• in 2007 –scade la

3870 Mha (IEA, 2007)

•Despaduriri, management forestier defectuos, excesivaexploatare a resurselor din lemn- probleme serioase.

•Dezvoltare durabila- avant in tarile dezvoltate

Distribuţie mondială a pădurilor, 1990-2005 Continent Distribuţie păduri 1990 2000 2005 Milioane hectare Africa 699 656 635 Asia 574 567 572 Europa 989 998 1001 America de Nord ?i

Centrală 711 708 706

Oceania 213 208 206 America de Sud 891 853 832 TOTAL 4077 3989 3952

29

• Comentati dinamica rezervelor forestiere mondiale din Tabelul precedent si cauzele ei

30

Rezerva mondiala de lemn-continuare

• Padurile acopera 30% din suprafata uscatului:– 95% paduri naturale– 5% plantatii

• Padurile tropicale si subtropicale acopera 61% din suprafata forestiera; cele temperate si boreale-38%.

• Biomasa mondiala asigurata de paduri- 420 000 Mt. • Biomasa lemnoasa mondiala- 109 tone/ha.• Brazilia (114000 Mt), Rusia (47000 Mt), USA

(24000 Mt) detin cele mai mari rezerve de biomasaforestiera din lume

31

Forest situation

World afforested surface (Pöyry, 2007)

Forest = 3,950 M ha (30% of surface)Sursa: Barbu (2003)

32

Productia mondiala de lemn rotund

• Productia mondiala de lemn rotund si lemn combustibil-3350Mm3 in 2000 (FAO, 2003). 53% din aceasta era lemncombustibil - 90% din lemnul combustibil era produs si consumatin tarile in curs de dezvoltare (IEA, 2004).

• Lemnul rotund este clasificat in 3 grupe diferite:– busteni pentru cherestea si furnir (placaj)-

• Fabricile de cherestea- principale surse de materie prima pentru aschii si praf de lemn ca si combustibil. Fabricile de placaj genereaza praf de lemn-potentiala materie prima pt. combustibil lemnos

– Pasta de fibre- busteni de mici dimensiuni– Alte categorii de lemn industrial

33

• Cat la suta din productia mondiala de lemn rotund industrial era lemn de foc in anul 2000?

34

Industria mondiala de lemn rotund

• America de Nord si Centrala si Europa sunt cele mai mariconsumatoare de busteni si producatoare de cherestea

Producția mondială pe continente de lemn rotund industrial, bușteni, cherestea și placaj în 2004 (Sursa: FAOSTAT, 2006)

Continent Lemn rotund industrial

[Mm3]

Buṣteni [Mm3]

Cherestea[Mm3]

Placaj [Mm3]

Africa 70 27 9 0.7 Asia 229 150 72 38.5 Europa 504 284 138 6.9 America de Nord si

Centrală 628 425 159 17.5

Oceania 48 24 9 0.7 America de Sud 164 83 35 3.8 TOTAL 1643 992 422 68.1

35

Padurile in Europa- FAO, 2007

Rest Europe

Germany 7%Turkey 6%Poland 6%

Norvege 4%

Italy 4%

Romania 4%

Austria 2%

Spain 7%

France 10%

Finland 14%

Sweden 14%

36

• Care sunt tarile detinatoare ale celor mai mari rezerve forestiere pe glob, dar in Europa?Ce procent detine Romania?

37

Cele mai mari 15 tari din lume producatoarede busteni, cherestea si placaj in 2004

• SUA, Canada si Rusia sunt cei mai mari producatori de cherestea.

(Sursa: FAOSTAT, 2006)

Busteni [Mm3]

Cherestea [Mm3]

Placaj [Mm3]

1. SUA 2480 1. SUA 93.1 1. China 21 2. Canada 1671 2. Canada 61 2. SUA 14.83. Rusia 67.9 3. Rusia 21.4 3. Malaezia 5 4. Brazilia 54.9 4. Brazilia 21.2 4. Indonezia 4.5 5. China 52.2 5. Germania 19.5 5. Japonia 3.1 6. Suedia 35.4 6. India 17.5 6. Brazilia 2.9 7. Germania 32.2 7. Suedia 16.9 7. Canada 2.3 8. Indonezia 26 8. Japonia 13.6 8. Rusia 2.2 9. Finlanda 24.3 9. Finlanda 13.5 9. India 1.9 10. Malaezia 22 10. China 11.3 10. Finlanda 1.4 11. Franţa 19.9 11. Austria 11.1 11. Taiwan 0.8 12. India 18.4 12. Franţa 9.8 12. Coreea de Sud 0.8 13. Chile 15.9 13. Chile 8 13. Chile 0.5 14. Polonia 13 14. Turcia 6.2 14. Italia 0.5 15. Australia 12.2 15. Malaezia 5.6 15. Franţa 0.4

38

Wood request

Cererea mondiala de cherestea (Pöyry, 2007)

Sursa: Barbu (2003)

39

• Care sunt primele tari producatoare de busteni, cherestea si placaj la nivel mondial?

40

Cei mai mari producatori din lume de placi din aschii si fibre de lemn

Plăci din aṣchii [Mm3]

Plăci din fibre [Mm3]

1. SUA 21.8 1. China 15.3 2. Canada 11.3 2. SUA 7.5 3. Germania 10.6 3. Germania 5.1 4. China 6.4 4. Canada 2.1 5. Franţa 4.4 5. Polonia 1.9 6. Polonia 4.1 6. Coreea 1.6 7. Italia 3.7 7. France 1.3 8. Federaţia Rusă 3.6 8. Spania 1.3 9. Spania 3.2 9. Malaezia 1.2 10. Turcia 2.7 10. Federaţia Rusă 1.2 11. Marea Britanie 2.7 11. Italia 1.1 12. Austria 2.4 12. Turcia 1 13. Belgia 2.2 13. Brazilia 1 14. Brazilia 1.8 14. Japonia 0.9 15. Japonia 1.2 15.Noua Zeelandă 0.9 TOTAL 97.5 TOTAL 52.9

Sursa: FAOSTAT, 2006

41

China se bazeaza pe importuri

[Pöyry]

Chinese developments

02000400060008000

100001200014000160001800020000

'86 '88 '90 '92 '94 '96 '98 '00 '02 '04 '06

SoftwoodHardwood

1,000 m³

Sursa: Barbu (2003)

42

Wood request

Cererea mondiala de placi pe baza de lemn(Pöyry, 2005)

2006: 230 Mio.m³

0

50

100

150

200

250

300

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Million m³

Rest of the WorldRest of AsiaAsiaPacific and OceaniaEastern EuropeWestern EuropeLatin AmericaNorth America

Forecast

Sursa: Barbu (2003)

43

European production capacities 62,5 million m³ (EPF, 2007)

Plywood7%

Particleboard61%MDF

22%

OSB6%

Hard/Softboard4%

Panels industry

Sursa: Barbu (2003)

44

Particleboard users in Europe

Panels industry

Sursa: Barbu (2003)

45

MDF users in Europe

Panels industry

Sursa: Barbu (2003)

46

• Care sunt primele tari producatoare de placi din aschii si fibre din lemn la nivel mondial?

47

Lemnul- materie prima pentru energie

• In tarile industrializate: resursele lemnoasesecundare (aschii, praf de lemn, pudra de lemn, coaja, resturi fenolice, etc) –surse majore de energie

• Utilizarea bioenergiei in tarile industrializateestimata la 15 EJ (Exajoule = 10^18 J ) in 2002 (IEA, 2004).

• In Suedia, Danemarca, Finlanda, Austria, Franta siGermania – tari in care biomasa forestiera are o importanta remarcabila (80% din productia de bioenergie – reprezinta lemn si deseuri din lemn)

48

Surse lemnoase pentru energie

• Busteni (trunchiuri)-paduri obisnuite• Culturi forestiere cu specii repede crescatoare• Biomasa reziduala (deseuri)

49

Busteni (trunchiuri)-paduri obisnuite

– Cel mai comun mod de utilizare de-a lungul mileniilor: arspt. incalzire si iluminat

– Astazi- utilizari superioare, non-energetice: productie de pasta de fibre, hartie, industria mobilei, placi, etc

– In medie, procesul de conversie a lemnului rotund in produseeste de 40-60%– restul reprezinta produse secundare: produse fenolice, coaja, praf de lemn si aschii- nu au o valoare de utilizare industriala recunoscuta, dar sunt certeresurse de energie

– Eficienta conversiei difera in functie de procesele de productie si tehnologia aplicata

50

Culturi forestiere cu specii repedecrescatoare- Europa

• Culturi forestiere cu rotatie scurta –CFRS (3-30 ani)-popularitate in crestere in Europa– Salcie (Salix)- se recolteaza la 2-4 ani, la app. 6m

inaltime, iarna-pt a reduce M.C. (continut umiditate)– In masura mai mica –plop (Populus) –recoltare 8-15

ani

51

Culturi forestiere -continuare

• Avantaje:– Cultivare si recoltare CFRS-f. eficiente din pdv. energetic -

4-5% din potentialul energetic al lemnului recoltat.– CFRS poate atinge cresteri de 10-15 tone pe hectar pe an-

randament mult mai mare decat al padurilor obisnuite ( 5-10 tone pe hectar pe an).

• Dezavantaje: – Cost mult mai mare comparativ cu resursele secundare

provenite din cosmetizarea padurilor, industria hartiei, etc. – Continut de umiditate (MC) tipic ridicat-nu este de dorit in

cazul conversiei in energie (gasificare)- necesita uscare

52

Forest situation

Plantatii specii repede crescatoare la nivel mondial (FAO, 2005)

53

Biomasa reziduala (deseuri)

• Deseul- material respins pentru lipsa valorii sale de utilizare intr-un context specific. Poate deveni materieprima in alt context.

Materialul lemnos categorizat ca reziduu si deseu:· curatiri si cosmetizari forestiere (varfuri, crengi, trunchiuri de

mici dimensiuni)· lemn rezultat din demolari· traverse de cale ferata dezafectate· deseuri din fibre si aschii de lemn (resturi de la debitare, praf

rezultat din taieri si slefuire)· talas· deseuri din productia de placaj (rest cutit, deseuri de furnir, praf

de lemn de la slefuire)

54

• Avantaje:– Deseuri din lemn –bioresursa energetica f.

promitatoare , costuri scazute sau neglijabile– Cantitatea de deseuri depinde de indicele de utilizare

al materialului recoltat– Dezavantaje:– Compozitie eterogena (umiditate, impuritati, etc) – Necesita tratament preliminar(uscare, eliminare

contaminanti, maruntire, etc)

55

• Enuntati principalele surse de biomasa lemnoasa. Avantaje si dezavantaje

56

Materia prima lemnoasa pentru energie

• Variatii dimensionale, continut de impuritati, umiditate ridicata – impun tratamente pentruobtinerea materiei prime convertibile in energie.

• Tipuri de materie prima:– Aschii– Pudra si praf– “black liquor” –resturi fenolice de la

fabricarea hartiei

57

Aschii din lemn

• Maruntite cu tocatoare speciale- pana la 5-60 mm :– Trunchi integral (de obicei rasinoase), – Plantatii cu rotatie rapida– Deseuri din lemn (crengi, varfuri, cioata,etc)

• Primele doua categorii- calitate superioara, continmai putine impuritati, dar sunt mai scumpe

• Maruntirea- asigura o materie prima omogena, eficienta din pdv energetic-necesita numai 1-3%din continutul de energie al deseurilor din lemn.

58

Umiditatea aschiilor• Poate fi f. mare 45-55% - poate afecta conversia- umiditatea

trebuie redusa la 5-25% • Cai de reducere a MC (continut umiditate):

– Uscare naturala ca busteni: bustenii sunt lasati pe sol sa se usuce (doborare ian-mar, cand MC este cel mai mic; in mod natural MC poate sa coboare de la 50-55% la 35-45%).

– Uscare naturala a aschiilor: stocare afara: mai ieftina (vara, datorita densitatii aparente reduse) sau in incinte (iarna-necesitaspatii mari de depozitare) -MC de la 50% la app 30%. Nu se recomanda stocare afara a aschiilor cu MC< 30% (ploi)

– Uscare fortata: se va evita in general- conduce la reducereaeficientei energetice a materialului si la crestere costuri. Canduscarea naturala nu e suficienta, dar caldura de uscare provinedin procese care o degaja si care altfel s-ar pierde in atmosfera(sinteza gazelor)- uscarea fortata se justifica si chiar poate sacreasca eficienta energetica

59

Pudra si praf de lemn

• Pudra de lemn – maruntire f. fina-particule max.3 mm, obisnuit- 1 mm.

• Avantaj fata de aschii- cu cat marimea particulelor e mai mica, cu atat conversia este mai eficienta.

• Dezavantaje:– Consumul energetic al masinilor de maruntit este mult mai

mare decat al tocatoarelor de aschii.– cand se foloseste lemn provenit din demolari – necesita

eliminare parti metalice (magneti) inainte de introducere in masina de maruntit

Acelasi tip de materie prima se poate obtine direct- praful de lemn- de la fabricarea cherestelei

60

Materiale si energie pentru 1 m³ de cheresteauscata- fabrica de cherestea- Scandinavia

Sursa: Heinimö and Jäppinen, 2005)

61

Lesie sulfitica (resturi fenolice)

• Produs secundar• Obtinerea pastei de fibre prin

procedee chimice- aschiiledin lemn sunt fierte in lesie-dizolva lignina- celulozaramane (se separa)

• lignina este arsa intr-un boiler- sursa de energie-substantele chimice se separa

62

• Ce tip de deseuri din productia industriala de busteni, cherestea, placaj, placi si hartiepot fi utilizate in scop energetic?

63

Test de evaluare a cunoştinţelor• Ce prevede protocolul de la Kyoto?• Numiti si descrieti obiectivele politicilor energetice• Ce este IEA si care este rolul sau?• Care sunt avantajele utilizarii biomasei ca sursa de energie in comparatie cu

combustibilii fosili?Dar dezavantajele?• Ce alte surse regenerabile de energie cunoasteti?• Care sunt tarile detinatoare ale celor mai mari rezerve forestiere pe glob, dar in

Europa?Ce procent detine Romania?• Comentati dinamica rezervelor forestiere mondiale din Tabelul 1 si cauzele ei• Cat la suta din productia mondiala de lemn rotund industrial era lemn de foc in

anul 2000?• Ce tip de deseuri din productia industriala de busteni, cherestea, placaj si placi

pot fi utilizate in scop energetic?• Care sunt primele tari producatoare de busteni, cherestea si placaj la nivel

mondial?• Care sunt primele tari producatoare de placi din aschii si fibre din lemn la nivel

mondial?• Care era ponderea lemnului din totalul de biomasa in UE la nivelul anului 2002?• Enuntati alte tipuri de biomasa in afara celei lemnoase• Enuntati principalele surse de biomasa lemnoasa. Avantaje si dezavantaje

64

Metode de conversie a lemnului in energie

65

• Numiti tipurile de conversie a biomasei lemnoase in energie, descrieti-le si enuntati care sunt produsele principale ale acestor tehnologii

66

Combustie directa

• In tari in curs de dezvoltare- lemnul este ars pt incalzire domestica si preparare hrana, eficienta f scazuta- camine(vetre), sobe simple

• in tarile dezvoltate- in principal pentru productiade caldura, abur si electricitate -– -90% dintre uzinele moderne pe bioenergie folosesc

procese de combustie (NAFI report, 2005)– Tehnologiile de conversie directa sunt deja recunoscute,

bine intelese, comporta riscuri reduse si sunt viabile din pdv comercial.

67

Procesele chimice ale combustiei directe

• Se degaja caldura prin combinatia chimicadintre hidrogenul si carbonul continute in materia prima supusa combustiei si oxigenuldin aer:

• Combustia completa-hidrogenul se combinacu oxigenul- vapori de apa, in timp cecarbonul se combina cu oxigenul- CO2

• Combustia incompleta- o parte din carbon sihidrogen nu reactioneaza in intregime cu oxigenul- rezulta CO, hidrocarburi si alte gaze

-cu rosu-oxigen

- cu gri-carbon

-cu alb-hidrogen

68

Cele 3 faze ale procesului de combustie(Cheremisinoff, 1980)

1. ·evaporarea apei din materialul lemnos (necesitaaport de caldura sau energie)

2. ·arderea materiei volatile din lemn (hidrocarburigazoase volatile –se degaja caldura)

3. ·combustia carbonului (reactia carbonului fix cu oxigenul la temp. ridicate produce CO2 - se degajacaldura)

In practica, lemnul este alimentat continuu in camera de combustie- cele 3 faze se petrec simultan– Sistemele de combustie –proiectate astfel incat sa

echilibreze evaporarea si arderea tinand cont si de materiaprima (dimensiuni, variatii in MC)

69

• ce este combustia directa a lemnului si care sunt fazele procesului?

70

Valoarea calorica a lemnului

• Valoarea calorica – cantitatea de energie pe kg degajata prin ardere

• In lit. specialitate veche (Europa) unit. de energie estecaloria (cal)– este cantitatea de energie necesara pentru a incalzi 1g de

apa pana la 1C. • USA- energia exprimata in British thermal units

(Btu)• In SI – unitatea de energie- Joule (J). • Alta unitate de energie - kilowat-ora (kWh),

echivalentul a 3.6 MJ.BtuxJ 31094782.01 kcalxJ 31023885.01 kWhxJ 61027778.01

1ZJ =2xEconsumata de toate tarile de pe glob 1TWh = 1018.kWh

71

Calcul rapid al valorii calorice (FAO, 1990 )

• Valoarea calorica bruta (ridicata)-HCV– (HCV) = 20.0 x (1 - A - M) MJ/kg unde

• A –continut de cenusa• M –continutul de umiditate al materiei prime

• Valoarea calorica neta (scazuta)-LCV– Ia in considerare valoarea energetica nerecuperata

pierduta prin vaporii de apa (datorita MC) sioxidarea hidrogenului (6% in procente de greutatein stare uscata si fara cenusa )

– (LCV) = 18.7 x (1- A - M) - 2.5 x M, MJ/kg

72

• Ce diferente calitative exista intre puterea (valoarea) calorica bruta si cea neta a lemnului?

73

Valoarea calorica a lemnului

• Depinde de specie– rasinoase (21 MJ/kg) au val. calorica mai mare decat

foioasele (19.8 MJ/kg)- lemnul in general=19 MJ/kg, darrasina= 40 MJ/kg

• Pozitia in arbore• Coaja, cu un continut ridicat de gume si rasini-

valoare calorica mai ridicata decat lemnul• Depinde de MC (continut umiditate), marime

particule, tipul si eficienta echipamentului de combustie

74

• Ce este puterea calorica, in ce unitati se masoara si care sunt valorile in cazul lemnului?

75

Continutul de umiditate si valoareacalorica

• De la 19.8 MJ/kg la 0% MC scade la 10 MJ/kg la 50 % MC.

• Tinta trebuie sa fie max. MC 50% • La 60%, arderea devine dificila-puterea calorica scade

accentuat• Afecteaza eficienta combustiei per ansamblu- cantitati

mari de energie necesare pt evaporarea MC- pierderi de caldura

• Un continut scazut de MC –costuri de transport sistocare reduse, microorganisme mai putin active

76

Marimea si forma particulelor din lemn sivaloarea calorica

• Influenteaza eficienta arderii, precum simanipularea materialului

• Praful fin de la slefuire si rumegusul pot fiarse in suspensie

• Particulele mai mari (aschii, sipci)- necesitao durata mai lunga de ardere- pe gratare

77

• Care sunt factorii de influenta asupra puterii calorice a lemnului?Descriere.

78

Aplicatiile combustiei directe

• Incalzire domestica- camine si sobe• Aplicatii industriale:

– caldura– electricitate– sau combinatie a celor doua: co-generare.

79

Incalzire domestica-caminul• Functioneaza mai ales prin

radiatie• Energia radiata incalzeste aerul

unei incaperi prin conductie prinincalzirea locala a suprafetelor in contact sau in apropierea sursei de energie

• Aerul cald se ridica princonvectie.– Aerul rece coboara, va fi reincalzit

si recirculat– Caminele livreaza 5-25% din

potentialul energetic al combustibilului

80

Incalzire domestica –sobe pentru lemn

• Mult mai eficiente decat caminele• livreaza 50-70% din potentialul termic al

lemnului• Sunt 2 tipuri de sobe: prin radiatie si

circulatie

81

Soba cu radiatie

• Aer secundar si primarplus o camera suplimentara pt. gazelede ardere (astfel crestetimpul de rezidenta, se favorizeaza transferulde caldura catreincapere

• livreaza 50% din energia calorica a lemnului

82

Soba cu circulatie a aerului

• Caldura se ridica prin convectienaturala

• livreaza 70% din potentialul termical lemnului

• Cele mai eficiente sobe au termostatpentru reglarea debitului de aer pt. combustie si astfel, a caldurii livrate

• Are pereti dubli- converteste energieradianta in aer cald de convectie

• Aerul incalzit este circulat de regula prin intermediul unui sistem de conducere fortata a aerului.

83

• Numiti aplicatiile combustiei directe pentru uz domestic, descrieti principiul de functionare si comentati eficienta energetica a fiecareia prin analize comparative

84

Combustie directa pentru scopuri industriale

• Combustie directa pt. generare de abur supraincalzitprin transfer de caldura- gazele fierbinti trec peste tevilecu apa- generare abur

• Combustie directa pt. generare de electricitate –utilizeaza indirect temperatura ridicata a aburului pt. a genera electricitate in turbine cu abur

• Combustie directa pt. generare de caldura si electricitate(co-generare)- boiler si turbina pe aburi- electricitateapoate fi utilizata local sau transportata la utilizatoriexterni

85

Combustie directa pentru incalzire

(NAFI report, 2005)

86

• Boiler +• ·tocator pt. reducerea dimensionala a materialului

lemnos (variabil dimensional) • · echipament pt. controlul si reducerea emisiilor

poluante• · sisteme de alimentare a lemnului si de evacuare a

cenusei• · instalatie de preuscare a lemnului cu un continut de

umiditate ridicat• ·dispozitive pentru controlul automat al operatiilor

sistemului

Echipament necesar pentru generareabur(avand lemn ca si

combustibil)(Cheremisinoff, 1980):

87

Instalatie cu abur pentru combustia directa

(Cheremisinoff, 1980)

88

Combustie directa pentru producere de electricitate

(NAFI report, 2005)

Prin combustia lemnului se poate obtine de 10 ori mai mult abur decatelectricitate

Eficienta unei centrale electrice = Energie electrica/Energietermica a combustibilului

20-35% eficienta

89

Combustie directa pentru co-generare

(NAFI report, 2005)

85% eficienta !

Procesul este competitiv daca se folosescdeseuri din lemn (cost 0) cu producereade electricitate din combustibili fosili

90

• Numiti aplicatiile combustiei directe pentru uz industrial, descrieti principiul de functionare si comentati eficienta energetica a fiecareia prin analize comparative

91

• Biomasa lemnoasa mai poate fi utilizata in procesele industriale si in combinatie cu combustibili fosili de tipul carbunelui, proces numit co-ardere (co-firing).

• Proportia de biomasa poate varia intre cateva procente pana la cca. 40%. Puterea energetica a centralelor mixte functionand prin co-ardere poate varia intre 50-700 MW (Brown at al, 2002).

92

• Un sistem de incalzire cu biomasa este compus dintr-o centrala de incalzire, un sistem de distributie a caldurii si dintr-un sistem de aprovizionare cu biomasa.

• Intr-un sistem de combustie a biomasei biocombustibilul este transferat prin sistemul de ardere trecand prin diferite etape succesive:

93

Etape intr-un sistem de combustie a biomasei

• zona de descarare a biocombustibilului• zona de depozitare a biocombustibilului• zona de alimentare cu biocombustibil: in care are loc deplasarea

biomasei din spatiul de stocaj in camera de ardere. • camera de ardere:• schimbatorul de caldura: caldura produsa in camera de ardere este

transferata sistemului de distributie a caldurii prin interpunerea unui schimbator de caldura.

• ridicarea si stocarea cenusii: • cosul si sistemul de evacuare: gazele de ardere sunt evacuate in

atmosfera.

94Centrala de incalzire cu biomasa

(http://instalatii.utcb.ro/site/proiectecoordonare/serefen/cib.pdf)

95

Tipuri de cazane pentru combustiedirecta

• Combustie cu strat (gratar) fix

(Tillman, 1978)

Particulele mai usoare se ridica si ard in suspensie, in timp ce bucatile de dimensiuni mai mari raman si ard pe gratar.

Tehnologiile cu gratar sunt eficiente si necesita costuri mici de investitie

96

Combustie cu strat fluidizat• Combinare cu pana la 90% particule de nisip in camera de combustie

(pentru transferul mai rapid al caldurii catre materialul lemnos) • Fluxul aerului de combustie circula mult mai rapid (este injectat pe la

partea inferioara a stratului de nisip cauzand o turbulenta asemanatoare unui lichid care fierbe.

• Turbulenta creata distribuie si ridica in suspensie combustibilul, care continua sa arda.

• Deseurile din lemn (aschii, praf) ard intr-o proportie mai mare-arderemai eficienta, mai completa

• Emisii mai scazute de oxizi de azot (deoarece temperaturile de arderesunt mai scazute, sub 970°C )

• Combustibilul are dimensiuni mai reduse (comparativ cu cazanul cu strat fix)

• Centrale cu capacitatea de 10-240 MW – sursa lemnoasa din deseuri din lemn

• In functie de viteza aerului, arderea poate fi in strat fluidizat fix sau in strat fluidizat circulant

• accepta materie prima lemnoasa cu un continut de umiditate de pana la 60%

97Tipuri de cazane pentru combustia directa

98

Cazan de ardere cu strat fluidizat circulant pentru combustie directa

99

Avantajele principale ale cazanelor de ardere cu strat fluidizat comparativ cu cele cu gratar

• accepta materie prima lemnoasa cu un continut de umiditate de pana la 60%

• materia prima poate avea un continut ridicat de cenusa

• emisii scazute de NOx• pierderi mai mici de caldura la evacuarea

gazelor de ardere

100

Dezavantajul cazanelor de ardere cu strat fluidizat

• materia prima lemnoasa trebuie sa fie in general de mici dimensiuni (aschii, praf)

• costurile ridicate de investitie si de operare• Problema comuna ambelor tipuri de cazane

(cu strat fix sau fluidizat): coroziuneagenerata de gazele de esapare

101

• Ce tipuri de cazane de ardere cunoasteti si ce diferente exista intre sistemele lor de functionare?

• Analizati avantajele si dezavantajele cazanelor de ardere prin comparatii intre ele

102

103

Aspecte legate de poluare

• Combustia directa (cea domestica) esteresponsabila pentru fenomenul de smog in orase

• Emisiile includ VOC(substante organicevolatile) si particule rezultate in urma arderiiincomplete :– Oxizi de azot (NOx), metale si dioxid de sulf

(SO2). • Se degaja compusi cancerigeni

Emisiile generate de valorificarea in energie a biomasei sunt aproapeidentice cu cele ale gazului natural, considerat ca fiind cel mai “curat”combustibil

104

Emisiile conversiei biomasei comparativ cu ale carbunelui si gazului natural

Simpkins, 2006

105

Sulf

• Sulful si cenusa- principale impuritati• Sulful formeaza prin combustie bioxid de sulf• Se poate combina cu apa de ploaie formand

acid sulfuric diluat-coroziv• Lemnul are un continut redus de sulf (app

0.013%) si cenusa (1.12%) comparativ cu carbunele (sulf: 0.6-3%; cenusa: 4.1-13.8%)

106

Cenusa

• Biomasa lemnoasa produce mai putinacenusa decat carbunele (Hakkila, 1989)

• Cenusa provenita din biomasa forestiera-agent de imbunatatire a solului. Cenusaprovenita din combustia carbunelui estetoxica si nu se poate folosi ca ingrasamant.

107

CO2

• Combustibilii fosili produc bioxid de carbon ca emisii in atmosfera

• Si biomasa produce CO2 prin ardere sauconversie, insa efectul este compensat de absorbtiade CO2 necesara cresterii plantelor (fotosinteza)-resursa regenerabila

• prin ardere, biomasa(ca deseu) produce mai putinCO2 decat prin ingropare in pamant (eliminare)– In timp, dispunerea in teren a deseului din lemn emite

CO2. In plus, mai emite metan (CH4)- efect de sera

108

• Care sunt agentii de poluare rezultati in urma combustiei directe a biomasei lemnoase si ce valori (evaluare calitativa) au comparativ cu alte tipuri de combustibili?

109

Pericolul lemnului tratat chimic

• Substantele de prezervare si conservare aplicate lemnuluiconstituie un pericol pentru mediu in momentul eliminariilemnului ca deseu nerecuperabil –prin combustie

• aceste substante nu mai permit utilizarea cenusii saurecuperarea valorica a lemnului-datorita toxicitatii

• Prin combustie sau conversie se pot transforma in compusichimici corozivi, care pot distruge instalatiile

• Nivelul emisiilor in atmosfera depinde de tehnologiautilizata si eficienta acesteia (combustia completa produce mai putine emisii decat cea incompleta)

• Se impune utilizarea epuratoarelor de gaze, precipitatorielectrostatici, saci de filtrare- captura particulelor sipoluantilor

110

• Care sunt riscurile utilizarii lemnului tratat chimic si care sunt masurile de prevenire?

111

Test de evaluare a cunoştinţelor

• Numiti tipurile de conversie a biomasei lemnoase in energie, descrieti-le si enuntati care sunt produsele principale ale acestor tehnologii

• ce este combustia directa a lemnului si care sunt fazele procesului?• Ce este puterea calorica, in ce unitati se masoara si care sunt valorile in cazul lemnului?• Ce diferente calitative exista intre puterea (valoarea) calorica bruta si cea neta a

lemnului?• Care sunt factorii de influenta asupra puterii calorice a lemnului?Descriere.• Numiti aplicatiile combustiei directe pentru uz domestic, descrieti principiul de functionare

si comentati eficienta energetica a fiecareia prin analize comparative• Numiti aplicatiile combustiei directe pentru uz industrial, descrieti principiul de

functionare si comentati eficienta energetica a fiecareia prin analize comparative• care sunt etapele succesive ale unui sistem de combustie a biomasei lemnoase?• Ce tipuri de cazane de ardere cunoasteti si ce diferente exista intre sistemele lor de

functionare?• Analizati avantajele si dezavantajele cazanelor de ardere prin comparatii intre ele• Care sunt agentii de poluare rezultati in urma combustiei directe a biomasei lemnoase si ce

valori (evaluare calitativa) au comparativ cu alte tipuri de combustibili?• Care sunt riscurile utilizarii lemnului tratat chimic si care sunt masurile de prevenire?