BIOGAZUL –ENERGIE PRIN CONVERSIE NATURALĂ
Sibiu 2009
2
CUPRINS: 1. Importanţa şi actualitatea temei. scurt istoric...................................................................2 1.1. Ce este biomasa?............................................................................................................2 1.2. Energia produsã din biomasă ca sursă de energie regenerabilă.....................................3 1.3. Importanţa şi actualitatea temei.....................................................................................3 1.4. Scurt istoric....................................................................................................................4 2. Echipamente tehnologice pentru producerea biogazului..................................................4 2.1. Tehnologie de fermentare ecologică cu circuit închis pentru producerea biogazului şi a îngrăşămintelor industriale.................................................................................................5 2.2. Echipament tehnologic de producere a biogazului cu alimentare discontinuă. Realizare românească în 1985 în com. pleniţa, jud. Dolj.....................................................6 3. Studiu de caz.....................................................................................................................8 3.1. Dimensiunle instalaţiei..................................................................................................8 3.2. Cantitatea de biogaz produs...........................................................................................9 3.3. Costuri construcţie (investiţie) echipament tehnologic de biogaz.................................9 3.4. Economii şi amortizare..................................................................................................9 4. Elemente de modernizare a echipamentelor de biogaz naturale.....................................10 5. Mai multe îngrăşăminte..................................................................................................10 Bibliografie.........................................................................................................................11
3
Deoarece rezervele clasice de combustibili sunt epuizabile, omenirea se îndreaptă spre găsirea de noi surse de energie bazate pe resurse regenerabile, inepuizabile şi ecologice. Biogazul este o sursă de energie neconvenţională care rezultă în urma unui proces de conversie naturală controlată a biomasei. Biomasa, materia organică a dejecţiilor animale şi deşeurilor vegetale este regenerabilă şi inepuizabilă. Masa rezultată în urma fermentaţiei anaerobe în prezenţa bacteriilor metangene constitue îngrăşămintelor naturale cu un grad scăzut de poluare. În prezent metanul este sursă pentru producerea energiei termice şi se urmăreşte extinderea lui şi pentru obţinerea de energie electrică. Echipamentele tehnologice de producere a biogazului au o construcţie simplă şi un preţ de cost nu prea ridicat, iar funcţionarea şi exploatarea lor nu necesită condiţii deosebite de întreţinere.
1. IMPORTANŢA ŞI ACTUALITATEA TEMEI. SCURT ISTORIC Se prezintă biogazul ca sursă de energie regenerabilă. Termenul de “ biogaz” a fost introdus în sec. al XX – lea. 1.1. CE ESTE BIOMASA? Biogazul este un gaz de fermentaţie alcătuit în principal din două gaze: metan (CH4) în proporţie de 60-70 % şi bioxid de carbon (CO 2 )în proporţie de 25-30 %, şi cantităţi foarte mici de: oxid de carbon, azot, hidrogen sulfurat, alte hidrocarburi, hidrogen şi vapori de apă. Dintre proprietăţile principale ale biogazului se menţionează puterea calorică (energie), care este de 25-34 MJ/m3. Pentru comparaţie arătăm că gazele naturale au 37,3 MJ/m 3. Biogazul se obţine în principal din produse secundare şi reziduale din agricultură, de exemplu: dejecţii proaspete de animale, deşeuri vegetale, reziduuri din industria agro-alimentară, de prelucrarea fructelor şi legumelor şi industria celulozei şi hărtiei,precum şi din nămolul de la staţiile de epurare a apei uzate. Biogazul
este
un
produs obţinut prin conversie biologică, în urma fermentării anaerobe, printr–o oxidare parţială (cu accesul foarte scăzut al aerului) şi în prezenţa bacteriilor metanogene,a biomasei. Biomasa este substanţa organică a tuturor plantelor şi animalelor precum şi a deşeurilor şi rezidurilor. Utilizarea energetică a biomasei este datorată conversiei bioenergetice.
4
1.2. ENERGIA PRODUSĂ DIN BIOMASĂ CA SURSĂ DE ENERGIE REGENERABILĂ Energia obţinută din biomasă mai este denumită şi energia verde. Consumul de energie electrică din surse de energie regenerabile se preconizează,ca în anul 2010, să ajungă la 33 % din consumul intern brut. Din această, energiei regenerabilă, energia de biomasă reprezintã 65 %, cea eoliană reprezintă 17 %, cea solară 12 %, iar cea geotermală 1 %. Pentru comparaţie se arată că energia hidro reprezintă 29 %. Prin conversie biologică biomasa generează purtători de energie: •
SOLIZI de exemplu manganul;
•
LICHZI de exemplu uleiuri, alcool;
•
GAZOŞI de exemplu biogazul –amestesc de două gaze principale:metanul (CH 4) + bioxidul de carbon (CO 2).
Cele mai importante metode de valorificare a biomasei sunt : •
conversie chimică prin combustie
•
gazeificare şi piroliză
•
conversie biologică în alcool şi biogaz
Gazele obţinute din dejecţii de animale,în timpul fermentării anaerobe,au fost numite “gaz de gunoi” iar gazele obţinute din nămolul apelor stătătoare.Au fost numite “gaz de baltă ” sau “gaz de mlaştină ”.
1.3. IMPORTANŢA ŞI ACTUALITATEA TEMEI Pe baza unor calcule s-a arătat că în 24 de ore se obţin următoarele cantităţi de biogaz: •
de la 10 porci – 2 m 3 de biogaz
•
de la 2 bovine – 2,5…3,8 m 3 de biogaz
•
de la 100 de păsări – 1,5 m 3 de biogaz
Prin extrapolare de la 6 milioane de animale se obţin 1,2 milioane m 3 de biogaz, adică echivalentul a 600 de tone de motorină pe zi, respectiv 220 000 de tone pe an.
5
1.4. SCURT ISTORIC S-a observat că la suprafaţa pământului se formează gaze combustibile oriunde există surse bogate de biogaz. În 1776 Volta a extras metan din gazele colectate din mlaştini, iar englezul Humphrey a realizat, în anul 1806, experimental eliberarea de gaze combustibile din gunoi de animale. În ţara noastră, în 1975 s-a realizat primul echipament tehnologic de biogaz ce valorifica dejecţiile de animale de la Complexul de creşterea porcilor de la Tomeşti. Începând cu anul 1982 au intrat în funcţiune echipamentele tehnologice de producerea a biogazului de la staţiile de epurare a apelor uzate din marile oraşe: Iaşi, Bacău, Timişoara, Oradea. Mai numeroase sunt echipamentele tehnologice de capacitate mică care produc biogas pentru gospodăriile individuale din judeţele: Argeş, Gorj, Dâmboviţa, Giurgiu.
Fig.1. Principalele moduri de utilizare a biomasei si a produselor derivate
2. ECHIPAMENTE TEHNOLOGICE PENTRU PRODUCEREA BIOGAZULUI Tehnologia biogazului are tradiţii proprii în India, China, SUA, Canada, Japonia şi a devenit interesantă şi pentru Europa, Danemarca, Anglia iar în România din 1975. În viitor obţinerea biomasei se va realiza şi prin cultivarea unor plante cu creştere rapidă în aşa numitele Plantaţii energetice care pot fi: •
plantaţii terestre ;
•
plantaţii pe mare prin cultura algelor şi a altor plante marine.
6
Din punct de vedere al modului de alimentare (încărcare) a fermentatorului echipamentele tehnologice pot fi : •
cu alimentare discontinuă pentru echipamente tehnologice de capacitate mică pentru uz gospodăresc şi medie de tip ferme
•
cu alimentare continuă pentru instalaţii industriale.
2.1. TEHNOLOGIE DE FERMENTARE ECOLOGICĂ CU CIRCUIT ÎNCHIS PENTRU PRODUCEREA BIOGAZULUI ŞI A ÎNGRĂŞĂMINTELOR INDUSTRIALE În concordanţă cu schema structurală de la figura 1 se prezintă circuitul închis de alimentare a fermentatorului de capacitate mică de uz gospodăresc şi obţinerea de biogaz şi îngrăşăminte naturale figura 2.
Fig.2. Circuitele închise ale carbonului și ale substanțelor nutritive anorganice la producerea biogazului
7
2.2. ECHIPAMENT TEHNOLOGIC DE PRODUCERE A BIOGAZULUI CU ALIMENTARE DISCONTINUĂ. REALIZARE ROMÂNEASCĂ ÎN 1985 ÎN COM. PLENIŢA, JUD. DOLJ Componenta principală a echipamentului tehnologic de obţinere a biogazului o constituie fermentatorul (generatorul) de formă cilindrică, din beton armat, cu alimentare discontinuă. Parametrii tehnologici principali sunt: capacitatea geometrică a generatorului de 5,70 m3, volumul unei şarje de încărcare a deşeurilor de 4,50 m 3, producţia zilnică de biogaz de 3,75 m 3.
Fig.3 Echipament tehnologic de producere a biogazului cu alimentare discontinuă, de capacitate mică.
Echipamentul tehnologic (fig.3) este alcătuit din: (a) fermentatorul sau generatorul pentru fermentarea deşeurilor vegetale şi a dejecţiilor de animale,cu umplere discontinuă , aproape complet îngropat în pământ,de formă cilindrică, (b) clopotul sau capacul din tablă de 3 mm se realizează pentru colectarea biogazului, el
8
având un volum de cel puţin 50 %.Capacul se introduce cu gura în jos în spaţiu dintre cei doi pereţi, unde s-a pus apa,care formează garnitura lichidă ce nu permite trecerea gazului în atmosferă, (c) conducta aeriană din PVC cu un diametru de 4 cm, se montează pe capacul generatorului pentru transportul biogazului spre locul de ardere, (d) filtru-decantor pentru colectarea picãturilor de apă, (e) robinet pentru închiderea şi deschiderea gazului.
Construcţia generatorului: -se sapă o groapă cu diametru de 2 m şi adâncime de 4 m; -pe fundul gropii se pune un strat de 10 cm de balast care trebuie sã fie foarte bine bătătorit; -peste balast se toarnă, pe o înălţime de 20 cm, beton cu armătură metalică; -după ce betonul s-a uscat, pereţii cilindrici ai gropii sunt căptuşiţi, pe o grosime de 10 cm, tot cu beton armat. Interiorul cilindrului trebuie să fie foarte bine tencuit şi sclivisit (prin dublă finisare numai cu ciment) pentru a se închide porii prin care ar ieşi biogazul. - cilindrul din beton se înalţă deasupra gropii cu încă 20 cm; -cilindrul din beton este dublat de un alt perete cilindric interior, realizat din acelaşi material, cu grosimea de 10 cm la o distanţã de 10 cm de primul cilindru de beton -între aceşti doi pereţi cilindrici se pune apă. Aceşti doi pereţi cilindrici pot fi construiţi şi din tablă de 2-3 mm, bine protejată împotriva agenţilor corosivi. Funcţionarea instalaţiei Echipamentul tehnologic de c apacitate mică de uz gospodăresc cu încărcare discontinuă se încarcă manual. Fermentatorul se încarcă în proporţie de 80% cu materie primă formată din dejecţii proaspete de animale în amestec cu resturi vegetale. La prima şarjă se adaugă un inocul bogat de metanobacterii -2 găleţii de reziduuri organice bogate în microfloră (must de dejecţii animale), iar la şarjele următoare se păstrează din şarja anterioară 10-20 % în rezervor pentru plămadă. Produsele organice reziduale din agricultură conţin cantităţi suficiente şi în proporţii echilibratedin toate elementele esenţiale: carbon, azot, fosfor, sulf. 9
Nu se folosesc dejecţiile provenite de la animalele care au fost tratate recent cu doze mari de antibiotice sau alte medicamente bacteriostatice. Procesul de metanogeneză are loc la temperaturi de 30-35 °C.Viteza de creştere a metanobacteriilor şi deci producerea de biogaz depinde de temperatură. Deoarece echipamentele tehnologice de capacitate mică de uz gospodăresc nu sunt prevăzute cu dispozitive interioare de încălzire randamentul acestora este influenţat de temperatura mediului ambiant. Pentru aceasta,echipamentul tehnologice de uz gospodăresc este îngropat total în pământ. În cazul echipamentelor semiîngropate se acoperă în sezonul rece cu baloţi de paie, dejecţii de animale, iar vara cu o folie de plastic pentru a asigura efectul de seră. O singură umplere poate asigura,zilnic 3,75 m3 de biogaz. Reîncărcarea fermentatorului se realizează după circa 120 de zile, avându -se grijă ca la deschiderea capaculuii să nu se producă scântei prin frecare, pentru a se evita orice accident. Descărcarea se realizează manual. Biogazul se acumulează sub capac. Datorită presiunii, aceasta urcă deasupra gurii generatorului până la 6 0 cm. Stratul de apă îi permite capacului această deplasare. Totodată stratul de apă nu permite metanului să iasă în atmosferã deoarece solubilitatea metanului în apă este 0. Biogazul cules de conductă ,prin ardere furnizează energie termică. În acelaşi timp se va urmări ca apa care se adună după câteva luni pe conducta de gaz, datorită condensării,să fie colectată într-un filtru-decantor montat pe conducta de gaz. Pe conducta de gaz se montează 2 robineţi: un robinet de control şi un robinet de biogaz. Instalaţia se amplasează într-un teren situat la 6 -10 m de casă, unde apa freatică este la adâncime. Instalaţii poate dura zeci de ani.
3. STUDIU DE CAZ 3.1. DIMENSIUNLE INSTALAŢIEI Notăm: h – înălţimea fermentatorului; D – diametrul fermentatorului; V – volumul geometric al fermentatorului. Vş – volumul unei şarje de încărcare Pentru: h = 3,70 m d = 1,40 m V = 3,14 x 0,70 2 x 3,70 = 5,70 m3 10
Vş = 80 % V Vş = 4,50 m3
3.2. CANTITATEA DE BIOGAZ PRODUS În urma studiilor făcute a rezultat că: 3 m3 de dejecţii produc - 2,5 m 3 de biogaz atunci 4,50 m3 materie primă produc - 3,75 m 3 biogaz/zi Încărcarea se face la patru luni o dată. Cantitatea de biogaz pentru 4 luni = 120 zile x 3,75 m 3 biogaz/zi = 450 m 3 biogaz
3.3. COSTURI CONSTRUCŢIE (INVESTIŢIE) ECHIPAMENT TEHNOLOGIC DE BIOGAZ 1 sac de ciment= 25 lei Pentru instalaţie sunt necesari 20 saci 20 x 25 = 500 lei Preţul instalaţiei = 500 + 300 + 200 = 1 000 lei 300 lei = preţul capacului; 200 lei = alte cheltuieli
3.4. ECONOMII ŞI AMORTIZARE Biogazul furnizat de o astfel de instalaţie este 3,75 m 3 /zi timp de 4 luni este echivalent consumului de gaz de la o butelie pentru un aragaz cu patru ochiuri, suficient pentru prepararea hranei pentru o familie de 4 persoane. O familie de 4 membrii consumă într -o lună o butelie = 35 lei Pentru 4 luni economisim 4 x 35 lei = 140 lei Pentru I an economisim 3 x 140 lei = 420 lei Pentru 20 ani economisim 8 400 lei Amortizări Preţul instalaţiei se va amortiza în: 1 000 : 420 = 2,38 ani
11
4. ELEMENTE DE MODERNIZARE A ECHIPAMENTELOR DE BIOGAZ Pentru modernizarea echipamentelor de biogaz de capacitate mică de uz gospodăresc şi medie de tip ferme ar trebui dotate cu : •
manometru pentru măsurarea presiunii biogazului în interiorul fermentatorului;
•
termometru pentru a indica temperatura încărcăturii;
•
contor pentru a înregistra cant itatea de biogaz rezultată, cunoscând astfel productivitatea reală;
•
agitator de amestecare care împiedică formarea crustei ce nu permite eliberarea gazului
5. MAI MULTE ÎNGRĂŞĂMINTE NATURALE Dejecţiile de animale sunt poluante atât prin mirosurile neplăcute, prin microbii pe care îi conţin, cât şi datorită umiditãţii mari. Într-o crescătorie de porci se vehiculează zilnic circa 2 000-3 000 m 3 de apă cu dejecţii. Acest nămol nu poate fi folosit ca îngrăşământ, are o umiditate mare şi conţine o mare cantitate de microbi. Nămolul fermentat pentru a fi folosit ca îngrăşământ trebuie uscat şi apoi supus unui proces de humificare, care se realizează printr-o continuare a procesului de fermentare, de data aceasta aerobă. În acest scop nămolului i se adaugă cantităţi reduse de paie, coceni, frunze, resturi din grădinile de legume. Un complex de 50 000 de porci pe paturile de uscare prelucrează anual 29 000 m 3 de nămol cu 95% umiditate rezultând 6 000 m 3 nămol fermentat dezhidratat. Îngrăşătoriile de porci pot deveni atât producătoare de biogaz dar şi de humificate cu o bună capacitate de fertilizare a pământului.
12
BIBLIOGRAFIE 1. Stancu V - Flacăra biogazului, Editura Ceres, Bucureşti 1982 2.Tãtãrãscu F - Conversia energiei-tehnici neconvenţionale, Editura Tehnică, Bucureşti 1980 3.Vintilă M –Biogazul, Editura Tehnică, Bucureşti 1989 4.***Enciclopedia tehnică ilustrată, Editura Teora, Bucureşti,1999 6.***Jurnalul Naţional din 19.11.2005 7.***Monitorul Arotem, Anul 11, NR. 1 Martie 2007, 1 / 2007
13
