Lämpöarvojen, energiatiheyden ja energiamäärän laskenta

2.3.1 Yleistä

Kiinteiden biopolttoaineiden, kierrätyspolttoaineiden, turpeen ja kivihiilen sekä polttoöljyjen kuiva-aineen tehollinen lämpöarvo määritetään noudattaen liitteiden A–D standardeja. Pakkauksille lämpöarvo voidaan määrittää standardin SFS-EN 13431:2005 mukaan (Alakangas & Impola 2014, www.sfs.fi, Lehto et al.

2013).

Kalorimetrinen eli ns. ylempi lämpöarvo on se lämpöenergian määrä poltettavan aineen massayksikköä kohti, joka vapautuu, kun aine palaa täydellisesti ja palamistuotteet jäähtyvät 25 °C:en lämpötilaan. Kalo-rimetrisessä lämpöarvossa sekä aineen sisältämän vedyn palamistuotteena syntyvä vesi että aineen sisäl-tämä vesi (eli kosteus) oletetaan palamisen jälkeen nesteeksi. Suomessa lämpöarvo ilmoitetaan yleensä kuitenkintehollisena lämpöarvona (ns. alempi lämpöarvo), joka saadaan muunnoskaavan 2.4 avulla kalo-rimetrisesta lämpöarvosta. Tehollisessa lämpöarvossa on otettu huomioon palamisen yhteydessä höyrys-tyvän veden höyrystymisenergia.

Kolmantena lämpöarvona voidaan ilmoittaa tehollinen lämpöarvo toimituskosteudessa eli saapumisti-lassa. Tämä lämpöarvo on alin, koska siinä lämpöarvoa laskettaessa vähennetään energiamäärä, joka joudutaan käyttämään polttoaineen luontaisesti sisältämän ja palamisessa syntyvän veden haihduttami-seen. Lämpöarvo ilmoitetaan yleensä megajouleina polttoainekiloa kohti (MJ/kg, 1 MJ = 0,2778 kWh).

2.3.2 Kalorimetrinen lämpöarvo

Ilmakuivasta (tasapainokostea) analyysinäytteestä punnitaan noin 1 g, joka poltetaan nesteeseen upote-tussa kalorimetripommissa happiatmosfäärissä ja vapautuva lämpö mitataan. Samanaikaisesti määrite-tään analyysinäytteen kosteus, jonka avulla ilmakuivan näytteen lämpöarvo muunnetaan vastaamaan absoluuttisen kuivan näytteen lämpöarvoa. Tuloksena ilmoitetaan kahden rinnakkaismäärityksen keskiar-vona saatu kalorimetrinen eli ylempi lämpöarvo absoluuttisen kuivalle näytteelle. Rinnakkaismääritysten välinen ero saa olla korkeintaan 0,120 MJ/kg sahanpurulle ja 0,140 MJ/kg muille biopolttoaineille. Lämpö-arvomääritysten ilmoitustarkkuus on 0,01 MJ/kg.

2.3.3 Kuiva-aineen tehollinen lämpöarvo

Kun kalorimetrinen lämpöarvo on määritetty, voidaan tehollinen lämpöarvo kuiva-aineessa laskea kaavan 2.4 mukaan:

, , _{, ,} , ( ) , [ ( ) ( ) ] (2.4)

jossa

qp,net,d kuiva-aineen tehollinen lämpöarvo vakiopaineessa, J/g tai kJ/kg qV,gr,d kuiva-aineen kalorimetrinen lämpöarvo vakiotilavuudessa, J/g tai kJ/kg

H)

d

(

w

vetypitoisuus kuivassa biopolttoaineessa (sisältäen vedyn mineraaliaineksen hydraatioveden sekä polttoaineen sisältämän vedyn), p-%

O)d

(

w happipitoisuus kuivassa polttoaineessa, p-%

N)

d

(

w

typpipitoisuus kuivassa polttoaineessa, p-%

Huomaa

[ w ( O )

d

+ w ( N )

d

]

voidaan laskea vähentämällä 100 p-%:sta polttoaineen tuhka-, hiili-, vety- ja rikkipitoisuus kuiva-aineessa (p-%).

Kun polttoaineen tehollinen lämpöarvo kuiva-aineelle lasketaan kaavan 2.4 mukaan, tulos ilmoitetaan J/g tai kJ/kg. Jos tulos halutaan ilmoittaa yksikössä MJ/kg, on tulos jaettava tuhannella.

Jos polttoaineesta ei määritetä vety-, typpi-, hiili- tai rikkipitoisuutta, voidaan laskennassa käyttää vakio-arvoja. Tyypilliset vakioarvot vedylle w(H)d ovat turpeella 5,6 %, kokopuulla 6,2 %, hakkuutähteillä 6,0 %, kuorella 5,9 % ja kasvibiomassalla 6,0 %. Tyypillinen vakioarvo summalle w(O)d + w(N)d on turpeelle 35 % kokopuulle 41 %, hakkuutähteille 41 %, kuorelle 41 % ja kasvibiomassalle 41 %. Standardin SFS-EN ISO 18125:2016 vakioarvot ilmoitetaan liitteessä H tuhkattomille biopolttoaineille. Vakioarvot vedylle w(H)d ovat 6,1–6,3 %, puupohjaisille polttoaineille, 6,2–6,3 % kasvibiomassoille ja 6,6 % jyville ja siemenille. Summan w(O)d + w(N)darvot ovat 40,4–44,5 % puupohjaisille polttoaineille, 43,5–45,0 % kasvibiomassoille ja 46,0

% jyville ja siemenille.

2.3.4 Tehollinen lämpöarvo saapumistilassa a) Laskenta kuivasta polttoaineesta

Tehollinen lämpöarvo (vakiopaineessa) saapumistilassa (kostea polttoaine) voidaan laskea kuiva-aineen tehollisen lämpöarvon perusteella seuraavan yhtälön mukaisesti (2.5).

, ,

=

_{, ,}

− 0,02443

(2.5)

jossa

ar ,net,

q

p tehollinen lämpöarvo (vakiopaineessa) saapumistilassa, MJ/kg

d net, ,

q

p tehollinen lämpöarvo (vakiopaineessa) kuiva-aineessa, MJ/kg

M

ar kosteus saapumistilassa, p-%

0,02443 on höyrystymisen entalpian korjauskerroin (vakiopaineessa) vedelle (kosteus) 25 °C lämpötilassa, MJ/kg per 1 p-% kosteutta.

Kiinteiden biopolttoaineiden laatuluokittelustandardeissa (SFS-EN ISO 17225-sarja) käytetään symbolia Q teholliselle lämpöarvolle saapumistilassa. Jos lämpöarvo muutetaan muotoon kWh/kg, muunnos tehdään vasta laskennan jälkeen.

Esimerkki 2.3:

Puupolttoaineiden tehollinen lämpöarvo kuiva-aineessa on 19,00 MJ/kg. Polttoaineen kosteus on 19,8

p-%.

Tehollinen lämpöarvo saapumistilassa (Q)

Q = 19,00

^,

− 0,02443 19,8 / = 14,75 /

Jos tehollinen lämpöarvo saapumistilassa halutaan muuttaa yksikköön kWh/kg, se lasketaan jakamalla tulos 14,75 MJ/kg 3,6:lla, jolloin saadaan 4,10 kWh/kg. Esimerkin 2.2 toimituserän energiamäärä on 290 kg x 4,10 kWh/kg eli 1 189 kWh. Toimituserä oli yksi irto-m³ eli energiana 1,2 MWh/irto-m³.

Puupolttoaineen lämpöarvo tilavuusyksikköä kohti voidaan laskea myös kuiva-tuoretiheyden avulla kaaval-la 2.6.

,

=

_, ^(2.6)

jossa

qar,v kostean polttoaineen tehollinen lämpöarvo, MJ/m³ ρ kuiva-aineen kuiva-tuoretiheys, kg/m³

Mar polttoaineen kosteus, p-%

qnet,ar polttoaineen tehollinen lämpöarvo saapumistilassa, MJ/kg (kaava 2.5) b) Laskenta kuivasta tuhkattomasta polttoaineesta

Tehollinen lämpöarvo (vakiopaineessa) saapumistilassa (kostea biopolttoaine) lasketaan kuivan ja tuhkat-toman polttoaineen tehollisen lämpöarvon perusteella seuraavan yhtälön mukaisesti (2.7).

, ,

= [

_{, ,}

] − 0,02443

^(2.7)

jossa

ar ,net,

q

p tehollinen lämpöarvo (vakiopaineessa) saapumistilassa, MJ/kg

daf net, ,

q

p tehollinen lämpöarvo (vakiopaineessa kuivassa, tuhkattomassa polttoaineessa), MJ/kg

M

ar kosteus saapumistilassa, p-%

Ad tuhkapitoisuus kuiva-aineessa, p-%

0,02443 höyrystymisen entalpian korjauskerroin (vakiopaineessa) vedelle (kosteus) 25 °C lämpöti-lassa, MJ/kg per 1 p-% kosteutta.

Lämpöarvo voidaan määrittää tietylle erälle tai voidaan käyttää tyypillistä arvoa:

1) Jos polttoaineen tuhkapitoisuus on alhainen ja melko muuttumaton (esim. sahanpuru), laskenta voi-daan tehdä käyttämällä kuivan polttoaineen yhtälöä ja tyypillistä arvoa teholliselle lämpöarvolle kuiva-aineessaqp,net,d.

2) Jos polttoaineen tuhkapitoisuus vaihtelee melkoisesti (tai on korkea) tietylle polttoaineelle (esim. kan-to), käytetään mieluummin kuivan tuhkattoman polttoaineen yhtälöä ja tyypillistä arvoa teholliselle lämpöarvolle kuivalle ja tuhkattomalle polttoaineelleqp,net,daf.

Tulos annetaan pyöristettynä lähimpään 0,01 MJ/kg.

2.3.5 Energiatiheys saapumistilassa

Kiinteän biopolttoaineen toimituserän energiatiheys saapumistilassa (Ear) lasketaan saapumistilaisen tehol-lisen lämpöarvon ja irtotiheyden perusteella kaavalla 2.8.

=

_{, ,}

(2.8)

jossa

Ear biopolttoaineen energiatiheys saapumistilassa, MWh/irto-m³

ar net,

q

p, tehollinen lämpöarvo saapumistilassa, MJ/kg

BDar irtotiheys eli puupolttoaineen tilavuuspaino saapumistilassa, kg/irto-m³ muuntokerroin energiayksiköille MJ:sta MWh:iin

2.3.6 Toimitettu energiamäärä

Toimitettu energiamäärä W (MWh) lasketaan kaavan 2.9 mukaisesti:

=

_,

^(2.9)

jossa

, saapumistilaisen tehollisen lämpöarvon (MJ/kg) muunto yksiköihin MWh/t m toimitetun polttoaineen massa, tonnia

Pienten erien ja satunnaisen käytön kohdalla edellä esitetty menettely voi olla liian raskas, koska mm.

ajoneuvovaakoja ei aina ole käytössä pienemmillä laitoksilla. Näissä tapauksissa polttoainetoimituserän energiamäärä voidaan määrittää seuraavasti:

· mitataan toimitettavan polttoaine-erän tilavuus puutavaran mittauslain (Laki puutavaran mittauksesta 141/2013) mukaan

· määritetään polttoaineen irtotiheys (BD)

· määritetään näytteenottoon perustuen polttoaineen kosteus (M) ja tehollinen lämpöarvo (Q) tai määri-tetään kosteus, mutta käymääri-tetään yhdessä sovittua, tyypillistä puupolttoainelajikohtaista kuiva-aineen tehollista lämpöarvoa.

Toimitetun polttoaine-erän energiamäärä on mahdollista määrittää pienillä laitoksilla tuotetun energian ja kattilan hyötysuhteen avulla (SFS-EN 12952-15:2003 Water-tube boilers and auxiliary installations. Part 15: Acceptance tests).

In document Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia (sivua 29-32)