A fa, mint tüzelőanyag

Az éghetőség szempontjából vizsgálva az anyagok két csoportra bonthatóak: lehetnek éghetőek, vagy nem éghetőek.  A fa természetesen az éghető anyagok közé tartozik.

Ezzel mindenki tisztában van, hiszen tüzelési célú felhasználása szinte egyidős az emberrel.

Nem tudjuk pontosan mikor kezdtük el használni a tüzet 3, vagy talán 5 millió évvel ezelőtt, de annyi bizonyos, hogy a bizonyítékok alapján a Homo erectus i.e. 350 000 évvel, már rutinosan alkalmazta azt.

A tűz egy csodálatos, lebilincselő természeti jelenség. Amennyiben a faanyagot tüzelési célra használjuk, a fotoszintézis által, több évtizeddel, vagy akár évszázaddal ezelőtt megkötött széndioxidot, illetve az annak megkötéséhez használt napenergiát változtatjuk meleggé.

A lángok játéka meleget, és fényt áraszt magából, mellyel visszahozza a napfény élményét a téli szobákba. Élménye egyetlen más fűtési módhoz sem hasonlítható és mindemellett ma is a legolcsóbb tüzelőanyagok egyike.

Összehasonlítva: 1 m3 keménylombos faanyag fűtőértéke nagyjából 390m3, 10KW/h fűtőértékű földgáznak, felel meg, ami villamos fűtésnél kb. 3900Kw/h-t tesz ki.  Attól függően, hogy milyen előkészítettségi fokozatban vásároljuk meg téli tűzrevalónkat, a fűtési költségeink akár ötödére, vagy akár még ennél is kevesebbre csökkenhetnek. Logikusan: minél előrehaladottabb felkészítési állapotban szerezzük be a tűzifát, azaz minél több idegen teljesítményt veszünk tehát igénybe, annál kisebb megtakarítást érhetünk el. De a költségmegtakarításon túl, a fatüzelés számos más előnyt is hordoz magában:

– Megtermeléséhez, és eltüzeléséhez nagyon kevés segédenergia szükséges.

– Más, fosszilis energiahordozókhoz képest kevésbé szennyezi a környezetet. (Bár a tüzelőberendezések helytelen működtetése alkalomadtán ennek ellenkezőjét is bebizonyíthatja. Pl. ha a faanyag túlságosan vizes és-vagy rosszul ég el…)

– A fa nagy mennyiségben áll rendelkezésünkre, újratermelődő, így a megfelelő erdőgazdálkodás következtében kiapadhatatlan energiaforrást jelent. 2014-ben Magyarország fáinak éves növedéke megközelítőleg 10-13 millió m3-re tehető. (Az említett mennyiségű tűzifát évről évre a nélkül termelhetnénk ki, hogy rablógazdálkodást folytatnánk, és csökkentenénk az erdeinkben található faanyag mennyiségét. Gyakorlatilag fakitermelésünk ennél lényegesen kevesebb (6-7millió m3), és annak is csak egy kisebb hányada, kerül felhasználásra tűzifaként.)

A fa, mint élő szervezet, a leveleiben található zöldszíntestek, és a napenergia segítségével, a légkörben található széndioxid, és víz felhasználásával állítja elő az életfolyamataihoz szükséges szőlőcukrot. Ezt a reakciót nevezzük fotoszintetizációnak:

6H2O+ 6CO2+ napfény= C6H12O6+ 6O2

A reakció melléktermékeként az állati és emberi szervezet számára oly nélkülözhetetlen Oxigén keletkezik. Az általuk évről évre előállított jelentős mennyiségű Oxigén teszi lehetővé lényegében a földi életet.

A fotoszintetizáció során a fa lényegében a napból származó energiát alakítja át és raktározza a növekedése során létrejövő anyagok kémiai kötéseiben, miközben saját testébe építi a légkörben található széndioxidot.

Egy köbméter fa kb. 230 kg lekötött szenet tartalmaz, amiből az égés során megközelítőleg 850 kg szén-dioxid keletkezik.

Amennyiben a faanyagot kint hagyjuk az erdőben, korhadása során (, mivel a korhadás egy lassú égés,) ez a mennyiség ugyanúgy felszabadulna, és a légkörbe jutna, csak sokkal lassabban.

A nedvességtartalom hatása az égésre

A frissen kitermelt faanyag még nem alkalmazható kielégítően tüzelési célokra, tömegének jó részét (akár a felét is) ugyanis még a benne lévő nedvességtartalom teszi ki.

A víz nagymértékben csökkenti faanyagunk fűtőértékét. Az ugyanis nem csak, hogy nem éghető, az égési folyamatot is gátolja. A vizes faanyag csak akkor égethető el, ha előbb elpárologtatjuk, „kiforraljuk” belőle a vizet. Ez jelentős hő veszteséggel jár, melyet az égés energiájából kell fedeznünk. A fában található minden egyes liter víz 700Wh energiaveszteséggel jár.

Összehasonlításképpen, egy űrméter (0,57m3) frissen kitermelt faanyag esetünkben 800kg, 1500kWh energiát ad. Amennyiben ugyanezt a faanyagot légszáraz állapotra szárítjuk, súlya 420kg-ra csökken, fűtőértéke pedig 1800kWh-ra nő.

A különbség legjobban az egy kilogramm fára vonatkoztatott fűtőértékben nyilvánul meg:

a frissen kitermelt, vagy vizes faanyag fűtőértéke: 1,9kWh/kg,

a légszáraz faanyag fűtőértéke: 4,3kW/kg.

Egyes szakirodalmak szerint, amennyiben a faanyag nedvességtartalma 10%-al nő a légszáraz állapothoz képest, úgy fűtőértéke ezzel párhuzamosan 9%-ot csökken.

A fa nedvességtartalma különböző mérőműszerekkel, vagy a kiszárításos eljárással könnyedén meghatározható. (Ezekről bővebben a faanyag nedvességtartalma című fejezetben olvashat.) Amennyiben azonban nincs lehetőség a fa nedvességtartalmának pontos meghatározására, a legtöbb esetben érdemesebb azt nem tömegre, hanem térfogatra vásárolni

Az űrméter, és a sarangolt fa

De a nedves tűzifa nem csak a költséghatékonyság szempontjából hátrányos. A víz felmelegítése miatt létrejövő energiaveszteség következtében, a vizes faanyag alacsonyabb hőfokon ég. Amennyiben az égés hőfoka nem elég magas, nem következik be a tökéletes égés. És az égés során felszálló füst nem csak vizet és széndioxidot, de egyéb éghető anyagokat is tartalmaz. Az energiában gazdag el nem égett farészek füsttel történő távozása tovább csökkenti a fából nyerhető energia mennyiségét, továbbá korom, illetve kátrány formájában lerakódnak a kéményben és a tüzelőberendezés adott helyein. És mindezek mellett még a környezetet is szennyezik.

A faanyag fűtőértéke

Ahogy arról már korábban is szó volt, a különféle anyagok éghetőségét azok kémiai összetétele határozza meg. A fatestet kb. 50%-ban szén 43%-ban oxigén, és mintegy 6%-ban hidrogén alkotja (de ezeken kívül 1%-ban egyéb anyagokat is tartalmaz).

Lényegében ezekből az anyagokból épülnek fel a faanyag törzsét képező vázvegyületek:

a cellulóz, a hemicellulóz, a lignin és a pektin. ( Ez utóbbival jelenleg nem foglalkozunk, hiszen bár szerkezetileg igen fontos, mennyiségileg nem számottevő a faanyagban.)

A száraz fatest összetétele a fűtőérték szempontjából:

• A fatest nagy részét, kb. 50%-át a cellulóz teszi ki. Fűtőértéke 4,8 kW h/kg.
• Ugyan csak jelentős tömeget képez a lignin, mely a faanyag 25-30%-át képezi. Fűtőértéke 7,5 kW h/kg.
• Mintegy 20%-ra tehető az egyéb cellulózhoz hasonló poliszacharidok, pl. a hemicellulóz jelenléte, melynek fűtőértéke némileg alatta marad a cellulózénak: 4,5 kW h/kg.
• És végül meg kell említenünk az egyéb járulékos, extrakt anyagokat, a különféle gyantákat, zsírokat, viaszokat és olajokat, melyek mennyisége a fatestben rendkívül változó 1-5%. Fűtőértékük azonban igen jelentős, átlagosan úgy: 10 kW h/kg.

A fenti felsorolásból egyértelműen megállapítható, hogy annál nagyobb a faanyag fűtőértéke, minél több lignint és járulékos anyagot tartalmaz. Minthogy a fenyőfélék több lignint, és gyantát tartalmaznak, mint a lombos fák, érthetően fűtőértékük is nagyobb.

                  kW h/űrméter     kW h/kg

Gyertyán       2200                4,2      

Bükk              2100                4,2

Tölgy              2100                4,2

Kőris               2100                4,2

Akác               2100                4,1

Nyár               1400                4,2

Lucfenyő        1600                4,4

Erdei fenyő    1700                4,4

A fenyőfélék sűrűsége azonban jóval alatta marad a lombos fáknál megszokott értékeknek, így ha a belőlük kinyerhető energiamennyiséget a térfogatra vonatkoztatjuk (kW h/űrméter), a lombos fák már lényegesen jobb tüzelőanyagnak minősülnek a fenyőféléknél.

Természetesen a fűtőérték azonban nem csak a fafajtól és a nedvességtartalomtól függ. Ki kell emelnünk, hogy a különböző termőhelyi adottságok is nagymértékben befolyásolják azt. Sőt az függ a fadarabok nagyságától is. A fenti táblázatban közölt értékek ezeknek megfelelően csupán átlagértékek, egy fafajon belül ezeknél nagyobb és kisebb fűtőértékű faanyagokkal is találkozhatunk.