Biomasa – combustibil ecologic

Biomasa este un material organic regenerabil de origine vegetală sau animală. Nu doar în România și Europa ci chiar și în Statele Unite ale Americii biomasa a fost principala sursă de energie până la mijlocul anilor 1800. Biomasa continuă să reprezinte o importantă sursă de combustibil în multe țări, folosită în special pentru încălzire și prepararea hranei în țările în curs de dezvoltare. Folosirea combustibililor produși din biomasă pentru transporturi și producerea de electricitate este în creștere în multe țări dezvoltate, ca o modalitate de a evita emisiile de dioxid de carbon produse de combustibilii fosili. Biomasa conține energie chimică stocată de la soare. Plantele produc biomasă prin fotosinteză.
Biomasa poate fi arsă direct pentru a produce căldură sau convertită în energie regenerabilă în formă lichidă sau gazoasă prin diverse procese.

Biomasa ca sursă de energie include:

- Lemnul sau deșeurile produse în urma procesării lemnului – lemnul de foc, peleții, brichetele, cheresteaua și rumegușul rezultat în urma producerii a acesteia, precum și celuloza rezultată în urma producerii hârtiei;
- Resturile de natură vegetală – porumb, soia, trestia de zahăr, diverse sortimente de iarbă, plante cu tulpina lemnoasă și alge, cereale și resturi rezultate în urma prelucrării alimentelor;
- Material biogenic din gunoiul municipal – hârtie, bumbac, lână și resturi alimentare sau lemnoase;
- Gunoi de origine animală (gunoi de grajd) și umană.

Cum transformăm biomasa în energie? Câtă biomasă este folosită pentru producerea de energie? Afla mai jos!

Cum transformăm biomasa în energie?
Biomasa este transformată în energie prin diferite procese, incluzând:
- Ardere directă (combustie) pentru a produce căldură
- Conversie termochimică pentru a produce combustibili solizi, gazoși sau lichizi
- Conversie chimică pentru a produce combustibili lichizi
- Conversie biologică penru a produce combustibili lichizi și gazoși

Arderea directă sau combustia este cea mai comună metodă de transformare a biomasei în energie utilizabilă. Toate tipurile de biomasă pot fi arse direct pentru a încălzi clădirile sau apa, pentru a obține căldură destinată procesărilor industriale și pentru generarea de electricitate folosind motoare cu aburi.

Conversia termochimică a biomasei include piroliza și gazeificarea. Ambele sunt procese de descompunere termică prin care biomasa este încălzită în incinte închise/ vase sub presiune (numite gazeificatoare) la temperaturi mari. Aceste două procese diferă prin temperatura de ardere și cantitatea de oxigen prezentă în timpul procesului de conversie. Piroliza implică încălzirea materiei organice până la 400-5000°C (800-9000°F) în lipsa aproape completă a oxigenului. Piroliza biomasei produce combustibil precum cărbunii, uleiul-bio, ”diesel-ul verde”, metan și hidrogen.

Fermentarea este folosită pentru a produce biogaz (CH4) sau bioetanol (CH3-CH2-OH) – în cazul fermentării produșilor zaharați; biogazul se poate arde direct, iar bioetanolul, în amestec cu benzina, poate fi utilizat în motoarele cu combustie internă.

Gazeificarea presupune încălzirea materiei organice la 800-9000°C (1400-17000°F) cu injectarea controlată a unor cantități de oxigen și/sau vapori într-o incintă pentru a produce monoxid de carbon și hidrogen îmbogățit numit singas (CO + H2). Singazul poate fi folosit pe post de combustibil pentru motoarele diesel, pentru încălzire și pentru generarea de energie electrică în motoarele cu aburi.

Alte forme de valorificare energetică a biomasei:
a. Transformarea chimică a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool și generare de esteri, de exemplu metil esteri (biodiesel) și glicerol. În etapa următoare, biodieselul purificat se poate arde în motoarele diesel.
b. Degradarea enzimatică a biomasei cu obținere de etanol sau biodiesel. Celuloza poate fi degradată enzimatic la monomerii săi, derivați glucidici, care pot fi ulterior fermentați la etanol.
Câtă biomasă este folosită pentru producerea de energie?
În 2019, biomasa a asigurat aproape 5 mii de miliarde (5 urmat de 15 zerouri !!!) Btu (British thermal units, adică o cantitate de aproximativ 5% din totalul de energie a Statelor Unite (cea mai mare consumatoare de energie a lumii). Din aceste 5%, aproximativ 45% derivă din lemn sau biomasă din derivate lemnoase, 45% din biocarburanți (în special etanol) și 9% din biomasă rezultată din gunoi municipal.

Totalurile, în miliarde de Btu și procentul acestora din totalul de energie rezultată din biomasă folosite în SUA în diverse ramuri în 2019 arăta astfel:
- Industrie = 2,451 miliarde Btu – 49 %
- Transporturi = 1,410 miliarde Btu – 28 %
- Domeniul rezidențial = 529 miliarde Btu – 11 %
- Electricitate = 448 miliarde Btu – 9 %
- Comerț = 146 miliarde Btu – 3 %.

Sectorul industrial și transporturile sunt responsabile pentru cea mai mare parte a consumului de biomasă din totalul anual în SUA. Produsele lemnoase și industria hârtiei folosesc biomasă în fabrici producătoare de energie, pentru a produce căldură și a genera electricitate în folosul propriu. Biocombustibilul lichid (bioetanol și biodiesel produse din biomasă) sunt responsabile pentru cea mai mare parte a consumului din domeniul transporturilor.

Sectoarele rezidențial și comercial folosesc lemn de foc și peleți pentru încălzire. Sectorul comercial consumă de asemenea și câteodată vinde energie regenerabilă produsă din deșeuri municipale în facilitățile destinate acestui scop. Sectorul electric folosește lemn și reziduuri derivate din biomasă pentru a genera electricitate pe care o vinde celorlalte sectoare.

Încălzirea cu

Cazane
În cazurile în care necesarul termic al imobilului este mai mare și configurația geometrică al acestuia este mai extinsă, devine oportună folosirea ca sursă generatoare de energie termică a cazanelor cu biomasă. Acestea arzând tipul de combustibil anterior menționat, tratează un agent termic (de cele mai multe ori – apa) care este trimisă către consumatorii de energie termică (aparate de redare a căldurii, preparatoare de apă caldă de consum, etc).

Din punct de vedere al domeniului de operare a temperaturilor agentului termic, cazanele cu biomasă pot fi cu condensare sau fără condensare, la acestea din urmă returul conținând soluții de ridicare a temperaturii agentului termic readus în cazan. Indiferent de domeniul temperaturilor de operare ales, randamentul unui cazan modern, conform prevederilor europene, nu mai poate fi acceptat sub valoarea de 85%.

Cazanele cu biomasă în stare solidă se pot diviza din punct de vedere al alimentării cu combustibil în două categorii: cu încărcare manuală (de regulă cu fracție mai mare: bucăți de lemn sau bricheți) și cu încărcare automată (cu fracție mai măruntă: tocătură sau peleți).

Cazanele cu biomasă pot fi cu funcționare periodică, îndelungată/prelungită sau continuă/neîntreruptă. La primele două tipuri de funcționare se potrivesc mai des cazanele cu încărcare manuală, iar la ultimul tip de funționare – cele cu încărcare automată.

Pentru funcționarea optimă a cazanelor, pe lângă alimentarea cu combustibilul adecvat, în spațiul de ardere trebuie să fie admisă și cantitatea necesară de aer. După miscarea gazelor de ardere și a aerului, cazanele cu biomasă pot fi cu mișcare forțată (la acestea există în dotare ventilatoare care întroduc aer sau care exhaustează gazele de ardere) sau pot fi cu mișcare liberă.

Din punct de vedere al circulației agentului termic prin cazanele cu biomasă această circulație poate fi ori forțată (folosind pompe de circulație), ori naturală (cunoscută și sub numele de termosifon).

Mișcarea forțată a gazelor pe de o parte, precum și mișcarea forțată a agentului termic pe cealaltă parte au avut ca scop optimizarea gabaritelor elementelor componente și reducerea consumului de materiale la fabricarea cazanelor. Această direcție însă s-a soldat cu dependență de dispozitive și aparate consumatoare de energie electrică, ceea ce nu trebuie privită neapărat ca un dezavantaj, dar este un aspect de care trebuie ținut cont și care poate să ajungă un argument cu greutate la analizarea soluțiilor în vederea identificării celei optime.

În scopul reducerii impactului asupra mediului înconjurător și încadrarea emisiilor în limitele stabilite, temperatura în spațiul de ardere a biomasei trebuie sa fie menținută la peste +700°C. Din acest considerent gazele de ardere își încheie procesul de ardere completă în spații care nu prea au contact cu agentul termic. Cu alte cuvinte arderea completă trebuie „protejată” de „nucleul rece” în care se află agent termic.

Instalarea cazanelor se face în spații special create în cadrul unei construcții, cu asigurarea obligatorie a cantității corespunzătoare de aer de combustie și pe de altă parte a evacuării în condiții de siguranță a gazelor de ardere cu coșuri de fum conforme.
Sobe
Încălzirea cu sobe este unul dintre cele mai tradiționale moduri de încălzire, testat timp de secole. Și în prezent acest mod de încălzire este pe larg folosit mai ales în zonele rurale. Chiar dacă există și alte posibilități de încălzire, soba cu lemne poate constitui sursă suplimentară, iar uneori poate fi folosită ca sursă de rezervă.

După modul de încălzire a locuințelor, încălzirea cu sobe poate fi:
- tradițională, când încălzirea se realizează în mod direct de către suprafața sobei prin radiație și convecție. Pentru această abordare pot fi prevăzute diferite tipuri și modele de sobe, însă pentru a asigura confortul termic într-un imobil mai mare vor fi necesare mai multe sobe, cu coșurile de fum aferente, ceea ce poate fi incomod și ineficient;
- cu agent termic lichid, ceea ce presupune prevederea în sistemul convectiv a unui schimbător de căldură racordat la instalația termică. În acest caz încălzirea încăperilor se va realiza atât direct prin surpafața activă a sobei, cât și indirect, prin corpurile de încălzire (calorifere, convectoare) și/sau suprafețe radiante (tavane, pereți și/sau pardoseli) instalate în alte încăperi. Cu această soluție de încălzire a locuinței, cu o singură sobă poziționată central, se pot obține randamente mai ridicate;
- în tandem cu un sistem centralizat de ventilare cu recuperare de căldură prin intermediul căruia se uniformizează temperatura aerului interior în întreaga locuință. Această soluție se pretează mai ales pentru locuințele noi, care sunt proiectate conform cerințelor nZEB, adică cu o anvelopă performantă energetic și care să folosească în mai mare măsură surse de energie regenerabilă, cum este biomasa.

Din punct de vedere al materialelor folosite la construcția sobelor, acestea pot fi divizate în predominant:
- metalice (de cele mai multe ori acestea sunt sobe fără acumulare de căldură);
- ceramice (cu acumulare de căldură, aici s-ar include și cele din roci naturale).

Optând pentru sobe, ca modalitate principală de încălzire, este importantă potrivirea/corelarea caracteristicilor acestora, dar și poziționarea lor în planul construcției. Este esențial de asemeni de ținut cont de pierderile de căldură a încăperilor.

Poziționarea sobei ar trebui realizată în așa manieră, încât să poată fi folosită la maxim căldura acesteia și totodată să fie comodă deservirea sobei. Dacă soba se amplasează între douaă sau trei încăperi învecinate, este de dorit ca suprafețele active ale sobei, aferente acestor încăperi, să fie proporționale cu pierderile de căldură. Cu alte cuvinte, spre încăperea cu pierderile de căldură mai mari să fie îndreptată suprafața activă mai mare.

Esențială este și pozița coșului de fum la care se va racorda soba și corelarea acestuia cu celelalte elemente ale imobilului.
Caracteristicile coșului de fum (înălțimea utilă și dimensiunea secțiunii acestuia) dictează și configurația viitoarei sobe, dar și randamentul maxim care poate fi obținut în fiecare caz concret. Altfel spus dacă coșul de fum poate fi mai înalt, atunci vor putea exista mai multe posibilități de rezolvare privind configurația sobei.
Șeminee
Încălzirea cu șeminee era o soluție foarte răspândită în țările cu climă blândă. Cu siguranță nu orice șemineu poate fi potrivit acestui scop. Există mai multe tipuri de șeminee , în continuare fiind prezentate doar cele ce folosesc biomasa în stare solidă.
De la bun început trebuie menționat că șemineul clasic cu focar deschis pentru asigurarea confortului termic a întregului imobil nu este potrivit. Are randament redus, adică foarte multă căldură este trimisă pe coșul de fum. Totodată bucățile de combustibil nu ard în totalitate, o parte din ele rămân în formă carbonizată nearsă, iar particulele fine și gazele arse incomplet sunt evacuate în atmosferă. Chiar și din punct de vedere al securității la incendiu, focarele deschise sunt inferioare celor închise – existând riscul ajungerii scânteielor pe podeaua combustibilă sau pe mobilier.
Pentru încălzirea spațiilor delimitate sunt mai potrivite șemineele cu focare închise, în care se pot obține temperaturi mai ridicate.
Șemineele moderne pot fi atât produse de serie, cât și produse manufacturate, important este ca în ambele cazuri valoarea randamentului să fie peste 70%.

Din punct de vedere al poziției în încăpere, șemineele pot fi atașate unui perete, de colț sau independente precum o insulă.

De foarte multe ori șemineele încălzesc doar încăperea în care sunt construite. În astfel de situații încăperile învecinate pot primi un oarecare aport de căldură datorită menținerii ușilor deschise între ele, dar încălzirea acestor spații bazată pe deschiderea ușilor nu este optimă. Pentru a îmbunătăți gradul de încălzire a încăperilor învecinate se poate folosi un agent termic cum ar fi aerul sau apa.
Tratarea agentului termic, în cazul concret apa, se poate realiza doar în modelele care conțin schimbătoare de căldură gaze de ardere – apă și care se racordează la o instalație termică similară cazanelor.Circulația agentului termic poate fi forțată (cu pompe) sau naturală (fără pompe).

Încălzirea cu aer pe post de agent termic poate fi realizată mai lesne. Din punct de vedere al eficienței varianta cu aer este mai puțin performantă în raport cu cea cu apă, însă din punct de vedere al siguranței în exploatare ar putea să fie superioară, deoarece nu există riscuri de supraîncălzire a agentului termic-apă sau riscuri de îngheț.
Că tot s-a ajuns la îngheț, se consideră că pentru spații încălzite ocazional, cum ar fi casele de vacanță, spre exemplu, șemineele cu agent termic aer pot reprezenta soluția ideală pe timp friguros de a aduce în timp scurt temperatura aerului interior la nivelul optim.

Funcționarea la randament și în condiții de siguranță a șemineelor este condiționată în principal de folosirea lemnelor de calitate și umiditate corespunzătoare, de asigurarea aerului de combustie necesar și de tirajul coșului de fum, care trebuie să fie obligatoriu certificat.
Compost
Deși s-ar putea crede că “dacă nu este fum – nu este nici foc”, iar fără foc – nici căldură, iată că în această prezentare succintă ne propunem să abordăm încălzirea cu biomasă fără foc și gaze de ardere, și anume încălzirea cu compost.

După cum se cunoaște biomasa (fracție măruntă sau tocătură) în condiții propice (căldură și umiditate) începe să fermenteze/descompună, iar acest proces se desfășoară cu degajare de căldură, chiar dacă temperatura mediului ambiant a ajuns să fie negativă, adică chiar și în perioada sezonului de încălzire.

Această modalitate de a produce căldură se pretează mai ales în zonele rurale, unde îndeletnicirea de bază este agricultura, respectiv unde există din abundență frunze, crenguțe mărunțite, tocătura de lemn - doar să nu fie foarte fină, deoarece bucățile de lemn contribuie la crearea în timp a cavităților prin care se asigură aerarea/oxigenarea atât de necesară fermentației compostului.
”Reactoarele’” de căldură prin fermentație reprezintă niște cilindri cu compost ai căror înălțime este egală cu raza bazei. Cele mai practice s-au arătat a fi cele cu raza de 2,50 m. Pentru a declanșa reacția se toarnă apă din abundență primele patru zile, astfel încât conținutul de apă în materie, ce urmează să devină compost, să reprezinte aproximativ 70% (ca în corpul uman). Odată declanșat procesul, acesta durează între 1 an și 1,3 ani generând căldură. Important este să se determine bine momentul declanșării procesului, astfel încât faza fermentației cu degajările maxime să revină perioadei sezonului de încălzire a locuințelor. Totodată trebuie ținut cont de cantitatea de căldură captată, deoarece extragerea unei cantități mai mari de căldură duce spre reducerea temperaturii compostului, iar acest fapt influențează negativ procesul de fermentare. Cu alte cuvinte trebuie asigurat un echilibru, care devine esențial dacă încălzirea cu compost este modalitatea principală de încălzire a locuinței.

Din punct de vedere constructiv „reactoarele” de căldură cu compost reprezintă niște recipiente demontabile dotate cu circuite hidraulice refolosibile pentru transferul energiei, captată prin intermediul unui agent termic condus către instalația termică din locuință. Nu sunt complexe, adică demontarea și repunerea în funcțiune nu necesită cunoștințe deosebite, ci mai degrabă obișnuință cu munca de la țară. Remontarea sau reasamblarea unui “reactor”’ pregătit pentru declanșare durează cel mult o zi de muncă, dacă se folosește încărcarea mecanizată a materiei prime - viitorului compost.

Pentru constructorii sistemelor de încălzire de acest tip este important:
- să elaboreze sistemele de redare a căldurii provenite din compost bazate pe elemente componente dimensionate pentru funcționare cu agent termic de joasă temperatură, cum ar fi suprafețele radiante (tavane, pereți și/sau pardoseli), calorifere și/sau convectoare;
- să determine corect consumul anual de energie termică aferent imobilului pentru a stabili cantitatea de compost capabilă să genereze cantitatea de energie acoperitoare.

La finalul procesului de fermentare a compostului se obține energie termică aproape gratuită pentru un sezon de încălzire și un veritabil îngrășământ pentru producția de fructe și legume atât de esențiale pentru sănătatea noastră.

Articole de presă, știri

octombrie 14, 2021

Ziua Sobarului

Cum în acest an răcoarea toamnei a sosit mai devreme – mai mulți dintre noi am început să savurăm petrecerea timpului în fața sobelor. Fie că […]
septembrie 7, 2021

Ședința Consiliului Director și a Adunării Generale ARCSIB

În perioada 23 – 25 septembrie 2021, în localitatea Bicfalău, jud.Covasna,  a avut loc întâlnirea anuală a membrilor asociației. Cu această ocazie s-a organizat ședința Consiliului […]
aprilie 22, 2021

Cu ocazia Congresului Federației Europene a Asociațiilor Sobarilor

     
aprilie 22, 2021

Soba cu masa termică este o alternativă pentru nZEB

Începutul ar trebui să fie simplu, mă bazez pe un document emis pentru a defini nZEB de către Ministerul Dezvoltării Regionale și Administrației Publice din România. Update 2020 – […]
aprilie 22, 2021

Eficiența unei sobe – între adevăr și mit

O să fac o paralela poate neașteptată, din punct de vedere al legislației între eficiența unei sobe și Poșta Română. Cea din urmă are un regulament […]