Z besedo biomasa označujemo obnovljive vire energije, ki so predvsem rastlinskega izvora. Sem prištevamo les kot najbolj razširjen vir za pridobivanje energije, slamo, hitrorastoče energijske rastline in tudi bio plin ter bio-diesel gorivo.

Les je najstarejše kurivo, ki ga pozna človeštvo. S pojavom naftne krize in ob spoznanju, da je količina fosilnih goriv omejena, ter ob vedno večjem zavedanju, da je onesnaževanje okolja zaradi pridobivanja energije postalo že zelo nevarno za obstoj človeštva, ponovno posvečamo večjo pozornost tudi lesu kot viru energije. Veliko je prednosti, ki govorijo v prid uporabe lesa kot vira energije. Energent je stalno na razpolago, njegova uporaba izboljšuje vzdrževanje gozdov, pri pravilnem kurjenju ne onesnažuje zraka. Les je domači vir energije, neodvisen od različnih kriz v svetu, zmanjšuje odliv kapitala za uvoz fosilnih goriv, posebno tekočih, in tako izboljšuje gospodarsko sliko države ter povečuje možnost odpiranja novih delovih mest.

LES - HRANILNIK ENERGIJE

Drevo zbira energijo sonca s pomočjo fotosinteze in jo kot hranilnik energije shrani v lesni masi. Rastline iz vode in CO₂ s pomočjo sončne energije tvorijo glukozo. Za tvorjenje glukoze potrebuje rastlina približno 0.80 kWh/mol sončne energije. Stranski produkt tega procesa je tvorjenje kisika. Toplota, ki se sprošča pri zgorevanju glukoze v zaprtem sistemu, to pomeni brez kondenzacijske toplote vode, znaša 0,78 kWh/mol. Tako energijo sonca, shranjeno v lesu, v veliki meri ponovno pridobimo kot toplotno energijo z gorenjem lesa.

Slika 1: Krožni tokovi v naravi

Pri zgorevanju lesa je proces pridobivanja energije ravno obraten. Ogljik in kisik v lesu reagirata s kisikom iz zraka. Če je tega dovolj, se ogljik s kisikom veže v ogljikov dioksid (CO₂) in pri tem se sprošča toplota. Če je količina kisika premajhna, nastaja ogljikov monoksid (CO) in občutno manj toplote. Les praktično ne vsebuje žvepla, bolj pa moramo paziti na produkte gorenja lesnega oglja in večji delež letečih delcev pepela, ki so lahko okolju neprijazni.

Sestava lesa

Les je sestavljen iz: 
            40 – 50% celuloze,
            20 – 30% lignina,
            20 – 30%  sestavine, kot so ogljikovi hidrati, maščobe,
                                   čreslovina in minerali.

Absolutno suha lesna masa pa ima naslednji kemijski sestav:

                                             51% ogljika (C),

                                             42% kisika (O),

                                               6% vodika (H),

                                               1% dušika (N) in mineralov.

Les je CO₂ nevtralen, saj pri zgorevanju odda toliko CO₂, kot ga je drevo v svoji rastni dobi prejelo.

Postopek gorenja lesa

Gorenje lesa je ravno obraten postopek od rasti drevesa in ga  delimo v tri faze:

·      segrevanje in sušenje je faza, ki poteka v območju temperatur 
        do 100°C. Bolj ko je les suh in drobnejši, krajše je trajanje te faze
        in poraba energije za segrevanje je manjša. Če je vlage v  dimnih
        plinih preveč, postane dim gost, težak in ga vleče proti tlom. Vlaga
        v dimnih plinih lahko kondenzira na stenah hladnega dimnika in ga
        poškoduje;

·      uplinjanje in termični razpad lesa (piroliza). V lesu je med 70 in
        80% plinastih sestavin. S povišanjem temperature se izločijo
        najprej plini (kisik, vodik), katerih vnetišče je pri 240 do 250°C.
        V nadaljevanju procesa gorenja razpadejo trdni elementi (celuloza,
        lignin itd) v plinasto stanje. Piroliza je endotermični proces, ki rabi
        energijo, medtem ko je zgorevanje eksotermični proces, ki sprošča
        energijo. Oba procesa potekata v tej fazi vzporedno. Pri termičnem
        razpadanju se sproščajo tudi nekatere agresivne snovi (ocetna,
        mravljična kislina itd.), ki se posebno v začetni fazi gorenja in v
        primeru dušenega procesa (zmanjšana toplotna moč kotla), odlagajo
        na stene kotla ali dimnika v obliki saj. Razpadanje lesa označujemo
        kot primarno zgorevanje. V fazi sekundarnega zgorevanja moramo
        dovajati dodatni zrak v področje dogorevanja. S tem dosežemo ob
        primerno visokih temperaturah popolno zgorevanje, ki sprošča
        največjo količino toplote;

·      zgorevanje lesnega oglja nastopa kot končna faza zgorevanja lesa.
        Lesno oglje dogori z mirnim svetlim plamenom. Minerali, ki jih vsebuje
        les, ostanejo po gorenju v obliki pepela, ki ga lahko uporabimo kot
        naravno gnojilo.

Nasveti za kakovostno zgorevanje lesa

Za optimalno zgorevanje lesa morajo biti izpolnjeni naslednji pogoji:

·        Les mora vsebovati čim manj vlage, zato moramo les za kurjavo
          pravilno skladiščiti.

·        Zagotoviti moramo zadosten dovod kisika za zgorevanje. Količina
          zraka za zgorevanje mora biti ravno pravšnja. Prevelika količina
          zraka povzroči prevelik vlek in zato lahko del gorljivih plinov zgori
          izven kurišča v dimovodnih priljučkih. Lahko pride tudi do previsokih
          temperatur v dimniku. Poleg tega pa prevelika količina zraka lahko
          občutno zniža temperaturo v kurišču.

·        Temperatura v kurišču mora biti med 700 in 1000^oC. Tako dosežemo
          popoln termični razpad lesa.

·        Plini, ki nastanejo pri termičnem razpadu lesa, se morajo dobro in
          enakomerno pomešati z zgorevalnim zrakom.

·        Kurišče mora biti dovolj veliko (približno 4 litre na 1 kW  toplotne moči
          kurilne naprave). Tako ostanejo gorljivi plini dovolj časa v vročem
          področju (približno 2 sekundi).

Kako spoznamo dobro zgorevanje

Dobro zgorevanje spoznamo po naslednjih znakih:

·        Fin bel pepel kaže na dobro zgorevanje.

·        Temen težak dim kaže na nepopolno in slabo zgorevanje.

·        Saje so ostanki nezgorelega lesa.

·        Bleščeče se sajaste obloge kurišča nastanejo, ko se nezgorele
          katranaste smole v dimnih plinih usedajo na hladne površine v
          kurišču in se tu zapečejo. Takšne obloge delujejo izolativno in
          zmanjšujejo prestop toplote na ogrevalni medij. Obloga debeline
          1 mm zmanjšuje izkoristek kotla za 10% in povišuje temperaturo
          dimnih plinov za 60^oC.

·        Dim mora biti na izstopu iz dimnika skoraj neviden. Bel dim, ki ob
          začetku kurjenja izstopa iz dimnika in postane viden nekaj
          centimetrov od izstopa, je posledica vlage v kurivu. Če pa prihaja
          bel dim iz dimnika že na samem izstopu iz dimnika pomeni, da je
          vlaga kondenzirala v dimniku, kar ima lahko za posledico poškodbe
          dimnika.

·        Temperatura dimnih plinov mora biti na vstopu v dimnik najmanj
          125^oC, najbolje med 140 in 160^oC. Prevroči dimni plini pomenijo
          večje toplotne izgube, prehladni pa lahko poškodujejo dimnik.

KURILNE NAPRAVE ZA CENTRALNO OGREVANJE

Vsaka kurilna naprava, ki izkorišča les za pridobivanje potrebne toplote za ogrevanje, je v osnovi sestavljena iz naslednjih delov:

·        zalogovnika za gorivo, kamor vlagamo les za kurjenje,
·        zgorevalne komore, kjer zgorevajo plini nastali pri termičnem
          razpadu lesa,
·        izmenjevalnika toplote, v katerem odvzemamo toploto dimnim
          plinom in jo prenašamo na ogrevalni medij.

KOTLI NA KOSOVNI LES - POLENA

Za kurjenje v teh kotlih centralnega ogrevanja uporabljamo polena različnih velikosti in pogojno tudi zelo grobe lesne sekance. Pogoj za dobro delovanje kotla je, da vedno uporabljamo suh in zdrav les. Poznamo dva osnovna tipa kotlov:

Kotli s pregorevanjem so starejši tipi kotlov. Kurišče napolnimo s poleni in pri dovajanju primarnega zraka ogenj zajame celotno količino drv. Plini, ki se sproščajo ob tlenju, v teh kotlih praviloma slabo zgorijo.  Dobro delovanje je ponavadi zagotovljeno samo nekajkrat v ogrevalni sezoni, ko je odjem toplote konstanten in odgovarja polni moči kotla. Zato jih vgrajujemo skupaj z vmesnimi hranilniki toplote (bojlerji). Slaba stran teh kotlov je slaba možnost pravilnega doziranja goriva. Če regulator vleka zapre dovod zraka, zaradi zmanjšanega odjema toplote, pride do nepopolnega zgorevanja, s tem do slabšega izkoristka in večjega onesnaževanja okolja.

Kotli s spodnjim odgorevanjem so sestavljeni iz zalogovnika,  kurišča in izmenjevalnika toplote. Kurišče se nahaja v spodnjem delu kotla. Območje zgorevanja zajema samo spodnji del zalogovnika. Tako je mogoče dozirati gorivo in stopnjo odgorevanja. Pri boljših izvedbah je področje gorenja s tlenjem obzidano s šamotom. Tako je zagotovljena višja temperatura in s tem boljše zgorevanje plinov, nastalih pri tlenju lesnega oglja. V to območje kotla moramo dovajati del sekundarnega zraka, saj bi brez tega del nezgorelih in z energijo bogatih plinov ušel v dimnik.

Kotli z nadtlačnim ventilatorjem

Kot pove ime, proces gorenja uravnava dodaten ventilator. Polena, običajno dolžine do 50 cm, naložimo v zgornji del kotla. Les leži na žerjavici, kjer nastopi termična faza  gorenja. S pomočjo ventilatorja ustvarimo nadtlak v zalogovniku, plini skozi odprtino v kurišču - gorilnik - preidejo v spodnjo vročo zgorevalno komoro. Z dovajanjem sekundarnega zraka dosežemo popolno zgorevanje plinov pri visokih temperaturah.  Pri kakovostnem zgorevanju dobimo svetel plamen in minimalni ostanek pepela. Ventilator uravnava kotlovski termostat. Sposobnost prilagajanja toplotne obremenitve kotla dejanskim potrebam, dolžina gorenja in udobnost pri posluževanju so prednosti teh kotlov. Kljub temu pa je v primeru, ko obremenitev kotla močno niha (med 20 in 100%), zelo težko izbrati pravilno velikost za vse situacije in izključno s kotlovsko regulacijo zagotoviti dober izkoristek in okolju prijazno obratovanje. Tudi tu je mogoče z vgradnjo vmesnega hranilnika toplote izboljšati pogoje obratovanja.

Kotli s sesalnim ventilatorjem

Ventilator je vgrajen v kanal za odvod dimnih plinov pred vstopom v dimnik. Z ustvarjanjem podtlaka v kurišču vleče pline, nastale pri termičnem razpadu lesa, skozi plast žerjavice, kjer v spodnji zgorevalni komori zgorijo. V teh kotlih lahko brez večji problemov kurimo tudi z ostanki lesa in večjimi sekanci.

Slika 2: Presek kotla

Slaba stran do sedaj omenjenih naprav za zgorevanje lesa je seveda rokovanje, saj je potrebno dnevno, včasih pa tudi večkrat na dan nalagati gorivo in čistiti naprave. Pogostnost tega dela je odvisna od tipa in kakovosti peči ali kotla.

Prilagajanje moči kotla potrebam po ogrevanju

Največji problem predhodno opisanih kotlov je prilagajanje njihove moči, kadar sistem za ogrevanje hiše ne potrebuje toplote. Vmesni hranilnik toplote pomaga pri izravnavanju obremenitev kotla in izboljšuje kakovost gorenja lesa. Orientacijsko velikost hranilnika lahko enostavno določimo po obrazcu:

volumen hranilnika = 40 × količina goriva za eno polnjenje zalogovnika

V primeru kotla moči 20 kW, ki ima polnjenje 20 kg drv, znaša volumen hranilnika: V = 40 × 20 = 800 l.

Na sliki 3 je prikazano delovanje sistema z vmesnim hranilnikom. V času delovanja kotla (A) lahko ta dobavlja toploto za ogrevanje objekta (C) in/ali za akumulacijo v vmesnemu hranilniku (B). Tako lahko v času, ko za ogrevanje objekta potrebujemo manjšo količino toplote, kotel ne deluje, potrebno toploto pa objektu dobavlja vmesni hranilnik.

Slika 3: Delovanje sistema z vmesnim hranilnikom

Zaradi spreminjajoče se stopnje obremenjenosti kotla skozi kurilno sezono ter zgolj krajšega (nekajdnevnega) trajanja polne obremenjenosti je potrebno pri dimenzioniranju naprav izbrati ustrezno moč naprave. Ta naj nikakor ne bo predimenzionirana, odločimo se lahko edino za manjšo vrednost. Glede na diagram obremenjenosti lahko izberemo moč, manjšo tudi do 20%.

Slika 4: Obremenjenost kotla skozi ogrevalno sezono

KOTLI NA LESNE SEKANCE

V zadnjem času se je, posebej v sosednji Avstriji, zelo uveljavila vgradnja avtomatiziranih kotlov na lesne sekance. Avtomatsko nalaganje goriva s tehničnimi napravami s polžem, vijakom in podobnim, omogoča večjo udobnost pri rokovanju. Velikost kotlov, vrsto in konstrukcijo kotlov narekuje velikost lesnih sekancev. Prednosti kotlov na lesne sekance so: optimalno zgorevanje, dobri izkoristki kotlov, majhne obremenitve okolja, natančna regulacija odjema toplote in visoka stopnja udobja pri rokovanju.

Slabe strani so visoki investicijski stroški in sorazmerno velik prostor za skladiščenje lesnih sekancev.

Na tržišču najdemo različne izvedbe. Za uporabo v enodružinskih hišah sta največkrat uporabljeni dve izvedbi.

·      Z neposrednim gorenjem sekancev v kurišču kotla oziroma v  tako imenovani retortni zgorevalni komori. Lesne sekance dovaja iz zalogovnika polž po cevi, ki je izvedena stopničasto. Lesni sekanci na poti do komore padajo prosto iz ene stopnje v drugo. S tem preprečimo možnost povratnega gorenja goriva. Ventilator dovaja kontrolirano količino primarnega in sekundarnega zraka v komoro in tako regulira optimalno gorenje lesnih sekancev. Ta sistem zahteva enakomerno granulacijo suhih lesnih sekancev (največ 35% vlage).

Slika 5: Sistem retortnega kurjenja z lesnimi sekanci

·      Z gorenjem v predkurišču ali podkurišču, kjer  zgorevanje poteka v dveh fazah. V prvi fazi se v predkurišču začenja gorenje in sproščanje gorljivih plinov, v drugi pa plini dokočno dogorijo v kurišču kotla.

Slika 6: Sistemi kurjenja z lesnimi sekanci z gorenjem v podkurišču in predkurišču

Ponudba modernih kotlov na tržišču je pestra in velika, domači proizvajalci pa so zaenkrat še redkost. Izkoristki kotlov na lesne sekance dosegajo med 80 in 90%, zgorevanje pa je popolno tako, da je v plinih samo še desetina po normah dovoljenih škodljivih snovi v dimnih plinih.

Priprava in skladiščenje lesa za kujavo

Les, ki ga uporabljamo za kurjavo, se pojavlja v različnih oblikah in dimenzijah. Pri nas v glavnem kurimo les v obliki žaganih, cepljenih in sekanih polen, okleščkov, butar in klad. Oblika kuriva mora biti prilagojena vrsti in obliki kurišča, kjer les zgoreva. Največkrat iz 1m dolgih polen žagamo 33 ali 25 cm dolga drva, ki jih potem cepimo na manjše kose. Ročna priprava enoletne zaloge drv za kmečko gospodinjstvo je znašala po nekaterih ocenah kar 10 do 12 dni. Kakovost lesa za kurjenje je zelo odvisna od vsebine vlage v lesu. Na sliki 7 so prikazane energijske vrednosti lesa v odvisnosti od vsebnosti vlage.

Slika 7: Kurilna vrednost lesa v odvisnosti od vsebnosti vlage oziroma stanja lesa

Pripravljena polena zložimo v skladovnice in jih pokrijemo tako, da so zaščitena pred padavinami. Priporočljivo je skladovnico nekoliko dvigniti od tal, da zagotovimo enakomerno kroženje zraka in preprečimo gnitje polen na zemlji.

Lesni sekanci so nasekani oziroma narezani delci lesa različnih dimenzij, ki jih delamo iz sečnih in drugih lesnih ostankov s pomočjo posebnih sekalnih strojev, ki so izdelani v obliki traktorskih priključkov. V glavnem delimo sekance po velikosti v dve skupini.

·      Drobni sekanci dolžine 4 - 25 (30) mm in debeline nekaj mm.
        Omogočajo kurjenje v popolnoma avtomatiziranih kotlih, ki dosegajo
        udobje rokovanja z oljnimi ali s plinskimi kotli.

·      Grobi ali veliki sekanci, dolgi 25 - 80 mm in debeli približno 20 mm,
        so primerni le za ročno polnjenje kotlov in peči. Zaradi večjih
        medprostorov lažje gorijo in jih lahko uporabljamo tudi v klasičnih
        kuriščih. Njihovo skladiščenje je enostavnejše in lažje se sušijo.

Strojna priprava sekancev v količini za kmečko gospodinjstvo traja 1 - 2 dni. Pripravljamo jih neposredno na mestu nastanka sečnih ostankov ali na mestu skladiščenja sekancev. Pred izdelavo sekancev sečne ostanke zberemo na kupe in jih pustimo, da se primerno osušijo. Najbolje je zbrati že osušene ostanke. Naravno sušenje ostankov v gozdu je uspešnejše od sušenja narejenih sekancev. Poleg tega obstaja pri skladiščenju svežih sekancev zaradi večje primesi zelene mase (vejice, listje, iglice) večja nevarnost gnitja, samovžiga in zmrzovanja. Sekance skladiščimo v posebnih, za ta namen zgrajenih skladiščih, kjer je zagotovljena zadostna zračnost, da se sekanci lahko primerno osušijo. Za ogrevanje povprečne enodružinske hiše je potrebno na leto med 40 in 50 m³ sekancev.

Nekaj idej za izbiro prostora za skladiščenje lesnih sekancev

Slika 8: Primer skladiščenja lesnih sekancev v bunkerju izven objekta (levo) oziroma v kleti (desno)

Slika 9: Primer skladiščenja lesnih sekancev v primeru uporabe kotlu prigrajenega manjšega hranilnika goriva (V < 1,5 m³)

V sprejeti Resoluciji o strategiji učinkovite rabe in oskrbe Slovenije z energijo je uporaba biomase zapisana kot ena od prednostnih nalog pri spodbujanju uporabe obnovljivih virov. V Sloveniji je pokrite več kot 50% površine z gozdovi. Učinkovita raba lesa za ogrevanje je smiselna predvsem v kmečkih gopodinjstvih in z gozdovi bogatih področjih.

Literatura:

Energie aus Holz, Kammer für Land- und Forstwirtschaft in Kärnten, 1996