1.I ntroduce ntroducerr e
În România, interesul pentru producerea biogazului a urmat un curs ascendent în a doua jumătate a secolului XX. Începând cu 1958 la Centrul Experimental de i ngrăşăminte Bacteriene (C.E.I.B.) de la Băneasa, s -au iniţiat cercetări de laborator pentru izolarea unor surse active de bacterii metanogene şi obţinerea de gaze combustibile pe cale biologică, din diferite substraturi organice (dejecţii de animale şi gunoaie menajere).
Din 1964, Tudor Ionescu a efectuat cercetări şi pentruproducerea biogazului din nămoluri organice, prima lor materializare fiind instalaţia pilot de valorificareintegrală a apelor uzate de la abatorul Bucureşti. Problematica de cercetare şi dezvoltare tehnologicăcircumscrisă la producerea şi folosirea biogazului din dejecţii de animale, în special de taurine şiporcine, s -a concentrat în câteva direcţii principale. Cercetările fundamentale s -au referit la aprofundarea microbiologiei procesului de metanizare şi la selecţia de surse de bacterii metanofore cu activitatemaximă în vederea optimizării bioconversiei energetice. Sub aspect tehnologic, cercetările au urmărit perfecţionarea tehnologiilor existente, care folosesc camaterie primă dejecţiile evacuate hidraulic din complexele de creştere industrială a animalelor sau dejecţiile solide din sistemul de exploatare de tip gospodăresc. O altă direcţie a constat în elaborarea detehnologii pentru sistemele în care dejecţiile sunt evacuate prin raclare, fără consum de apă tehnologică.Începutul a fost făcut la Staţia de epurare a apelor uzate a municipiului Iaşi de la Dancu, care a fostînzestrată cu o instalaţie de tip industria l pentru producerea producerea biogazului. Cu o producţie iniţială de 2000m3 biogaz / zi, staţia şi -a asigurat în general necesarul de energie tehnologică din producţia proprie debiogaz, realizând ulterior şi cantităţi excedentare, excedentare, în special în perioadele calde.În anii 80 funcţionau în condiţii normale de producere captare a biogazului instalaţiile din cadrulstaţiilor de epurare ale apelor reziduale de la Bacău, Iaşi, Timişoara, Oradea, Suceava, Hunedoara,Roman, Piteşti,Sibiu, Cluj ş.a. producându producându-se pe această cale în jur de 85 000 m3 biogaz / zi şi respectiv30 milioane m3/an. Pe principii similare s-au executat staţii de biogaz produs din deşeuri şi nămoluri organice pe platforma industriei alimentare din Vaslui, la abatoarele judeţene Ialomiţa şi Timiş, la distileria detescovină Tohani. Prima încercare, în condiţii de staţie pilot, de valorificare a dejecţiilor de animalepentru obţinerea de biogaz s -a realizat în 1975 la complexul de cercetare a porcinelor de la Tomeşti ,Iaşi. Experimentul a fost realizat în colaborare cu Institutul de Cercetări pentru Nutriţia Animalelor de laBaloteşti, într -un -un fermentator cu capacitatea de 30 m3.
În 1979 a intrat în funcţiune, la S.C.C.C.P. Periş, prima staţie pilot de tip semi industrial deproducere a biogazului din dejecţii de porc, cu o capacitate de 580 m3/zi biogaz. După 1982 au intrat înexecuţie şi în funcţiune alte staţii de capacităţi similare sau mai mari, care folosesc tot dejecţii de porcpentru fermentarea anaerobă. Se menţionează cele de la fosta Întreprindere de Stat 30 D ecembrie ?Giurgiu, I.S.C.I.P. Caracal (Olt), Codlea (Braşov), 1
Roman (Bacău), Asociaţia Economică IndustrialăPecineaga (Constanţa). Spre exemplu, staţia de biogaz de la I.S.C.I.P. I.S.C.I.P. Caracal Caracal furniza o producţieglobală producţieglobală de 7 000 ? 8 000 m3 biogaz/zi. În aceiaşi perioadă s -au răspândit instalaţiile de capacitate mică care produc biogaz pentrucolectivităţi mici sau pentru gospodăriile populaţiei. Ele au apărut ca rezultat atât al unor acţiuni centralecât şi al iniţiativelor unor gospodari întreprinzători. Astfel, î n 1979 s-a acţionat pentru realizarea unorinstalaţii prototip de capacitate mică (5 ÷ 10 m3), ulterior făcându-se şi instalaţii având fermentatoare decapacităţi de 20, 30, 40 şi 50 m3. Progrese notabile în realizarea de instalaţii de biogaz de capacitatemică s -au obţinut în judeţele Iaşi, Argeş, Olt, Constanţa, Brăila, Timiş. Din păcate, începând cu 1990, înunele cazuri în mod total nejustificat, interesul pentru producerea biogazului prin reciclarea materiilor organice din zootehnie şi industria alimentară prin fermentarea anaerobică a scăzut drastic, în condiţiileîn care în majoritatea ţărilor acest interes este de actualitate . SURSA :http://documents.tips http://documents.tips/documents/bioga /documents/biogazul-560384c5ba zul-560384c5bab47.htm b47.htm 2.Bi ogaz gazul in combust usti bil ec ecologi logicc
Biogazul este o sursă de energie neconvenţională care rezultă în urma unui proces de conversie naturală controlată a biomasei. Biomasa este materia organică a dejecţiilor animale şi deşeurilor vegetaleeste regenerabilă şi inepuizabilă. Masa rezultată în urma fermentaţiei anaerobe în prezenţa bacteriilor metangene constitue un îngrăşămintelor naturale cu un grad scăzut de poluare. În prezent metanul estesursă pentru producerea energiei termice şi se urmăreste extinderea lui şipentru obţinerea de energie electrică.
Energia obținută din lanțul biomasă → biogaz → curent electric sau ș i agent termic, este energie regenerabilă deoarece dioxidul de carbon eliminat în atmosferă la arderea biogazului provine din dioxidul de carbon asimilat actual de plante în perioada de vegetație, respectiv din nutrețurile consumate de animale. Conform protocolului de la Kyoto acest dioxid de carbon este recirculat în circuit închis, spre deosebire de cel provenit din arderea combustibililor fosili (gaz natural, cărbune, țiței) la arderea cărora se degajă dioxid de carbon care a fost asimilat în timpuri preistorice, fiind considerat aport în atmosfera actuală. https://ro.wikipedia.org/wiki/Biogaz Celuloza este principalul component a materiei organice utilizate la formarea biogazului. Celuloza este principalul component a materiei organice utilizate la formarea biogazului. Continutul celulozei in materia organicaeste de circa 50%. dintre alte componente putem mentiona plantele acvatice, algele, resturile animaliere etc. Cel mai ridicat potential il are procesul de fermentare anaeroba la temperaturi in jur de 40°C. Prin fermentarea anaeroba microorganismele descompun materia organica, eliberand o serie de metaboliti, in principal bioxid de carbon si metan. 2
În dependenta de materia prima, cantitatea de metan in biogaz este de 35-80%. Cantitatea maxima de metan se obtine la fermentarea resturilor animaliere, in special de la complexele avicole. Bigazul necesita a fi prelucrat pana la utilizare, de obicei este trecut prin separatoare speciale, unde metanul este separat de restul gazelor. Utilizarea biogazului brut (preseparat) poate duce la intoxicare, deoarece in restul gazelor se poate contine gaze toxice. Dintre componentele chimice ale materiei organice gradele cele mai ridicate de conversiune in biogaz au celulozele, hemicelulozele si grasimile. Fermentarea anaeroba nu poate avea loc in prezenta luminii si oxigenului, in lipsa unui mediu cu umiditate mare. La descompunerea materiei organice mai participa microorganismele fermentative nespecializate: bacterii celulozice, lactice, acetice, sulfat-reductoare si denitrificatoare, precum si numeroase specii de ciuperci si unele drojdii. Microorganismele mentionate isi petrec activitatea in prima faza a fermentarii. În faza urmatoare, numita metanogeneza, actioneaza bacteriile metanogene anaerobe specializate in producerea de metan. Majoritatea metanobacteriilor folosesc ca substrat numai hidrogenul si bioxidul de carbon. Metanul se formeaza prin reducerea bioxidului de carbon si oxidarea hidrogenului gazos de catre metano-bacteriile, care folosesc hidrogen. Reactia sumara a procesului este: CO2 + 4H2O --> CH4 + 2H2O + Q(energie) Energia eliminata in urma procesului este mica si, de obicei, se utilizeaza la intretinerea procesului de baza, care are o productivitate mai mare la temperaturi de circa 40°C, ceea ce permite pe timp de iarna realizarea procesului de fermentare fara energie termica din exterior (nu necesita instalatii suplimentare). Pe langa metan se mai elimina hidrogen, hidrogen sulfurat, vapori de apa, amoniac, azot, indol si scatol. Metanul este componentul care confera biogazului valoare energetica. În stare pura este un gaz combustibil, lipsit de culoare, miros sau gust; mai usor decat aerul (M=16); arde cu flacara albastruie; are o putere calorica de 97 MJ pe mililitru (putin mai mult ca motorina). Biogazul, comparativ cu metanul pur, are o putere de 25 MJ/ml, din cauza prezentei in el a bioxidului de carbon si altor gaze. Metanul nu se liche-fiaza la temperatura mediului ambiant (de la -20°C pana la +40°C). Se pastreaza la presiuni joase in containere cu volum mare sau presiuni ridi-cate in volume mici. De exemplu, o butelie de 0,1 ml la presiunea de 200 barili contine 28 ml de metan, cu care un tractor poate functiona 8 ore. Întrebuintarea metanului. a) Metanul se intrebuinteaza ca agent energetic. Este un combustibil superior carbunelui si chiar unor produse petroliere prin puterea calorica mai mare, cheltuieli de exploatare si transport mai redus. b) metanul poate fi utilizat la obtinerea hidrogenului prin descompunere 3
3 F ermentarea anaeroba
Fermentarea anaerobă este un proces strict bacteriologic. Procesul are loc în absenţa aerului şi poate fi împărţit în patru etape. In prima fază, bacteriile anaerobe folosesc enzime pentru a descompune substanţele organice cu un număr mare de molecule, cum ar fi proteinele, carbohidraţii, celuloza şi grăsimile în compuşi cu puţine molecule. În timpul celei de-a doua faze acidul ce formeză bacteria continuă procesul de descompunere în acizi organici, dioxid de carbon, hidrogen sulfurat şi amoniac. Bacteri ile acide formează acetat, dioxid de carbon şi hidrogen , în timpul celei de-a treia faze, acetogeneza. A patra faza, metano-geneza, implică bacteria de creare a metanului, producând metan, dixid de carbon şi apă alcalină. Bacteria poate digera orice fel de material biologic, cu excepţia biocombustibililor solizi ce conţin o cantitate mare de lignit, cum ar fi lemnul.
Bacteria din faza de metanizare necesită o mai mare perioadă de reproducere decât bacteria din faza de acidifiere. Astfel, viteza şi proporţia fermentării depind de metabolismul bacteriei de metan. Pe de altă parte, bacteria de metan are nevoie de metabolismul produs de bacteria de acid. Astfel, acestea două se află în simbioză, iar condiţiile necesare pentru ambele bacterii sunt imperative pentru a asigura un flux continuu.
4
4.F actorii care influenteaza productia de biogaz
Materia pri ma
Materia prima poate fi: gunoi de grajd, namol de epurare, deseuri vegetale, deseuri menajere, deseuri biodegradabile, culturi energetice si orice alte produse biodegradabile. Materia prima trebuie sa asigure mediul prielnic dezvoltarii si activitatii microorganismelor ce concura la digestia substratului si, in final, la producerea biogazului. Acest mediu trebuie sa satisfaca urmatoarele conditii: Sa contina materie organica biodegradabila Sa aiba o umiditate ridicata, peste 90% Sa aiba o reactie neutra sau aproape neutra (pH = 6.8 7,3) Sa contina carbon si azot intro anumita proportie (C/N = 15 25) Sa nu contina substante inhibitoare pentru microorganisme: unele metale grele, detergenti, antibiotice, concentratii mari de sulfati, formol, dezinfectanti, fenoli si polifenoli etc. Pentru obtinerea biogazului se pot utiliza materii prime organice de provenienta foarte diferita: deseuri vegetale, deseuri menajere, fecale umane, dejectii animaliere, gunoiul de grajd, ape reziduale din industria alimentara si din zootehnie, etc. Productia specifica, medie, de biogaz, ce se poate obtine din diverse materii prime, raportata la substanta uscata a lor, este cea din tabelul urmator:
Figura 1. Producţia de biogaz pentru diferite materii prime
5
Sursa: http://www.ipedia.ro/biogazul-832/
Materiile prime de mai sus pot fi utilizate exclusiv sau in amestec. Sa constatat ca, prin amestecarea diferitelor materii prime, capacitatea metanogena a amestecului, exprimata in lkg substanta organica (S.O.), este mai mare decat media rezultata din calculul aritmetic http://www.cyclon.ro/biogaz_2_https://docs.google.com/document/d/1C-PfzegPy8eJ9I05Xxx4htN2mWw_KGFQ39a_AMc3Fs/edit?copiedFromTrash568_0.htm
Temperatura
Producţia de biogaz este influenţată puternic de temperatură. Din punct de vedere al temperaturii la care îşi desfăşoară activitatea, microorganismele ce concură la producerea biogazului, îndeosebi cele metanogene, se împart în trei mari categorii:
•Criofile, caracterizate printr-o activitate care poate avea loc la temperaturi cuprinse între 12 – 240C, zonă caracteristică fermentării în regim criofil; •Mezofile, caracterizate printr-o activitate care are loc la temperaturi cuprinse între 25 – 400C, zonă caracteristică fermentării în regim mezofil;
6
•Termofile, caracterizate printr -o activitate care poate avea loc la temperaturi cuprinse între 50 – 600C, zonă caracteristică fermentării în regim termofi l. Ca întotdeauna în biologie, aceste limite nu reprezintă nişte praguri de netrecut iar fermentaţia metanogenă, în cazuri mai rare, se întâlneşte şi puţin în afara acestor limite.În diagrama de mai jos se pot vedea cele trei zone termice caracteristice regimurilor criofil, mezofil şi termofil precum şi modul în care temperatura influenţează producţia de biogaz.
Presiunea
Din procesul de metanogeneza expus mai inainte se poate observa ca, in substratul supus fermentarii, se afla compusi din cei mai diferiti din punct de vedere chimic. Prezenta a numerosi acizi este rezultatul activitatii grupei bacteriilor acidogene, care lucreaza bine la un pH mai scazut. In treptele a treia si mai ales a patra, sarcina trece in seama bacteriilor metanogene,pentru care pHul optim este cuprins intre 7,0 — 7,6. Aceste populatii de microorganisme trebuie insa sa coexiste in acelasi spatiu de fermentare cu toate ca ele se deranjeaza reciproc sub raportul aciditatii optime de functionare. In majoritatea procedeelor clasice de obtinere a biogazului una din problemele delicate o reprezinta tocmai mentinerea unei aciditati controlateastfel incat sa permita ambelor populatii de microorganisme sa lucreze chiar daca nu la randamentele maxime. Daca bacteriile acidogene nu sunt prea sensibile la variatii de temperatura, cele metanogene sunt foarte sensibile la aceste variatii, atat cele care lucreaza in regim mezofil, cu temperatura caracteristica de 35 grade C, cat mai ales cele care lucreaza in domeniul termofil, cu temperatura caracteristica 55°C 2.Procesul biologic
Producerea biogazului prin digestie anaeroba (AD) este considerata a fi tratamentul optim in cazul gunoiului animal, precum si in acela al unei largi varietati de deseuri organice pretabile acestui scop, deoarece astfel respectivele substraturi sunt transformate in energie regenerabila si in ingrasamant,organic pentru agricultura. . Digestia anaeroba (AD) este un proces biologic complex, prin intermediul caruia, in absenta oxigenului, substanta organica este transformata in biogaz (sau gaz biologic), constituit in principal din metan si anhidrida carbonica. Procentul de metan din biogaz variaza in functie de tipul de substanta organica digerata si de conditiile de proces, de la un minim de circa 50% pana la 80%.In prezent, cea mai importanta aplicatie a proceselor AD o reprezinta producerea de biogaz in instalatii speciale, prin procesarea substraturilor provenite din agricultura, precum gunoiul animal, reziduurile vegetale, culturile energetice sau deseurile organice rezultate din activitatile agro-industriale si din industria alimentara. Conform Agentiei Internationale pentru Energie (IEA), un numar de cateva mii de fabrici agricole care utilizeaza procesul AD sunt functionale in Europa si in America de Nord.
7
Multe dintre acestea sunt reprezentate de instalatii avansate din punct de vedere tehnologic, construite la scara mare, numarul lor cunoscand o crestere considerabila in ultimii ani. Se estimeaza ca la nivel european exista un potential considerabil pentru cresterea productiei actuale de biogaz, pe baza activitatilor din domeniul zootehnic. Dupa largirea UE, noile tari membre ale Europei de Est trebuie, de asemenea, sa utilizeze aceste tehnologii si sa beneficieze de pe urma potentialului lor ridicat pentru biogaz. Implementarea tehnologiilor AD in aceste tari va contribui la reducerea unui numar mare de probleme de poluare a mediului, odata cu intensificarea dezvoltarii durabile a comunitatilor rurale si a sectorului agricol in ansamblu. Biogazul produs prin procesul AD este ieftin si constituie o sursa de energie regenerabila, acesta producand, in urma combustiei, CO2 neutru si oferind posibilitatea tratarii si reciclarii unei intregi varietati de reziduuri si produse agricole secundare, a diverselor bioreziduuri, a apelor reziduale organice provenite din industrie, a apelor menajere si namolurilor de canalizare, pe o cale sustenabila si “prietenoasa” cu mediul inconjurator. In acelasi timp, biogazul aduce un mare numar de beneficii de natura socio-economica, atat pentru fermierii implicati in mod direct in producerea acestuia,cat si la nivelul intregii societati. Circuitul nutrientilor, prin procesul producerii biogazului – de la productia de materii prime la aplicarea digestatului ca ingrasamant – este unul inchis. Compusii cu carbon (C) sunt redusi, prin procesul de digestie anaeroba, metanul (CH4) fiind folosit pentru producerea de energie, in timp ce dioxidul de carbon (CO2) este eliberat in atmosfera, de unde este preluat de catre plante, in cursul fotosintezei. Unii compusi ai carbonului raman in digestat, imbunatatind continutul in carbon al solurilor, atunci cand digestatul este utilizat ca ingrasamant. Productia de biogaz poate fi perfect integrata in activitatea fermelor conventionale sau a fermelor organice, unde digestatul inlocuieste ingrasamintele anorganice obisnuite, produse obtinute cu consumul unei mari cantitati de energie fosila.
https://www.gazetadeagricultura.info/eco-bio/565-energie-regenerabila/14414-tehnologiiactuale-de-obtinere-a-biogazului.html 8
Ca procesul AD sa poata avea loc, este necesara actiunea diferitelor grupuri de microorganisme, in masura sa transforme substanta organica in compusi intermediari, in principal acid acetic, anhidrida carbonica si hidrogen, utilizabile de microorganismele metanogene care conduc procesul, producand metanul.Microorganismele anaerobe prezinta o viteza scazuta de dezvoltare si o viteza mica de reactie si deci e necesar sa se mentina optime, pe cat posibil, conditiile mediului de reactie. Timpii de proces sunt relativ lungi daca se compara cu cei ai altor procese biologice, avantajul procesului este ca materia organica complexa este transformata intr-un gaz combustibil ieftin de o inalta putere calorica. In ambientul de reactie, numit de obicei digestor( sau reactor anaerob), va trebui sa rezulte un compromis intre exigentele tuturor grupelor de bacterii, pentru a permite dezvoltarea simultana a tuturor microorganismelor implicate. ph-ul optim este de 7 – 7,5. Temperatura optima a procesului este in jur de 35 0C, daca se utilizeaza bacterii mezofile, sau in jur de 55 0C, daca se utilizeaza bacterii termofile. La proces participa urmatoarele grupuri de bacterii:
bacterii hidrolitice, care descompun macromoleculele biodegradabile in substante mai simple; bacterii acidogene, care utilizeaza ca substrat compusii organici simpli eliberati de bacteriile hidrolitice si produc acizi organici cu lant scurt, care la randul lor reprezinta substratul pentru grupurile urmatoare de bacterii; bacterii acetogene, producatoare obligate de hidrogen (OPHA: Obbligate Hydrogen Producing Acetogens), care utilizeaza ca substrat produsele din bacterii acidogene dand nastere la acetat, hidrogen si anhidride carbonice; bacterii omacetogene care sintetizeaza acetat plecand de la anhidride carbonice si hidrogen; bacterii metanogene, diferentiate in doua grupe:
- cele care produc metan si anhidride carbonice din acid acetic, numite acetoclastici; - cele care produc metan plecand de la dioxid de carbon si hidrogen, numite bacterii
hidrogenotrofice. In timp ce metanul este eliberat aproape in totalitate in stare de gaz, din cauza solubilitatii sale scazute in apa, dioxidul de carbon participa la echilibrul carbonatilor din biomasa, in conformitate cu reactia. Diferitele specii de bacterii au interactiuni stranse si produsele metabolismului unor specii pot fi utilizate de catre alte specii ca substrat sau de factori de crestere. 6.I nfluenta calitatii dejectiilor
Biodegradabilitatea generala a dejectiilor analizata la nivelul bazinului de colectare a canalizarilor, poate varia intre 60 si 80%, in functie de ,,varsta’’ si tipul de alimentatie. In tabelul 1.1 sunt prezentate estimativ cantitatile de biogaz ce se pot produce prin fermentarea anaeroba a diferite tipuri de dejectii provenite din crescatorii. O clasificare ulterioara a fractiunilor biodegradabile , permite distingerea in interiorul fractiunii solubile a unei parti rapid biodegradabila (circa 20% din SSV) si a uneia mai lente, iar in interiorul partii suspendate se disting o parte usor hidrolizabila si una mai greu
9
Cantitatile de biogaz ce se pot produce prin fermentarea anaeroba a diferite tipuri de materiale organice provenite din agricultura sau din industria de procesare a produselor agricole.
Tabel 1.2
Datele recoltate din probele de laborator pe termen lung, in conditii normale ale reactorului 10
anaerob, cu timpi de stabilitate hidraulica limitati Produs
Volum ( m3)
Masa ( Volum bio Energie electrica(K Energie termica(K gaz t) Wh) Wh) ( m3)
Dejectie lichida bo 1 vine
1
15
27
54
Dejectie solida bov 1 ine
0,3
10,1
18
36
Dejectie lichida sui 1 ne
1
15,6
28
56
Dejectie solida sui 1 ne
0,3
23,5
42
84,6
Dejectie lichida pa 1 sari
1
44,5
80
160
Dejectie solida pas 1 ari
0,3
29,3
52
105
Dejectie solida ovi 1 ne
0,3
21,1
38
76
Dejectie solida cab 1 aline
0,3
18,9
34
68
Siloz de porumb
1
0,625
67,6
121
243
Siloz de ierburi
1
0,5
89
160
320
Fan
1
0,35
137,8
248
496
Trifoi
1
0,3
64
115
230
Paie
1
0,04
12
21
49
Coceni de porumb 1
0,4
123,8
222
445
Rebuturi mere
1
0,3
2,6
4,6
9,4
Melasa
1
0,3
68,4
123
246
Zer
1
1
15,3
28
56
Rebuturi vegetale
1
0,4
14,5
26
52
Coji de rosii
1
0,4
29,8
53,6
107
Rebuturi de la teas 1 c
0,5
357
642,6
1285
Pasta citrice
0,3
36,8
65,8
131,7
1
11
Tabel 1.3 Producerea de biogaz si implicit cogenerarea de energie electrica, respectiv caldura, prin arderea sa, genereaza si alte fenomene benefice cum ar fi: Sursa: https://www.gazetadeagricultura.info/eco-bio/565-energie-regenerabila/14414-tehnologii-actuale-deobtinere-a-biogazului.html
7 Solutii constructive
Fluxul tehnologic de procesare a biogazului Producerea biogazului prin AD (Digestie Anaerobă) este utilizată pe scară largă de către societatea modernă, pentru tratamentul gunoiului de grajd şi altor reziduuri. Scopul este de a produce energie regenerabilă şi de a îmbunătăţi calităţile acestor materiale ca îngrăşăminte. În ţările cu producţie agricolă importantă, consolidarea legislaţiei de mediu şi a regulamentărilor cu privire la gunoiul de grajd şi la reciclarea deşeurilor vegetale au crescut interesul pentru AD, ca o soluţie ieftină şi „prietenoasă” cu mediul. Cele mai recente evoluţii în Europa, Statele Unite ale Americii şi alte părţi ale lumii au arătat interesul în creştere în rândul agricultorilor pentru cultivarea d e culturi energetice, utilizate ca materie primă pentru producerea de biogaz. AD reprezintă astăzi o tehnologie standard pentru stabilizarea nămolurilor de epurare primare şi secundare, de tratare a deşeurilor industriale organice din industriile de prelucrare a alimentelor şi de produse fermentate, precum şi pentru tratarea fracţiunii organice a deşeurilor municipale solide.O aplicaţie specială este recuperarea biogazului de la gropile de gunoi existente.
I nfr astructura statiei de biogaz
Este considerată o staţie de producere a biogazului ce inc lude o serie de elemente, sunt in (fig. 2-5): -
instalaţiile de transport; depozitul pentru materia primă, 12
-
maşinile de mărunţire a materiei prime, sistemul de alimentare cu materia primă (dozatorul), pompele; bazinul de fermentare (fermentator sau digestor, reactor); sistemul de colectare a biogazului; sistemul de colectare a reziduurilor; sistemul de utilizare a biogazului produs.
Figura 2. Veder ea de ansamblu a unei staţii de producere a biogazului,
Biomasa colectată din zonă este adusă şi descărcată în depozitul pentru materia primă rezervor. Aici ea se mărunţeşte şi se amestecă, după aceasta este indreptată spre dozator (fig. 3).
13
Dozatorul şi transportatoare cu şnec Fig 3
Dozatorul este dotat cu cuţite şi şnecuri pentru transportarea fără blocaj a materiei prime
către digestor/fermentator, in care are loc procesul de fermentare a biomasei şi producerea de biogaz (fig. 4).
Figura 4.
Interiorul fermentatorului şi amestecătoarele folosite I nteriorul bazinului de fermentare este dotat cu amestecătoare comandate automat.
Pentru asigurarea temperaturii optime de fermentare, pe pereţii digestorului sunt montate elemente pentru încălzirea biomasei. Deoarece mediul din i nteriorul fermentatorului este unul extrem de acid, toate elementele sunt realizate din oţeluri inoxidabile. În partea de jos a fermentatorului se aşează nămol, care este evacuat într -un colector special, fiind mai apoi utilizat ca îngrăşământ. Biogazul produs se ridică în partea superioară a fermentatorului (camera de colectare a gazului), din care este îndreptat spre instalaţia de purificare şi de uscare (fig. 5). În dependenţă de materia primă folosită, biogazul poate conţine anumite cantităţi de diver şi compuşi care necesită a fi eliminaţi. Pentru a garanta buna funcţionare a instalaţiilor de ardere, biogazul trebuie tratat. Astfel biogazul mai întâi este supus unor procese de epurare (de filtrare), de uscare şi desulfurare, după care este utilizat. Perioada de fermentare a biomasei cuprinde de la 20 la 40 zile in dependenţă de tipul materiei prime. Alimentarea staţiei cu biomasă de regulă se realizează într -un mod automatizat care asigură o funcţionare neîntreruptă a unităţilor de fermentare.
14
Figura 5 .Instalaţia de purificare a biogazului şi cea de uscare
http://www.biogasin.org/files/pdf/rumunjska/2_nd_Capacity%20building%20for%20administrat ive%20sector_20%2003_2012_Joint%20meeting_Dridu/1_Biogazul_sursa_regenerabila.pdf
I nstalatii pentru procesul de biogaz
Sistemul de biogaz pentru gospodarii familiale este compus din : fermentator de 6 -10 m cubi, tevi, acumulatoare instalatii de purificare a gazului si aparatura pe biogaz (orice tip de aparatura electrocasnica folosita in gospodarii care functioneaza pe biogaz) si generatoare de energie pe biogaz. Sistemul este folosit in gospodarii si utilizeaza deseurile animaliere, paie (fan) reziduu uman si resturi de mancare.
15
Structura : instalatia de biogaz pentru gospodarii este alcatuita din : fermentator si acumulatoare de biogaz. este de 0.6 m si o capacitate de stocare de 1 3 m3.
16
Caracteristici:
1 Usor de construit 2 Poate fi utilizat material organic (paie, fan, iarba) 3 Usor de mentinut 4 Durabile 5 Sigure 6 Cost redus 1.Usor de construit Un zidar instruit poate sa construiasca instalatia in 2 zile.
Instalatii medii de tip 1 Instalatia de 100 m3 este compusa dintro incinta de beton numita fermentator si mai multe acumulatoare din fibra de sticla si plastic. Fermentatorul de beton are o capacitate de 100m3. Acumulatoarele au un diametru de 1.6 metri, 0.75 m inaltime si 1.2 m3 capacitate de stocare. Sistemul de capacitate mediu este compus din una sau un grup de instalatii de 100 m3, sistem de alimentare, sitemul de purificare a gazului (desulfurizator si dezumidificator) si aparatura electrocasnica si generatoarele pe biogaz.
17
Caracteristici 1. Foarte rezistente : Nu se misca mecanic, nu apar defecte. 2. Are o arie larga de aplicabilitate : Pot fi construite in/sau deasupra pamantului. Centrala poate functiona si pe lichide (deseuri animaliere si umane) si solide (iarba ,paie si mancare)
18
https://docs.google.com/document/d/1C-PfzegPy8eJ9I05Xxx4htN2mWw_KGFQ39a_AMc3Fs/edit?copiedFromTrash Cost al mentenantei scazut :
Nu este nevoie de mentenanta permanenta ci doar punctuala si nu este nevoie de ingrijire impotriva ruginii si reparatii curente. Fermentatorul cu interiorul de fibra de sticla rezista la orice tip de acizi si substante alcaline. Durata de viata este de peste 40 de ani, fibra de sticla poate sa tina 10 ani si este usor de inlocuit cand se defecteaza. Arie de aplicabilitate: -Pentru statiile de colectare a deseurilor din apa. -Pentru ferme cu animale -Pentru deseurile rezultate de la fabrici si scoli. -Pentru deseurile lichide si solide rezultate din procesarea plantelor si a fermentarii plantelor (bere de ex).
Tipuri de instalaţii de biogaz Proiectarea si tehnologia pentru instalaţiile de biogaz diferă de la o ţară la alta, în funcţie de condiţiile climatice şi de cadrele naţionale (legislaţia şi politicile energetice), disponibilitatea şi accesibilitatea energiei. În funcţie de dimensiunea relativă a acestora, şi de localizarea lor, instalaţiile agricole AD pot fi clasificate astfel: • instalaţiile de biogaz de nivel familial (la scară foarte mică); • instalaţiile de biogaz la nivel de fermă (mici, mijlocii, sau la scară mare); • instalaţii centralizate / unificate de co -digestie (medii, sau la scară mare). Instalaţii de biogaz agricol Există mai multe tipuri şi conceptele pentru instalaţiile de biogaz agricol din întreaga lume. În Europa, ţări precum Germania, Austria şi Danemarca sunt printre pionierii producţiei de biogaz agricol. Interesul agricultorilor europeni în aplicaţiile AD este în creştere în zilele noastre, nu numai pentru că producţia de biogaz agricol transformă deşeurile în produse valoroase şi produce 19
îngrăşământ de înaltă calitate, dar, de asemenea, deoarece creează noi oportunităţi de afaceri pentru fermieri şi le dă un nou statut, ca furnizori de energie regenerabilă. Fiecare dintre aceste instalaţii trebuie să fie compusă din componente standard, calculate în conformitate cu activitatea fermei şi montate individual. Pentru a reduce costurile, în medie cu până la 30%, lucrările pot fi efectuate de către proprietarul fermei însuşi. Recent, s-a realizat o standardizare suplimentară per fermă, pentru instalaţiile de biogaz, prin care agricultorii cu abilităţi tehnice reduse pot produce, de asemenea, biogaz, în instalaţii low cost „la cheie”. Tipic, aceste instalaţii au un principiu comun: gunoiul este colectat intr-un rezervor de predepozitare, în apropiere de digestor şi pompat în digestor, care este un rezervor etanş de gaz, din otel sau beton, izolat pentru a menţine o temperatură de proces constantă. Timpul mediu de retenţie (HRT) este de obicei între 20 şi 40 de zile, în funcţie de tipul de substrat şi de temperatura de digestie. Digestatul este utilizat ca îngrăşământ pe exploataţie, iar surplusul este vândut la fermele din zona din apropierea instalaţiei . Biogazul produs este utilizat într-un motor cu gaz, pentru producerea de electricitate şi căldură. 10 până la 20% din căldura şi energia electrică produse este utilizată pentru funcţionarea instalaţiei de biogaz şi pentru nevoile interne ale agricultorului, iar surplusul este vân dut la companiile de electricitate şi, respectiv, la consumatorii de căldură vecini.
20
Din ce în ce mai multe instalaţii de biogaz sunt, de asemenea, echipate cu instalaţii de separare a digestatului în fracţiuni lichide şi solide. Noţiuni de bază despre biogaz Conform legislaţiei europene, trebuie să fie efectuat un proces controlat de salubrizare a anumitor tipuri de substrat de origine animală, înainte de introducerea în digestor, care prevede reducerea efectivă a agenţilor patogeni şi a seminţelor de buruieni şi asigură reciclarea în condiţii de siguranţă a digestatului
8.Dimensionarea statiei de producere a biogazului NECESARUL DE BIOGAZ PENTRU ALIMENTAREA MINICET
Considerăm situaţia implementării unui proiect de investiţii în producerea biogazului cu folosirea acestuia pentru producerea de căldură şi electricitate în cadrul unui mini -CET, bazat pe aplicarea motorului cu ardere internă. Mini– CET-ul este dotat cu dou ă agregate cu puterea electrică instalată de 525 kW fiecare. Tabelul 1. Datele tehnice ale instalaţiei de cogenerare JMS 312 GS - B.L.
21
Pentru a determina cererea anuală de biogaz, folosit la mini -CET, trebuie să cunoaştem volumul total de energie produsă anual la centrală ECET – W+Q unde W reprezintă cantitatea de energie electrică, iar Q - cantitatea de căldură. În particular, avem - W P T k e m = 2 ⋅ ⋅ ⋅ = 2·526·6000·0,9=5,7 GWh/an (2) Q=2⋅ P ⋅ T ⋅ k t m = 2·558·6000·0,9 = 6 GWh (3) ECET =5,7 + 6 = 11,7GWh/an (4)
Cunoscând producţia totală de energie (electricitate şi căldură), precum şi randamentul global al instalaţiei de cogenerare determinăm cantitatea de energie înglobată în combustibil (in biogaz) Qcomb - Qcomb=ECET/η=11,7/0,833=14GWh=50595 GJ/an (5)
Considerăm căldura de ardere a biogazului egală cu 22,4 MJ/m3 . Cunoscând căldura de ardere şi energia înglobată în biomasă, determinăm volumul de biogaz ce urmează a fi produs din biomasă: Vbiogaz = Qcomb LHVbiogaz = 2 259 mii m3 /an (6)
Aşadar producţia şi respectiv consumul de biogaz constituie: • pe an - 2 259 mii m3 /an, • pe zi - 2 259 mii m3 / 250 zile = 9 034,9 m3 /zi , • pe oră - 2 259 mii m3 / 6000 h = 376 m3 /h.
Pentru acest necesar de biogaz urmează să determinăm cantitatea de biomasă pe tipuri materie primă folosită. NECESARUL DE BIOMASĂ La staţia de biogaz sunt valorificate, în primul rând, deşeurile municipale lichide şi solide din regiune. De menţionat că la staţie deşeurile lichide şi solide sunt amestecate şi fermentate în comun. 22
Deşeurile municipale solide sunt acumulate de la toată populaţia din regiune ( 11 630 locuitori).
Deşeurile municipale lichide vor fi acumulate doar de la o parte a populaţiei oraşului (cca. 40 % 4 817,5 locuitori), conectaţi la sistemul centralizat de canalizare, întrucât cealaltă parte a populaţiei beneficiază de sisteme individuale de canalizare. În scopul dimensionării fermentatorului se cere de a cunoaşte masa totală de deşeuri. Iată de ce mai jos vom calcu la cantitatea totală a deşeurilor municipale solide şi lichide colectate pentru fermentare. Bdeseuri = Bdeseuri solide + Bdeseuri lichide (7) unde Bdeşeuri reprezintă cantitatea totală de deşeuri organice municipale; Bdeşeuri solide şi Bdeşeuri lichide - cantitatea deşeuri solide şi lichide. Cunoscând că unui locuitor îi revine aproximativ 0,7 kg deşeuri organice solide, determinăm cantitatea deşeurilor municipale solide disponibile –
B deseuri solide =11 630·0,7 kg/zi = 8,14 t/zi (8 )
Deşeurile municipale lichide reprezintă nămolul format de apele uzate colectate prin sistemul de canalizare de la populaţie.Nămolul de la staţia de epurare este transportat la staţia de biogaz pentru fermentare. Ştiind că unei persoane, în mediu, îi revine 0,5 kg/zi deşeuri lichide, determinăm cantitatea totală a acestor deşeuri – B deseuri lichide = 4 817 ·0,5 kg/zi = 2,4 t/zi (9)
Aşadar, volumul total de deşeuri municipale este –
Bdeseuri = 8,14 + 2,4 =10,54 t/zi
Dintr-o tonă de deşeuri solide rezultă la fermentare aproximativ 120 m3 de biogaz, iar la fermentarea unei tone de nămol se produce aproximativ 400 m3 de biogaz.
În aşa mod determinăm volumul de biogaz, care rezultată la fermentarea cantităţii totale a deşeurilor –
Vbiogaz 1 = 1,9 mii m3 /zi
Astfel, valorificarea energetică a deşeurilor municipale ne permite de a produce cca. 1 936,8 m3 biogaz pe zi, ceea ce reprezintă apr. 21 % din necesarul de biogaz; celelalte 79 % sunt acoperite din materia primă - masă vegetală şi dejecţii animaliere. La staţia de biogaz se colectează dejecţii animaliere din regiune. În 2007 s-a înregistrat în zonă un număr de 1 850 capete bovine, 2 537 capete – porcine şi 3 537 capete ovine şi caprine. În tab. 2. este prezentată cantitatea de dejecţii pe un cap de animal rezultate într-o zi.
23
Tabelul 2.
Cantitatea dejecţiilor animaliere rezultate într -o zi
Cunoscând efectivul de animale şi cantitatea dejecţiilor rezultate de la acestea, determinăm potenţialul dejecţiilor pentru fermentare – Bdejectii = Bbovine + Bporcine + Bovine,caprine (10) unde B reprezintă total dejecţii; Bbovine, Bporcine şi Bovine,caprine – dejecţii de bovine, de porcine şi respectiv de ovine şi caprine. Calculăm potenţialul dejecţii de bovine , cunoscând efectivul de animale şi
cantitatea de dejecţii
care rezultă de la fiecare animal. Bbovine = 1850·10 kg/zi = 18,5 t/zi (11) Bporcine = 2 537 · 6 kg/zi = 15 t/zi (12) Bovine,caprine = 3 537·2 kg/zi = 7 t/zi (13) Bdejectii = 40,5 t/zi
În zonă sunt gospodării care valorifică dejecţiile animaliere în diferite scopuri, şi nu sunt dispuşi de a le furniza. De aceea cantitatea disponibilă a dejecţiilor pentru fermentare este Bdejectii = 38 t/zi, cca. 90 % din potenţialul dejecţiilor din regiune. Dintr-o tonă dejecţii lichide de bovine se produce 15 m3 de biogaz, dintr -o tonă dejecţii solide de ovine şi caprine - 60 m3 de biogaz, iar dintr- o tonă dejecţii lichide de porcine - 15,6 m3 de biogaz. Astfel volumul de biogaz rezultat la fermentar ea dejecţiilor animaliere este: Vbiogaz 2 = 18,5·15+15·15,6+7·60 = 893,4 m3 /zi
În aşa fel, valorificarea energetică a dejecţiilor animaliere ne permite de a produce cca. 893,4 m3 /zi, ceea ce reprezintă apr. 10 % din biomasa totală necesară producerii de biogaz. 24
Cunoscând potenţialul dejecţiilor animaliere şi a deşeurilor municipale solide, urmează să determinăm necesarul de masă vegetală pentru fermentare la staţia de biogaz. Dejecţiile animaliere din regiune şi deşeurile municipale solide şi lichide acoperă aproximativ 31 % din biomasa necesară, de aceea masa vegetală trebuie să constituie cca. 69 % din total biomasă pentru fermentare. La fermentare se vor utiliza două tipuri de biomasa vegetală: silozuri de porumb şi de lucernă. Pentru aprovizionarea staţiei de biogaz cu biomasă vegetală, se încheie contracte de vânzare cumpărare cu deţinătorii de pământuri din regiune. În continuare determinăm cantitatea de masă verde care urmează a fi fermentată pentru producerea a 6 152,8 m3 /zi de biogaz, ceea ce reprezintă 69 % din totalul materiei prime (biomasei). Reieşind din faptul că dintr -o tonă de siloz de porumb se produce 185 m3 biogaz, iar dintr -o tonă de lucernă – 195 m3 biogaz, vom achiziţiona zilnic câte 16 tone siloz de porumb şi 17 tone de lucernă. Bmasaverde =Bsilozporumb+Blucerna=16+17 =33 t/zi (14) Vbiogaz 3 = 6 275 m3 / zi În continuare vom determina consumul total de biomasă necasar pentru fermentare la staţia de biogaz. Din totalul de biogaz care se cere de a produce (9 034,9 m3 /zi), 31 % se produce din deşeuri municipale şi dejecţii animaliere, iar restul 69 % se produce din biomasă vegetală. Consumul de biomasă la staţie se determină astfel: Bbiomasa = Bdeseuri + Bdejectii + Bmasa verde , (15) Bdeseuri = 10,54 t/zi; Bdejectii = 38 t/zi; Bmasa verde = 33 t/zi. Bbiomasa = 81,54 t/zi.
Consumul de biomasă: pe zi - 81,54 t/zi; pe lună - 81,54 t/zi· 30 zi/lună = 2446,2 t/ lună; pe an - 81,54 t/zi · 250 zi/an = 20 385 t/an.
Cunoscând producţia de biogaz şi consumul acestuia, urmează a dimensiona rezervoarele pentru materia primă şi fermentatorul. Dimensionarea rezervoarelor şi a camerei de colectare a gazului: Pentru stocarea celor trei tipuri de biomasă - dejecţii animaliere, deşeuri municipale şi silozurilor, la staţie se prevăd trei rezervoare.
În rezervoare se acumulează cca. 2600 t de materie organică, cantitate necesară pentru o încărcare a fermentatorului. Mai jos vom dimensiona cele trei rezervoare.
Rezervor deşeuri municipale: 25
Masa deşeuri - mdeseuri %mtot = 21 = 0,21 · 2600 t = 546 t (16) Volumul rezervorului - deseuri deseuri V = m /ρ =546 t / 0,9 t/m3 = 606 m3 (17)
Rezervor dejecţii animaliere: Masa dejecţii - mdejectii = 10%mtot = 0,1·2600 t = 260 t (18) Volumul rezervorului de dejecţii – V mdejectii ρ dejectii = / = 260 t / 1 t/m3 =260 m3 (19) Rezervor silozuri de porumb şi lucernă msiloz = 69%mtot =0,69 · 2600 t = 1 794 t (20) Volumul rezervorului
– V msiloz ρ siloz = / = 1 794 t /0,4 t/m3 = 4 485 m 3 (21) Biogazul produs în fermentator, este evacuat prin sistemul de colectare a gazului, curăţit şi uscat în instalaţii speciale, după care o parte este injectată direct spre instalaţia de cogenerare, iar o parte este colectată în camera de colectare a gazului. Gazul colectat în cameră alimentează motorul în zilele în care nu se produce biogaz la fermentator (la încărcarea fermentatorului cu materie organică). Dimensionarea fermentatorului:
Fermentatorul reprezintă un bazin de fermentare în care se aduce volumul necesar de biomasă şi în perioada de apr. 30 zile se degajă biogaz şi se ridică în partea superioară a fermentatorului. Pe lângă camera de fermentare a biomasei, în fermentator mai este şi camera de colectare a gazului şi de aşezare a nămolului. Volumul fermentatorului – V = Vc +Vf +Vs (22)
Vc reprezintă volumul camerei de colectare a gazului; Vf - volumul camerei de fermentare a biomasei; (80% din V) Vs - volumul camerei de aşezare a nămolului. Volumul fermentatorului poate fi determinat în ur ma cunoaşterii volumului camerei de fermentare, care depinde de masa materiei prime la o încărcătură a fermentatorului – 2446 t.
La fermentare se utilizează deşeuri municipale în proporţie de 21 % ρdeseuri = 900 kg/m3 , dejecţii animaliere – 10 %, cu densitatea ρdejectii = 1000 kg/m3 biomasa vegetală – 69 %, cu densitatea ρmasă vegetală = 400 kg/m3 , prin urmare putem determina densitatea totală a biomasei folosită pentru fermentare. ρbiomasa = ρdeseuri ⋅21%+ρdejectii⋅10%+ρmasaverde ⋅69% (23) ρbiomasa = 900 kg/m3 · 0,21 + 1000 kg/m3 · 0,10 + + 400 kg/m3 · 0,69 = 565 kg/m3 (24) 26
Volumul camerei de fermentare a biomasei - Vf = 2 446 000 / 565 = 4 330 m3 (25) Volumul fermentatorului
– V = Vf / 0,8 = 4 330 /0,8 = 5 413 m3 (26) Sursa: Bibliografie 1. Arion, Valentin „Biomasa şi utilizareaei în scopuri energetice”/Valentin Arion, C. Bordeaianu, A. Boşcăneanu, A. Capcelea [et al.], Ch.: „Garomond Studio” SRL, 2008.-268 p. 2. Programul Naţional de valo rificare a surselor regenerabile de energie pentru anii 2006 – 2010. IE AŞM, (proiect) Chişinău, 2006. file:///C:/Users/Bianca92/Downloads/11_Tutunaru_T_Producerea.pdf
27
