Barion Pixel

VGF&HKL szaklap

  1. Lapszám:

Tartalom

Használjunk megújuló energiát! De melyiket?

2008/9. lapszám | VGF&HKL online |  7468 |

Figylem! Ez a cikk 18 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A megújuló energiák nagy része ugyan teljesen környezetbarát, helyettesítő képességük azonban térben és időben korlátozott. Nem létesíthető mindenütt szél-, vagy vízerőmű, a nap pedig általában nem akkor, és nem ott „szolgáltat” megfelelő intenzitással, amikor és ahol szükség lenne rá. Mi több, ezen megújuló energiák – mivel közvetlenül energia (mozgási, hő) formájában vannak jelen – általában tárolásra szorulnak, ugyanis a rendelkezésre állás, és a felhasználás ideje és helye nem esik egybe. Az energiát pedig csak rövid ideig tudjuk komolyabb veszteségek nélkül tárolni és szállítani.

Slágerfogalom napjainkban a „megújuló energia”, melytől egyrészt az egyre drágább fosszilis energiahordozók helyettesítését, kiváltását, másrészt a környezetbarátabb energiafelhasználást reméljük.

 

A szabadban tárolt, frissen vágott fa nedvességtartalmának időbeni alakulása

Nem kell szembenéznünk ezekkel a problémákkal, ha nem megújuló energiát, hanem megújuló energiahordozót használunk. Ez esetben ugyanis az energiatárolás magában az energiahordozóban valósul meg gyakorlatilag veszteségek nélkül, és – bizonyos határok között – a szállítás is könnyen megoldható. Ez a megújuló energiahordozó a biomassza, legáltalánosabban a tűzifa.
A fatüzelés napjainkban reneszánszát éli. Azonban ezzel két probléma is akad: egyrészt elfelejtettünk fával tüzelni, másrészt kényelmesen szeretünk élni. Jó hírem is van: a fatüzelés könnyen megtanulható, és igény esetén teljesen automatizálható is. Lássuk először az „olcsóbb megoldást”, a tanulást. Röviden bemutatom a fa égésének elméletét.

Pofonegyszerű… vagy mégsem az?
Magától értetődik, hogy minél nedvesebb a fa, annál kisebb a fűtőértéke, miután a felszabaduló energia jelentős része a nedvesség elpárologtatására fordítódik. Az 1. táblázat a fa nedvességtartalma (vízmennyiség százalékban a fa száraz súlyához képest) és a fűtőérték közötti összefüggéseket mutatja.

 

1. táblázat: A fa nedvességtartalma és fűtőérték
Víztartalom % 10 15 20 30 40 50
Fűtőérték (MJ/kg) 16,56 15,48 14,4 12,24 10,44 8,28
Fűtőérték (kWh/kg) 4,6 4,3 4 3,4 2,9 2,3


Nemcsak gazdaságtalan a vizes fát eltüzelni, hanem környezetkárosító is. A nagy nedvességtartalom miatt az égési hőmérséklet kisebb, növekszik a korom és károsanyag-kibocsátás, és megnő a kémény eltömődésének veszélye is. Vagyis: légszáraz (18%-os nedvességtartalmú) fával érdemes fűteni. Természetes körülmények között a fának időre van szüksége a száradáshoz, minimum 2 év. A diagram (1. ábra) a szabadban tárolt, frissen vágott fa nedvességtartalmának időbeni alakulását mutatja. Jól megfigyelhető, hogy a csapadékosabb hónapokban a fa újra nedvességet vesz magába.

A fa égését három fázisra lehet osztani
Általánosan elmondható, hogy minél nagyobb egy fadarab térfogatához viszonyított felülete, annál könnyebben gyújtható meg, ezért a vékonyra hasított gyújtós vagy a rőzse különösen alkalmas begyújtásra.
1. fázis: a száradási folyamat
A légszáraz fában még mindig van némi visszamaradt nedvesség, ami 100 °C körüli hőmérsékleten párolog el a fából. Ebben a szakaszban a fa összezsugorodik, repedések keletkeznek, ez is gyorsítja a száradást. (2. ábra).
2. fázis: a nyugalmi állapot
100-200 °C-on a fa alkotóelemei folyékonnyá válnak, a molekulák hasadni, párologni (gázosodni) kezdenek, de ezen a hőmérsékleten a képződő gázok a fát még nagyon lassan hagyják el. A legkorábban képződő fagázok a gyújtópapír lángjától gyulladnak meg, keletkezési koncentrációjuk azonban még nem akkora, hogy ha a gyújtólángot elvennénk, maguktól továbbégnének. Körülbelül 220-230 °C-os hőenergiára van szükség, hogy az égési folyamat folytatódjék, önfenntartó legyen. Bár a fa szilárd tüzelőanyag, meggyújtva mégis éghető összetevőinek 83%-a gázalakban ég el, ez adja a fa fűtőértékének 70%-át. Ebben a fázisban a faanyagból energiadús, különböző összetételű éghető gázok (szénhidrogének) szabadulnak fel. Ezen anyagok égése hosszú sárga lángok formájában figyelhető meg (3. ábra).
Mivel a fa túlnyomórészt a fagáz nagy lángjaival ég el, nagy égéstérre van szüksége, és oxigénben gazdag friss többletlevegőt is kell juttatni a tűztérbe, mert a képződött fagáz csak így tud tökéletesen elégni. 260 °C-tól a fatűzben végbemenő átalakulás (pirolízis) során hőtöbblet keletkezik. 1000 °C-os lánghőmérséklet kell ahhoz, hogy a fagáz reakcióképes összetevőire - szénre és hidrogénre - tökéletesen felbomoljon és oxidálódjék.
A fában lévő fűtőenergiát csak akkor hasznosíthatjuk maradéktalanul, ha a fagáz oxigénnel keveredve magas hőmérsékleten éghet el. Csak ekkor nem kerülnek tökéletlenül hasadt szénhidrogén-(oxid-)vegyületek a kéményen át a légkörbe. A fagázok tökéletes elégésekor széndioxid (CO2) és víz (H2O) keletkezik, mindkettő természetes, a környezetet nem szennyező anyag.
3. fázis: a kiégési folyamat
A fagázok elégése után keletkezik a faszén. A faszénparázs 500-800 °C között elgázosodik és korom nélkül elég. Ez a folyamat rövid, áttetsző lángok formájában mutatkozik (4. ábra).
 

 

(2. ábra) 

A fa száradása

 (3. ábra)

Nyugalmi állapot

 (4. ábra)

A kiégési folyamat

 

(5. ábra)

Pellettüzelő berendezési részei

Egy darab fában egy időben mind a három folyamat lejátszódhat.
A fatűznek kétszer kell levegő. Az égési levegő 80%-át elsődleges (primer) levegőként kell a fatűzhöz juttatni. Ez a „primer levegő” nélkülözhetetlen a fa összetevőinek bomlásához és a fagáz képződéséhez, de a faszén sem ég el nélküle. Az égési levegő 20%-át másodlevegőként kell a fagázlángok térségébe juttatni. A „szekunder levegő” a fagáz tökéletes elégéséhez kell. Alapelv, hogy a másodlevegő ne hűtse le a fagázlángokat, mert akkor nem égnek ki tökéletesen. Ezért lehetőleg forrón kell a fagázlángokhoz juttatni. Jó tűzterekben örvényszakaszok vagy szűk fúvónyílások segítik elő a jobb keveredést annak érdekében, hogy a fagáz elegendő oxigénhez jutva, lehetőleg még a hőcserélők elérése előtt, tökéletesen elégjen. Ehhez legalább egy percnyi kiégési időre van szüksége.
A fagázok gyakorlatilag nem keverhetők tökéletesen oxigénben gazdag levegővel, ezért jelentős (170%) légfelesleggel kell az égést táplálni. Fontos tudni, hogy ha a levegő adagolását megszakítjuk, ezzel lassítjuk ugyan a fa bomlásának ütemét, de maga a bomlás még nem szűnik meg, csak a hatásfok romlik jelentős mértékben. Vagyis: ne csökkentsük a hőteljesítményt azáltal, hogy kevesebb friss levegőt adagolunk, vagy hogy lefojtjuk a kémény huzatát; ilyenkor ugyanis a fagáz már nem éghet ki teljesen. Jobb, ha ehelyett a hőteljesítményt takarékos tüzelőadagolással szabályozzuk: mérsékelten, de rendszeresen rakunk a tűzre.
Nem csak a túl kevés levegő rontja a hatásfokot, de a túl sok is. 10 kg légszáraz fa elégéséhez 30-40 m3 levegő szükséges. Ha túl sok levegőt adagolunk, a többletet is fel kell melegíteni. A feleslegesen felhevített levegővel energia távozik a kéményen át anélkül, hogy hasznot hozna. Ha a füstgáz hőmérséklete 200 °C, akkor minden feleslegesen adagolt és melegített köbméter levegő kb 70Wh hőveszteséget jelent! (Így már érthetjük, hogy a nyitott tűzterű kandallók idejében miért is voltak gyérebbek az erdők, s miért fáztak bundában is a kandalló mellett. Az energia egyszerűen „kirohant” a kéményen.)
Kémiailag a fa éghető szénből és hidrogénből áll. Egyértelműen természetbarát fűtőanyag, kritikus anyagok - kén, klór, nehézfémek – nem alkotóelemei.
Égéskor elsősorban víz (elgőzölögve) és széndioxid keletkezik. Azonban bizonyos körülmények között a fa égése során más anyagok is felszabadulnak, melyet füst és kellemetlen szagok formájában érzékelünk. Ennek oka a fából kiszabaduló gázok nem megfelelő elégése, mely létrejöhet az alábbiak következtében:
- alacsony égéshőmérséklet, nedves fa,
- a teljes égéshez szükséges levegő hiánya,
- nem megfelelő műszaki állapotú, vagy nem megfelelően működtetett tüzelő készülék.
Az így keletkező anyagok sokfélék lehetnek: széndioxid, ecetsav, fenol, metán, formaldehid.
Az eddigiekből következik, hogy a fa égése nem túl bonyolult folyamat, de a jó hatásfokú égéshez aprított, nagy felületen gázosodni tudó, nem nagy mennyiségű tüzelőanyag kell. Elengedhetetlen az égéshez illeszkedően szabályozható, optimális mennyiségű égési levegő (primer és szekunder), és a megfelelő tűztérhőmérséklet. Ezeket a feltételeket szinte csak folyamatos felügyelet mellett lehet biztosítani. Ez az egyik oka, hogy kényelmetlennek tartjuk a hasábfatüzelést. Ám ezt a problémát is megoldja a pellettüzelés.

Pellet – az „okos” megújuló energiahordozó
Mi is a pellet? A pellet 100%-ban természetes fa illetve biomassza alapanyagokból sajtolt, általában 6 mm átmérőjű, henger alakú granulátum, mely rendkívül jó égési tulajdonságokkal rendelkezik. A fapelletet fűrészporból és faforgácsokból préselik össze nagy nyomáson. Kötőanyagként a fában természetesen jelenlevő, a préselés során kiváló lignin szolgál, semmilyen hozzáadott mesterséges anyagot nem tartalmaz. A pellet speciális pelletkazánban történő égése során mindössze annyi szén-dioxid szabadul fel, amennyit a fa életében megkötött, és ami a természetes korhadása során amúgy is felszabadulna - így globálisan nem növeli a levegőben található káros anyagokat, fékezi az üvegházhatást. Megújuló energiaforrásként állandóan újratermelhető, így nem fenyeget az a veszély, hogy esetleg elfogy, szemben a fosszilis energiaforrásokkal.
Egy pellettüzelő berendezés általában három fő részből áll (5. ábra). Az első egység a tüzelőanyag (pellet) tárolására, és az égőhöz való szállítására szolgál. A második rész a pelletégő, ami gondoskodik a pellet tökéletes elégetéséről - a faégetés elméletében megismert feltételek biztosításával. A pellet geometriai mérete biztosítja a térfogatához képesti nagy felületet. A pelletégő csigás adagolóval biztosítja a folyamatos adagolást, így az égőtálcán mindig csak kis mennyiségű (kb. egy marék) tüzelőanyag van, aminek elégetéséhez szükséges levegőt a szintén az égőbe épített ventilátor biztosítja, nemcsak a megfelelő mennyiséget, hanem a legjobb fagáz-levegő keveredést is garantálva. A fejlettebb berendezések Lambda-szondával felszerelve szabályozzák a pellet és levegőmennyiséget a legjobb hatásfokú égés elérése érdekében. A harmadik rész pedig maga a hőcserélő vagy kazán, amiben a felszabadult hőenergiát átadjuk a fűtési rendszer hőszállító közegének.
Ez a konstrukció biztosítja a szilárdtüzelésnél egyedülálló hatásfokot, mely meghaladja a 90%-ot. És biztosítja a kényelmet is; jóformán a gázfűtésnél megszokott komfortot nyújtja. Nincs szükség begyújtásra, fahordásra, a készülék saját magát gyújtja be és állítja le a szobatermosztát vezérlése szerint. Csupán – készüléktől és pellettől függően – 2-4 hetente igényel 10-15 perces gondoskodást a berendezés, de némi többletköltséggel egy egész szezont is képes üzemelni anélkül, hogy akár csak „ránéznénk”.

Tökéletes, na de mennyibe kerül? - merül fel a kérdés. Az alábbiakban bemutatom egy család által használt energiahordozók adatait, illetve ezek költségeit energiatartalomra vetítve - a hasznosító berendezés hatásfokával korrigálva, hogy egymással összehasonlíthatóak legyenek. A 2. táblázat összeállításánál nem a gyártó ideális körülmények között mért adatait, hanem az üzemi körülmények között várható éves hatásfokot vettem figyelembe. 
 

2. táblázat - Energiahordozók főbb adatai, Magyarország, 2008. - 1: legdrágább; 27: legolcsóbb - Forrás: Pannon Pellet Kft.

energiahordozó sűrűség fűtőérték
fa alapú energiahordozók, 15%-os nedvességtartalom tűlevelűek lucfenyő 430 kg/m3 4,4 kWh/kg 15,8 MJ/kg
jegenye 420 kg/m3 4,3 kWh/kg 15,5 MJ/kg
erdei fenyő 510 kg/m3 4,4 kWh/kg 15,8 MJ/kg
vörös fenyő 545 kg/m3 4,4 kWh/kg 15,8 MJ/kg
fenyőfa átlag 476 kg/m3 4,4 kWh/kg 15,8 MJ/kg
lombos fák nyírfa 580 kg/m3 4,3 kWh/kg 15,5 MJ/kg
szilfa 620 kg/m3 4,1 kWh/kg 14,8 MJ/kg
bükk 650 kg/m3 4,2 kWh/kg 15,1 MJ/kg
kőris 650 kg/m3 4,1 kWh/kg 14,8 MJ/kg
akác 700 kg/m3 4,1 kWh/kg 14,8 MJ/kg
nyár 440 kg/m3 4,2 kWh/kg 15,1 MJ/kg
fűz 380 kg/m3 4,1 kWh/kg 14,8 MJ/kg
tölgy 630 kg/m3 4,2 kWh/kg 15,1 MJ/kg
gyertyán 720 kg/m3 4,2 kWh/kg 15,1 MJ/kg
lombfa átlag 597 kg/m3 4,2 kWh/kg 15,1 MJ/kg
Tűzifa átlag 536 kg/m3 4,3 kWh/kg 15,5 MJ/kg
PP pellet, 10%os nedvtart. 1 150 kg/m3 5,0 kWh/kg 18,00 MJ/kg
pellet, 10%-os nedvtart. 1 150 kg/m3 5,0 kWh/kg 18,00 MJ/kg
 
fosszílis földgáz 0,78 kg/m3 9,5 kWh/m3 34 MJ/m3
PB-gáz 2,40 kg/m3 12,7 kWh/kg 45,7 MJ/kg
tüzelőolaj 840 kg/m3 11,8 kWh/kg 42,59 MJ/kg
feketekőszén 1 400 kg/m3 7,0 kWh/kg 25,20 MJ/kg
barnaszén 1 100 kg/m3 4,7 kWh/kg 16,92 MJ/kg
kevert szén 1 200 kg/m3 5,6 kWh/kg 20,16 MJ/kg
benzin 780 kg/m3 11,9 kWh/kg 42,84 MJ/kg
diesel 880 kg/m3 11,9 kWh/kg 42,84 MJ/kg
áram éjszakai áram - - 1,0 kWh 3,60 MJ
nappali áram - - 1,0 kWh 3,60 MJ

 

energiahordozó egységár energiatartalom ár
fa alapú energiahordozók, 15%-os nedvességtartalom tűlevelűek lucfenyő 11 800 Ft/m3 27 Ft/kg 1,73 Ft/MJ 6,24 Ft/kWh
jegenye 11 800 Ft/m3 28 Ft/kg 1,81 Ft/MJ 6,53 Ft/kWh
erdei fenyő 11 800 Ft/m3 23 Ft/kg 1,46 Ft/MJ 5,26 Ft/kWh
vörös fenyő 11 800 Ft/m3 22 Ft/kg 1,37 Ft/MJ 4,92 Ft/kWh
fenyőfa átlag 11 800 Ft/m3 25 Ft/kg 1,56 Ft/MJ 5,63 Ft/kWh
lombos fák nyírfa 11 200 Ft/m3 19 Ft/kg 1,25 Ft/MJ 4,49 Ft/kWh
szilfa 13 600 Ft/m3 22 Ft/kg 1,49 Ft/MJ 5,35 Ft/kWh
bükk 16 000 Ft/m3 25 Ft/kg 1,63 Ft/MJ 5,86 Ft/kWh
kőris 13 600 Ft/m3 21 Ft/kg 1,42 Ft/MJ 5,10 Ft/kWh
akác 14 800 Ft/m3 21 Ft/kg 1,43 Ft/MJ 5,16 Ft/kWh
nyár 8 800 Ft/m3 20 Ft/kg 1,32 Ft/MJ 4,76 Ft/kWh
fűz 8 800 Ft/m3 23 Ft/kg 1,57 Ft/MJ 5,65 Ft/kWh
tölgy 14 200 Ft/m3 23 Ft/kg 1,49 Ft/MJ 5,37 Ft/kWh
gyertyán 16 000 Ft/m3 22 Ft/kg 1,47 Ft/MJ 5,29 Ft/kWh
lombfa átlag 12 400 Ft/m3 21 Ft/kg 1,37 Ft/MJ 4,95 Ft/kWh
Tűzifa átlag 14 000 Ft/m3 26 Ft/kg 1,69 Ft/MJ 6,07 Ft/kWh
PP pellet, 10%os nedvtart. 39 Ft/kg 39 Ft/kg 2,17 Ft/MJ 7,80 Ft/kWh
pellet, 10%-os nedvtart. 50 Ft/kg 50 Ft/kg 2,78 Ft/MJ 10,00 Ft/kWh
 
fosszílis földgáz 111 Ft/m3 111 Ft/m3 3,26 Ft/MJ 11,75 Ft/kWh
PB-gáz 274 Ft/kg 274 Ft/kg 5,99 Ft/MJ 21,57 Ft/kWh
tüzelőolaj 245 Ft/l 292 Ft/kg 6,85 Ft/MJ 24,65 Ft/kWh
feketekőszén 43 Ft/kg 43 Ft/kg 1,71 Ft/MJ 6,14 Ft/kWh
barnaszén 26 Ft/kg 26 Ft/kg 1,54 Ft/MJ 5,53 Ft/kWh
kevert szén 32 Ft/kg 32 Ft/kg 1,59 Ft/MJ 5,71 Ft/kWh
benzin 300 Ft/l 385 Ft/kg 8,98 Ft/MJ 32,32 Ft/kWh
diesel 317 Ft/l 360 Ft/kg 8,41 Ft/MJ 30,27 Ft/kWh
áram éjszakai áram 24 Ft/kWh 24 Ft/kWh 6,67 Ft/MJ 24,00 Ft/kWh
nappali áram 41 Ft/kWh 41 Ft/kWh 11,39 Ft/MJ 41,00 Ft/kWh

 

energiahordozó ársorrend hatásfok energiaegységár hatásfokkal korrigált ársorrend
fa alapú energiahordozók, 15%-os nedvességtartalom tűlevelűek lucfenyő 11 55 % 3,15 Ft/MJ 9
jegenye 10 55 % 3,30 Ft/MJ 8
erdei fenyő 22 55 % 2,66 Ft/MJ 21
vörös fenyő 26 55 % 2,49 Ft/MJ 25
fenyőfa átlag 17 55 % 2,84 Ft/MJ 14
lombos fák nyírfa 28 55 % 2,27 Ft/MJ 28
szilfa 20 55 % 2,70 Ft/MJ 19
bükk 14 55 % 2,96 Ft/MJ 12
kőris 24 55 % 2,58 Ft/MJ 23
akác 23 55 % 2,60 Ft/MJ 22
nyár 27 55 % 2,41 Ft/MJ 27
fűz 16 55 % 2,85 Ft/MJ 13
tölgy 19 55 % 2,71 Ft/MJ 18
gyertyán 21 55 % 2,67 Ft/MJ 20
lombfa átlag 25 55 % 2,50 Ft/MJ 24
Tűzifa átlag 13 55 % 3,07 Ft/MJ 11
PP pellet, 10%os nedvtart. 9 90 % 2,41 Ft/MJ 26
pellet, 10%-os nedvtart. 8 90 % 3,09 Ft/MJ 10
 
fosszílis földgáz 7 85 % 3,84 Ft/MJ 7
PB-gáz 6 85 % 7,05 Ft/MJ 5
tüzelőolaj 4 80 % 8,56 Ft/MJ 4
feketekőszén 12 60 % 2,84 Ft/MJ 15
barnaszén 18 55 % 2,79 Ft/MJ 16
kevert szén 15 57 % 2,78 Ft/MJ 17
benzin 2 30 % 29,93 Ft/MJ 1
diesel 3 45 % 18,69 Ft/MJ 2
áram éjszakai áram 5 100 5 6,67 Ft/MJ 6
nappali áram 1 100 5 11,39 Ft/MJ 3