EURIS – Europeans Using Roundwood Innovatively & Sustainably Energia da Madeira Energia Extraída...

EURIS – Europeans Using Roundwood Innovatively & Sustainably

Energia da Madeira Energia Extraída da Madeira de Pequeno Diâmetro

Modulo Euris 12

Tuomo Pesola1, Janne Alahuhta1, Raffaele Spinelli2, Anabela Rodrigues3, José Vicente Ferreira3 & Tom

Kent4

1Oulu Polytechnic, School of Renewable Natural Resources – Finland; 2CNR Ivalsa – Italy; 3Instituto Politécnico de Viseu;

4Waterford Institute of Technology

• Abordagem genérica das políticas internacionais que apoiam a energia da madeira

• Entendimento básico da madeira enquanto combustível

• Entendimento básico das possibilidades e significado da utilização da energia da madeira da floresta

• Conhecer os mais relevantes métodos de corte da floresta e utensílios utilizados no domínio da produção de energia da madeira

• Conhecer o processo de combustão da madeira e as características de queima

• Conhecer as soluções básicas dos sistemas de aquecimento.


Objectivos da Aula


Compromisso internacional

“…to achieve stabilisation of greenhouse gas concentrations in the atmosphere at a level that would prevent dangerous anthropogenic interference with the climate system…”

Cimeira da Terra, Rio de Janeiro, 1992

Acordo de Kyoto, 1997

Objectivos legalmente vinculativos

5% de redução nos GEE, em

1990 níveis para os países do

anexo 1, 8% de redução na UE

Os meios incluem:

Protecção dos depósitos naturais de carbono (florestas)

Desenvolviemnto das energias renováveis (coombustível da madeira)

Política Internacional das Alterações Cilmáticas

Fonte: International Energy Agency, World Energy Outlook, 2000

• Livro Branco sobre as Energias Renováveis (ER) COM(97)599– Objectivo: duplicar as energias renováveis na UE até 2010 (de 6% para 12%) – Os objectivos específicos para 2010 incluem:

• Outras políticas de apoio às ER e ao combustível da madeira:– Livro Verde sobre a Segurança no Abastecimento de Energia COM (2002) 321– Directiva 2001/77/EC sobre a promoção de electricidade produzida a partir de

ER– Directiva 2003/30/EC sobre a promoção de biocombustíveis– Programa de Apoio “Energie Intellegente – Europe” (2003-06)


Política Europeia para a Energia Renovável

RE Technology Installed Capacity (2010)

Photovoltaics 1 million systems

Wind Turbines 10,000 MW

Biomass CHP 10,000MW

Biomass Heating 1 million buildings


Actual Posição do Combustível da Madeira na Europa

European Union Energy Sources in 1998

16%

41%22%

15%

6%

Solid Fuel

Oil

Natural Gas

Nuclear

Renewables

European Renewable Energy Production in 1998

63%4%

31%

2%

Biomass

Geothermal

Hydro

Other

Electricity Production from Renewables in 1998

87%

9%

3%

1%

Hydro

Biomass

Wind

Geothermal

Heat Energy Production from Renewables in 1998

97%

2%

1%

Biomass

Solar Panels

Geothermal

6% of EU energy came from RE in 1998

Biomass made up 63% of EU RE supply

Only 9% of EU electricitywas produced from biomass

Biomass accounted for 97% of RE heat production

Fonte: Eurostat, 2001


Potencial Futuro do Combustível da Madeira na Europa

Projected Share of Bioenergy in 2010 & 2020Source: European Renewable Energy Council, 2004

0

20

40

60

80

100

2000 2010 2020

% Total Energy Requirement

% Renew ables

Share of Primary Energy Produced from Wood in 1998Source: Eurostat, 2001

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

EU15 FIN IRL I NL P SK UK

% Total EnergyRequirement

% Renewables

Projected Share of Biomass Heating in 2010 & 2020Source: European Renewable Energy Council, 2004

0

20

40

60

80

100

2000 2010 2020


% Renewables

Projected Share of Biomass Electricity in 2010 & 2020

Source: European Renewable Energy Council, 2004

0

20

40

60

2000 2010 2020


% Renewables

4% in 1998

8% in 202020% in 2020

13% in 2020


A energia da Madeira responde às seguintes necessidades europeias:

• limita as emissões de gases com efeito de estufa

• combustível “limpo”, ambientalmente benigno

• energia sustentável, renovável, produzida localmente

• modos alternativos de utilização da terra & empresas rurais

• silvicultura para uma gestão florestal sustentável.

Benefícios do Combustível da Madeira

Madeira

Valor calorífico (V.C.) = 18 - 21GJ/t

Potência (output) = 5 - 5.8MWh/t

(petróleo bruto = 40GJ/t, 11MWh/t)

Conteúdo de Humidade (C.H.)

A madeira verde contém 50% de água

A vaporização da água utiliza energia

O V.C. aumenta à medida que o C.H. diminui

Valor Calorifico

Variação pouco significativa entre espécies

A densidade da energia (GJ/m3) varia em função da densidade básica das espécies


Energia da Madeira: Conteúdo de Humidade e Valor Calorífico

Hea

ting

valu

e

Moisture (%)Source: Wood fuels information pack 2002

Espécies Madeira Casca Folhagem

Fraxinus spp. 19.96 19.30 21.43Quercus spp. 20.00 19.35 21.21Pinus sylvestris 19.31 19.53 20.23

Picea abies 19.05 18.80 19.77

Valores caloríficos das componentes da árvore MJ/kg

Fonte: Wood fuels Basic Information Pack, 2000


Unidades de Medida para o conteúdo energético

Valor calorífico da madeira = 18-21GJ/t (matéria seca ou odt - oven dry tonne)

1 odt =

1 / [densidade básica (kg/m3) / 1000] m3 volume sólido

Quantificação do Combustível da Madeira

Unidades de Medida para a produção de combustível da madeira, abastecimento, transporte e armazenamento

Rolaria1m3 volume sólido =

Lenha1.49m3 volume empilhado =

Estilha 2.5m3 volume da massa

Fonte: Wood Fuel Basic Information Pack, 2000

Gestão da Floresta• Espécies/tamanhos (madeira) não vendáveis• Primeiro desbaste / pequenas dimensões• Ramos e material do topo das árvores provenientes do

corte

Resíduos da Indústria das Madeiras• Processamento primário: serradura húmida, cascas e

estilha• Carpintaria: serradura seca, aparas e pedaços de

madeira • Pasta e papel: casca de árvore e licor preto

Energia das Colheitas• Pequenas matas de salgueiros, álamo, eucalipto• Crescimento rápido, rotação curta• Cortadas como estilha ou comprimentos de árvores

inteiras


Fontes de Combustível da Madeira

Lenha• Densidade da massa 350 - 400 kg/m3

• 50% de conteúdo de humidade (verde), 25% (seca)• Valor calorífico 4.5 - 5.5 GJ/m3

Estilha de Madeira• Densidade da massa 300 kg/m3• 45-60% de conteúdo de humidade (verde) 10-30%

(seca)• Valor calorífico 2 - 3 GJ/m3

Madeira densificada (pellets e briquetes)• Densidade da massa 600 - 700 kg/m3• 10% conteúdo de humidade• Valor calorífico 17GJ/t


Tipos de Combustível da Madeira


O quê?• Desbaste pré-commercial • Espécies/tamanhos de madeira não

vendáveis • Ramos e topos de árvores provenientes

do abate

Porquê?• Energia renovável e sustentável, produzida e utilizada

localmente• Facilita uma boa prática de gestão da floresta • Desenvolvimento rural e manutenção de empregos • Indústrias locais desenvolvendo recursos locais • Fornecedores de energia locais e comunitários• Afastamento do desenvolvimento económico da

lógica da degradação ambiental

Recurso de Combustível de Madeira EURIS


Cadeia da Madeira para Fins Energéticos

• Colheita

- Desbaste (ou derrubamento final) / corte dos ramos /(limpeza) /formação de molhos / arrasto

• Secagem

• Transporte

- da berma da estrada até ao utilizador primário

• Processamento da madeira para fins energéticos

- em lenha

- em estilha


A Escolha dos Locais para a Colheita

• Condições do local

- Equilíbrio ao nível dos nutrientes / espécies de árvores / condições para o transporte / vegetação rasteira / natureza pedregosa do terreno

• Acesso

• Condições económicas

• Disponibilidade de máquinas e mão-de-obra

• Ter sempre em vista uma abordagem global da cadeia!

Sistemas de Colheita da Madeira para Fins Energéticos


Colheita Não-Associada

• Madeira para fins energéticos (corte, desbaste)

• Organização simples • Limites económicos

• O resultado da colheita depende do estádio do desbaste (1º/2º), grau do desbaste e das espécies das árvores •Possibilidades não exploradas

• Madeira para fins energéticos (resíduos dos derrubamentos) + classificações tradicionais

• Integração económica, optimização exequível, organização complexa

• A disponibilidade de madeira para fins energéticos e/ou

classificações tradicionais

tem de ser adequada

1. Não-integrada• Duas operações independentes

2. Integrada• Duas operações interdependentes


Colheita Associada

Spruce Pine Birch

VTT Energy

• Aproximadamente metade de uma árvore em verde, acabada de derrubar, é água

•A necessidade da secagem depende dos fins de utilização da lenha•O processo de secagem varia em função do clima, altura do ano, espécies das árvores, da parte do tronco em questão, e da fase do armazenamento.•A madeira pode ser empilhada em pilhas (durante o Verão), de forma a permitir a secagem


Secagem da Madeira

• Veículos de transporte - Tractor e reboque agrícolas - Camião - Camião contentor - Camião e trem de reboque - Semi-reboque • O transporte é planeado de forma

a integrar toda a cadeia da madeira, para minimizar as despesas

Transporte


VTT Energy

• A mobilidade, velocidade e capacidade de carga do veículo depende da distância e da qualidade das vias

A madeira para fins energéticos pode também ser agrupada em molhos

na floresta e transportada para o utilizador primário

Estilha de Madeira


• Madeira “fluidizada”

• Processo simples

• Pode utilizar madeira de pequenas dimensões

• Ferramentas especiais

- Estilhador (disco / cilindro / broca)

- Britadores e martelos

- A configuração do estilhador ∗Movido pelo tractor / motor

independente / auto-propulsionado / aplicado ao camião / o estilhador no local


Desbaste/ corte de ramos / limpeza / agrupamento

Agrupamento em molhos da madeira para

fins energéticosTransporte da madeira para fins

energéticos

Estilhagem e transporte

Transporte de molhos de madeira para fins enrgéticos

Estilhagem no local de

armazenamento temporário

Transporte de fardos e de madeira para fins

energéticos, da floresta para o utilizador primário

Estilhagem ou trituração no utilizador primário

Instalações de pequena dimensão Instalações de grande dimensão

Transporte da estilha de madeira da floresta para o

utilizador primário

Cadeia da Estilha de Madeira

• As necessidades do utilizador primário definem a escolha do modo de trabalho na cadeia da estilha de madeira

-Diferentes necessidades para a caldeira agrícola e instalação de produção de calor

Secagem (se necessário

Secagem (se necessário)

Secagem

Produção de Lenha


• Tradicional –> bem conhecida• Mercado amplo e dinâmico • Comércio internacional• Colheita no terreno - Motossera / tractor + atrelado / mulas ou

cavalos

• Processamento no local de depósito

- classificação / seccionamento / rachamento

Todas as técnicas alimentam-se de energia P.T.O. ou de electricidade

1. Seccionamento com serras (disco / (banda) / corrente)

2. Rachamento

• Mecânico / hidráulico

• Corrida da cunha (horizontal / vertical / multi-direccional)

• Tipo sem-fim

3. Processadores de Lenha

• Combinado “seccionamento, rachamento e carregamento”

• Diferentes níveis de sofisticaçãoEURIS – Europeans Using Roundwood Innovatively & Sustainably

Técnicas de Processamento de Lenha


Combustão

• Passos da combustão (dependentes da temperatura):

1) Secagem;

2) Aquecimento, gasificação e combustão das substãncias gasificadas;

3) Combustão de carbono sólido (fim da combustão)

VTT Energy

• 3 parâmetros afectam um bom resultado da combustão

a) tempo; b) temperatura;c) turbulência


VTT Energy

• Diversas características afectam o processo de combustão : humidade, composição química, densidade, composição da cinza, dimensão das partículas, distribuição, a espécie das árvores…

• Reacção da Queima: C + O2 → CO2 + 32,8 KJ/kg Carbono

2H2 + O2 → 2H2O + 142,2 MJ/kg Hidrogénio

Caldeiras

1. Sobre-combustão (somente lenha)

• O combustível é alimentado e queimado simultaneamente + + ar natural através de uma porta de chama controlável

• Fraco controlo da eficiência


Dispositivos de Queima de pequena dimensão

Sobre-combustão (VTT Energy) Sub-combustão (VTT Energy)

2. Sub-combustão (lenha e estilha de madeira)

• O combustível gasifica-se e a combustão ocorre na parte mais baixa da madeira

• Gases formados e chamas são levados para a câmara de combustão por gás, para a queima final

• Ar através de uma porta de chama controlável, sob a lareira ou com ventoinhas que se encontram fora da caldeira

• Bom controlo da eficiência

3. Combustão-Inversa

• Melhoria básica da lareira de sub-combustão

• A combustão dos gases na câmara de combustão é melhor controlada do que na sub-combustão

• Temperatura elevada


Hot water

Burner

Fuel storage of stocker

Ashes

• Instrumentos de alimentação e de queima

• Usa-se fundamentalmente estilha de madeira

• O queimador está ligado à caldeira, dentro da qual ocorre a recuperação de calor

1. Tipo 1• A quantidade necessária de estilha, que é equivalente ao consumo

de calor, é introduzida na unidade de combustão

• Combustão na grelha (temperatura >1000°C), com fornecedores de ar controlados automaticamente

• 2. Tipo 2

• A combustão tem início num espaço muito isolado, no qual constantemente se introduz combustível

• Adequado também para estilha de madeira húmida, serradura e lenha EURIS – Europeans Using Roundwood Innovatively & Sustainably

(VTT Energy)

Stockers


Lareiras

• Utilização de lenha

1. Lareira aberta

• Ampla perda de calor devido ao excesso de ar

• Para efeitos atmosféricos

2. Lareira de acumulação

• A quantidade de ar é controlada através de portas de chama

• Ciclo de gases nas estruturas acumulando calor

•Para efeitos atmosféricos e de aquecimento

Recuperadores • Combina forno com lareira Storage fire place


O princípio do sistema de aquecimento (Wood fuels basic information pack 2002/VedTek 1996)

Sistema de Aquecimento

• O sistema de aquecimento de uma casa inclui caldeira, sistema de tubagem, bomba, válvulas, reservatório de expansão, reservatório acumulador e um sistema radiador

•O reservatório acumulador é benéfico, mas não obrigatório desde que a combustão seja bem controlada

Sempre que se verifique a combustão de lenha (ou estilha de grande dimensão), exige-se um reservatório acumulador A água fria que retorna à caldeira deve estar pelo menos a +70°C


Princípios no Dimensionamento do Sistema de Aquecimento

• Depende dos objectivos de aquecimento

- caldeira agrícola / instalação de aquecimento

• A seguinte informação sobre os edifícios influencia o dimensionamento :

- Áreas e volumes

- Tempo de utilização (a não ser que seja utilizado 24h/dia)

- Tempo de utilização do ar condicionado

- Tempos de utilização especiais e necessidades de água quente

- Sistemas de aquecimento actuais, possíveis sistemas de aquecimento adiconais, e condição dos aparelhos de aquecimento

• O dimensionamento pode basear-se nos níveis de consumo dos últimos dois anos ou em cálculos.


Caldeiras de Grande Dimensão

• Caldeiras de grelha

- Grelha sólida inclinada/ grelha

movível/grelha de prato

• Estratos fluidizados

- Velocidade

- Estrato fluidizado convencional /

estrato fluidizado circulatório/ combustão multi-estratos

• Limpeza de gases de escape

- Colector mecânico/ escova / precipitador electroestático /

Filtros de supressão

• Limpeza do SOx e NOx

Wood energy information pack 2002


CCE – Instalação Combinada de Calor e Electricidade

• Planta que produz simultaneamente calor e electricidade•A eficiência da CCE é bastante melhor do que a das instalações separadas de condensação e de aquecimento. A mesma quantidade de energia é produzida de duas maneiras:

Princípio do CHP (wood fuels basic information pack 2002)

- CCE: com 100 unidades de combustível, a eficiência é de 85% - Condensação separada e plantas de aquecimento: com 152 unidades de combustível, a eficiência é de 56% • O número de CCEs está a aumentar e o tamanho dos CCEs lucrativos a diminuir, devido à melhoria tecnológica


Conclusão

A produção de energia da madeira combina sivicultura, produção de madeira, produção de energia e aspectos ambientais

• Conformidade com o desenvolvimento sustentável (ecológico, económico e social)

•Apoia o emprego local

• Cobre a cadeia da madeira para fins energéticos, desde o uso doméstico à produção industrial de energia

• O desenvolvimento da tecnologia promove o aumento da utilização de energia da madeira

• Significativas diferenças entre os países, ao nível das possibilidades e formas de utilização

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