Obnovljivi energetski resursi- 158989-2009.pdf

4. OBNOVLJIVI ENERGETSKI RESURSI Reneable energy resurses 4.0. Osnove (Basic) 4.0.1. Energija (Energy) Energija je jedno od važnijih svojstava sistema. Naziv energija potiče od grčke reči ενεργεια koja je sastavljena od prefiksa εν koji označava sadržinu i korena reči εργον što znači rad, pa se može reći da reč energija označava aktivnost. Energija koju sadrži sistem javlja se u različitim vidovima; kao potencijalna (ova je u vezi položaja sistema kao celine); kao kinetička koja je u vezi kretanja sistema kao celine; kao hemijska koja je u vezi sa strukturom supstance; kao površinska (ova je u vezi sa izgradnjom površine sistema); kao termička koja je u vezi sa temperaturom sistema; kao gravitaciona itd. Energija je povezana sa različitim formama kretanja materije koje mogu da prelaze jedna u drugu,( Cakić, M 1995). Energija (E) i masa (m) sistema su povezane poznatom jednačinom Ajnštajna (Einstein) koja proizilazi iz teorije relativiteta: E = m c2 u kojoj je sa c označena brzina svetlosti u vakuumu koja se smatra univerzalnom konstantom. Zbog proporcionalnosti mase i energije svaka promena u energiji sistema je propraćena promenom njegove mase t.j. ∆ E =∆ m c2 ali zbog velike vrednosti konstante proporcionalnosti c2 promene sa kojima se srećemo u hemiji i hemijskim tehnologijama ne dovode do značajnih promena u masi. Prema SI jedinica za energiju je Džul, J, a po definiciji 1J = 1 N 1 m. Prema prvom principu Termodinamike postavljenom još u devetnestom veku, svojstvo energije je da u zatvorenom sistemu ne može niti nastati niti nestati, već da može prelaziti iz jednog vida u drugi, t.j. da je količina energije uvek konstantna, što je poznato i kao zakon o očuvanju energije, ili kao princip održanja energije, a pošto su kako se vidi iz gornjih jednačina energija i masa povezana sledi i zakon o očuvanju mase sistema. Prelazak energije iz jednog oblika u drugi je povezan sa odvijanjem nekakvog procesa u sistemu, a ovaj prelazak se naziva rad ili snaga. Jedinica za rad je vat, (W) i predstavlja rad obavljen u jednoj sekundi prelaskom jednog džula energije, ustvari brzina prelaska energije iz jednog u drugi oblik, (1W = 1J/s); ponekad se koristi i vat-sat koji je konstantan rad ili snaga, od jednog vata u toku jednog sata(Wh, 1Wh = 3600 s = 3600 J) i višekratne jedinice kao kWh, MWh GWh )kilo, mega i gigavat sat). Kako je napred navedeno energija može prelaziti iz jednog oblika u drugi. Tako, gravitaciona potencijalna energija vode koja je rezultat razlike u nivou se koristi kod hidrocentrala kod kojih se potencijalna energija vode pretvara u kinetičku energiju koja pokreće turbine generatora električne energije i prelazi u električnu energiju. Kinetička energija vetra kojom se pokreću elise rotora generatora se, takođe, može pretvoriti u električnu energiju. Toplotna energija koja može biti rezultat ovijanja hemijskih reakcija (sagorevanje, radioaktivne reakcije i sl.) ili proste razmene toplote između različito zagrejanih tela, može da se koristi za direktno zagrevanje, ili indirektno za dobijanje drugih

oblika energije, recimo, toplotna energija Zemlje (geotermalna) može se koristiti i za grejanje, ali i za generiranje t.j. proizvodnju. električne energije. Primer korišćenja i pretvaranja hemijske energije u toplotnu i druge oblike energije su i fosilna goriva koja sagorevanjem oslobađaju energiju u vidu toplote koja se može pretvoriti u kinetičku vodene pare za pokretanje turbina i proizvodnju električne energije (termoelektrane) ili pak za grejanje nekog fluida i proizvodnju toplotne energije za zagrevanje (voda, toplane). Nuklearna energija koja je rezultat nuklearne fusije (ovakvi procesi se odvijaju na suncu, spajanja dva ili više lakih jezgara u jedno veće mase) ili nuklearne fisije (raspadanje teških atoma na dva ili više lakših) su propraćeni oslobađanjem velikih količina energije koja se primenjuje u nuklearnim reaktorima za proizvodnju (pretvaranje) u električnu energiju. Različiti izvori energije poseduju različitu energetsku vrednost. Zbog toga se za lakše poređenje energetske vrednosti različitih izvora toplotne energije (goriva) koristi se British Thermal Unit (btu). 1 btu je energija potrebna da se 1 pound (1 pound = 0,4536 kg) vode zagreje za jedan stepen Farenheit (1°F = 0,5556°C). 1 btu odgovara 1055,8 J, a niže su dati za neka goriva: 1 barel (158,98 litara) sirove nafte = 5.800.000 btu 1 kilovat-sat (kWh) električne energije = 3.412 btu 1 litra dizelskog goriva = 36.720 btu 1 litra benzina = 32.757 btu 1 m2 prirodnog plina = 36.241 btu 1 kratka tona ugljena (907,18 kg) = 20.401.000 btu 1 toe (tonne oil equivalent) = 39.687.200 btu

4.0.2. Izvori energije (Energy sources) Procesi i aktivnosti na Zemlji su povezani sa transformacijom i upotrebom energije. Upotreba energije u cilju postizanja produktivnosti i komfora je svakim danom sve veća. Zbog sve većih potreba i uticaja na svakodnevni život i kvalitet života, s jedne strane, a s druge zbog ograničenih energetskih resursa koji se danas koriste, energija je glavni strateški resurs razvijenijih država. Prema dostupnim podacima od 1850 god. do 2000 god. je konstantan trend porasta potrošnje energije, U prvoj polovini 20 veka potrošnja energije se udvostručila, dok u drugoj polovini dolazi do znatnog povećanja energije tako da se ona u posmatranom periodu udesetostručila. Razlog ovakvom povećanje energije je ubrzan tehnoločki razvoj posebno u drugoj polovini prošlog veka. Pri tome, ono što je važno je da je potrošnja energije mnogo brže rasla od prirasta stanovništva. Zbog toga nije čudno da su u istoriji, pa i danas, pokretani ratovi sa ciljem kontrole i osvajanja područja bogatih energetskim resursima (http:/www.izvorienergije.com/uvod u izvore energije.). Proizvodnja, transport i korišćenje energije u velikoj meri utiču na okolinu i ekosistem zbog emisije i imisije supstanci koje u manjoj ili večoj meri direktno ili indirektno (recimo efekat staklene bašte) ispoljavaju različite uticaje, ali i zbog ekoloških katastrofa koje se povremeno dešavaju kao što su izlivanje nafte, radioaktivna zračenja kisele kiše, vulkanske aktivnosti i sl.. (http://www.izvorienergije.com/uvod u izvore energije.html.). Izvori energije se mogu podeliti na:

• •

neobnovljive (ugalj i energenti proizvedeni preradom uglja, nafta i naftni derivati, prirodni gas i atomska, nuklearna energija) i obnovljive (energija vetra, sunčeva energija, bioenergija, geotermalna i energija vode, energija okeana, industrijski i komunalni otpad) i uslovno vodonik.

Neobnovljivi izvori energije Neobnovljivi izvori energije su oni koji se nalaze u ili na zemlji (gas, nafta, derivati nafte ili ugalj, najčešće se nazivaju fosilna goriva), a njihova eksploatacija u nekom vremenskom intervalu nije neograničena. Fosilna goriva kao prirodni izvor energije kao i nuklearna energija su bili dominantni izvori energije u dvadesetom veku. Ovi izvori energije pripadaju kategoriji neobnovljivih izvora energije zbog toga što ih ima na zemlji u ograničenim količinama koje se ne mogu prirodnim putem obnavljati, pa se njihove količine (rezerve) značajno smanjuju, a ekonomski parametri preostalih rezervi ili nalaženje novih su na granici ili ispod ekonomske isplativosti. Sirova nafta je danas najkomerzijalni neobnovljivi izvor energije. Dobijanje energije iz fosilnih goriva pre svega sagorevanjem ima negativne efekte na životnu sredinu, Naime, ljudskim aktivnostima kao što su sagorevanje u termoelektranama, domovima, automobilima i sl. ali i prirodnim procesima vulkani, požari, biološki procesi, se oslobađaju velike količine gasova i čestica koje zagađuju životnu sredinu. tako što se čestice talože na površinu ili apsorbuju, dok emitovani gasovi oksidi i druga jedinjenja sumpora, azota se dovode u vezu sa t.z. kiselim kišama koje menjaju pH sredine i štetno utiču na ekosistem. Pored napred navedenih oksida glavni proizvod sagorevanja fosilnih goriva su oksidi ugljenika, ugljen dioksid i ugljen monoksid. Sagorevanjem fosilnih goriva danas dobijamo ok 80% električne energije u svetu, ali se zbog toga dnevno emituje oko 60 tona ugljendioksida, 81 t žive, i velike količine drugih štetnih gasova (pre svega oksida sumpora ali i azota). Fosilna goriva se mnogo manjom brzinom ekspoatišu (crpe) od brzine kojom se troše u proizvodnji (oko 10000 puta). Ugljen dioksid, zajedno sa metanom koji je proizvod biološke razgradnje otpada, je uzrok efekta staklene bašte (pored njih tu spadaju i oksidi azota, (HFC, SF6 PFC) i efekta globalnog porasta temperature na zemlji, koji u budućnosti mogu da znatno promene klimu na zemlji čime bi život mnogih biljaka i životinja bio ugrožen. Naime, posledice globalnog zagrevanja su topljenje polarnih kapa, povećanje nivoa mora, uticaj na klimu i poljoprivredu i sl. Zbog medjusobne povezanosti i prirodne ravnoteže to bi uticalo na celokupni biološki sastav zemlje,(Cakić M. et al. 2008). Nuklearna goriva nisu opasna za atmosferu, (izuzimajući akcidentne situacije), ali supstance koje nastaju kao proizvod nuklearnih reakcija zbog radioaktivnosti imaju štetan uticaj na okolinu, pa se skladište u posebinim prostorijama i lokacijama. Da bi izbegli ovi uticaji i održivost života na zemlji, na globalnom nivou pokrenut je čitav niz mera i aktivnosti od edukativnih, preko istraživačkih i praktičnih do zakonskih ciji su osnovni ciljevi štednja energije i prelazak na t.z. čiste, zelene i obnovljive izvore energije, i pre svega, smanjenje emisije CO2 . Na globalnom nivou verovatno najznačajniji dokument je onaj iz 1997 poznat kao Kjoto protokol, kojim je za svaku zemlju predviđeno smanjenje procenta emisije CO2 u atmosferu do 2012 u odnosu na 1990 god. u proseku za oko 5,2%. Odgovor ovom zadatku su obnovljivi izvori i čista energija t.j. primena tehnologija sa nula emisijom. Iako za sada nema velikog napretka u ovom pravcu, svakim danom ušešće ovakvih vidova energije se povećava, kao i štednja energije, zahvaljijući mnogim državama koje su pokrenule ili podržale mnoge programe štednje i upotrebu čiste energije i energije iz obnovljivih izvora. Prema nekim procenama u Srbiji, slična je situacija i u drugim zemljama Zapadnog Balkana (WB) znatno povećanje korišćenja energije iz obnovljivih izvora bi donelo uštede u novcu i do 45%, ali je neophodno da država donese

set zakona iz oblasti energetike kao i stimulativne mere koje bi podstakle institucije i pojedince da ulažu u svaki vid obnovljivih izvora i time doprinose štednji ( Radaković M, 2010). Obnovljivi izvori energije Ovi izvori energije, kako sam naziv kazuje, su obnovljivi u kratkom vremenskom periodu, i manje zagađuju životnu sredinu u odnosu na neobnovljive. Obnovljivi izvori energije se mogu podeliti na, (Jakupović E., Mirjanić D. 2009): •

tradicionalne gde spada energija biomase kao pogodna sirovina za proizvodnju čvstih ( ostaci drveta, energetski usevi) tečni (biljna ulja, biodisel, bioetanol, sintetička biogoriva) i gasovitih goriva (biogas, komunalni gas kanalizacija, i zemni gas) koja se nazivaju i biogoriva (biogas, komunalni gas kanalizacija, i zemni gas) i hidroenergija. Biogoriva predstavljaju goriva koja se dobijaju iz biomase, a u odnosu na fosilna koja sadrže uglavnom ugljovodonike sadrže više ili manje kiseonika pa se nazivaju i oksinogena ili oksigenatori i,

•

nove kao što je energija sunca, vetra, geotermalna, energija okeana, danas poznata kao OTEC (ocea thermal energy conversion), energija okoline (zemlje, vode i vazduha) i sl.

Danas se govori o pet obnovljivih izvora energije (zbog dostupnosti i praktične primene): hidroenergija, energija sunca, energija vetra, geotermalna energija i biomasa. Iako se neki izvori mogu smatrati obnovljivom energijom, neki koji pripadaju ovoj grupi ipak zagađuju okolinu ili pokazuju druge nedostatke o čemu će biti više reči kasnije. Tako, recimo, kod energije dobijene iz biomase (biogas, biodisel bioetanol, i sl.) kod sagorevanja se emituje CO2 kao kod sagorevanja fosilnih, mada principijelno količina ugljendioksida koja se emituje je jednaka onoj koju biljka u procesu fotosinteze apsorbuje i pretvori u biomasu. Zbog toga se često u vezi sa ovakvom energijom koriste i termini prljava energija što se pre svega odnosi na energiju dobijenu spaljivanjem biomase, komunalnog i industrijskog otpada i fosilnih goriva, dok termin čisti izvori energije se odnosi na obnovljive izvore bez biomase, dakle, energiju sunca, vetra, geotermalnu i energiju nuklearnih elektrana. Veliki procenat svetske potrošnje energije se još uvek dobija iz neobnovljivih i ekološki neprihvatljivih izvora energije, jer značajniji udeo obnovljivih za sada ograničavaju ekonomski parametri, izgradnja novih postrojenja i početna cena tehnologije i proizvedene energije. Narasla ekološka svest ljudi posebno u EU i pored ovih problema je rezultirala strategijom udvostručenja upotrebe obnovljivih izvora u 2010 u odnosu na 2003 god. t.j. udela od 12% a na 20% do 2020 godine, uz istovremeno smanjivanje emisije CO2 za oko 20%. Tako, recimo u Nemačkoj u 2009 god udeo energije iz obnovljivih izvora je 16%, a planira se da do 2020 god 50% struje treba da se dobija iz obnovljivih izvora (149 biliona kWh). Niže su navedene direktive EU iz oblasti obnovljivih izvora energije, smanjenja emisije ugljen dioksida i sa dugoročnim ciljevima ciljevima. •

Direktiva 2009/28/EU. Savet Evrope i Parlament su doneli ovu direktivu 26. 03.2009 , kao i izmene i dopune direktive 2003/30/Eu i ukidanju 2001/77/EU, koja promoviše energiju iz obnovljivih izvora sa ciljem da se do 2020 godine; smanjenje emisije gasova efekta staklene i to za 35% bašte računato na njihov životni ciklus a od 1.1. 2017 ukupno smanjenje mora biti 50% s tim da se povećava za 60% za objekte koji počinju sa radom od ovog datuma, a CO2 u periodu od 2008 do 2012 za 5,2% u odnosu na 1990 god.povečanje udela iz obnovljivih izvora na 20% i udela energije iz biogoriva na 10%,

•

• • •

Direktiva 2003/30/EC obaveza proizvodnje ili obezbeženja za zamenu 2% fosilnih goriva biogorivima do do 2005 god, a do kraja 2010 5,75%. a i smanjenje emisijeCO2 u periodu od 2008 do 2012 za 5,2% u odnosu na 1990 god. i Direktiva 2001/77/EC promoviše korišćenje obnovljivih izvora sa ciljem da se do 2010 god. njihov udeo u ukupnom energetskom miksu poveća do 12%, Direktiva 2003/96/EC, reguliše pitanje taksi na biogoriva Direktiva 2009/28/EU. Savet Evrope i Parlament su doneli ovu direktivu 26. 03.2009 , kao i izmene i dopune direktive 2003/30/Eu i ukidanju 2001/77/EU, koja promoviše energiju iz obnovljivih izvora.

Trenutno se iz obnovljivih izvora u svetu dobija 18% ukupne svetske energije, a od toga veći deo otpada na tradicionalne (biomasa oko 13%, hidroenergija oko 3%) pa tako drugi obnovljivi novi izvori daju oko 2,5%. Udeo novih obnovljivih izvora u budućnosti mora biti povećan zbog toga što je neobnovljivih izvora na zemlji sve manje, a njihov štetan uticaj na okolinu je sve izraženiji, s jedne strane a s druge veliki potencijal leži u njima i višestruko premašuje svetske potrebe, recimo sunce isporučuje zemlji oko 15 hiljada puta više energije od trenutne potrošnje na Zemlji, potencijal geotermalne energije je prema nekim procenama oko 50000 puta veći od ukupne energije nafte i gasa na zemlji, i što kako se sa donje slike vidi svaki obnovljiv izvor sam za sebe može pokriti trenutne svetske potrebe, a energija sunca i vetra ih znatno premašuje kako je kvalitetno prikazano na slici niže.

Slika 4.1. Godišnje svetske potrebe za energijom i potencijali

Lako je videti da se zbog toga obnovljivi izvori moraju bolje iskorišćavati i razvijati jer: •

ekološki su prihvatljiviji i imaju važnu ulogu u smanjenju emisije CO2, i drugih štetnih gasova i čestica, • povećavaju energetsku održivost i sigurnost i • očekuje se da u budućnosti budu ekonomski konkurentni tradicionalnim Kada se govori o obnovljivim izvorima energije treba imati u vidu sledeća pitanja: • koliki su resursi (količina) prisutni u okolini • u koje svrhe i do kada se može koristiti • kakav je uticaj na okolinu i • cena i ekonomska isplativost.

4.1. Energija okoline. 4.1.1. Toplotne pumpe Pod energijom okoline podrazumevamo energiju vazduha,

vode i zemlje koja da se može pomoću toplotnih pumpi da se koristi t.j. podigne na višu temperaturu. Toplotna pumpa je uređaj koji, po definiciji, apsorbuje toplotnu energiju sa jedne lokacije (energija okoline) i premešta je na drugu lokaciju (objekat koji se greje ili hladi). Ime „toplotne pumpe“ je izvedeno od reči toplota i pumpa koje u svom originalnom značenju predstavljaju premeštanje toplotne energije sa jednog prostora na drugi. Toplotna pumpa (v. Sl. 4.2.) koristi jedan od osnovnih zakona termodinamike da se energija ne može ni stvoriti ni uništiti već samo da promeni svoj oblik i svoje mesto postojanja. Toplotne pumpe proizvode energiju samostalno. Sama toplotna pumpa neće imati nikakvog dejstva ukoliko nije priključena na izvor energije tipa zemlje, vode ili vazduha; toplotna pumpa će doprineti njenom najboljem i najjeftinijem iskorišćenju. Princip rada toplotne pumpe je vrlo jednostavan i približno isti principu rada kućnih rashladnih aparata (npr. frižider i klima uređaj). On se ogleda u korišćenju toplotne energije našeg okruženja. Razlika je samo u smeru u kome se vrši predavanje toplotne energije. Zadatak uređaja je da toplotu iz okoline (zemlja, voda, vazduh) podiže na željeni nivo da bi se koristila u svrhu greanja ili hlađenja. Principijelno, nema razlike u procesu rada uređaja prilikom grejanja , ili hlađenja objekta.

Slika 4.2. Šema toplotne pumpe

Sistem grejanja toplotnim pumpama sastoji se od: izvora toplotne energije, same toplotne pumpe i sistema za distribuiranje i čuvanje toplotne energije. Toplotna pumpa se sastoji iz 2 razmenjivača toplote (jedan sa isparivačem, a drugi sa kondenzatorom), kompresora i ekspanzionog ventila. 1. Toplotna energija se uzima iz okolinei posredstvom nekog fluida (obično voda sa dodatkom antifriza) dovodi do isparivača toplotne pumpe. U isparivaču se nalazi gas – freon koji preuzima tu energiju i isparava. 2. Gas zatim ulazi u kompresor i komprimuje što dovodi do značajnog povećanja njegove temperature (uglavnom +90-95°C, mada može i više). 3. U kondenzatoru gas se kondezuje i predajetoplotu drugom fluidu (obično voda) koji cirkuliše kroz sistem za grejanje. 4. Zahvaljujući predaji toplotne energije gas se vraća na prvobitnu temperaturu koji se

zatim dovodi do ekspanzionog suda i ventila, čime se pritisak vraća u početno stanje. Potom se gas vraća u isparivač gde proces počinje ponovo. U cilju primene toplotne pumpe za potrebe grejanja nekog objekta treba preračunati: 1) potrebnu toplotu za grejanje, prema postavljenim kriterijumima za grejanje (temperatura i površinu zagrevanog prostora i vreme trajanja zagrevanja u toku 24 h), 2) kapacitet kompresora i snagu motora, 3) radnu površinu kondenzatora, 4) radnu površinu isparivača i 5) snagu pumpi. 4.2. Geotermalna energija (Geothermal energy) 4.2.1. Uvod (Basic) Prema danasnim shvatanjima zemlja je nastala iz gasova i prašine pre oko 4 milijarde godina. Ispod Zemljine površine nalaze se ogromne količine toplotne energije, a ona koja je akumulirana u fluidima i stenama i naziva se geotermalna energija. Naziv geotermalna energija potiče od dve grčke reči: geo (γεο) što znači zemlja i terme (τερµε) što znači toplota. Količina ove energije je velika i stalno se obnavlja zahvaljujući procesima kojima nastaje. Zbog toga se ova energija može smatrati obnovljivom energijom, mada je u svojoj suštini ovo neobnovljiv izvor energije zbog procesa kojima nastaje koji će trajati još oko 5 milijardi godina. Geotermalna energija se stvara usled raspadanja radioaktivnih elemenata, pre svega u jezgru, hemijskih reakcija, procesa kao što su kristalizacija i učvršćivanje, ali i kao rezultat trenja pri kretanju tektonskih procesa. Svi ovi procesi su propraćeni oslobađanjem posebnih vidova energije i njene transformacije u toplotnu energiju (Jakupović E. Mirjanić D. 2009). Poluprečnik zemlje je oko 6380 km, (v. Sl. 4.3.), a unutrašnja struktura zemlje je još uvek diskutabilna, pošto pretpostavke o unutrašnjosti zemlje baziraju na naučnim pretpostavkama baziranim na eksperimentima u uslovima visokih pritisaka i temperatura. Zemlja ima nekoliko slojeva: 1. jezgo, 1370 km, temperature 4000 do 70000C 2. debelo spoljašnje jezgro, oko 2000 km, sa stopljenim teškim metalima kao nikl i gvožđe, temperature od 650 do 1250 0C, 3. sloj omotača, oko 2900 km (spoljni i omotač), 4. spoljnu krutu koru (litosfera) koja je 0d 5 do 50 km, a sastavljena je od stena, . Smatra se da je 99% Zemljine kugle toplije od 1000 , a da je samo 0,1% hladniji od 100 0C. U zemlji postoji temperaturni gradijent od oko 0,0 3 0C/m, (on je najveći neposredno uz površinu, a sa povećanjem udaljenosti opada), tako što temperatura zemlje idući od površine prema unutrašnjosti raste i to za 17 do 30 0C po kilometru. Srednji temperaturni gradijent od 10 0C po kilometru koji je rezultat difuzije unutrašnje toplote (energije) važi za prvih 100 km

od površine zemlje, a raste idući prema središtu zemlje (proces difuzije je veoma spor pa je potrebno oko 100 miliona godina da energija sa dubine od 100 km dospe na površinu Zemlje). Imajući u vidu osnovni zakon o razmeni toplote, t.j. da toplota spontano prelazi sa toplijeg na hladnije telo (sistem) to i u ovom slušaju toplota iz unutrašnjosti zemlje se prenosi prema površini koja je hladnija. Smatra se da je ovaj prenos toplote uzrok kretanja tektonskih ploča, zemljotresa, velikih talasa ako se zemljotres dogodi ispod mora i okeana.

Slika 4.3. Presek planete zemlje

Pri ovim kretanjima na onim mestima gde se tektonske ploče dodiruju i spajaju može doći do ispuštanja magme u gornje slojeve koja se hladi, oslobađajući toplotu, i stvarajući novi sloj kore, ili pak dolazi do površine stvarajući vulkane, ili ostaje ispod površine u vidu velikih bazena oslobađajući energiju hlađenjem, pa su ovakvi bazeni dobar izvor geotermalne energije. Ovaj proces hlađenja je dug (oko 5000 godina). Geotermalna toplota ili energija je: hidrotermalna energija koju sadrže podzemne vode temperature veće od 10 0C, ili vodena para visokih temperatura, • petrogeotermalna energija koja je akumulirana u suvim stenama ispod dubine na kojoj je njihova temperatura oko 10 0C i • magmotermalna energija koja je akumulirana u magmi u unutrašnjosti zemljine kore. Geotermalni resursi se nalaze na različitim dubinama od plitkih površinskih do rezervora tople vode na nekoliko kilometara dubine. Razlikuju se 4 grupe geotermalnih energetskih izvora: •

1. 2. 3. 4.

hidrogeotermalna energija izvora vruće vode hidrogeotermalna energija izvora vodene pare hidrogeotermalna energija vrele vode na velikim dubinama i petrotermička energija vrelih i suvih stena

Prva tri geotermalna izvora pripadaju klasi hidrotermalnih izvora i kod njih visokotemperaturna voda i/ili para uskladištena u poroznim i propustljivim šupljinama

stena. Petrotermička energija je u vezi magmatskih ležišta, pa se ovi izvori nazivaju i toplioeruptivni izvori a dele se na : • vulkanske kod kojih je lava još uvek prisutna i • vruće stene gde lava nije prisutna ali su temperature više od 650 0 C. Geotermalna energija je ispod nas, negde je lako dostupna ili sama izlazi na površinu zemlje u formi vulkana, izvora vruće vode i pare kao i gejzira v. Sl. 4.4. Negde je na velikoj dubini i, za sada, praktično nedostupna.Toplotu iz unutrašnjosti prema površini zemlje prenosi voda; ova se posle padavina (kiša, sneg po topljenju) probija preko raspuklina i šupljina prema unutrašnjosti, tamo se zagreva od vrućih, suvih stena dostižući temperaturu i do 400 0C, (suve stene su one koje ne sadrže slobodnu podzemnu vodu, zagrejane su pa se kod korišćenja njihove energije voda mora spolja upumpavati i zagrevati od njih) i cirkulira prema površini prirodnim putem u formi izvora vruće vode, pare ili gejzira. Ovaj proces može biti i veštački izazvan u cilju korišćenja geotermalne energije za proizvodnju, recimo, električne energije o čemu će biti više reči kasnije. Za praktično iskorišćavanje geotermalne energije je

Slika 4.4. Postupak dobijanja geotermalne energije (Wilkipedija)

potrebno iskoristiti prirodno strujanje vode kada voda s površine preko pukotina prodire prema unutrašnjosti, ili ovo izazvati veštački tako što se voda dovodi s površine u dublje slojeve gde se greje i tako zagrejana se vraća pomoću pumpi na površinu na korišćenje. Kod veštačkog upupavanja vode u dubinu zemlje voda se upumpava do razdrobljenih suvih stena (time se povećava površina za razmenu toplote) jednom, a posle zagrevanja odvodi drugom pumpom na površinu. Tabela IV. 1. Rezerve iskoristive hidro geotermalne energije

temperatura 0C

rezerve, t 1000

indeks %

100 100-150 150-200 250 ukupno

8,61 0,909 0,266 0,014 9,799

87,8 9,2 2,7 0,3 100

iskoristivo za električnu energiju

0,04 0,002 0,042

iskoristivo za grejanje o,62 0,064 0,016 0,0008 0,7008

Kada je u pitanju voda na velikim dubinama to je ona voda koja je u ranijim geološkim razdobljima došla sa površine zemlje i tu ostala zarobljena ispod nepropusnih stena, nalazeći se pod njihovim pritiskom koji može biti i do 760 bara (Meksički zaliv). Još uvek nije tehnički rešeno pitanje iskorišćavanje energije akumulisane na velikim dubinama i vrućim stenama. Dubina bušenja današnjim tehnologijama je ograničena na 10 km, pa se samo geotermalna energija do ove dubine praktično iskorišćava, t.j. hidrogeotermalna energija. a za ovu su u tabeli niže prikazane iskoristive rezerve i neke njene karakteristike (Radaković M. 2010). Za grejanje je iskoristivo 7% a za proizvodnju električne energije samo 0,4% (zbog niskih temperatura ili neadekvatne karakteristike za proizvodnju struje, pa dominira korišćenje za grejanje). Gustina geotermalnog toka je parametar na osnovu koga se procenjuje geotermalni potencijal nekog područja. On predstavlja količinu geotermalne toplote koja u jedinici vremena (s) kroz površinu zemlje od 1 m2 izlazi iz unutrašnjosti na površinu zemlje. Recimo, za Srbiju geotermalni toplotni tok je veći u odnosu na onaj zemalja kontinentalnog dela Evrope, i iznosi oko 60 mW/m2, a najveći je u Panonskom basenu, i Južnoj Srbiji gde iznosi oko 100 mW/m2. Najveći udeo u geotermalnoj energiji od praktične važnosti je onaj dubina do 3 km, kod kojih je udeo hidrotermalne energije temperatura do 100 0C oko 88% , a mali deo ima temperaturu preko 150 0C, oko 3% što je važno kod korišćenja ove za proizvodnju električne energije. Praktično od ove energije za grejanje je iskoristivo oko 7% , a za električnu energiju samo oko 0,4%, zbog preniske temperature za proizvodnju pare za pokretanje turbina, pa se ova najčešće koristi za grejanje ili druge namene ( Radaković M., 2010). 4.2.2. Prednosti i nedostaci geotermalne energije (Benefits and disadvantages geotermal Energy)

of

U odnosu na druge izvore energije geotermalna energija ima prednosti: • • • • •

jeftina energija zbog niskih troškova proizvodnje, jer je potrebna samo energija za pokretanje pumpi, i ujedno predstavlja stabilan i trajan izvor energije, zamenjuje veliku količinu fosilnih goriva, čista je i sigurna za okolinu uz mere prevencije, elektrane zahtevaju malo prostora i lako snabdevaju okolinu toplotom i električnom energijom uz visok stepen pouzdanosti, ne zavisi od meteoroloških uslova što je slučaj sa hidroelektranama, elektranama na vetar i kod koriščenja solarne energije (od snage vetra ili broja sunčanih dana)

ali i neke nedostatke: •

nedostatak

pogodnih

lokacija

(

uslovljenost

položajem,

dubinom,

temperaturom, procentom vode u određenom geotermalnom rezervoaru), za korišćenje i izgradnju geotermalnih elektrana, (ove lokacije su blizu t.z.

geotermalnih zona, i ujedno su potresne zone što poskupljuje izgradnju, a zbog po pravilu slabe naseljenosti je problem prenosa enegije do potrošača) čija ekonomičnost zavisi od karakteristika bušotine, •

zbog problema sa transportom (taloženje rastvorljivih materija hlađenjem kao i izolacija radi smanjenja gubitaka) koristi se za grejanje i proizvodnju električne energije u blizini

•

ispuštanje gasova i materijala iz dubine zemlje koji mogu biti štetni kada izađu na površinu; to je slučaj sa, najčešće, vodonik sulfidom koji je agresivan i korozivan, ali je rešenje njegovo izdvajanje i korišćenje za proizvodnju sumporne kiseline, dok se naslage mogu koristiti u građevinarstvu ili izdvajati neki metali kao cink. Izvor toplotne energije može biti iscrpljen usled neodgovarajuće eksploatacije,

•

Potrebne visoke početne investicije (početak korišćenja i razvoj) i visoki

•

troškovi održavanja (izazvani korozijom, naslagama minerala i dr.). 4.2.3. Korišćenje geotermalne energije (Users of Geothermal energy) Potencijal geotermalne energije je ogroman, tako, recimo, o veličini akumulirane energije (toplote) govori podatak da bi smanjenje temperature zemljine kore za 0,1 0C omogućilo ekvivalent električne energije dovoljan da se svet snabdeva električnom energijom narednih 15 000 godina. Iz praktičnih razloga geotermalni potencijal se razmatra na dubinama do 10 km, (to su dubine koje se postižu danas raspoloživom tehnologijom u proizvodnji nafte i gasa), a ovaj potencijal je oko 8000 puta veći od rezervi fosilnih goriva, ili ukupna energija (toplotna) u unutrašnjosti zemlje iznosi oko 1020 tona ekvivalentne nafte (toe). Još od vremena Rimskog carstva geotermalna energija se koristila za zagrevanje objekata za stanovanje i drugih, ili za rekreacione i zdravstvene svrhe (bazeni za kupanje), a danas se termin geotermalno grejanje odnosi kako na grejanje prostora tako i za njegovo hlađenje korišćenjem toplotnih pumpi o kojima je bilo reči napred, tako da je polje primene geotermalne energije i njen udeo danas značajan. Udeo geotermalne energije u ukupno proizvedenoj energiji u svetu iznosi oko 0,06%, od toga se pomoću ove energije dobija oko 8000 MW električne energije, od toga u EU oko 2060 MW. Geotermalna energija se danas koristi: 1. kao toplotna energija za zagrevanje (toplifikaciju, grejanje) stanova i naseljenih mesta ali i u industriji i poljoprivredi za zagrevanje staklenika i proizvodnji voća, povrća i cveća, u industriji papira, sušenja drveta, vune, stočarstvu, sušenje žitarica, uopšte za dehidrataciju ili uparavanje i koncentrisanje, ribarstvo (zagrevanje ribnjaka), mlekarska industrija (pasterizacija), 2. balneologiji i sportsko rekreativne svrhe i 3. proizvodnju električne energije 4.2.3.1. Geotermalna energija i zagrevanje Korišćenje geotermalne energije kao toplotne energije za zagrevanje je odavno poznato. Iz istorijskih izvora se zna da su još

u antičko doba Rimljani uveliko koristili geotermalnu energiju za zagrevanje koristeći sisteme podnog grejanja, ali isto tako i za zagrevanje vode u bazenima za kupanje, rekreaciju, ili za balneološke svrhe. Danas najveći geotermalni sistem koji služi za grejanje domaćinstava, javnih ustanova i sl. postoji na Islandu. Oko 89% domaćinstava na Islandu, odnosno u glavnom gradu Rejkaviku, se greje na ovaj način, dok se 20% električne struje proizvodi na bazi geotermalne energije. Primer Islanda nije usamljen. Geotermalna energija za zagrevanje se uveliko koristi i na Novom Zelandu, Japanu, Filipini, Italija i SAD (Kalifornija, Ajdaho gde je prvi javni sistem grejnja formiran još 1892 god.) dok je udeo ove energije za zagrevanje na prostorima zemalja WB zanemarljiv. Inače u Evropi postoji oko 1000 000 geotermalnih instalacija, a u SAD oko 5000 000. Zahvaljujući geotermalnoj energiji danas je ušteda u električnoj energiji oko 24 M kWh, što jeekvivalentno sa 40 miliona tona fosilnih goriva, i smanjenju emisije ugljendioksida za oko 6 miliona tona i 3,6 miliona tona drugih zagađivača. Za grejanje se danas koriste dva sistema: 1. otvoreni-direktni, kod koga se geotermalna voda direktno koristi za grejanje nakon čega se vraća u izvor, a u zavisnosti od lokacije izvora postoje horizontalni kružni sistemi kod kojih se voda uzima sa površine zemlje (izvor, reka, jezero) i vertikalni kod koga se uzima iz podzemne bušotine, v. Sl. 4.5.

Slika 4.5. Horizontalni kružn (levo)i i vertikalni sistem grejanja (desno)

2. Sistem sa zatvorenim krugom koji može biti vertikalan, horizontalan i jezerski. Zatvoreni sistem ne koristi geotermalnu toplotu fluida, već koristi plitku geotermalnu energiju stena za zagrevanje cevi razmenjivača toplote koji je ukopan u zemlju, a kod ovog postoje dva kruga razmene, pošto se energija razmenjuje preko razmenjivača toplote sa pogonskim fluidom (metanol, antifriz) niže temperature mržnjenja, a cirkulaciju omogućavaju cirkulacione pumpe. Za ove namene se koriste plitki geotermalni izvori na dubinama do 200 m gde ne postoje oscilacije u temperaturi koje izaziva Sunčeva radijacija, Kod ovog sistema u bušotinu se instalira snop cevi spojenih U spojnicom na dubini od 30 do 150 m, (zatvoren vertikalni sistem). Kod zatvorenog horizonztalnog sistema, koji je najekonomičniji za male instalacije, slična je situacija, sa razlikom što se snop cevi polaže paralelno u zemljište na manjim dubinama (do 2 m, ispod granice smrzavanja), naravno na lokacijama koje su pogodne. Ako se objekat za zagrevanje nalazi u blizini jezera ili reke kao izvora tople vode, onda se u tu vodu uranja snop cevi razmenjivaša toplote ispod površine vode, a prednosti ovog jezerskog sistema su niski troškovi, jednostavna izrada ali je ogranišenje dovoljna dubina vode jezera

ili reke za postavljanje cevi. (http:/www.awers.net./preuzmi/OEI_Geotermalna.pdf 15.07 2011). Razvoj tehnologije u oblasti grejanja je danas omogućio da se zahvaljujući skoro konstantnoj temperaturi sloja Zemljine kore (smatra se da je ovo uglavnom rezultat uticaja sunčeve energije) njena energija može u velikom obimu iskoristiti za indirektno grejanje ili hlađenje stambenih i poslovnih objekata. Zimi kada je tlo toplije od objekata na površini sistem-izmenjivač preko cevi sa vodom prenosi toplotu tla na zgrade, dok leti kada je tlo hladnije od površine radi suprotno. Dakle, isti sistem tako služi i za grejanje i za hlađenje što je ekonomski ienergetski veoma efikasno. Sistem je tako razvijen da toplotna energija može da se uzme iz podzemnih voda koje su na temperaturi od oko 14°C tokom cele godine. Iz izbušenog izvora (bunara) voda se prepumpava u razmenjivač toplote u kome se deo toplote iz podzemne vode prenosi u

Slika 4.6. Toplotna pumpa za korišćenje geotermalne energije

freon koji tada isparava. Takav sklop (pumpa+toplotni izmenjivač) naziva se toplotna pumpa (v. Sl. 4.6.). Toplotna pumpa omogućava da se toplotna energija iz jednog prostora prenese u drugi. Delimično ohlađena voda vraća se u drugi bunar koji je iste dubine kao i prvi tako da se tokovi podzemnih voda ne remete. Freon koji je sada u gasovitom stanju sabija se kompresorom i tada otpušta latentnu prenetu toplotu i predaje je vodi koja cirkuliše kroz kondenzator i sistem radijatorskog i/ili podnog sistema cevi u zgradi. Prednosti ovakvog sistema za grejanje i hlađenje su sledeće: Preko 70 % energije potrebne za grejanje prostora dobija se iz podzemne vode besplatno u toku celog veka eksploatacije toplotne pumpe. Ovaj sistem je prikazan na Slici 4.6. i kako se može videti sličan je radu frižidera ili uređaja za klimatizaciju (gtejanje i hlađenje). Kod frižidera se toplota iz unutrašnjosti prenosi i spoljašnju sredinua kada zagreva i obrnuto u sistemu hlađenja.; kod klima uređaja toplota spoljnjeg vazduha se prebacuje u grejnu prostoriju. Koeficijent korisnog dejstva toplotne pumpe (i ova troši električnu energiju za pokretanje kompresora, pumpi i/ili ventilatora) iznosi u zavisnosti od uslova od 2:1 do 5:1. Cena toplotne pumpe i podnog sistema grejanja i hlađenja sa kotlovskim i radijatorskim sistemom je nešto veća od klasičnog sistema (100 m2 stambenog prostora = 10 000 Eura), ali je isplativa imajući

u vidu dugogodičnju uštedu i rast cena drugih gorina, i imajući u vidu komfor i ekološke parametre. Pored zagrevanja stanova i ustanova geotermalna energija se po sličnim principima koristi za zagrevanje staklenika i to kako zemlje u njima tako i vazduha u njihovoj unutrašnjosti za proivodnju voća, povrća i cveća. Na taj način ova proizvodna može biti kontinualna (nezavisna od prirodnog ciklusa) t.j. može se raditi tokom cele godine, i istovremeno ekonomična zbog uštede energije i do 35 %. Ovakav način poljoprivredne proizvodnje je široko zastupljen u Mađarskoj (oko 80% energetskih potreba staklenika je geotermalnog tipa) u Italiji ali i drugim razvijenijim zemljama. Geotermalnom energijom se greju ribnjaci, ona se koristi i u industriji za dehidrataciju i uparavanje raznih proizvoda i sirovina, za pasterizaciju mleka, sušenje žitarica i sl. Procenjuje se da trenutno u zemljama EU postoji oko 380 000 toplotnih pumpi. 4.1.3.2. Korišćenje geotermalne energije iz geotermalnih mineralnih voda u medicini, balneologiji za postoperativne tretmane (rehabilitacija) u prevenciji i tretmanu bolesti koštanih, zglobnih sistema i sl., i sportsko rekreativne svrhe je najstariji i tradicionalni način. Koristi se prirodni protok ili voda iz plitkih bušotina. Korišćenje je za zagrevanje objekata, bazena za kupanje, ali se neke mogu i flaširati i konzumirati jer su sterilne i bogate mineralima i oligoelementima. U nekim banjama Srbije (Niška Banja, Prolom Banja, se koriste i toplotne pumpe za krišćenje geotermalnih voda niže temperature od 30 0C što je slučaj sa Prolom Banjom, ili već korišćene geotermalne vode. (www.centrala.org.rs./knjiga%20oliber%perpetum/05Energija-zemlje-geotermalenergz.pdf). 4.1.3.3. Geotermalna energija i proizvodnja električne energije. Proizvodnja električne energije na bazi geotermalne energije principijelno je slična proizvodnji u elektranama na bazi fosilnih goriva. Međutim, postoji bitna razlika u načinu proizvodnje vodene pare koja se ne dobija sagorevanjem fosilnih goriva, već se koristi geotermalna voda ili para sa visokom temperaturom (višom od 120 0C) koja pokreće generator. Druga razlika je ekološka prihvatljivost jer nema emisije štetnih gasova, niti problema sa emisijom čestica i odlaganjem pepela. Izvori za korišćenje geotermalne energije za proizvodnju struje su: 1. vruće suve stene: ove se nalaze na dubinama od 2,5 do 6 km. temperature od 150 do 300 0C, ali je ovaj izvor težak za korišćenje jer stene treba izdrobiti i dovoditi vodu do njih, jer slabo prenose toplotu, a uz to postoje opasnosti od eksplozija pa se ovi danas istražuju, 2. voda na velikim dubinama i pod visokim pritiskom, nalazi se na dubinama od 2,5 do 9 km, tempertura je oko 160 0C, a pritisak veći od 1000 bara, obično je sa velikim sadržajem minerala, do 10%, i zasićena prirodnim gasom, najviše metanom, pa se i korišćenje ove istražuje, 3. voda/para na manjim dubinama, do 5 km, temperature oko 300 0C, pritisak do 8 bara, voda može sama da izlazi, ili se pumpa, ali je i ovde nedostatak sadržaj minerala. Ako je u pitanju vodena para ova sama izlazi sa temperaturom oko 200 0C. Ovakvi izvori se komercijalno koriste jer ne zahtevaju posebne tehnologije za bušenje i eksploataciju.

Za proizvodnju električne energije potrebni su srednje ili visokotemperaturni izvori (temperature oko 150 ili najbolje oko 200 0c), dubine do 3 km, pogodne zapremine rezervora i izdašnosti izvora) kada se primenjuju dva sistema; • •

Flash steam sistem pogodan za vrele fluide iznad 200 0C i binarni sistem koji koristi izvore temperature od 150 d0 200 0C

Šematski prikaz proizvodnje električne energije je prikazan na Sl. 4.7. Vidi se da se hladna voda upumpava do suvih stena koje su blizu površine zemlje, tu se zagreva do oko 200 0C, a potom ovako zagrejana, drugom pumpom vraća na površinu pod visokim pritiskom do generatora u kome se proizvodi električna struja koja se potom distribuira do potrošača. Prva geotermalna elektrana snage 250 kW, koja je proizvodila struju za 5 sijalica, je izgrađena u Italiji, u mestu Landerello u periodu 1911 do 1913. god., obnovljena je posle II Svetskog rata snabdevajući danas oko 1000000 domaćinstava sa oko 5000 GWh godišnje. Svetski lider u proizvodnji je danas SAD, koje od vremena prve elektrane u području Geysers koje je najveći geotermalni izvor na svetu, Kalifornija 1960 god. (danas ih oko 21) sa instalisanim kapacitetom od 1360 MW., danas proizvode oko 15 milijardi kilovat sati (ekvivalent je 25 milijona barela nafre ili 6 miliona tona uglja). Geotermelne elektrane su skoncentrisane na Zapadu SAD sa

Slika 4.7. Šematski prikaz proizvodnje električne energije iz geotermalne.

udelom od 1/3 ukupne proizvodnje obnovljive energije (posle hidroelektrana i onih na bazi biomase). Danas se koriste 3 osnovna principa geotermalnih elektrana t.j. energo-konverzionih sistema za dobijanje električne energije od hidrotermalnih izvora, što zavisi pre svega od karakteristika izvora i fluida. Tradicionalni načini su Dry steam i Flash Steam sistemi, dalje binarni i Total Flow sistemi: 1. Princip suve pare ili Dry system, kod koga se za pokretanje turbine generatora direktno koristi para temperature oko 250 0C. Ovaj princip koriste napred spomenute geoelektrane, kako je niže prikazano na Sl. 4.8. Ove elektrane su najjednostavnije konstrukcije, najstarije i najjeftinije, ali je uslov stalna para iz

geotermalnog izvora. Prva geotermalna elektrana u Landerellou je radila na ovom principu. Poseban slučaj ove metode je Hot- draj-rok metoda. U suštini ove metode je dobijanje geotermalne energije tako što se voda upumpava preko bušotine do suvih, vrućih stena, zagreva se prelazeći u vruću paru temperature oko 170 0C, koja služi potom za pokretanje turbine generatora proizvodeći električnu struju v. Sl. 4.8.). Ovaj sistem se koristi ne samo za proizvodnju električne energije, već i za zagrevanje prostorija, ali i za druge potrebe kao recimo zagrevanje poljoprivrednog zemljišta, tako što se zagrejana voda koristi direktno ili preko izmenjivača toplote do potrošača. Para koja se kondenzuje se vraća u bušotinu radi povećanja izdržljivosti geotermalnog izvora, što se primenjuje ne samo u ovom slučaju već i u narednim koji su navedeni niže. Treba imati u vidu, dalje, da para ili vruća voda koje se koriste sadrže mehaničke nečistoće koje se moraju ukloniti pre ulaza u turbinu što se vrši primenom centrifugalnog separatora. Dalje, gasovi kao ugljendioksid, vodonik sulfid, amonijak i sl, koji se ne kondenzuju a korozivni su, moraju se ukloniti primenom parnih injektora

Slika 4.8. Geoelektrana na principu suve pare

2. Flash princip (Flash steam). Ovaj princip je poznat kao princip separiranja pare. Većina geotermalnih elektrana danas radi na ovom principu kod koga se koristi vruća voda temperature iznad 1900C iz geotermalnog izvora. Ova se pomoću pumpi iz geotermalnog izvora ispumpava prema površini i dovodi do turbine elektrane. Na površini se pritisak vode smanjuje pa tada voda (kao što je poznato) doživljava faznu transformaciju, t.j. prelazi iz tečne u gasovitu fazu ili vruću paru koja pokreće turbinu proizvodeči struju. Tečna voda koja se nije transformisala u paru se sakuplja i vraća nazad u unutrašnjost zemlje do geotermalnog izvora gde se ponovo greje i pumpa prema elektrani. Kod ovih elektrana opšti problem su veći protoci vode, uticaj na okolinu i degradiranje postrojenja zbog dodatnih sastojaka vode odnosno tvrdoće (saliiteta) koji treba da je do 280000 ppm. 3. Binarni sistem (Binary cycle). Ovaj sistem se koristi kod onih geotermalnih izvora kod kojih je temperatura geotermalne vode relativno niska, odnosno niža od one koja se koristi u prethodna dva sistema. Suština binarnog sistema je da se koristi neka druga tečnost koja ima nižu temperature isparavanja od vode, ali se zagreva vodom iz geotermalnog izvora u izmenjivaču toplote, isparavajući, a njene pare potom pokreću turbinu generatora. Ohlađena voda se, pak, vraća nazad u izvor, povovo zagreva, a potom se ispumpava ponovo prema

površini do razmenjivača čineći prvi zatvoren cirkulacioni krug. U drugom para druge tečnosti se hladi i ponovo dovodi do izmenjivača toplote u kome se zagreva pomoću vode, isparava i tako čini drugi zatvoren krug. Sistem je potpuno zatvoren, praktično bez gubitaka vode, i ima prednost što omogućuje korišćenje i onih izvora kod kojih je temperatura geotermalne vode niža. Procenjuje se da će u budućnosti većina geotermalnih elektrana biti projektovanja i izgrađena na bazi ovog principa. Izbor principa rada elektrane zavisi od vrste geotermalnog izvora, pre svega temperature, dubine, kvaliteta vode odnosno pare, izdašnosti i sl. Pored navedenih procesa postoje i kombinovai sistemi kod kojih se deo geotermalne energije koristi za proizvodnju električne energije, a deo kondezata se koristi za zagrevanje vode ili drugog medijuma za zagrevanje prostora u raznim objektima.

4.2.4. Geotermalna energija u zemljama WB (Geothermal Energy in WB Cauntries) Geotermalna energija se iskorišćuje u preko 20 zemalja sveta, a od svih zemalja SAD imaju najveće kapacitete za dobijanje energije na bazi geotermalne energije, pa su svetski lider u u proizvodnji električne energije iz ovog obnovljivog izvora (instalisani kapaciteti su oko 3040 MW). Iako zemlje WB poseduju respektabilne geotermalne kapacitete, recimo u Srbiji je gustina geotermalnog toka veća od one prosećne vrednosti Evrope i iznosi oko preko 60 mW/m2 , u Panonskom bazenu oko 100, korišćenje ove energije je neznačajno. Praktično nema niti jedne geotermalne elektrane, a korišćenje se svodi na zagrevanje prostora, stakljenika za proizvodnju cveća i voća i povrća kao i u balneološke i sportsko-rekreativne svrhe. Srbija koristi trenutno oko 86 MW ove energije, iako raspolaže značajnim potencijalom, oko 160 izvora sa temperaturom većom od 15 0C, odnosno oko 400 izvora podzemnih termalnih voda koje su istražene sa skromnih 40%. Iako su ulaganja u ispitivanje relativno velika ( metar bušenja košta oko 400 Eura, a jedna geotermalna instalacija košta oko 200000 evra) višenamensko korišćenje bušotina omogućava brzo vraćanje ulaganja. Najveći potencijal ima Panonski basen, centralni deo Južne Srbije i centralna Srbija. Najveću temperaturu imaju vode u Vranjskoj banji, 96 0C, Jošaničkoj i Sijerinskoj (oko 78 0C), slične potencijale ima Bosna i Hercegovina, Banja Vrućica, Slatina, Laktaši, Srpske toplice itd (www. centrala.org.rs./knjiga%20oliber% perpetum/05Energija-zemljegeotermal-energz.pdf) . Slična je situacija i sa Hrvatskom, i Makedonijom, čiji procenjeni kapaciteti su 812 MW toplotne i 45,8 MW električne energije. Glavne lokacije geotermalnih izvora su Varaždinske i Bizovačke toplice. Imajući u vidu prednosti geotermalne energije u budućnosti treba planirati njeno veće učešće u ukupnom energetskom bilansu. Kod procene ekonomičnosti i komercijalizacije geotermalnih sistema mora se voditi računa o proceni osobinama nalazišta, izdašnosti, dubini, troškovima bušenja i opreme za konverziju energije, kvalitetu vode i pare u datom području što je složena problematika. No može se ukratko reći da su parametri potrebni za proračun stvarnih troškova obnovljivog izvora energije pa tako i geotermalnog: 1. osobine resursa, jedna ili više ključnih osobina koje su potrebne za procenu energije koja se realno može koristiti

2. tehnološki opis sistema 3. parametri učinka sistema kao što su kapitalni troškovi, indirektni, troškovi održavanja i zamene opreme, rada i sl. ( Radaković M. 2010).

4.3. Energija vetra (Wind energy) 4.3.1. Uvod (Basic) Poznato je gustina zemljine atmosfere, a time i pritisak kao i temperatura, opadaju sa povećanjem visine. Posledica razlika u temperaturi vazduha i pritiska u različitim delovima atmosfere je vetar. Vetar predstavlja horizontalno strujanje vazduha koje nastaje zbog razlika u temperaturi ili pritisku, sa ciljem da se ove izjednače. Za vetar se može reći da predstavlja vazduh koji se pokreće pa zbog toga poseduje kinetičku energiju koja zavisi od brzine. Razlike u temperaturi potiču u največoj meri od sunčeve energije, pa se zbog toga često kaže i da je vetar posledica sunčeve energije i da predstavlja transformisani, ali i obnovljiv izvor, i oblik sunčeve energije. Od ukupne energije sunca koja dolazi na površinu zemlje u energiju vetra se pretvara između 1 i 2%. Zbog načina rotacije zemlje vetar ne duva u pravoj liniji već se uvija u spiralu koja, ponekad, prerasta u vetrove izuzetno velikih brzina i energije koje se nazivaju oluje, uragani i tornada. Uragani i tornada nastaju u veoma toplim i vlažnim uslovima obićno iznad mora i okeana u tropskim oblastima. Često stižu do kopna gde zahvaljujući svojoj ogromnoj energiji izazivaju velike štete, ali brzo prestaju jer na kopnu nema dovoljno vlage da ih održava. Tornada su slabija od uragana. Nastaju kada tople uzlazne i brze vazdušne struje koje imaju manji pritisak susreću silazne hladne, koje se spiralno kreću jedna oko druge praveći uzani levak u kome brzina vetra može biti do 500 km/h. Njihov intenzitet slabi kako se razlika u temperaturi i pritisku smanjuje. Vetar koji se kreće brzinom od oko 240 km/h ruši kuće i može isčupati drveće itz zemlje, dakle poseduje ogromnu mehaničku energiju. Na zemlji postoje područja na kojima duvaju t.z. stalni ili planetarni vetrovi, pa je iskorišćenje energije vetra najisplativije tamo. Ovakve pozicije su obično obale mora i okeana, posebno pučina (međutim, cena instalacija i transporta ometaju korišćenje stalne energije vetra pučina u, recimo električnu energiju). Najčešći način korišćenja energije vetra je pretvaranje njegove kinetičke energije u mehaničku energiju koja okretanjem osovine rotora se pretvara direktno u električnu, ili se pretvara dalje za vršenje nekog drugog mehaničkog rada, recimo okretanje rotora pumpe za navodnjavanje ili pokretanje valjaka za mlevenje, strugara, za pokretanje plovnih objekata preko jedara i sl.. Kod pretvaranja kinetičke energije vetra u mehaničku iskorišćuje se razlika u brzini vetra na ulazu i izlazu. Vetrenjače rade na principu usporavanja brzine vetra pomoću lopatica na propeleru. Vetar duva preko krila propelera izazivajući dizanje kao kod krila aviona, izazivajući njihovo pomeranje, t.j. rotaciono kretanje. Propeleri povezani sa osovinom mogu pokretati generator i proizvoditi struju, ili pokretati neki drugi uređaj. Naprave pomoću kojih se kinetička energija vetra pretvara u mehaničku nazivaju se vetrenjačama bez daljeg pretvaranja u električnu, dok one koje služe zadobijanje električne struje se nazivaju vetroelektrane, turbine na vetar, generator na vetar, vetrenjače za proizvodnju struje. Skup više vetroelektrana na jednom prostoru naziva se vetropark. I kod vetrenjača i kod vetroelektrana se kinetička energija vetra pretvara u mehaničku, preciznije u energiju

obrtnog kretanja, pomoću rotora koji se okreće pod pritiskom vetra, koje može dalje pokretati neki drugi radni uređaj, recimo, turbinu generatora. Krakovi rotora su u najranije vreme bili prekriveni platnom, trskom ili drvenim pločicama, a danas se koriste elise (propeler) od metala (aluminijum), plastike ili kompozitnih materijala visoke čvrstoće, jer vetroelektrana ne sme raditi kod brzina vetra većih od 15 m/s. Koeficijent korisnog dejstva ovih mašina koji predstavlja odnos energije proizvedene na obrtnom vratilu i energije koju utroši vetar za to okretanje je dat Betz-ovom formulom i iznosi 59,3%. 4.3.2. Proračun dobijene snage (calculation of obtained power) Još daleke 1919 god nemački naučnik A. Betz je, kako je napred navedeno, pokazao da vetrenjača može da iskoristi najviše 59% od teoretske energije vetra. Kinetička energija vetra je proporcionalna poluproizvodu mase m i kvadrata brzine v t.j. E = ½(m v2) dok je kinetička energija strujanja vetra kroz turbinu : E = ½(ρ m v2) gde je ρ gustina vazduha, a m masa vazduha koja dospeva do obrtnog tela (propeler). Snaga, P, koja se prenosi na obrtno vratilo vetrenjače je proporcionalna površini koju on pokriva (rotor), gustini vazduha i trećem stepenu brzine vetra t.j. 1 P = α ⋅ ρ ⋅ r 2 ⋅π ⋅ v3 2 gde je P snaga u W, α je faktor iskorišćenja, v je brzina vetra u m/s, r je radijus turbine u m, a kvadrat radijusa pomnožen sa π je kako se zna je površina, dok je ρ gustina vazduha u kg/m 3. Treba napomenuti da brzina vazduha posle rotora opada, jer vetrenjača preuzima energiju vetra. Tako, ako je gustina vazduha 1255 kg/m3 , a brzina vetra 8 m/s, kroz rotor prečnika 100 m, preneće se 77000 kg vazduha kroz prostor površine elisa rotora turbine ili vetrenjače, a ukupna snaga izračunata zamenom vrednosti u gornju jednačinu bi bila 2,5,MW, ali od toga može da se iskoristi efektivno 1,5 MW. Sa povećanjem brzine za dva puta, snaga raste 8 puta (zbog trećeg stepena zavisnosti).

Iz napred iznesenog sledi da su faktori koji utiču na snagu dobijenu iz strujanja vetra: gustina vazduha (ova zavisi od temperature i visine), površini zona koju pokriva rotor za vetar i njegova površina i brzina vetra. Snaga zavisi od dužine propelera turbine, t.j. rotirajućoj površini koju stvara propeler rotirajući, r2 π, pa sa dvostrukom površinom propelera dobijmo učetvorostučenu snagu. Klimatologija vetra se opisuje najčešće: 1. ružom vetrova koja predstavlja dijagram koji pokazuje učestalost vetrova po pravcima i opisuje srednje brzine vetra na nekoj lokacijič 2. histogramom empiriske raspodele brzine vetra koji prebrojava koliko ima izmerenih podataka o vetru u nekom zadatom intervalu brzina.

Kod izbora lokacija za vetrenjaču, pored klimatologije vetra treba imati u vidu i promenu intenziteta vetra sa visinom koje su posebno izražene do 100 m. Brzina vetra na visini od 100 m je veća za oko 1,5 do 2,5 puta od one na 10 m, pa imajući u vidu zavisnost energije vetra od trećeg stepena njegove brzine, energetski potencijal vetra na visini od 100 m može biti veći do 15 puta od one na 10 m (u proseku je to oko 4 puta). Zbog toga je i razvoj vetroturbina išao u pravcu stalnog povećanja visine, kako je to prikazano u tabeli IV.2. (Jakupović E. Mirjanić D. 2009, Zlatanović M. 2011). Kod donošenja odluke o eventualnoj izgradnji vetroelektrane treba imati u vidu rizike koji su tehničke (istraživačke, razvojne, projektne) i ekonomske priode (tržišne, političke, administrativne). U pripremnoj fazi projekta spada izrada investicionog programa i plana razvoja, merenje i analiza potencijala vetra (izrada t.z. karte vetrova) i finansijska analiza. 4.3.3. Korišćenje energije vetra (Users of Wind Energy) Prvi podaci o korišćenju energije vetra se odnose na Persiju u kojoj su još pre oko 6000 god. pre nove ere korišćene vetrenjače (za mlevenje žitarica) sa vertikalnom osovinom, sa 6 do 12 jedara pokrivenih platnom ili trskom. U Evropu se vetrenjače grade tek oko 1200 god. na prostorima gde su geografski uslovi bili pogodni, najviše na severu Evrope. Ove su korišćene za mlevenje žitarica, za pumpanje vode, kasnije za odvajanje zrnevlja od stabiljke, za sečenje drveta u strugarama i sl. Iako su prve vetrenjače izgrađene na Severu Evrope, (Holandija i Danska, v Sl 4.9.) one su potom građene i u SAD, i drugim delovima Evrope (Mađarska), ali su korišćene i na našim prostorima pre svega u Vojvodini, sve do pronalaska parne mašine i električnih motora i motora sa unutrašnjim sagorevanjem kada su skoro istisnute iz upotrebe, pre oko 200 god., tako da danas uglavom služe za potrebe turizma.

Slika .4.9. Vetrenjača

Ne treba zaboraviti da je energija vetra korišćena od najranijih vremena, ali i danas, za pokretanje raznih plovnih objekata, jedrenjaka gde je snaga vetra preko platnenog jedra korišćena za njihovo kretanje. Krajem 19 veka, je počela upotreba vetrenjača i za proizvodnju električne energije, koja se danas zbog ograničenosti, ekološke neprihvatljivosti fosilnih goriva s jedne, a s druge strane zbog obnovljivosti i ekološke prihvatljivosti upotrebljavaju sve više.

Zadnjih godina sa globalnim suočavanjem čovečanstva sa klimatskim promenama za koje se smatraju fosilna goriva odgovornim, njihove ograničenosti i prednostima energije vetra, proizvodnja električne energije iz energije vetra se višestruko uvečava, a taj trednd će biti i dalje izražen. Naime, prema podacima Svetske asocijacije energije vetra, World Wind Energy Association (WWEA), u 2011 god. se očekuje rast tržišta energije vetra za dvostruku vrednost. U odnosu na 2009 god instalisano je novih 5374 MW odnosno 23% više u odnosu na prethodnu godinu, odnosno ukupno 152000MW, kako se može videti iz podataka za period 2000 do 2009 prikazanih na Slici 4.10. Trenutno u oko 70 zemalja Sveta se koristi vetar za proizvodnju struje. Korišćenje energije vetra u Zemljama WB Instalisani kapaciteti u Evropi prema podacima za 2007 god iznose oko 56 GW, a od toga gotovo 40% ima u Nemačkoj, potom sledi Španija sa 27%, a nešto su manji instalirani kapaciteti u ostalim zemljama EU Danska, Italija, Francuska, Velika Britanija, Portugalija, Holandija, Austrija, Grška. U zemljama WB nema niti jednog instaliranog kapaciteta za proizvodnju električne energije na bazi vetra, ali i nekim zemalja EU kao Kipar, Malta Slovenija. U Srbiji je izrađen Atlas vetrova AP Vojvodina, Bavanište sa 100 MW (98 jedinice sa 1,1 MW) i Bela Crkva sa 100 MW, sličan poseduje i BiH. Takođe, interesantno je područje Vlasine sa prosečni vetrom od oko 8 m/s. U ostalim zemljama WB nema vetrogeneratora, a postoje uslovi.

Novi instalirani kapaciteti u MW

30,300 27,261

Ukupni kapaciteti instalirani u svetu u MW

152,000

121,188

19,776 93,927

15,127

74,151

11,331

59,024 47,693

8,398

39,295 31,181 18,039

2004

2005

2006

2007

2008

2009

24,322

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Slika 4.10. Ukupni svetski kapaciteti energije vetra u MW

Ograničenja su ulaganja u ispitivanja, t.j. postavljanje mernih stubova za sakupljanje i obradu podataka na mogućim lokacijama za šta je potrebno oko 10000 Eura po stubu (www.obnovljiviizvori energie.rs/energija vetra.html. ). Značajne potencijale energije vetra poseduje R. Hrvatska i Bosna i Hercegovina. Prema nekim studijama u BiH postoji ekonomski potencijal za razvoj oko 600 MW električne energije na bazi energije vetra, a uslove za to imaju lokacije od Trebinja preko Mostara do Bugojna, dok novija istraživanja ukazuju da je ukupni potencijal oko 2000 MW od čega je ekonomski iskoristivo oko 900 MW (Jakupović E. Mirjanić D. 2009).

4.3.4. Prednosti i nedostaci energije vetra energije (Benefits and disadvantages for Wind Energy) Prednosti korišćenja energije vetra su: • • •

•

nudi čistu, pouzdanu i ekološki prihvatljivu struju po povoljnoj ceni (oko 0,06 E/kWh) jer nema zagađenja okoline niti troškova sirovina t.j. goriva, otvaraju nova radna mesta u regionima (nova radna mesta za proizvodnju turbina, tornjeva, održavanja i sl., porezi i renta za korišćenje zemljišta idu lokalnoj zajednici) vetroelektrane imaju širok spektar snage od nekoliko kW (za potrebe malih potrošača, selo, farme i sl) do nekoliko MW (5) u industrijskim regionima gde mogu biti spojene više jedinica na farmama vetrova, ili ekoloških farmi, i preko transformatora se priključuju na električnu mrežu), idealna su baza za rad sa drugim obnovljivim izvorima energije u većim ili manjim regionima, (hibridni sistemi),

dok su nedostaci • • •

visoki troškovi izgradnje nedostatak pogodnih lokacija i meteorološki uslovi, t.j. promenljivost brzine vetra kada nema garancije za isporuku (rotor se ne može okretati bez vetra, ali isto tako niti ako je brzina vetra veća od 15 m/s) zbog okretanja rotora stvara se buka, specifičan i konstantan zvuk koji može da smeta stanovništvu ako ga ima u blizini, ali može doći i do povređivanja živih bića, pre svega ptica, koja bi došla u kontakt sa rotorom. Lopatice elise treba da su iz bezbednosnih razloga najmanje 10 m iznad bilo čega u krugu od najmanje 150 m. Nivo buke zavisi u mnogome od meterooloških prilika, jedna savremena vetrenjača generiše buku od oko 45 db, što je niše od, recimo, kancelarijske ili t.z. kućne buke i oko 3 puta manje od one mlaznog aviona.

4.3.5. Proizvodnja električne energije snagom vetra (Production of electrical Energy with Wind Power) Električna energija se proizvodi pomoću vetroelektrana koje se u principu sastoje od (v.Sl. 4.12.) fundiranog postolja, osnove, sistema za odvod električne energije sa elektronskim sistemon za upravljanje i kontrolu rada, tornja na kome je postavljen generator sa turbinom kao i elisama obrtnog elementa (rotor). rotor se sastoji od lopatica (elise) i glavčine rotora pretvara energiju vetra u energiju rotacije vratila. Rotor može biti sa jednom, dve ili tri elise. Lopatice (elise su sa uzgonom (ove se pokreću zahvaljujući svom aeroprofilu i koriste razlike u pritisku koje vetar stvara kretanjem kroz njih) ili sa otporom (ove se pokreću usled otpora koji stvara vetar). Rotor je smešten na gondoli generator proizvodi naizmeničnu struju, koja se prenosi dalje na korišćenje, skladištenje ili se eksportuje na elektromrežu. kontrolni sistem reguliše start ili isključuje mašinu zavisno od brzine vetra, sistem za usmeravanje ovaj postoji kod mašina sa horizontalnom osom a ima zadatak da ih usnerava u pravcu vetra (kod manjih turbina je to rep, a kod većih elektromotori sa sistemom kontrole) sistem zaštite sprečava štete usled prevelikih brzina vetra promenom nagiba propelera,

torenj služe da nose vetroturbinu na visinu koja omogućava hvatanje maksimalne energije vetra. elektrooprema, električni kablovi, oprema za povezivanje, kontroleri i merači sa sistemima za upravljanje i kontrolu rada tornja. Pogodni geografski uslovi stalni vetar većih brzina, najčešće na obalama mora ili površini mora (offsfor wind, vetar mora i okeana), i većim visinama na planinama i brdima, (onshore wind, vetar kopna) omogućavaju da je proizvodnja električne energije iz vetra konkurentna i profitabilna delatnost u odnosu na onu iz klasičnih izvora kao hidroenergija, termoenergija, nuklearna i sl). Pri ovome treba imati u vidu da će cena energije ovih rasti u odnosu na energiju vetra, s jedne, a s druge strane da će cena vetroelektrana opadati što govori o dobroj perspektivi proizvodnje električne energije snagom vetra.

Slika 4.11. Farma vetra: onshor (a) i offsfor wind (b)

U zavisnosti od lokacije vetroturbina od 1,5 MW može proizvesti 2,5 do 5 miliona kWh električne energije za godinu dana što je ekvivalent za 1000 do 2500 osoba ili dve do tri električne lokomotive. Vetroturbine se koriste u zavisnosti od lokacije i potreba kao jedinične ili više njih obično po tri jedinice višestruko povezane kada ovako grupirane čine farmu vetra kako je prikazano na Sl. 4.11. Kod spajanja više vetroturbina u farmu turbina ili mrežu moraju postojati osigurači za diskonekciju pojedinačnih turbina, ili cele farme, potrebno je instalirati pojedinačne merače sa sopstvenim napajanjem, transformatore kako bi transformisale napon od srednje visokog do visokog, kao i sistem zaštite vetroturbine i farme koji mora obezbediti sigurnost u radu i zaštitu u svim uslovima i tokom rada vetroturbine. Prema lokaciji se razlikuju dve vrste farmi vetrenjača, 1. na kopnu (Onshore) i 2. na morskoj pučini (Offshore) kod kojih temelj ima posebnu konstrukciju i može biti jednostubni, gravitacioni i trostubni. Postoji značajna razlika između vetra na kopnu i onog na morskoj pučini u odnosu na površinu po kojoj duva. (neravnost morske površine je niska ali se menja zbog talasa, t.j.zavisi od polja talasa.). U odnosu na vetrenjače na morskoj pučini, vetrenjače na kopnu imaju prednosti jer su jeftiniji temelji za postavljanje, jeftinija je integracija elektromrežom i jednostavnije održavanje. Naime, kod offshor vetroelektrana temelji

su znatno skuplji jer se postavljaju na pučini mora i okeana, kablovi za prenos predstavljaju dodatni trošak za vezu vetroelektrana - obala, i mora se, dlje, sagledati uticaj na okolinu, t.j. uticaj vetrenjača na podmorje, život ptica i vizuelne efekte što stvara dodatne troškove u fazi izrade studije izvodljivosti. Snaga vetroturbine varira od nekoliko kWh, najčešće od 100 do 300 kW koje se koriste individualno ili za mala naselja pa se nazivaju male vetroturbine, ili kao set snažnijih, oko 2 MW kada se uključuju u elektroenergetski sistem ako su potrošači udaljeniji od mesta proizvodnje. Prema međusobnom položaju obrtne ose rotora i pravca vetra koji ga pokreće vetrenjače i vetroelektrane mogu biti: 1. aksijalne, ili horizontalne, (horizontal axis wind turbine) ovde su osa rotora i pravac vetra paralerni, t.j. pravac vetra je duž ose rotora), a kod ovih turbine moraju gledati u vetar (mehanizam uz vetar-upwind)) ili biti smeštene niz vetar (mehanizam niz vetar-downwind) kako je prikazano na Sl.4.12. 2. radijalne, ili vertikalne, kod ovih je osa rotora normalna u odnosu na pravac vetra www Aksijalne vetroelektrane Ove imaju lopatice slične onima propelera aviona, i rotiraju horizontalno u odnosu na zemlju. Postoje dva mehanizma rotacije, mehanizam uz vetar (upwind) i mehanizam niz vetar (downwind). Prva aksijalna

Slika 4.12. Aksijalne vetroelektrane sa elipsom sa tri i dva krila

vetroelektrana je konstruisana sredinom prošlog veka u Danskoj, a na osnovu nje su razvijene savremene turbine. Ove elektrane imaju najčešće, dva ili tri krila, sa usavršenim aerodinamičkim profilom krila, i savremenim materijalima za prenosne mehanizme i elektronskim kontrolorima. Snazi aksijalnih turbina doprinosi dužina krila rotora jer je moment sile na obrtnom elementu proporcionalan dužini, ali je ograničavajući faktor veća brzina vetra od 15 m/s kada može doći do lomljenja. Izrada krila od čvršćih i lakih materijala (karbonska vlakna) povećava cenu, dok jeftiniji i

teži materijli smanjuju efikasnost jer povećanje mase rotora usporavaju prilagođavanje prema prema promeni pravca vetra. Samo kod velikih vetroturbina je opravdano prilagođavanje i zaštita (zakretanje krila oko sopstvene ose, ili obaranje rotora u horizontalni položaj. Nedostaci aksijalnih turbina su prekid rada kod većih brzina vetra, potreba za promenu pozicije rotora u zavisnosti od smera vetra, visoki toranj za montažu i veliki prostor za rotor. Međutim, prednost je visoki koeficijent iskorišćenja snage vetra od oko 45% u proseku što im daje prednost primene za snage u opsegu od nekoliko kilovata do nekoliko mega vata. Prve vetrenjače sa horizontalnom osovinom su bile na nepokretnom tornju zbog stalnog smera vetra, a kasnije verzije se grade sa pomičnim tornjem koji se ručno usmerava u pravcu vetra, a potom su vršene inovacije tako da se okretanje vrši automatski pomoću repa, ili dodatne male vetrenjače koja je okretala vrh tornja. Danas su najrasprostranjeniji vetrogeneratori snage od 1 do 2 MW kod njih su elise sa tri krila, a prenosni sistemreduktor kao i električni generator se nalazi na vrhu nosećeg tornja visine, najčešće od 40 do 80 m, ali i do 140m. Cela konstrukcija se pomoću senzora pravca vetra pokreće tako da je elisa uvek okrenuta normalno na pravac duvanja vetra. Najsloženiji deo je mehanička kutija koja pretvara lagano i neujednačeno okratanje elise u brze okrete generatora stalne učestanosti. Radijalne vetrenjače i vetroelektrane Ove vetroelektrane su jednostavnije za izradu, imaju veliki obrtni moment, izdržljive su i namaju potrebu da se okreću u pravcu vetra ali imaju manji koeficijent korisnog dejstva od aksijalnih. Prve vetrenjače u Persiji a i one u Kini su bile ovog tipa sa krilima od platna ili trske. Postoji nekoliko konstrukcija vertilanih vetrenjača i vetroelektrana, prema obliku jedra koje pokreće obrtnu osovinu: • • • • •

anemometar, sprava za merenje brzine vetra sa šupljim poluloptama (ove imaju ulogu elisa) kojima se hvata vetar v. Sl desno. Savonius (Sigfried Savonius, Finska) turbina i Darius (Darrieus, Francuska) turbina, H- rotor, Riviere-ova, Francuski patent 2659391

koje su prikazane na sl. 4.13. Kod konstrukcije Savoniusa rotor ili bolje rečeno obrtni element čine dve cilindrične površine, delimično preklopljene u obliku slova S, a međusobno čeono sučeljene. Dariisova turbina ima dva, ili više, trakasta krila u obliku slova C koja su blago upredena. H turbina je slična Dariusovoj dok Rivierova turbina ima pločasta krila koja mogu da rotiraju i oko sopstvene ose. Ova turbina je u eksperimentalnoj fazi. Najveći koeficijent iskorišćenja ima Dariusova turbina, sa vršnih 40% i prosečnim od oko 35%. Savoniusova pak, ima najmanji koeficijent iskorišćenja, ovaj u proseku oko15%, ali ima prednosti u odnosu na Dariusovu što ne zauzima veliki prostor i bezbednija je za živa bića. Dariusova ne može sama da startuje i zauzima veliki prostor, jer se njena osovina učvršćuje zateznim užadima.

Slika 4.13. Razlićite konstrukcije radijalnih vetroelektrana

Inicijativa EU je da se poboljša konkurentnost energije vetra, razvojem novih tehnologija i vetrenjača snage do 20 MW, posebno na offshorr wind sistemima, i poboljša integracija mreže vetra sa udelom od 20%, da se poboljša i optimizuje ceo ciklus od logistike, transporta, izgradnja, održavanje i automatizacija sa upravljanjem i kontrolom procesa. U prilog ovakve strategije EU govore i podaci o dosadašnjem razvoju vetroturbina koji se odnose na stanje u Nemačkoj i proizvedene energije koji su prikazani u Tabeli IV.2. Tabela IV.2. Razvoj vetroturbina. 1980 30

normlna snaga prečnik 15 rotora/m visina/m 30 proizvedena 35000 energija/kWh

1985 80

1990 250

1995 600

2000 1500

2005 5000

20

30

40

70

115

40 95000

50 400000

78 1250000

100 3500000

120 17000000

4.4. Energija sunca (Solar Energy) 4.4.1. Uvod (Basic) Zemlja je deo Sunčevog sistema. Sunce je zvezda koja je nastala pre oko 5 milijardi godina i najbliža je zvezda Zemlji. Sunce predstvlja izvor života na Zemlji, ali prema današnjim shvatanjima i siguran izvor energije u budućnosti, jer je izvor gotovo sve raspoložive energije u proteklom periodu, a prema raspoloživim zalihama vodonika na njemu to će se nastaviti još narednih 5 milijardi godina. Energija sunca potiče od nuklearnih reakcija koje se odvijaju u njemu, pa se može grubo smatrati da Sunce predstavlja jedan fusioni reaktor u kome se spajanjem dva atoma vodonika dobija molekul inertnog gasa helijuma uz oslobađanje velike količine energije. Smatra se da se svake sekunde 600 miliona tona vodonika pretvori u helijum, a oko 4 miliona se transformiše u energiju. Ovaj proces je propraćem oslobađanjem velike količine energije t.j. toplote, tako da je temperatura u jezgru Sunca oko 15 milijona 0C, koja se širi Svemirom u vidu elektromagnetnog zračenja, ili svetlosti, pri čemu jedan deo ove energije dospeva do površine zemlje. Naime od 3,8 1026 W koje Sunce emituje u Kosmos, do površine Zemlje stigne oko 1,7 1017 W, a od toga oko 70% se reflektuje nazad u Kosmos, 47% se apsoruje kao toplota, 23% ide na procese kruženja vode u prirodi a ostatak na procese fotosinteze. Ako su pogodni uslovi na površini zemlje se dobija oko 1 kW/m2 , u zavisnosti od lokacije, godišnjeg doba, vremenskim uslovima, dobu dana ova vrednost insolacije može biti manja ili veća. Dotok energije Sunčevim zračenjem naziva se solarna konstanta, koja prosečno iznosi 920 W/m2. Na godišnjem nivou to bi u proseku iznosilo 3000 kW/m2 Zemljine površine. U pitanju su dakle ogromni, još nedovoljno korišćeni energetski resursi na koje u budućnosti treba daleko više i ozbiljije računati, (www.tehno’dom.hr/index.php?option=com’content@view=article@id=11@Itemid=53).

Na osnovu nekih predviđanja pretpostavlja se da će do 2050 god. od 20 do 30 % svetske proizvodnje električne energije biti solarnog porekla. Već danas su izgrađene neke solarne elektrane sa snagama većim i od 2 MW. Tako u Španiji trenutno najveća elektrana ima snagu 20 mW, sa panelima na 100 hektara a uskoro treba da se pusti u pogon u Novom Meksiku jedna snage 300 mW na 1300 hektara. S druge strane sve više se koristi sunčeva energija kao toplotna za zagrevanje stambenih, javnih i drugih građevinskih objekata, zatim kao dodatna energija u poljoprivredi i industriji. Po masovnosti primene na prvom mestu je primena sunčeve energije za zagrevanje prostora. Za to se koriste kolektori koji sakupljaju sunčevu energiju i toplotne pumpe koje koriste sunčevu energiju akumuliranu u okolnom prostoru ili zemljinom tlu. 4.4.2. Sunčeva energija i njena transformacija u toplotnu i električnu energiju Energija zračenja koja dopire do površine Zemlje zavisi u prvom redu od trajanja insolacije (trajanja sijanja Sunca, odnosno o vremenu kroz koje se Sunce nalazi iznad horizonta). Trajanje insolacije zavisi od geografske širine i od godišnjeg doba. Razlika između vremena izlaska i vremena zalaska Sunca kojoj je izložena horizontalna i nezaštićena površina daje vreme trajanja insolacije.Ono iznosi za našu zemlju oko 15h leti i oko 9 h zimi. Stvarno trajanje insolacije je znatno kraće zbog pojave oblaka i

Slika 4.14. Količina solarne energije po času, koju svakodnevno prima površina pod optimalnim iskošenjem u toku najgoreg meseca u godini (na osnovu prikupljenih podataka o insolaciji u svetu) a prema: www.geog. pmf.hr./eskola/geo/mini/obnovi -izvori-energ-/solarna-en.html,

magle, ali i zbog stanja atmosfere na posmatranom području (zagađenost). Ona se razlikuje za površine koje su postavljene horizontalno, vertikalno, ili pod nekim uglom u odnosu na površinu Zemlje. Tako, realno trajanje insolacije za Beograd (na horizontalnu površinu) iznosi 2071 h godišnje, od toga 70.5% u periodu od aprila do septembra meseca i 29.5% u periodu od oktobra do marta. Za Podgoricu je to vreme 2442 h. Na karti prikazanoj na Sl. 4.14. koja prikazuje insolacijski nivo vidi se da Evropa nije na vrlo pogodnom području za eksploataciju, ali uprkos tome u Evropi je direktno iskorišćavanje sunčeve energije u velikom porastu. Većinom je to rezultat politike pojedinih država koje subvencioniraju instaliranje elemenata za pretvaranje sunčeve energije u iskoristivi oblik energije. Osnovni problemi su velike oscilacije intenziteta zračenja i velika investiciona ulaganja. Elementi zračenja Sunca su; 1. Tok zračenja , 2. Gustina toka (tzv. Iradijacija) , 3. Sveukupna radijacija u određenom vremenskom razdoblju , Kod svih proračuna, Sunčeva energija, se mora posmatrati kroz tri njene komponente zračenja i to: 1. direktno, 2. raspršeno i 3. reflektovano zračenje. Ukupno zračenje Sunca koje dospeva do površine Zemlje naziva se globalno zračenje, i sastoji se iz tri napred navedene komponente. Direktno zračenje je ono koje direktno dospeva do Zemlje, reflektovano je ono koje se sa površine odbija i vraća u

atmosferu, dok raspršeno (ili difuzno) nema stalni pravac zračenja i zavisi od atmosfere, a ne od Sunca (Pavlović T. 2011). Snaga Sunčevog zračenja (P) se definiše kao: P = dQ/dt (Q je energija zračenja fotona Sunčeve svetlosti, a t vreme), dok se gustina energije Sunčevog zračenja (G) predstavlja energiju koja pada na određenu površinu (A) pa je: G= dP/dA W/m2 Ova veličina se u literaturi opisuje i kao ozračenje, gustina snage Sunčevog zračenja, fluks Sunčevog zračenja, globalno Sunčevo zračenje itd. Ukupno globalno sunčevo zračenje je suma difuznog, reflektovanog i direktnog zračenja. Objekti koji primaju deo dozračene energije sunca nazivaju se Prijemnici Sunčeve energije, a u zavisnosti od prirode transformacije energije u njima razlikuju se: 1. toplotni prijemnici, kod njih se energija sunca direktno pretvara u toplotnu, 2. fotoelektrični prijemnici koji transformišu energiju Sunca u električnu, pomoću solarne čelije, 3. hemijski prijemnici koji transformišu energiju Sunca u hemijsku, a transformacija se odvija posredstvom materije koja učestvuje u hemijskoj reakciji, 4. bio ili biohemijski prijemnici, koji transformaciju sunčevu energiju u neki drugi vid, a to vrše materije biološkog porekla (biljke) Osnovni principi direktnog iskorišćenja Solarne energije su: • • •

pretvaranje solarne energije u toplotnu (aktivno i pasivno) i direktno pretvaranje u električnu energiju pomoću fotonaponskih panela (FNP), ili čelija, za proizvodnju električne energije za male ili velike potrošače (mala energetska postrojenja ) fokusiranje sunceve energije za upotrebu u velikim energetskim postrojenjima

U pricipu postoje dve mogućnosti za direktno iskorišćavanje Sunčevog zračenja: aktivno, kojim se posebnim uređajima (kolektori, fotonaponske ćelije) pretvara Sunčeva energija u toplotnu ili električnu i pasivno su koristili naši daleki preci. Kod ovog načina se solarna energija koristi bez posrednih uređaja za direktno zagrevanje, recimo u staklenicima za zagrevanje, ili direktno zagrevanje vode, ili načinom konstrukcije zgrada i njihova orijentacija prema Suncu tako da se što više iskoristi ovaj resurs, a da nije potrebno ulaganje u električnu energiju, jer procesi baziraju na prirodnim spontanim procesima. Kod ovog načina korišćenja vodi se računa o orijentaciji zgrade, koncepciji fasade,

izolaciji da bi se manje energije trošilo na zagrevanje, ali istovremeno se prostorije tako planiraju da su okrenute prema južnoj strani da bi se iskoristila energija sunca ili se rade posebni, trombe zidovi, i prostorije potpuno osvetljene. Slojevitim fasadama se rešava toplotna izolacija ali i očuvanje toplote. Integracija svih mogućnosti je osnov pasivnog korišćenja Solarne energije. Osnovni elementi pasivne solarne tehnike su; • • • • • •

• • •

pravilna orijentacija zgrade nastrešnica prozori toplotni zastori boja zidova i nameštaja Trombov zid (staklena veranda zahvata direktno i difuzno sunčevo zračenje, iza nje se nalazi masivan tamno obojen zid Trombov koji apsorbuje prispelo zračenje a poseduje gornje i donje otvore koji se noču ili zimi otvaraju tako da preko gornjeg ulazi topao vazduh, a putem donjeg izlazi hladan vazduh koji se ponovo greje. Trombov zid služi kao apsorber, kao grejno telo i skladište toplote. vodeni zid staklena veranda podno skladište toplote (šljunak u podu danju akumulira) itd.

4.4.3. Pretvaranje solarne energije u toplotnu ili solarno zagrevanje Ovo pretvaranje energije može biti direktno ili indirektno, odnosno pasivno i aktivno ili kombinacija ova dva principa. Pasivni sistem je jeftiniji i on se primenjuje u fazi projektovanja i izgradnje objekta kako bi se toplota sunca koristila pomoću samih elemenata objekta, veliki prozori okrenuti prema jugu, podovi i zidovi koji apsorbuju toplotu preko dana, a emituju je noću, kako je napred navedeno. Kod aktivnog sistema se koriste posebni uređaji pomoću kojih se sakuplja sunčeva energija i pretvara u toplotnu, a nazivaju se Toplotni ili Solarni kolektori. Osnovni principi aktivnog, direktnog iskorišćavanja sunčeve energije su; • Solarni kolektori za zagrevanje vode u prostorijama i bojlerima • koncentrisanje sunčeve energije kod velikih energetskih postrojenja i • fotonaponske ćelije za pretvaranje u električnu energiju. Pomoću ovih uređaja se može zagrevati potrošna voda ili voda potrebna za grejanje stambenog ili drugog prostora. Solarni kolektori apsorbujući energiju Sunca mogu da zagrevaju gas (vazduh ili neki drugi) ili tečnost (najčešće vodu) i predaju je vodi ili direktno prostoru koji se greje. Ovakvi sistemi se sastoje, principijelno, od kolektora koji apsorbuje toplotu Sunca, ventilatora ili pumpi koji služe za prenos gasa ili tečnosti, a time i toplote do potrošača, ali i rezervoare da bi se temperatura prostora koji se greje održavala kako danju tako i noću. Često se koriste u kombinaciji sa drugim izvorima zagrevanja kada energija Sunca nije dovoljna. Ako se kolektori koriste za zagrevanje kuća, kućni solarni sistem, obično su dovoljni oni površine oko 10 m2 ,, za veće objekte bolnice, škole, i druge javne ustanove potreban je veći broj za grejanje ili proizvodnju tople vode za sanitarne ili druge potrebe. Na slici 4.15. prikazan je princip aktivnog solarnog grejanja. U sistemu se razlikuju dva cirkulaciona kruga: primarni i sekundarni. U primarnom krugu, toplota apsorbovana u apsorberu tj. kolektoru se prenosi do razmenjivača toplote RT. U

sekundarnom krugu se preko RT toplota predaje akumulatoru toplote, a odatle posredno ili direktno potrošaču, kao topla sanitarna voda ili voda za grejanje prostorija. Prenosilac toplote u primarnom krugu je najčešće smeša vode sa 30-40% etilenglikola (anti-friz), jer ona kruži kroz deo instalacije koji je izvan objekta, tj. kolektor. Na ovaj način temperature zamrzavanja fluida u primarnom krugu se snižava ispod -20 oC.

Slika 4.15.

Sistem za grejanje i toplu vodu

Kolektori se kod građevinskih objekata obično postavljaju na krov (Sl. 4.16.) i to pod određenim optimalnim nagibom. Za zimske uslove u našim krajevima najpovoljniji je nagib oko 60 o prema jugu. Automatikom se obezbeđuje da fluid teče iz kolektora prema izmenjivaču toplote samo ako mu je temperatura viša od temperature fluida sekundarnog kruga, jer bi u suprotnom kolektor hladio fluid umesto da ga zagreva.

Slika 4.16. Solarni kolektori postavljeni na krov kuće ili zgrade

Prema konstrukciji razlikuju se tri vrste solarnih kolektora: 1. ravni, 2. selektivni i 3. koncentrišući solarni kolektori Ravni solarni kolektori su jednostavne konstrukcije i veoma su često u upotrebi. Ravnim TSK mogu se dobiti temperature fluida do 100 °C, jednostavne su konstrukcije i veoma su često u upotrebi (v. Sl. 4.16).

Slika 4.17. Ravni solarni kolektor Elementi ovog kolektora su: 1. Cev obično bakarna kroz koji struji fluid (sa ulazom hladnog fluida, i izlazom zagrejanog fluida) 2. Kućište (Drvo, metal, plastična masa) 3. Termoizolacija (najčešće mineralna vuna ili PU pena ) 4. Apsorber - bakarna crno obojena ploča čvrsto vezana sa cevi (1) 5. Staklena ploča (često sa antireflektujućim slojem) Selektivni solarni kolektori Oni su posebno konstruisani kolektori koji se rade od hroma ili nikla sa specijalnim crnim premazima koji primaju samo svjetlosne zrake određene talasne dužine a faktor refleksija mu je približno = 0. Ovi kolektori mogu postići temperature fluida i do 500°C. Najčešće se koriste kod Solarnih elektrana za dobijanje suve vodene pare. Koncentrišući solarni kolektori Bazirani su na pojavi poznatoj iz Fizike da se Sunčevi zraci mogu fokusiratia time i energija, zakrivljenim površinama ili ravnim ogledalima na malu povšinu. Za koncentrisanje sunčeve energije se koriste tri tehnologije: 1. parabolična korita 2. parabolični tamjir i 3. energetski toranj.

Prave se u dve varijante. Princip je da se veća površina sunčevih zraka prihvati i usmjeri na male površine prijemnika sa fluidom. Prva varijanta ima parabolična ogledala u čijoj se žiži nalazi staklena cev (prijemnikapsorber) sa fluidom (v. Sl. 4.18. a).

a

b

Slika 4.18. Koncentrirajući solarni kolektor sa paraboličnim ogledalom, korito, a, i koncentrirajući solarni kolektor sa ravnim ogledalom, b.

Druga varijanta ima centralni prijemnik (toranj 3) oko kojeg se nalazi polje pokretnih, automatski upravljanih, ravnih ogledala (heliostata, 2) koji usmjeravaju sunčeve zrake na prijemnik 1, v. Sl. 4. 18 b. Prijemnik kod obe varijante je selektivni solarni kolektor. U zavisnoti od primarnog fluida kolektori se dela na: 1. kolektore sa vodom 2. kolektore sa vazduhom. Kolektori sa vazduhom se koriste naročito u poljoprivredi (za grejanje staklenika i staja, u sušarama itd.). Vazdušni kolektori su efikasniji od vodenih, jer se u njihovom sistemu samo jednom vrši razmena toplote (u apsorberu), a kod vodenih dva puta (jednom u apsorberu, drugi put u razmenjivaču toplote). Ovi kolektori su jeftiniji, nema opasnosti od curenja ni smrzavanja vode, ali su za zagrevanje manje efikasni. Zbog toga zahtevaju veći akumulacioni rezervoar (koji je obično od kamena, a prenos toplote sa vazduha na kamen je sporiji). Za isto grejanje treba dva puta veća zapremina kamena nego što bi bila zapremina vode. Potrebna površina kolektora zavisi od niza faktora, od kojih su najvažniji sledeći: toplotna izolacija objekta, klimatska zona u kojoj se objekat nalazi, broj sunčanih dana u hladnijim mesecima, potrebne količine eventualne topple potrošne vode za domaćinstvo i td.

Potrebna površina kolektora izračunava se po obrascu: A=

Q Qk

gde je: Q - potrebna toplota energija u [kWh/m2] potrebna za za grejanje ili tehnički proces; kWh/m2  , za zimski period Q = 0,4 ⋅ QPR k   = Qk 0,33 ⋅ QPR

kWh/m2  ,  

za letni period.

- prosečna dnevna energija sunčevog zračenja (tablični podatak, rezultat merenja koji zavisi od geografske širine, meseca u godini, ugla nagiba i orijentacije kolektora). Kod proračna solarnih kolektora četiri faktora su bitna za proračun: QPR

1. 2. 3. 4.

faktor apsorpcije faktor refleksije (albedo) faktor transmisije (provođenja) emisijski faktor

ali ova problematika, toplotni bilans kolektora, proračun pumpi i sl. izlazi iz okvira ovog kursa. Sunčeva energija može da se fokusira, kako je poznato iz fizike, pomoću odgovarajućih sočiva ili refleksionih elemenata (ogledala) i tako efikasnije pretvara u toplotnu. Pored zagrevanja fluida ova se može koristiti za direktno zagrevanje pa su u

Slika 4.19.. Solarna peć levo) i Solarni destilator (desno), princip solarne destilacije dole

eksperimentalnoj fazi mnogi uređaji, takva je Solarna peć prikazana na Slici 4.19. kod koje se pomoću refleksione polulopte energija fokusira na držač sa objektom koji se zagreva. Takođe, postoje uređaji za destilaciju vode, kod kojih se energija Sunca koristi za pokretanje pumpi, ali i za zagrevanje, destilaciju vode i sl. 4.4.4. Pretvaranje Solarne energije u električnu. Fotonaponske ćelije Photovoltaic. Solarne elektrane Pretvaranje Sunčeve energije u električnu može da se vrši: • •

direktno sistemima koji se nazivaju fotonaponske ćelije ili fotonaponski sistemi ili indirektno u Solarno-termalnim elektranama koje pomoću sistema ogledala koncentrišu sunčevu energiju u jednoj tački i zagrevaju prvo vodu stvarajući vodenu paru koja se koristi za pokretanje turbina generatora proizvodeći pri tome električnu energiju kako je to slučaj sa drugim elektranama ali je razlika u sistemu za grejanje vode i proizvodnju pare iz nje.

Električna energija iz Sunca se danas proizvodi u dva sistema, prvi je umreženi i on je u sistemu Solarnih elektrana, a drugi je individualni koji čini veliki broj manjih korisnika. U osnovi direktne proizvodnje električne energije Sunčevom energijom je efekt koji je još 1888 god. otkrio Herc (Hertz), a nazvan fotoelektrični efekat. To je pojava da kada se sa površine nekih metala u vakuumu mogu izbaciti elektroni (emitovati) ako se površina metala osvetli vidljivim ili ultravioletnim zračenjem. Ovaj efekat je kasnije objasnio Ajnštajn (Einstein) koji je primetio da se fotoefekat javlja u zavisnosti od frekvencije zračenja, smatrajući da se energija apsorbuje ili emituje u vidu energetskih paketa kvanta koji su dobili naziv fotoni. Kada je energija fotona Ez veća od energije kojom se drži elektron u kristalnoj rešetci hf u sudaru sa njim će elektron biti izbačen. Fotonaponski efekt počeo je 1839. godine proučavati Henri Becquerel i na početku dvadesetog veka bio je predmet mnogih istraživanja. Jedina Nobelova nagrada koju je

dobio Albert Einstein bila je za istraživanje solarne energije. 1954. su Bell Labs u SAD-u predstavili prvi fotonaponsku čeliju koja je generirala upotrebljivu količinu električne energije, a od 1958. počelo je ugrađivanje u komercijalne aplikacije (naročito za svemirski program). Fotonaponske ćelije su poluprovodnički elementi koji direktno pretvaraju energiju sunčevog zračenja u električnu energiju (v. Sl. 4.20.). Oni se izrađuju od poluprovodnih materijala, slično onima koji se koriste za kompjuterske čipove. U interakciji sa sunčevom svetlošću, tj. elektromagnetnim zračenjem ili energijom (ovi termini se često koriste kao sinonimi) dolazi po promena energije elektrona, njivovog kretanja, a ovo usmereno kretanje je ustvari električna struja. Ovaj proces pretvaranja energije fotona u električnu enegiju (Volt) se opisuje kao fotovoltažni efekt, a uredjaj Solarna čelija ili fotonaponska ćelija, skraćeno FNP. Solarna čelija je sastavljena od od nekoliko delova od kojih je najvažniji poluprovodnik. Kada na FNP pada Sunčeva svetlost predaje se energija elektronima poluprovodnika, koji se pomeraju prema površini pa se zbog toga javlja neravnoteža u broju elektrona između gornje i donje strane čelije, t.j. formira dvojni električni sloj, a kada se ove spoje dolazi do tečenja struje. Uslov za to je da na dva sloja poluprovodničkih kristala (N i P) postavljenih tako da je N tip okrenut prema izvoru svjetlosti jačina svjetlosti bude većeg intenziteta od kritične hf >Ez doći će do pojave EMS kako je napred navedeno. Količina energije koja se dobije iz FNP direktno zavisi od površine panela. Čelije mogu da se spoje u fotonaponske module (panele), a ovi u fotonaponska polja, farme sunca, paneli su spojeni uređajima koji prate kretanje Sunca i prilagođavaju se uglu upadnog ugla Sunca, pa prema ovom kriterijumu FNP ili moduli mogu biti fiksni, sa okretanjem po jednoj osi ili okretanjem u dve ose. Čelije mogu biti od polikristalnih, monokristalnih i amorfnih materijala, danas se smatra da su one od polikristalnih materijala najefikasnije (Pavlović T. 2011).

Slika 4.20. Fotonaponska čelija, solarni modul, princip levo i princip korišćenja solarne električne energije, desno (http://www.izvori

energije.com/energija-sunca.html)

Električna energija iz ovih čelija se koristi za rad električnih uređaja u domaćinstvu,

(to su kućni Solarni sistemi za napajanje uređaja kao; svetlo, radio i TV, klima uređaji, telefon, ventilacija, kompjuter i sl.), informacionih i reklamnih displeja, ili za rad javnih uređaja semafori, satelita ili se akumulira u akumulatorima. FNP snage 1kW proizvodi mesečno oko 150 kWh struje što je ekvivalent za 68 kg uglja, emisiju 136 kg ugljendioksida u atmosferu i 397 lit. vode koja bi se utrošila za proizvodnju struje fosilnim gorivima. Karakteristične vrijednosti FNP su: Unutrašnji otpor Rs = 0.95Ω, EMS = 0.58 V, stepen iskori štenja η = 10% , (najčešće se koriste kristali silicijuma sa primesama zbog dobrog stepena iskorištenja i termičke postojanosti koja teoretski iznosi od -50 °C do 200 °C). Treba imati u vidu da se FNP dobija jednosmerna struja, koja može u zavisnosti od potreba da se pretvori u naizmeničnu pretvaračem. Efikasnost im je od 10% za jeftinije varijante sa amorfnim silicijumom, a do 25% za skuplje varijante. Za sada su još uvijek ekonomski nerentabilni jer im je cijena oko 6000 $/kW. Na slici 4.18. prikazan je princip izrade fotonaponskih ćelija. Fotonaponske ćelije mogu se koristiti kao samostalni izvori energije ili kao dodatni izvor energije. Kao samostalni izvor energije koristi se npr. na satelitima, saobraćajnim znakovima, kalkulatorima i udaljenim objektima koji zahtijevaju dugotrajni izvor energije ili reklamni prostori isl. U svemiru je i snaga sunčevog zračenja puno veća jer Zemljina atmosfera deo ovoga apsorbuje, pa je i dobijena energija veća. Kao dodatni izvori energije fotonaponske ćelije mogu se na primjer priključiti na električnu mrežu, ali za sada je to neisplativo bez podrške države. Na Slici 4.21. su prikazane neke mogućnosti korišćenja FNP kao i Solarnih kolektora, koji se postavljaju na krovovima, ali i prozorima, vratima zgrada i sl.

Slika 4.21. FNP i Solarni kolektori

Godišnji rast instalirane snage fotonaponskih ćelija u Europskoj Uniji trenutno iznosi 40%. To je na prvi pogled velik rast, ali u osnovi radi se o vrlo malim količinama, pa rast od 40% ne utiče posebno na ukupnu zastupljenost takvih izvora energije. U 2000. godini u Europskoj Uniji bilo je instalirano 183.5 MWp, a to je 43.6% povećanja u odnosu na 1999. I u tom području Njemačka je sa 113.8 MWp (uključujući 100 MWp priključenih na električnu mrežu) vodeća država u Europi. U najvećoj meri tome je doprineo Njemački zakon o obnovljivim izvorima energije. Po tom zakonu otkupna cena energije iz fotonaponskih ćelija je 0.5 € po kWh za prvih 350 MWh. Plan

Europske Unije je instaliranje 3000 MWp do 2010. godine, ali sadašnji pokazatelji su da će do onda biti instalirano oko 1780 MWp. Neke solarne čelije su tako dizajnirane da rade sa koncentrisanim sunčevim zračenjem, sadrže koncentrisane kolektore koji koriste sočiva za fokusiranje svetlosti u čelije. Prednost ovakvih sistema je u tome što koriste manje skupih poluprovodnika sa sakupljanje velike količine sunčeve svetlosti a nedostatak što sočiva moraju biti usmerena prema suncu, pa često imaju sisteme za sofisticirano praćenje kretanja sunca.

Slika 4.22. Solarni modul i solarna farma

Solarne čelije se povezuju u module sa oko 40 čelija, složenih u redovima širine i do nekoliko metara, fiksirani prema jugu ili montirani na nosače da prate kretanje Sunca. Nekoliko povezanih redova snabdevaju domaćinstvo, a veliki broj ovih redova služi za industrijske potrebe što je princip Solarnih farmi v. Sl 4.22. Solarne farme često su koncipirane kao hibridni sistemi v. Sl. 4.23. Naime, pošto proizvodnje struje nema kada zbog vremenskih uslova (oblačnost, zalazak sunca, noć) Solarne farme su kombinovane sa farmama vetra što omogućava kontinuiraniju proizvodnju struje ili sa nekim drugim izvorom.

Slika 4.23. hibridni sistem

Solarne elektrane Za razliku od FNP koji direktno proizvode električnu struju iz sunčeve energije, proizvodnja električne energije u Solarnim elektranama je indirektna. Naime, kod Solarnih elektrana se fokusiranjem koncentriše Sunčeva energija u jednu tačku, preciznije na malu površinu, i tako zagreva voda (ili neki drugi medijum) u cevima kolektora, v. Sl. 4.18.b, i stvara vodena para koja pokreće turbine generatora koji proizvodi struju slično drugim, recimo elektranama na fosilna goriva. Ovakve elektrane nisu akumulacione elektrane. Da bi se omogućio rad elektrane i preko noći ili lošem vremenu (oblačnost) razvijeni su sistemi energetskih tornjeva koji mogu da akumuliraju energiju zagrevajući neki drugi sistem sa visokom tačkom isparavanja kao što je ulje temperatura do koje se zagreva je oko 500 0C, ili neka rastopljena so (glauberova so, do 600 0C) akumulirajući na taj način energiju sunca u t.z. primarnom krugu u kome se voda zbog niske tačke isparavanja nikad ne koristi. Deo tako zagrejanog fluida se pumpama šalje u hladan rezervoar tečnosti i potom razmenjivač toplote kroz koji cirkuliše voda koja isparava proizvodeći neophodnu vodenu paru za pokteranje generatora i proizvodnju struje, sekundarni krug, tako da ovakve elektrane rade i noču i u lošim vremenskim uslovima. Dakle ovakva Solarna elektrana u nekoliko faza pretvara energiju Sunca u električnu, pa se često skraćeno označava kao STEA (solarna akumulaciona termoelektran). Sistem Solarne elektrane se sastoji principijelno od:

Slika 4.24. Solarna akumulaciona termoelektrana 1. 2. 3. 4.

kolektor (centralni toplotni prijemnik) polje refleksionih ogledala (heliostat) toranj rezervoar tople vode (fluida za akumulisanj energije, primarni krug kod STEA)

5. razmenjivač toplote, proizvodnja vodene pare za turbinu, sekundarni krug 6. rezervoar ohlađenog fluida (vode) 7. turbogenerator naizmenične struje Skladistenje toplotne energije moče biti: * čisto toplotno ( skladištenje na račun latentne toplote, voda, kamen...) * hemijski ( reverzibilne hemijske reakcije) * termo-hemijski (izolirani kapaciteti vode i kristala) * mehanički ( zamajci velikih inercija) * termo-hemijski (izolirani kapaciteti vode i kristala) * mehanički ( zamajci velikih inercija)

glauberova so,

Fokusiranje Sunčeve svetlosti se vrši pomoću velikog broja sočiva ili refleksionih ogledala, raznih konstrukcija koje se stalno usavršavaju, složenih u formi tanjira ili tornja (Power tower) . U zavisnosti od sistema fokusiranja razlikuju se: parabolni kanali, tanjir/mašina i energetski toranj (http://web.zpr.fer.hr/ergonomija/2004/ habjanac/Slike/sunce_fokus_dish.jpg). 1. Parabolni kanal koncentriše Sunčevu energiju pomoću dugih pravougaonih i zakrivljenih ogledala, prema cevi kroz koju protiče ulje, koje se greje i koristi za proizvodnju vodene pare u konvencionalnom parnom generatoru za proizvodnju struje. 2. Sistem sa energetskim tornjem ili Power tower sistem koristi kompjuterski kontrolisano polje ogledala za fokusiranje na centralni toranj, na čijem vrhu je prijemnik u kome se zagreva istopljena so, a toplota soli se koristi za pokretanje konvencionalnih parnih generatora. So efikasno zadržava energiju kao toplotnu i može se čuvati danima, što je važno za kontinuitet rada elektrane kada nema dovolno sunčeve energije zbog oblačnosti ili na zalasku sunca ili noću. v.. Sl. , Mogu biti snabdevene i sa rezervoarom nekog fluida, vode, s kojim se dobija do 10 MW izlazna snaga, i tako raditi i preko noći kada nema Sunčevog zračenja. Zbog toga što ogledala prete položaj Sunca nazivaju se Heliostati. 3. Sistem tanjir/mašina ili Dish sistemi prate kretanje Sunca i tako stalno fokusiraju Sunčevo zračenje. Ovde se koriste velika ogledala oblika satelitskih antena, a apsorbovana toplota sunca u prijemniku se prenosi na pogonski fluid mehaničkom snagom koja se potom koristi za pokretanje generatora ua proizvodnju struje. Nedostatak Solarnih elektrana je u tome što one rade dok Sunce sija, i što su potrebne velike površine za elektranu pa se zbog toga ove najčešće grade u pustinjama, kao i visoka cena ogledala. Da bi se obezbedio kontinualni rad Solarne elektrane koriste hibridnu tehnologiju, dok sunce sija njegova energija se koristi za proizvodnju struje,

a u ostalom periodu kada se para za pokretanje generatora proizvodi upotrebom fosilnih goriva (gas, nafta, ugalj i sl). Prednosti i nedostaci Solarne energije Benefits and disadvantages for Solar Energy Energija Sunca je najveći energetski resurs Zemlje. On predstavlja ekološki najprihvatljiviji i praktično neiscrpni izvor energije. Dostupna je posebno u područjima u kojima su drugi izvori energije preskupi. Nema rotacionih elemenata izuzev sistema pumpi, i generatora kod solarnih elektrana. Redukuju potrošnju fosilnih goriva, redukuju emisiju ugljendioksida, stvara nova radna mesta. Nedostaci su u tome što su još uvek veliki investicioni troškovi, velike oscilacije intenziteta zračenja, mala gustina energetskog toka, pa su zbog toga posebno interesantne lokacije u pustinjama, visoka cena elemenata za fokusiranje iako se stalno unapređuje tehnologija na ovom polju. Evropa nije na pogodnom podru;ju za eksploataciju, no pored toga direktno iskoriscavanje sunceve energije je u stalnom porastu, što je rezultat, pored ostalog i subvencija instaliranih kapaciteta. Do 2030 god. cilj je EU da udeo ove energije poraste sa 3% na oko 10%,. U tom smislu se razvijaju projekti za smanjenje troškova i poboljšanja efikasnost FNP, integraciji velikih razmera generisane električne energije, povećanje performansi, i razvoj novih tehnologija za priključivanje na električnu mrežu (invertori i skladištenje energije) Korišćenje energije Sunca u Zemljama WB U Hrvatskoj postoji proizvodnja FNP, s jedne strane, a sa druge i dovoljan broj Wh u proseku zimi oko 160 u priobalju a oko 1000 leti, a slično je i sa kontinentalnim delom, što je razlog sve većeg učesća Solarne energije u bilansu proizvodnje ali i korišćenja ove energije za zagrevanje. Prose;na vrednost dnevne insolacije na horizontalne povrsine za Hrvatsku je 3 do 4,5 kWh/m2. U Srbiji i drugim zemljama WB je situacija slična. Sunčeva energija se uglavnom koristi za zagrevanje individualnih objekata, a planira se izgradnja Solarnih elektrana u Vojvodini Leskovcu i drugim mestima. Pitanja i odgovori. • Kako se dele izvori energije? Izvori energije se mogu podeliti na: neobnovljive (ugalj i energenti proizvedeni preradom uglja, nafta i naftni derivati, prirodni gas i atomska, nuklearna energija) i obnovljive (energija vetra, sunčeva energija, bioenergija, geotermalna i energija vode, energija okeana, industrijski i komunalni otpad) • Koje su prednosti korišćenja obnovljivih izvora energije? Ovi izvori energije su ekološki su prihvatljiviji i imaju važnu ulogu u smanjenju emisije CO2, povećavaju energetsku održivost i sigurnost a očekuje se da u budućnosti budu ekonomski konkurentni tradicionalnim

•

Šta je toplotna pumpa? Toplotna pumpa je uređaj koji apsorbuje toplotnu energiju sa jedne lokacije (spoljni izvori energije) i premešta je na drugu lokaciju (objekat koji se greje ili hladi).

•

Navedi prednosti korišćenja geotermalne energije. Ova energija je jeftina zbog niskih troškova proizvodnje jer je potrebna samo energija za pokretanje pumpi, predstavlja stabilan i trajan izvor energije, zamenjuje veliku količinu fosilnih goriva, čista je i sigurna za okolinu uz neophodnu brigu, i nezavisna od meteoroloških uslova što je slučaj sa hidroelektranama, elektranama na vetar i kod koriščenja solarne energije elektrane zahtevaju malo prostora i lako snabdevaju okolinu toplotom i električnom energijom i pouzdane su jer ne zavisi od meteoroloških uslova (od snage vetra ili broja sunčanih dana) Kako se koristi geotermalna energija? Geotermalna energija se koristi kao toplotna energija za zagrevanje (toplifikaciju, grejanje) stanova i naseljenih mesta ali i u poljopprivredi za zagrevanje staklenika i proizvodnji voća, povrća i cveća, u industriji papira, sušenja drveta, vune, stošarstvu, sušenje žitarica, uopšte za dehidrataciju, ribarstvo (zagrevanje ribnjaka), mlekarska industrija (pasterizacija),balneologiji i sportsko rekreativne svrhe i proizvodnju električne energije Od kojih faktor zavisi snaga vetra? Snaga vetra u W, zavisi od α faktora iskorišćenja, brzine vetra u m/s, radijusa turbine u m, površine elisa i gustine vazduha. Koji tipovi vetroelektrana postoje? Aksijalne i radijalne. Navedi dva principa korišćenja energije Sunca. Aktivno i pasivno. Navedi principe direktnog korišćenja Sunčeve energije. Direktno korišćenje energije Sunca bazira na dva principa i to: pretvaranje solarne energije u toplotnu (aktivno i pasivno) i direktno pretvaranje u električnu energiju; fokusiranje sunčeve energije u velikim (Solarne elektrane ) ili malim energetskim postrojenjima i fotonaponski paneli za proizvodnju električne energije za male ili velike potrošače. Kako se vrši pretvaranje Sunčeve energije u električnu? direktno sistemima koji se nazivaju fotonaponske ćelije ili fotonaponski sistemi ili indirektno u Solarnotermalnim elektranama koje pomoću sistema ogledala koncentrišu sunčevu energiju u jednoj tački i zagrevaju prvo vodu stvarajući vodenu paru koja se koristi za pokretanje turbina generatora proizvodeći pri tome električnu energiju kako je to slučaj sa drugim elektranama ali je razlika u sistemu za grejanje vode i proizvodnju pare iz nje.

•

• • • •

•

Pitanja za vežbanje: 1. Kako se mogu podeliti obnovljivi izvori energije 2. Navedi nedostatke korišćenja geotermalne energije 3. Opiši sisteme za zagrevanja korišćenjem geotermalne energije. 4. Navedi tipove geotermalnih elektrana 5. Koje su prednosti i nedostaci korišćenja energije vetra 6. Da li se energija vetra koristi samo za proizvodnju električne energije? 7. Navedi tipove farmi vetrenjača. 8. Navedi prednosti i nedostatke korišćenja energije Sunca. 9. Šta je FNP? 10. Kako se vrši fokusiranje Sunčeve energije? 11. Navedi tipove Solarnih kolektora.

12. Šta su Solarne elektrane? 13. Opiši Solarni kolektor. Literatura: 1. Cakic M., Veljković V, Lazić M., Savić D, Nikolić G., Todorović Z., Zavargo Z, Europien Union Oriented Environmental Managenent Courses, Tehnološki fakultet, Leskovac, 2008 2. Cakić M., Fizička hemija I deo, Tehnološki fakultet Leskovac, 1995. 3. Radakovic M., Obnovljivi izvori energije i njihova ekonomska ocena, AGM knjiga, Beograd 2010. 4. Jakupović E. Mirjanić D. Obnovljivi izvori energije, Panevropski Univerzitet, Apeiron, Banja Luka 2009. 5. Zlomušica E. Energija vetra-stanje, perspektive, specifičnosti, Međunarodni naučni skup, Obnovljivi izvori energije i održivi razvoj, Izvodi radova, Banja Luka 2011 6. Zlatanović M. Određivanje potencijala energije vetra u delimično brdovitim području vjetroparka Sušara, Međunarodni naučni skup, Obnovljivi izvori energije i održivi razvoj, Izvodi radova, Banja Luka 2011. 7. Pavlović T. Savremene mogućnosti korišćenja sunčevog zračenja, Međunarodni naučni skup, Obnovljivi izvori energije i održivi razvoj, Izvodi radova, Banja Luka 2011. 8.(www.centrala.org.rs./knjiga%20oliber%perpetum/05Energija-zemlje-geotermalenergz.pdf 30.08.2011) 9.http://www.izvorienergije.com/uvod u izvore energije.html, 15.07 2011 10.http:/www.awers.net./preuzmi/OEI_Geotermalna.pdf 15.07 2011. 11.http:/www.obnovljiviizvori energie.rs/energija vetra.html, 11.2.2011 12.http://web.zpr.fer.hr/ergonomija/2004/habjanac/Slike/sunce_fokus_dish.jpg,14.07.2 011).

13.www.geog.pmf.hr./e-skola/geo/mini/obnov-izvori-energ-/solarna-en.html, 18.02.2011

14.(http://www.izvori energije.com/energija-sunca.html 18.02.2011) 15http://www.geotempus.co.rs/nacini rada toplotne pumpe.html 15.07.2011 16.www.tehno’dom.hr/index.php?option=com’content@view=article@id=11@Itemid= 53 2.18.2011

Apstract This chapter (4) describes the renewable energy sources: energy of surrounding, geothermal energy, Wind energy and Solar energy. In the first part the basic of energy are given, also the classification and definition of energy sources. The renewable energy sources have an increasing share of the total energy mix, because they have advantages over non-renewable. Energy of surrounding (land, water and air) is used for heating by heat pumps. In the part 4.2. the geothermal energy are describes. Geothermal energy has great potential for heating and electrical energy productions. There are two systems for heating (horizontal and vertical). For electrical energy productions several systems are applied: dry system, flash stream and binary cycle, and they are described. The benefits and disadvantages of geothermal energy are discussed, and state of this energy in WB Countries. The Wind energy is practically clean energy. Wind energy is used for conversion in the mechanical energy or for

electricity production using the wind power. The wind power may be different strings and structures, onshore or offshore wind farms. They may be two or three blades. They can be horizontal or vertical in the relation of the position of rotor axis rotation and wind directions. The main drawback is the lack of suitable locations and noise. The WB countries have a huge wind potentials, bat they haven’t electricity production by energy of wind. The Solar energy is also clean energy, and they can be used for heating (solar collectors), or for electricity productions. Electricity is produced by the photovoltaic cells, a huge number of them is photovoltaic farms or solar stations. In Solar station the Solar energy are focused with reflections table and can be used for heating of fluid (water) and vapor productions, which can be used for electricity productions by turbines. Basic lack of use of Solar energy is a good insolations. In the WB countries the Solar energy is mostly used for heating, and they haven’t the Solar Farms.

4.5. Bioobnovjivi izvori energije. Bioreneable energy resurses Tečna fosilna goriva su već duži niz godina osnovna i dominantna goriva za pogon motornih vozila i mašina u građevinarstvu, industriji, poljoprivredi. Primat među njima ima nafta, zbog velike toplotne moći, relativno jednostavne eksploatacije i manipulacije i mogućnosti dalje prerade. Ograničeni resursi i rast cene nafte, kao i sve veći problemi zagađenja životne sredine usmerili su istraživanja u pravcu razvoja alternativnih goriva. Najperspektivnija alternativna goriva su tzv. biogoriva, odnosno goriva dobijena iz bioobnovljivih sirovina odnosno iz biomase. Prva generacija biogoriva su etanol, biodizel i biogas, dok drugu generaciju čine; biohidrogen, bioDME, biometanol, DMF, HTU dizel, Fišer-Tropš dizel i Mešavine alkohola. Biomasa je pogodna za proizvodnju čvrstih, tečnih i gasovitih biogoriva doprinoseći energetskoj efikasnosti i održivosti, jer je u njoj sadržana energija fotosinteze ili drugom rečima rezervoar je sunčeve energije. U odnosu na fosilna koja sadrže uglavnom ugljvodonike, biogoriva sadrže više ili manje kiseonika pa se nazivaju i oksinogena goriva ili oksigenatori. Biogoriva se koriste kao pogonska goriva u transportu, kao i za za proizvodnju toplotne i električne energije. Strategija EU je da udeo biogoriva, računat na osnovu sadržaja energije, u ukupnoj potrošnji goriva za transport do 2020. godine iznosi najmanje 10 %. Prednosti primene biogoriva ogledaju se u sledećem: • obnovljivi su izvor energije • zamenjuju klasična (fosilna) goriva • ekonomski su pogodnija (pozitivni neto devizni efekat, razvoj ruralnih područja, povećanje industrijske proizvodnje, nova radna mesta, stimulacije i ulaganja u poljoprivredu), • ekološki prihvatljivija. Projekcija svetske potrošnja energije po tipu u periodu od 1980 do 2030 god. predviđa dominicaju fosilnih goriva, ali i povećanje udela obnovljivih izvora energije pa i bioenergije odnosno biogoriva (Orlović i sar., 2007). Tečna biogoriva koja već ima široku primenu u svetu jeste jesu biodizel i bioetanol, dok je biogas bioobnovljivi izvor energije, supstituent zemnom gasu. 4.5.1. Biodizel Biodisel Po hemijskom sastavu biodizel je smeša alkil estara nižih alifatičnih alkohola i viših masnih kiselina, koja se dobija postupkom alkoholize biljnih ulja. Svi industrijski procesi dobijanja biodizela zasnivaju se na metanolizi biljnih ulja, tako da se pod biodizelom u užem smislu podrazumeva smeša metil estara masnih kiselina (MEMK) standardizovanog kvaliteta. Prema podacima Evropskog odbora za biodizel proizvodnja biodizela u Evropi u 2009. godini je iznosila 9 miliona tona, što je za 16,6 % više u odnosu na 2008. godinu. Najveći proizvođači biodizela su Nemačka (28 % od ukupne proizvodnje), Francuska (22 %), Španija (9,5 %) i Italija (8 %) (www.ebbeu.org). Porast aktuelnosti biodizela praćen je intenzivnim proučavanjima postupaka sinteze MEMK. Paralelno sa tim unapređivani su i industrijski postupci i tehnologije dobijanja biodizela. U početnim istraživanjima sinteze MEMK najčešće je proučavana homogeno katalizovana metanoliza biljnih ulja, na kojoj se zasniva i većina sadašnjih komercijalnih procesa dobijanja biodizela. U cilju smanjenja cene proizvodnje

biodizela, pojednostavljenja postupaka izdvajanja i prečišćavanja MEMK i unapređenja procesa išlo se ka razvoju novih katalitičkih sistema i procesa. U tom smislu razvijeni su postupci heterogeno katalizovane metanolize i nekatalizovane metanolize, kao i postupci zasnovani na primeni enzima ili celih ćelija mikroorganizama za katalizu metanolize. Neki od ovih postupaka su već našli primenu u industrijskim uslovima dobijanja biodizela. 4.5.1.2. Dobijanje biodizela. Production of biodisel Alkoholiza, reakcija između triacilglicerola (TAG) i alkohola, pri čemu se dobija smeša alkil estara masnih kiselina, osnovna je hemijska reakcija u proizvodnji biodizela. Ukupna reakcija se sastoji iz tri uzastopne, povratne reakcije, u kojima se molekul TAG stupnjevito konvertuje u diacilglicerol (DAG), monoacilglicerol (MAG) i glicerol. U svakom stepenu reaguje po jedan mol alkohola, a nastaje jedan mol estra (shema 4.1).

Shema 4.1 Alkoholiza triacilglicerola: a) ukupna reakcija i b) tri uzastopne i reverzibilne reakcije (R1, R2 i R3 – alkil grupe masnih kiselina)

Osnovna sirovina – izvor TAG za dobijanje biodizela jesu biljna ulja. Izbor biljnog ulja kao sirovine za dobijanje biodizela zavisi od specifičnih uslova i prilika u konkretnim zemljama (klima, zastupljenost pojedinih poljoprivrednih kultura, ekonomski razvoj zemlje, navike stanovništva u pogledu sakupljanja sekundarnih sirovina i sl.). Sirovine u postojećim tehnologijama za dobijanje biodizela bila su uglavnom jestiva biljna ulja. U prvom redu tu spadaju ulje uljane repice, suncokreta, soje i palme. Primenu jestivih ulja u procesima dobijanja biodizela ograničavaju njihova primarna primena u ljudskoj ishrani i prehrambenoj industriji i visoka cena. Sa druge strane, čak i da se sve trenutno dostupne količine jestivih ulja upotrebe za dobijanje biodizela, dobijene količine goriva ne bi zadovoljile trenutne potrebe za dizelom. Kao posledica toga, pažnju istraživača značajno privlači ispitivanje mogućnosti primene novih i jeftinijih uljnih sirovina, kao što su: korišćena ulja i masti, otpadne masti, otpadne zauljane smeše iz procesa rafinacije jestivih ulja, nejestiva ulja i ulja iz algi. Prekretnica u proizvodnji biodizela mogla bi se dogoditi ako se ojača proizvodnja biodizela iz ulja algi. Alge koje sadrže 50% ulja najiskoristivije su polazne sirovine za proizvodnju biodizela. Poređenja radi, proizvodnja palminog ulja iznosi 5950 L ulja/ha, dok alge mogu proizvesti 95 000 L ulja/ha. To znači da se na samo 28000 km2 ili 0,3 % teritorije SAD-a može proizvesti dovoljno biodizela za podmirivanje svih transportnih potreba ove zemlje (http:/www.ikim.gov.my).

U alkoholizi biljnih ulja mogu se koristiti primarni i sekundarni monohidroksilni alkoholi sa najviše 8 ugljenikovih atoma u lancu. Zbog niske cene, visoke reaktivnosti i pogodnih osobina, najveću primenu imaju metanol i etanol. Viši i sekundarni alkoholi su pogodni zbog dobrih osobina tečenja rezultujućih estara viših masnih kiselina na niskim temperaturama, ali zbog visoke cene i složenih i skupih uslova alkoholize još nemaju praktični značaj. Prednosti primene etanola su njegova veća rastvorljivost u biljnim uljima i manja toksičnost u poređenju sa metanolom. Pogodne fizičke i hemijske osobine i niska cena metanola, umereni uslovi metanolize i jednostavno razdvajanje faza, doprineli su njegovoj apsolutnoj dominaciji u procesima dobijanja biodizela, zbog čega je metanoliza ulja najčešći postupak za dobijanje biodizela. Reakcija metanolize je povratna i obično se odigrava u prisustvu viška metanola, da bi se njena ravnoteža pomerila u smeru nastajanja estara. Brzina reakcije i prinos metil estara zavise od kvaliteta izvora TAG, prisustva i vrste katalizatora i primenjenih reakcionih uslova. U zavisnosti od toga da li se reakcija metanolize odigrava u ili bez prisustva katalizatora, metanoliza može biti nekatalizovana i katalizovana. Nekatalizovana metanoliza se odigrava na visokim temperaturama i pritiscima, iznad kritičnih za metanol. U zavisnosti od vrste katalizatora, metanoliza može biti hemijski ili enzimski katalizovana. Hemijski katalizatori metanolize se razlikuju kako po svojoj prirodi, tako i na osnovu njihove rastvorljivosti u reakcionoj smeši. U zavisnosti od toga da li je katalizator rastvoran u reakcionoj smeši ili nije, hemijski katalizovana metanoliza, može biti podeljena na homogeno, heterogeno i homogeno-heterogeno katalizovanu metanolizu (Stamenković, 2008). 4.5.1.3. Načini izvođenja metanolize ulja. The method of methanolyse Homogeno – katalizovana metanoliza. Najčešće proučavan i u industrijskim procesima najčešće upotrebljavan način dobijanja biodizela je metanoliza biljnih ulja u prisustvu homogenog baznog katalizatora, kao što su natrijum ili kalijum hidroksid ili alkoksid. Najveći prinos metil estara (> 98 %) za kratko vreme trajanja reakcije (30 minuta) ostvaruje se primenom metoksida, čak i u niskim koncentracijama. Metoksidi su skuplji i veoma higroskopni, zbog čega je rad sa njima otežan. Natrijum i kalijum hidroksid su jeftiniji, jednostavniji za korišćenje, ali manje aktivni. Visok prinos metil estara može biti ostvaren pri većim koncentracijama hidroksida . Prednosti kalijum hidroksida, kao katalizatora metanolize, u odnosu na natrijum hidroksid su: • brže razdvajanje faza nakon završene reakcije, zbog veće molekulske mase kalijum hidroksida, koja utiče na povećanje gustine glicerolnog sloja; • smanjena tendencija nastajanja sapuna, zbog čega je smanjen gubitak metil estara rastvorenih u glicerolnom sloju; • tretiranjem glicerolnog sloja fosfornom kiselinom dobija se kalijum dihidrogen fosfat, koji može biti upotrebljen kao đubrivo. S druge strane, prednosti natrijum hidroksida su manja cena i veća brzina reakcije metanolize (Veljković, 2008).

Najveći nedostatak bazne metanolize je osetljivost baza na prisustvo slobodnih masnih kiselina (SMK) i vode u reakcionoj smeši. SMK (direktno u reakciji sa baznim katalizatorom) i voda (indirektno preko hidrolize estara) izazivaju reakciju saponifikacije i nastajanje sapuna, čime se smanjuje količina aktivnog katalizatora u smeši. Nastali sapuni dovode do stvaranja gelova, povećanja viskoziteta reakcione smeše i otežavaju separaciju glicerola. Najbolji prinos metil estara može se ostvariti ako su reaktanti u potpunosti anhidrovani i pri maksimalnom sadržaju SMK u biljnim uljima od 0,5 %, što odgovara kiselinskom broju 1 mg KOH/g. Ukoliko je sadržaj SMK do 5 %, reakcija još uvek može biti katalizovana bazama, s tim da katalizator mora biti dodat u višku, radi nadoknađivanja njegovog gubitka u reakciji saponifikacije. Sirovine sa većim sadržajem SMK mogu biti prevedene u metil estre baznom metanolizom nakon odgovarajućeg pretretmana (esterifikacija masnih kiselina u prisustvu kiselog katalizatora). Sadržaj vode je kritičniji za metanolizu od sadržaja SMK jer se ona generiše pri rastvaranju baznog katalizatora u alkoholu (Mittelbach i Remschmidt, 2005). U poređenju sa bazno katalizovanom, kiselo katalizovana metanoliza je manje proučavana, zbog višestrukih prednosti baza kao katalizatora: • brzina bazno katalizovane metanoliza je oko 4000 puta veća u odnosu na metanolizu u prisustvu iste količine kiselog katalizatora na istoj temperaturi; • bazni katalizatori su manje korozivni od kiselih, pa su i zahtevi u pogledu kvaliteta opreme manji; • bazna metanoliza se odigrava u prisustvu manje količine alkohola, zbog čega je reakciona oprema manjih dimenzija; • ulaganja u industrijsko dobijanje biodizela baznom metanolizom su mnogo manja u odnosu na kiselo katalizovani postupak. Najčešće korišćeni homogeni kiseli katalizatori metanolize su sumporna, fosforna, hlorovodonična i organske sulfokiseline. Najveći značaj ima primena sumporne kiseline, zbog niske cene i dehidratacionih osobina, što je naročito važno sa aspekta uklanjanja vode oslobođene pri esterifikaciji SMK. Nedostaci sumporne kiseline su korozivnost i reaktivnost sa dvostrukim vezama nezasićenih masnih kiselina. Hlorovodonična kiselina, kao katalizator metanolize, uvodi se u reakcionu smešu rastvaranjem gasovitog hlorovodonika u metanolu. Izuzev odsustva reaktivnosti sa dvostrukim vezama u uljnoj sirovini, osobine hlorovodonične kiseline kao katalizatora slične su osobinama sumporne kiseline. Sulfokiseline su manje aktivne, ali jednostavnije za primenu, ne reaguju sa dvostrukim vezama i neznatno utiču na boju proizvoda (Mittelbach i Remschmidt, 2005). Posledica visokih reakcionih temperatura kiselo katalizovane metanolize je nastajanje neželjenih sekundarnih proizvoda, kakvi su dialkiletri i etri glicerola. Glavna prednost kiselih katalizatora je što oni katalizuju i reakciju esterifikacije masnih kiselina, zbog čega su pogodniji za metanolizu ulja sa većim sadržajem SMK. Analogno baznoj metanolizi, prisustvo vode ima negativan efekat i na kiselo katalizovanu metanolizu. Voda oslobođena pri esterifikaciji SMK utiče na smanjenje prinosa estara u kiselo katalizovanoj metanolizi ulja sa visokim sadržajem SMK. Navedeni razlozi smanjuju praktični značaj kiselo katalizovane metanolize u postupcima dobijanja biodizela. Kiseli katalizatori imaju značajniju primenu u dvostepenim postupcima dobijanja biodizela iz uljnih sirovina sa visokim sadržajem

SMK. Dvostepeni proces koji uključuje kiselo katalizovanu esterifikaciju SMK i bazno katalizovanu metanolizu proizvoda prvog stupnja primenjen je za dobijanje biodizela iz ulja semena duvana, kaučuka, mahue i pirinčanih mekinja. U cilju unapređenja postupaka dobijanja biodizela homogeno katalizovanom metanolizom, istraživanja su bila usmerena ka povećanju prinosa MEMK i skraćenju vremena trajanja reakcije. Zbog nemešljivosti reaktanata i maseno-prenosnih ograničenja, koje uzrokuju male brzine reakcije na početku procesa, istraživanja obuhvataju razvijanje jednofaznih sistema ili efikasnije načina emulgovanja reaktanata. Prevazilaženje ovog problema može se postići primenom zajedničkog rastvarača za ulje i metanol (kosolvent), ultrazvuka, hidrodinamičke kavitacije, pogodnih reaktorskih sistema i in-situ postupka (Stamenkvić, 2008). Jedan od poznatih postupaka industrijskog dobijanja biodizela homogeno baznokatalizovanom metanolizom jeste Lurgi tehnologija. Najčešće korišćene uljne sirovine u ovom postupku su jestiva ulja. Reakcija metanolize se odigrava u prisustvu natrijum metoksida kao katalizatora i na povišenoj temperaturi (60 0C) u nizu od dva reaktora sa umerenim mehaničkim mešanjem (slika 4.25). Razdvajanje metil estraske i metanolno-glicerolne faze odvija se gravitaciono u separatorima iza reaktora. Iz svakog separatora se sa vrha izdvaja metilestarsko-uljna faza, a sa dna glicerolna faza. Glicerolna faza iz drugog reaktora sadrži višak metanola i katalizatora i vraća se u prvi reaktor, dok se glicerolna faza iz prvog reaktora podvgava destilaciji, radi razdvajanja metanola i sirovog glicerola (konc.>80 %). Prečišćavanje estarske faze odvija se suprotnosmernim ispiranjem vodom, da bi se, posle sušenja, dobio biodizel spreman za dalje korišćenje i namešavanje sa dizelom mineralnog porekla (http:/www.victoriagroup.co.rs).

Slika 4.25. Šema dobijanja biodizela Lurgijevim postupkom

Pored značajnih prednosti, bazno katalizovana metanoliza ima i nedostataka, koji se odnose na kvalitet polazne uljne sirovine. Ovo predstavlja ozbiljno ograničenje primene bazno katalizovane metanolize u slučaju jeftinih sirovina, kao što su korišćena i nejestiva ulja. Pored toga, proces izdvajanja i prečišćavanja proizvoda je složen i sastoji se u višestrukom ispiranju metil estarskog sloja vodom, što otvara problem otpadnih voda. Nakon odvajanja metanola, glicerol se mora dalje prečistiti.

Novi pravci razvoja tehnologije sinteze biodizela usmereni su ka postupcima koji daju visoke prinose metil estara u što jednostavnijim i ekološki prihvatljivijim procesima. Heterogeno-katalizovana metanoliza. Nedostaci klasičnih - konvencionalnih načina sinteze MEMK mogu se izbeći primenom novih tehnologija koje se baziraju na korišćenju heterogenih katalizatora. Heterogeni katalizator se lako odvaja od proizvoda reakcije, čime se eliminiše proces neutralizacije katalizatora, a proces prečišćavanja proizvoda čini mnogo jednostavnijim. Na ovaj način dobija se čistiji i biodizel i glicerol. Zbog jednostavnijeg postupka i mogućnosti višestruke upotrebe katalizatora, celokupan proces heterogene sinteze MEMK istovremeno ima neuporedivo povoljniji ekonomski efekat. Ekonomski razlozi i ekološki zahtevi su osnovni preduslovi da se u bliskoj budućnosti homogena kataliza zameni heterogenom.Sinteza biodizela zasnovana na korišćenju odgovarajućeg heterogenog katalizatora može da umanji utrošak energije i do 50 % i tako smanji ukupne proizvodne troškove (Glišić i sar., 2009). Katalitička aktivnost heterogenih katalizatora zavisi od njihove prirode, veličine i specifične povšine čestica, temperature i drugih reakcionih uslova. Generalno, aktivnost katalizatora se povećava smanjenjem veličine, odnosno povećanjem specifične površine njihovih čestica. Istraživanja heterogeno katalizovane metanolize odnose se uglavnom na primenu baznih katalizatora. Značaj čvrstih kiselih katalizatora u metanolizi biljnih ulja je smanjen malih brzina reakcije i neželjene reakcije dehidratacije glicerola i nastajanja akroleina i vode. Kisela heterogena metanoliza je aktuelna sa aspekta dobijanja biodizela iz ulja sa velikim sadržajem SMK. U ispitivanjima heterogeno katalizovane metanolize biljnih ulja korišćena su različita jedinjenja kao katalizatori: oksidi, hidroksidi, alkoksidi i soli metala, zeoliti, jonoizmenjivačke smole, Mg-Al hidrotalciti, impregnirane soli alkalnih metala, alkilguanidini i metali. Heterogeno katalizovana metanoliza je izvođena pri vrlo različitim reakcionim uslovima. Prinos metil estara i brzina heterogeno katalizovane metanolize zavise od velikog broja faktora, a najznačajniji su: molski odnos metanolulje, temperatura reakcije, čistoća reaktanata, intenzitet mešanja i vrsta, količina i priprema katalizatora (Stamenković, 2008). Prema rezultatima dosadašnjih ispitivanja brzina heterogene bazno katalizovane metanolize je relativno mala, naročito u početnom periodu reakcije. Razlog tome su najčešće difuziona ograničenja, jer je reakciona smeša trofazni sistem koji se sastoji iz jedne čvrste faze (katalizator) i dve nemešljive tečne faze (ulje i metanol). Jedan od načina povećanja brzine heterogeno katalizovane metanolize jeste upotreba rastvarača, koji doprinose boljoj rastvorljivosti ulja i metanola. Smanjenje masenoprenosnih ograničenja u heterogeno katalizovanim reakcijama u tečnoj fazi može se postići korišćenjem katalizatora impregniranih na nosaču. Nosači doprinose povećanju aktivne površine katalizatora njegovim vezivanjem u porama nosača. Na ovaj način celokupna količina katalizatora je dostupna za katalizu. Nanošenjem katalizatora na nosače može se povećati baznost, a samim tim i katalitička aktivnost samog katalizatora. Pored pomenutih prednosti primene nosača, ispitivanja ovakvih sistema daju osnovu za razvoj kontinualnih postupaka heterogeno katalizovane metanolize (Miladinović i sar., 2010). Za dobijanje katalizatora na nosaču najčešće se primenjuju dva postupka: metoda vlažne impregnacije prekursora aktivnog katalizatora na nosaču (incipient wetness

impregnation method) i sol-gel postupak. Aktivni katalizatori u ovim sistemima su najčešće oksidi alkalnih i zemnoalkalnih metala. Njihovi prekursori su termički nestabilne soli metala, najčešće nitrati i acetati, koji su impregnirani na nosaču i iz kojih se oksidi metala dobijaju kalcinisacijom na visokim temperaturama. Kao nosači katalizatora mogu se koristiti materijali koji su termički stabilni, imaju odgovarajuću specifičnu površinu i poroznost, stabilizuju impregnirane molekule aktivnog katalizatora na svojoj površini i onemogućavaju njihovo luženje. U dosadašnjim ispitivanjima kao nosači katalizatora korišćeni su alumina, silika, ZnO, MgO i ZrO (Zabeti i sar., 2009). Jedini komercijalni kontinualni postupak metanolize biljnih ulja primenom heterogenog katalizatora, poznat kao Esterfip-H proces, projektovan je od strane Axens IFP group Technologies (Francuska). U ovom trenutku, pored postrojenja u Francuskoj, Sète, koje je pušteno u rad u martu 2006. godine, završeno je i postojenje u Švedskoj (2007), dok je u izgradnji još 6 fabrika na različitim lokacijama širom sveta. Osnovne karakteristike ovog postupka su: • visok prinos biodizela (99%), • glicerol koji se dobija sa čistoćom iznad 98%, bez tragova neorganskih soli, • jednostavan postupak (nema pranja estara vodom) • manja potrošnja katalizatora po toni proizvedenog biodizela. Katalizator reakcije metanolize je mešavina oksida cinka i aluminijuma spinalne strukture, a reakcija se izvodi na povišenoj temperaturi i pritisku u odnosu na homogeno katalizovanu i uz višak metanola. Željena konverzija i biodizel koji

Slika 4.26. Šema dobijanja biodizela Esterfip-H postupkom

odgovara standardima dobija se u dva uzastopna reaktora sa međustepenom separacijom glicerola u cilju smanjenja brzine povratne reakcije između glicerola i estara masnih kiselina i pomeranja ravnoteže ove reakcije u desno (slika 4.26). Višak metanola se ukloni posle svakog reaktora delimičnim isparavanjem, a zatim se estri i glicerol razdvajaju u separatoru. Deo za prečišćavanje stvorenih estara sastoji se od finalnog isparivača metanola pod vakuumom i adsorbera za fino prečišćavanje. Dobijeni biodizel iz prvog, odnosno, drugog reaktora sadrži 94,1% MEMK, odnosno,

98,3%. Glicerol, čistoće 98 % ne sadrži soli niti neorganska jedinjenja, a glavne nečistoće u njemu su voda, metanol i meti estri (Bournay i sar., 2005). Enzimski katalizovana metanoliza. Pored hemijski katalizovane metanolize, poslednja decenija obeležena je intenzivnim proučavanjem primene enzima u procesima dobijanja biodizela. Enzimi lipaze (EC 3.1.1.3) katalizuju esterifikaciju masnih kiselina i metanolizu TAG. Zbog svoje aktivnosti u nevodenim i vodenim sredinama, na ili u blizini međufaznih površina, bez prisustva kofaktora u većini slučajeva, lipaze su najverovatnije najčešće korišćeni enzimi u biotransformacijama. U sintezi biodizela lipaze su prvi put korišćene 1986. godine u vodenoj sredini, a od 1990. godine u nevodenoj sredini (Mittelbach i Remschmidt, 2005). Enzimski katalizovana alkoholiza je mnogo jednostavniji proces jer nije potreban metanol u višku, prečišćavanje metil estara i glicerola je nepotrebno, a njihovo razdvajanje jednostavno i nema otpadnih voda. Osim toga, u prisustvu lipaza istovremeno se odigravaju i metanoliza TAG i esterifikacija SMK pri blagim uslovima temperature, pritiska i pH vrednosti sredine. Nedostaci primene enzimskog postupka su visoka cena enzima, male brzine procesa i neophodnost pažljive kontrole reakcionih parametara. Na osnovu ekoloških prednosti, enzimski proces se ubraja u tzv. „zelene postupke“ sinteze biodizela, koje će u budućnosti imati sve veći značaj i primenu. Najveći broj istraživanja enzimski katalizovane metanolize odnosi se na primenu imobilisanih (ekstraćelijskih) enzima ili imobilisanih mikrobnih ćelija (intraćelijskih enzima), jer se na taj način povećava njihova aktivnost i stabilnost (Ognjanović i sar., 2010). U početnim istraživanjima enzimski katalizovane metanolize uglavnom su korišćene ekstraćelijske lipaze. Na brzinu enzimski katalizovane metanolize i prinos estara utiče veliki broj različitih faktora, čije je dejstvo najčešće. Metanoliza ulja se, generalno, odigrava u prisustvu male količine vode, koja omogućava održavanje aktivne konformacije lipaza. Lipaze katalizuju i reakciju hidrolize u vodenoj sredini, pa višak vode stimuliše i ovu konkurentnu reakciju. Optimalni sadržaj vode, koji zavisi od vrste i oblika lipaze, kvaliteta uljne sirovine i prisustva rastvarača, predstavlja kompromis između sprečavanja hidrolize i povećanja enzimske aktivnosti za reakciju metanolize. Mali prinosi estara u enzimski katalizovanoj metanolizi posledica su inaktivacije lipaza u kontaktu sa metanolom i glicerolom, koji zbog svoje jako male rastvorljivosti ostaju u vidu kapljica u ulju. Problem inaktivacije lipaza se uspešno prevazilazi, a njihova efikasnost povećava (Veljković, 2008): − stupnjevitim dodavanjem metanola u toku reakcije, u skladu sa dinamikom njegove potrošnje; − dodavanjem organskog rastvarača: 1,4 dioksan, izo-oktan, heksan, t-butanol; − preinkubacijom imobilisanih enzima u metil oleatu i ulju i − primenom novih acil akceptora umesto metanola: metil acetata i etil acetata. Iako se dugo verovalo da u reakciji metanolize ulja najbolje katalitičke osobine poseduje komercijalna imobilisana lipaza Candida antarctica - Novozyme 435, novija istraživanja daju prednost lipazi Pseudomonas cepacia . Da bi se ekstraćelijske lipaze koristile kao biokatalizatori metanolize, potrebno ih je izolovati, prečistiti i

imobilisati, što nije tako jednostavno, naročito u industrijskim uslovima. Ovi problemi se prevazilaze upotrebom intraćelijskih lipaza, odnosno celih mikrobnih ćelija, koje se mogu spontano imobilisati na poroznim česticama u toku šaržne kultivacije. Tako su ćelije Rhizopus oryzae, imobilisane na poroznim česticama poliuretanske pene, uspešno korišćene za metanolizu ulja soje. Kao biokatalizatori metanolize korišćeni su genetički modifikovane ćelije kvasca Saccharomyces cerevisiae. Ćelije kvasca su modifikovane ubacivanjem plazmida sa genom koji kodira sintezu lipaze u R. oryzae i C. Antarctica (Tanino i sar., 2007). Enzimski postupak sinteze MEMK se industrijski primenjuje u postrojenjima Lvming Co. Ltd. u Šangaju i Hainabaichuan Co. Ltd., provincija Hunan u Kini. Kao katalizatori metanolize koriste se immobilisane lipaze Candida sp. 99–125 i Novozyme 435. U fabrici Lvming Co. Ltd se, kao uljna sirovina, koristi korišćeno ulje, proces izvodi u šaržnom reaktoru sa mešanjem, a prinos MEMK je 90 % (Tan i sar., 2010). Nekatalizovana metanoliza. Pod ekstremno visokim uslovima temperature i pritiska, iznad kritičnih uslova za metanol (239 oC i 8,09 MPa) metanoliza se može odigrati bez prisustva katalizatora. U natkritičnim uslovima gustina, viskozitet i dielektrična konstanta metanola su znatno manje u odnosu na normalne uslove. Vrednosti dielektrične konstante metanola i ulja u natkritičnim uslovima metanola su vrlo bliske, što je preduslov da se ostvari jednofazni sistem ulja i metanola. Tada je rastvorljivost metanola u ulju praktično potpuna, čime su ostvareni uslovi za veoma brzu metanolizu, a vreme trajanja reakcije do visokog prinosa metil estara meri minutima.Pored toga, jonski proizvod metanola se povećava sa povećanjem pritiska, zbog čega se pretpostavlja da metanol u natkritičnim uslovima nije samo reaktant nego i kiseli katalizator (Kusdiana i Saka, 2004). Jako značajna osobina natkritične metanolize je da prisustvo SMK i vode u reakcionoj smeši nema negativan efekat na prinos metil estara. U nekatalizovanoj metanolizi reakcije metanolize TAG i esterifikacije SMK se odigravaju istovremeno, pri čemu je brzina reakcije metanoliza TAG manja u odnosu na esterifikaciju SMK. Razlozi za to su veća rastvorljivost SMK, naročito nezasićenih, u metanolu u odnosu na TAG i jednostavniji mehanizam reakcije esterifikacije. Ovakvi rezultati otvaraju mogućnosti primene neprečišćenih i otpadnih ulja sa visokim sadržajem SMK i vode za dobijanje biodizela postupkom natkritične metanolize. Osim toga, prečišćavanje dobijene smeše MEMK je praktično nepotrebno. Za ostvarivanje visokih prinosa metil estara preporučije se prisustvo metanola u velikom višku u odnosu na stehiometrijski potrebnu količinu (molski odnos metanol:ulje 42:1). Visok molski odnos omogućava povećanje kontaktne površine između metanola i TAG, što pogoduje konverziji. I pored navedenih prednosti, nekatalizovana metanoliza još uvek nema primenu u industrijskim uslovima, zbog ekstremnih reakcionih uslova i visokih zahteva u pogledu reakcione opreme (Pinnarat i Savage, 2008).

4.5.1.4. Proces dobijanja biodizela Proces dobijanja biodizela zavisi od polazne uljne sirovine i načina izvođenja reakcije alkoholize TAG i generalno uključuje sledeće glavne faze: predtretman ulja, metanoliza ulja, razdvajanje proizvoda reakcije i prečišćavanje dobijene smeše MEMK.

Predtretman uljne sirovine generalno seprimenjuje u slučaju kada je sadržaj SMK u ulju iznad granice za nesmetano izvođenje bazno katalizovane reakcije metanolize ulja. U tom slučaju SMK se esterifikuju u prisustvu kiselog katalizatora, a dobijeni proizvod dalje podvgava bazno katalizovanoj metanolizi. Nakon završetka reakcije metilestarska i alkoholna faza, koja se sadrži glicerol koji je nastao u reakciji metanolize i metanol koji je dodat u višku na početku reakcije, se razdvajaju najčešće gravitacionom separacijom. Nakon toga izdvojena metilestarska faza se podvrgava prečisćavanju u cilju otklanjanja zaostalih količina katalizatora (u slučaju homogeno katalizovane metanolize), alkohola i drugih primesa. Proces prečišćavanja metilestarske faze obuhvata ispiranje vodom, izdvajanje otpadne vode i sušenje, najčešće pd vakuumom na povišenoj temperaturi. U cilju rekuperacije metanola, metanolno-vodena faza iz kiselo katalizovane esterifikacije SMK i metanolno-glicerolna faza iz bazno katalizovane metanolize acilglicerolase spajaju i podvrgavaju rektifikaciji. Na ovaj način dobija se metanol dobrog kvaliteta tj. sa bezznačajno malim sadržajem zaostale vode, koji može biti upotrebljen u metanolizi novih količina ulja. Izdvojeni glicerol je tehničkog kvaliteta i može dalje biti prečišćen radi primene u drugim granama industrije ili iskorišćen za sintezu/biosintezu drugih proizvoda. 4.5.1.5. Prednosti i nedostaci primene biodizela The benefits and disadvantes of biodisel users Biodizel predstavlja visokokvalitetno gorivo za dizel motore, kao posledica sledećih karakteristika: • bezbeđuje bolje paljenje i mazivost motora u odnosu na fosilni dizel, što znači veću efikasnost i trajnost; • jednostavno rukovanje: tačka kjučanja oko 150 °C (fosilni dizel oko 70 °C); • ne zahteva obimnije intervencije na motorima i • nije potrebno menjati postojeće transportne i skladišne sisteme. Ovome je u velikoj meri doprineo dobro definisan standard kvaliteta biodizela. Standard EN 14214 (2003) definisan od strane Evropskog komiteta za standardizaciju (CEN) važi u zemljama članicama Evropske unije, a prihvaćen je i od strane mnogih drugih država među kojima je i naša zemlja (Tešić i Kiss, 2010). Pored toga osnovna sirovina za dobijanje biodizela je obnovljiva, pa je i biodizel obnovljiv izvor energije, a njegovom primenom smanjuje se potreba za fosilnim dizelom, samim ti i za uvozom nafte, čime se umanjuje i rizik u snadbevanju. Posmatrano sa stanovišta očuvanja životne sredine, zamena fosilnog dizel D-2 biodizelom ima niz prednosti. U odnosu na fosilni dizel, biodizel je netoksičan i biodegradabilan: stepen biološke razgradnje fosilnog dizela je 50 %, a biodizela 98 % za tri nedelje. Sagorevanjem biodizela oslobađaju se manje količine CO2, CO, SO2, nesagorelih ugljovodonika čađi i dr. čvrstih čestica. Količine CO2, koji se emituje pri sagorevanju biodizela odgovaraju količinama koje uljarice vežu iz atmosfere u toku svog životnog ciklusa. To praktično znači da je biodizel neutralan u odnosu na CO2. Biodizel sadrži 10–11 % kiseonika, zbog čega je njegovo sagorevanje u motorima potpuno, a emisija CO i nesagorelih ugljovodonika smanjena u odnosu na fosilni

dizel. Smanjena emisija SO2 pri sagorevanju biodizela posledica je vrlo malog sadržaja sumpora u njemu (0,01 %) (Stamenković, 2008). Prednosti proizvodnje i primene biodizela obuhvataju i sledeće: • supstituciju uvoza nafte i naftinih derivata domaćim proizvodima i smanjenje zavisnosti makroekonomskih parametara od spoljnih faktora, • povećanje deviznih rezervi, • podsticaj za otvaranje novih radnih mesta, • povećanje industrijske proizvodnje, • dodatno prelivanje sredstava ka poljoprivredi i • doprinos ekonomskom razvoju ruralnih sredina. Najveća prepreka komercijalizaciji biodizela jeste njegova, još uvek, visoka cena u odnosu na dizel D-2. Mogući načini smanjenja cene biodizela uključuju unapređenje postojećih i razvoj novih postupaka dobijanja biodizela kao i upotrebu jeftinih uljnih sirovina (korišćena, otpadna i nejestiva ulja). Drugi, možda značajniji način, jeste promena mera ekonomske politike, ukidanje akciza na biodizel i uvođenje subvencija u poljoprivrednoj proizvodnji uljarica, na osnovu zakonske regulative kojom se reguliše potrošnja obnovljivih izvora energije. U tom smislu, a sa ciljem ratifikacije KyotoProtocol-a, Evropski parlament i Savet su usvojili Direktive 2003/30/EC (08.05.2003) i 2003/96/EC (27.10.2003), kojima se zemlje članice EU obavezuju da obezbede minimalne proporcije biogoriva i ostalih obnovljivih goriva na svojim tržištima, a daje im se i mogućnost da biogorivo oslobode oporezivanja. Ugovorom o energetskoj zajednici, čiji potpisnik je i naša država, svaka država potpisnica je u obavezi da dostavi svoje planove o korišćenju biogoriva u skladu sa Direktivom 2003/30/EC. Sve ovo je u uticalo da se cena biodizela približi ceni dizela fosilnog porekla. 4.5.1.6. Uslovi za proizvodnju biodizela u zemljama WB Pokušaji proizvodnje biodizela u Srbiji započeli su sredinom devedesetih godina prošlog veka uvreme sankcija Saveta bezbednosti UN prema SR Jugoslaviji i nestašice dizel goriva.U tom periodu izgrađeno je ili rekonstruisano više hemijskih postrojenja zaproizvodnju biodizela. Planirana proizvodnja za 1994. i 1995. god. od po 50000 tona biodizela je samo u maloj meri ostvarena. Osnovni razlog tome je što do 2007. god. nije postojao, ni u najavama, odnos države prema korišćenju obnovljivih biogoriva. Tek su januara 2007. god. najavljene mere koje bi trebale da važe od polovine 2008. god., a kojima se država jasno opredelila da podstiče i pomaže uvođenjei korišćenje obnovljivih goriva. U Srbiji 2005. nije postojao funkcionalan pogon većeg kapaciteta za proizvodnju kvalitetnog biodizela. U Republici Srbiji se kao sirovina za proizvodnju biodizela mogu koristiti uljarice (suncokret, soja i uljana repica), i otpadna jestiva ulja. Ukupne površine pod uljaricama se procenjuju na 668 800 ha, od čega bi se uljarice za dobijanje biodizela mogle gajiti na 350 000 ha. Prosečna proizvodnja biodizela od uljanih biljaka koje se mogu uzgajati u Republici Srbiji prikazana je u tabeli IV.3. Pored toga, potrošnja jestivog ulja u Republici Srbiji iznosi oko 16 litara po glavi stanovnika, što upućuje na zaključak da bi se u Republici Srbiji godišnje moglo sakupiti oko 10 000 tona otpadnih jestivih ulja pogodnih za proizvodnju biodizela (Tešić i Kiss, 2010).

Tabela IV.3 Proizvodnja biodizela iz uljarica

Uljarica Suncokret Soja Uljana repica

Prosečan prinos zrna (t/ha) 1,79 2,25 1,69

Sadržaj ulja u zrnu (%) 40 18 36

Proizvodnja biodizela (kg/ha) (L/ha) 716 816 405 460 608 690

Usvajanje standarda kvaliteta biodizela je osnovni preduslov za proizvodnju i korišćenje biodizela na savremen način, isti kao i uzemljama EU. Pojam i kvalitet biodizela izjednačeni su sa onim što se pod tim pojmom ikvalitetom podrazumeva u EU. Instalirana postrojenja značajnog kapaciteta za proizvodnju biodizela u Republici Srbiji su: Victoria oil, Šid; Dijamant, Zrenjanin; Vital, Vrbas; Banat, Nova Crnja; Sunce, Sombor; Plima M, Kruševac. Victoriaoil je 2007. god. u Šidu izgradila fabriku kapaciteta 100 000 t biodizela godišnje. Ukupna vrednost ove investicije iznosila je oko 20 miliona evra i tako svrstala fabriku za proizvodnju biodizela u Šidu među najveće investicione projekte u zemlji. Postrojenja su rađena po nemačkoj Lurgi tehnologiji. Sa šidskom fabrikom biodizela Srbija je trebalo da osvoji dva procenta od 5,67 odsto u ukupnoj potrošnji goriva koje EU traži od svojih članica. Pošto je došlo do bitnog porasta cena ulaznih sirovina za biodizel a neznatnog porasta cene mineralnog dizela u 2008. i 2009. god. obustavljena je proizvodnja biodizela, a proizvodi se jestivo ulje. Osim toga, izostale su očekivane podsticajne mere države. Slična je situacija u Republici Makedoniji gde je kompanija Makpetrol u blizini Skoplja otvorila prvu fabriku biodizela. Godišnji kapacitet fabrike je 30 000 tona biodizela, što će zadovoljiti domaće potrebe i omogućiti izvoz. Biodizel će se proizvoditi od sirovog ulja dobijenog iz semena uljane repice, po svetskom standardu koji omogućava mešanje sa fosilnim dizel gorivom. Vlada Makedonije planira da do 2010. godine biodizel učestvuje sa 10% u potrošnji goriva, a da se do 2015. godine potrošnja tog ekološkog goriva poveća na 15% ukupne potrošnje. U Republici Hrvatskoj postoje tri velika postrojenja za proizvodnju biodizela: Biodizel Vukovar d.o.o. kapaciteta 35.000 t/god., Biotron d.o.o., (ranije Modibit d.o.o) u Ozlju, kapaciteta 20.000 t/god. i Vitrex d.o.o u Virovitici kapaciteta 6.000 t/god. U fazi planiranja je izgradnja još pet postrojenja za proizvodnju biodizela. U tabeli IV.4 je prikazana potrebna proizvodnja biodizela u Srbiji, pod pretpostavkom usvajanja Uredbe o sadržaju biogoriva u gorivima za motorna vozila ili Tabela IV.4 Projekcija potrošnje biodizela u Srbiji u skladu sa Uredbom sadržaju biogoriva u gorivima za motorna vozila ili Directivom 2003/30/EC Evropske unije Pokazatelj Potrošnja dizela u Srbiji (u hilj. t) Deo dizela koji će biti zamenjen biodizelom (u hilj. t) Direktiva2003/30/EC (u hilj. t)

Godina 2007

2008

2009

2010

2011

1 455 30,4 (2 %) 57,5 (3,5 %)

1 542 48,3 (3 %) 74,0 (4,25 %)

1 634 68,2 (4 %) 92,3 (5 %)

1 732 90,4 (5 %) 112,5 (5,75 %)

1 835 95,9 (5 %) 119,3 (5,75 %)

Direktive2003/30/EC Evropskog parlamenta i Saveta. Očekivanom Uredbom Vlade Srbije proizvođači i distributeri goriva bili bi u obavezi da u sva fosilna goriva umešavajubiogorivo i to počev sa 2007. godinom, a u sledećim zapreminskim procentima: 2007: 2%,2008: 3%, 2009: 4%, 2010. i kasnije 5%. Do januara 2010. ova Uredba nije doneta. U Srbiji 2010. god. nisu učinjeni značajni podsticaji za proizvodnju i korišćenjebiodizela. Kao razlozi što se biogoriva, pa ni biodizel, nisu koristila kao energenti (ili je to rađeno u zanemarljivim količinama) navode se: odsustvo odgovarajućih pravnih i tehničkih propisa, neiskren i nedovršen odnos prema evropskim integracijama, nedovoljno odgovoran odnos prema zaštiti životne sredine i zanemarljiv broj stručnjaka svih profila i kvalifikacija koji su osposobljeni za uvođenje u korišćenje različitih vidova obnovljivih izvora energije. 4.5.2. BIOETANOL Bioethanol Bioetanol je tečni obnovljivi izvor energije iz biomase, tj. predstavlja etanol dobijen preradom šećernih, skrobnih i lignoceluloznih biljnih kultura. Posebna pogodnost je mogućnost korišćenja bioetanola kao dodataka benzinu, u Otto motorima. U upotrebi su različite mešavine bioetanola i benzina. Kakav je odnos mešanja sa benzinom eksplicitno se vidi iz oznake goriva. E je oznaka za bioetanol, a brojni podatak označava procentualni zapreminski udeo bioetanola u gorivu. Često uz slovo E stoji i oznaka d što znači denaturisani bioetanol, tj. bioetanol koji nije za piće. Kada se govori o bioetanolu kao gorivu, onda se najčešće misli na smešu 85 % bioetanola i 15 % benzina, koja se označava sa E85. Bioetanol se proizvodi fermentacijom šećera prisutnih u biomasi ili šećera dobijenih prethodnom kiselinskom ili enzimskom konverzijom sastojaka biomase. Fermentacija šećera biomase se vrši pomoću mikroorganizama, i to tradicionalno pomoću kvasaca, a u novijim tehnologijama i pomoću određenih vrsta bakterija. Tehnologija za proizvodnju bioetanola se, dakle, razlikuje u zavisnosti od vrste primenjene sirovine supstrata i globalno se može podeliti u tri faze (slika 4.27): 1. 2. 3.

Prethodna obrada supstrata - priprema sirovine Fermentacija supstrata Izdvajanje proizvoda (striping, rektifikacija, i obezvodnjavanje). Bioetanol

Biomasa

Priprema sirovine

Fermentacija

Izdvajanje proizvoda

Otpadna voda, CO2

Slika 4.27. Uprošćena blok-šema dobijanja bioetanola iz biomase

Faza pripreme sirovine ima za cilj da se skrobne ili celulozne komponente iz biomase prevedu u fermentabilne šećere i vrši se pomoću enzima ili kiselina. Fermentabilni šećeri su oni šećeri koje mikroorganizmi mogu metabolisati, odnosno fermentisati do etanola, i to su uglavnom monosaharidi sa šest (glukoza, fruktoza, galaktoza, manoza) ili pet ugljenikovih jedinica (ksiloza, arabinoza) ili disaharidi (saharoza, maltoza, laktoza). Supstrati na bazi biomase koja je bogata šećerima, kao na primer, šećerna repa, ne zahtevaju predhodnu hidrolizu, već se na njima može direktno izvoditi mikrobiološka fermentacija do etanola.

4.5.2.1. Dobijanje bioetanola Bioethanol production Bioetanol se može proizvesti fermentacijom iz svih sirovina u kojima ima šećera koje proizvodni mikroorganizam može da metaboliše, ili u kojima ima polisaharida koji se mogu razgraditi do šećera. Postoji veliki broj potencijalno mogućih sirovina za proizvodnju bioetanola i generalno su prema tipu ugljenih hidrata koji dominira, podeljene u tri kategorije: • šećerne sirovine: šećerna repa, topinambur i šećerna trska, • skrobne sirovine: krtolaste (krompir, sladak krompir i kazava) i žitarice (pšenica, raž, kukuruz, ječam i sirak) i • lignocelulozne sirovine (papir, karton, gradski otpad, drvo, trava i drugi vlaknasti biljni materijali). Šećeri za proizvodnju etanola (glukoza, fruktoza, saharoza, maltoza) mogu se dobiti iz svake od ovih tri grupe sirovina, koristeći činjenicu da se polisaharidi, dekstrini, inulin, skrob i lignoceluloza mogu hidrolizovati do šećera pre prevođenja u etanol. Kada se razmatra izbor industrijske sirovine za proizvodnju bioetanola, moraju se uzeti u razmatranje faktori kao što su (Pejin i sar., 2007): • koncentracija ugljenih hidrata (stepen iskorišćenja sirovine) • cena i dostupnost sirovine (svaka zemlja se opredeljuje za sirovinu koje ima najviše u njenom geografskom i klimatskom okruženju) i • cena tehnološkog postupka za proizvodnju bioetanola na određenoj sirovini.

Hidroliza sirovina Osnovni cilj hidrolize je da se izvrši efikasna konverzija dve osnovne polimerne komponente skroba: amiloze, linearnog makromolekula na bazi glukoze vezane α-D-(1-4) glukozidnim vezama i amilopektina, razgranatog makromolekula na bazi glukoznih jedinica vezanih α-D-(1-4) i α-D-(1-6) vezama, do fermentabilnih šećera, koji se zatim mogu fermentisati do etanola pomoću određenih vrsta kvasaca ili bakterija. Efikasnost hidrolize se kvantitativno prati određivanjem dekstroznog ekvivalenta (DE), koji predstavlja procenat raskinutih glikozidnih veza (Chaplin i Bucke, 1990). Čista glukoza ima DE=100, čista maltoza 50, a skrob 0. Dekstrozni ekvivalent se može predstaviti na sledeći način: DE =

broj raskinutih glikozidnih veza ⋅100 broj glikozidnih veza prisutnih u skrobu na početku

U praksi se koristi sličan, mada ne identičan izraz: DE =

koncentracija redukujućih šećera ⋅100 početna koncentracija skroba

Hidroliza se može vršiti pomoću kiseline (kiselinska hidroliza) ili pomoću enzima (enzimska hidroliza).

Kiselinska hidroliza Ranijih godina je uglavnom korišćena hidroliza skroba kiselinama. Kao agensi za hidrolizu koristile su se hlorovodonična, sumporna i oksalna kiselina, koje katalizuju raskidanje glikozidnih veza u makromolekulima amiloze i amilopektina. Katalitičkom sposobnošću kod kiselina raspolažu joni vodonika. Hidroliza glukozidne veze uključuje protonizaciju kiseonika, formiranje konjugovane kiseline, a potom i disocijaciju aciklične ili ciklične C1-O veze, pri čemu nastaje karbonijum jon, koji sa vodom gradi protonovan šećer, a nakon toga redukujući šećer (BeMiller, 1967), kao što se vidi na slici 4.28. Uređaji za hidrolizu (konvertori) su u prošlosti pretrpeli velike promene. Najpre se, hidroliza odigravala u otvorenim sudovima, u uslovima atmosferskog pritiska i temperature od 100 0C, što je bio težak i dugotrajan proces (više časova). Kasnije, se prešlo na hidrolizu skroba u autoklavima, u kojima se proces vrši u uslovima povišenog pritiska i temperature, a vreme trajanja procesa sraćeno na 20 – 30 min. Danas se primenjuje Kroyer-ov kontinualni proces hidrolize skroba.

Slika 4.28. Mehanizam hidrolize glukozidne veze katalizovane kiselinom

Postupak kiselinske hidrolize zahteva korišćenje materijala koji su otporni na koroziju, velike utroške energije, uklanjanje slanog ukusa dobijenog hidrolizata, i uz to, ovaj proces je bilo teško kontrolisati, jer se razgradnja nije završavala do fermentabilnih šećera, nego se nastavljala do furfurala i sličnih proizvoda, koji mogu da inhibiraju fermentaciju. Prednosti i nedostaci kiselinske hidrolize, sa aspekta njenog korišćenja za alkoholnu fermentaciju su (Woodward, 1987): Prednosti: • Nije potrebna prethodna priprema • Velika brzina hidrolize • Jeftin i lako dostupan katalizator • Relativno niska reakciona temperature (sa koncentrovanom kiselinom) Nedostaci: • Razgradnja šećera • Obavezna neutralizacija hidrolizata pre fermentacije

• • • •

Inhibicija rasta kvasca sporim proizvodima hidrolize Niži prinos etanola Nemogućnost istovremenog sprovođenja saharifikacije i fermentacije Skuplji konstrukcioni materijali za izradu opreme

Enzimska hidroliza Razvoj i usavršavanje tehnologije proizvodnje amilolitičkih enzima doveo je do zamene procesa hidrolize skroba kiselinama enzimskom hidrolizom. Amilaze predstavljaju najvažnije hidrolitičke enzime koji se koriste u industriji skroba. Producenti α-amilaze su plesni, kvasci, bakterije, aktinomicete, mada se u njihovom industrijskom dobijanju uglavnom koriste plesni i bakterije. U savremenom postupku hidrolize skroba prvo se primenjuje enzim α-amilaza koji vrši likvefakciju skroba tako što hidrolizuje unutrašnje α-D-(1-4)-glukozidne veze. Amilaza iz Bacillus amyloliquefaciens je prva korišćena α-amilaza. Dalje usavršavane tehnologije enzima od strane kompanije Novozymes (Danska) dovelo je do komercijalne primene termostabilne α-amilaze dobijene iz Bacillus licheniformis pod komercijalnim nazivom Termamyl 120L, kao i Termamyl SC. To je doprinelo i razvoju ekonomski znatno povoljnijeg industrijskog postupka u odnosu na prethodne postupke, koji su, da bi razorili kristalnu strukturu skroba koristili termički tretman na temperaturi od 150°C, i razvijen je takozvani "dvostepeni hladni enzimski postupak", koji se sastoji iz dve faze: likvefakcije i saharifikacije. Prva faza postupka enzimske hidrolize je likvefakcija (utečnjenje) ili razlaganje skroba do kompleksnih šećera, i ona obuhvata: intenzivno mešanje skrobnog polaznog materijala sa vodom, podešavanje pH smeše do vrednosti potrebne za primenjeni enzim, mešanje smeše koja sadrži odgovarajući odnos α -amilaze i skroba koji se razgrađuje i zagrevanje polazane kukuruzne smeše na temperaturu od 85 – 110°C u toku 1 – 1,5 h. Skrob sa povišenjem temperature želatinizira, formirajući gustu, viskoznu kašu. Pod dejstvom enzima skrob se razlaže do kompleksnih šećera (dekstrina). Likvefakcija je prvi i najvažniji korak u proizvodnji hidrolizata, gde je potrebno izvršiti delimičnu hidrolizu skroba, uz smanjenje viskoznosti suspenzije. Nakon ovog tretmana dekstrozni ekvivalent (DE) utečnjenog skroba je u intervalu 10 – 20, u zavisnosti od količine dodatog enzima. Kada je faza likvefakcije kompletno završena, smeša postaje tečna. Na brzinu likvefakcije skroba α-amilazom deluje više faktora: temperatura, pH, brzina mešanja, vreme trajanja likvefakcije, koncentracija supstrata, koncentracija enzima, viskozitet smeše, dodatak Ca2+ jona. pH optimum α-amilaza kreće se od 2 do 12. Amilaze iz većine bakterija i plesni imaju pH optimum u kiselom i neutralnom opsegu. Stabilne su u temperaturnom intervalu od 25 – 130°C. Tako npr. amilaza iz B. licheniformis CUMC 305 pokazuje visoku stabilnost u toku 4 h na 100°C. Mnogi faktori utiču na termostabilnost amilaza, a to su: prisustvo Ca2+ jona, vrsta supstrata, prisustvo stabilizatora. Određeni metalni katjoni, naročito teški metali, reagensi sa sulfhidrilnom grupom, EDTA, mogu da inhibiraju α-amilaze. One su metaloenzimi, koji sadrže najmanje jedan Ca2+ jon, a njihov afinitet za Ca2+ jone je veći nego za druge jone. Prisustvo Ca2+ jona u višku stabilizuje enzim, dokα -amilaze u njihovom prisustvu pokazuju i veću termostabilnost. Preporučene količine Ca2+ jona su 40 – 60 g/t skroba (Pejin i sar., 2007). Druga faza enzimske hidrolize skroba je saharifikacija skroba, koja se odigrava primenom enzima glukoamilaze koji vrši dalju razgradnju skroba hidrolizujući α -D(1-4) i α-D-(1-6)–glukozidne veze skroba. Razgradnja počinje od neredukujućeg kraja

makromolekula, što dovodi do nastajanja glukoze kao krajnjeg produkta. Saharifikacija skroba obuhvata: hlađenje smeše do optimalne temperature za enzim saharifikacije (glukoamilazu), podešavanje pH za glukoamilazu, dodavanje glukoamilaze u odgovarajućoj količini i održavanje optimalnih vrednosti pH i temperature, uz konstantno mešanje dok se saharifikacija potpuno ne završi. Završetak faze saharifikacije utvrđuje se sadržaja šećera, odnosno određivanjem DE vrednosti (Pejin i sar., 2007). Za postupak saharifikacije se najčešće koristi enzim glukoamilaza u rastvornom obliku, i to je ujedno jedan od najkorišćenijih industrijskih enzima. Mnoge vrste gljiva sposobne su da proizvedu glukoamilazu pod različitim uslovima. Najčešći producenti su Aspergillus awamori, A. foetidus, A. niger, A. orzyae, A. terreus, Mucor rouxiaus, mucor javanicus, Neurospora crassa, Rhizopus delmar, Rhizopus orzyae, Arthrobotrys amerospora. Industrijska proizvodnja glukoamilaze fokusirana je na proizvodnju iz Aspergillus niger i Rhizopus orzyae. Njihov značaj je u dobroj termostabilnosti, posebno kod Aspergillus sojeva i visokoj aktivnosti pri neutralnim pH vrednostima. Enzim glukoamilazu (amiloglukozidazu) komercijalno proizvodi Novozymes, Danska, a najpoznatiji komercijalni proizvodi su: SAN extra L (400 AGU/g) iz Aspergillus niger, Spiritzyme plus poboljšana glukoamilaza za saharifikaciju, AMG 300 L proizvedena iz genetski modifikovane Aspergillus vrste. Glukoamilaze iz plesni su obično najaktivnije pri kiselim pH vrednostima, ali različite glukoamilaze imaju i različit pH optimum. Mnoge glukoamilaze funkcionišu na termofilnim temperaturama, obično 50 do 60°C (Norouzian i sar., 2006). Šira primena ovog enzima u prehrambenoj industriji onemogućena je visokom cenom enzima. U cilju ostvarivanja bolje ekonomičnosti i višestrukog korišćenja enzima moguće je primeniti imobilizaciju enzima. Imobilizacija se izvodi adsorpcijom ili kovalentnim vezivanjem za čvrsti nosač, zarobljavanjem u polimernim supstancama ili inkapsulacijom. Imobilizacija takođe povećava čistoću finalnog proizvoda i smanjuje potrošnju samog enzima. Najčešće je ispitivana i korišćena imobilizacija na aktivnom uglju, jonoizmenjivačkim smolama, zarobljavanje enzima u gelove, i kovalentno vezivanje za nosač. Kao nosači za kovalentno vezivanje uglavnom se koriste silikagel i DEAE celuloza. Za ove nosače moguće je imobilisati amilazu i glukoamilazu, pojedinačno ili zajedno. Istraživanja su pokazala da se može postići zadovoljavajuća stabilnost imobilisanih enzima i da prelazak sa rastvorne forme enzima na imobilisanu može značajno smanjiti ukupne troškove proizvodnje. Mogućnosti unapređenja enzimske hidrolize skrobnih supstrata. Jedan od osnovnih problema u proizvodnji etanola iz skrobnih materijala je termalna destrukcija kristalinične strukture skroba na temperaturama od 150°C i pritisku oko 5 bar. Nakon uvođenja termostabilnih enzima koji zadržavaju svoju aktivnost na temperaturama do 100°C, potreba za korišćenjem visokih temperatura nije više bila neophodna jer se razgradnja skroba mogla izvesti i na temperaturama 90 – 100°C. Tako je nastao “hladni“ dvostepeni enzimski postupak, koji je zamenio raniji termički postupak, poznat pod nazivom “topli“. Prednosti uvođenja “hladnog“ dvostepenog enzimskog postupka u odnosu na prethodno korišćeni “topli“ se najbolje mogu sagledati poređenjem potrošnje energije u procesu razgradnje skroba iz kukuruza. U toplom postupku je potrošnja energije iznosila 2449 MJ/t (6 – 8 MJ/l etanola), dok je u hladnom iznosila 566 MJ/t (1 – 3 MJ/l etanola) (Baras i sar., 2002). Dalje usavršavanje postupka razgradnje skroba uključuje uvođenje postupka kontinualne

degradacije. Osnovne prednosti ovakvog postupka su manja potrošnja energije i niži sadržaj neglukozidnih nečistoća. Fermentacija. Fermentacija šećera je faza koja sledi nakon pripreme supstrata i u klasičnim postupcima se izvodi najčešće pomoću kvasaca iz roda Saccharomyces cerevisiae na temperaturi od oko 30°C. Pored Saccharomyces cerevisiae u industrijskoj praksi se koriste i kvasci Saccharomyces uvarum (carlsbergensis), Schizosaccharomyces pombe i Klyveromyces vrste. Pored kvasaca i neke bakterije kao napr. Zymomonas mobilis, Clostridium sporogenes i Thermoanaerobacter ethanolicus mogu proizvoditi etanol, ali se one manje industrijski koriste, osim u posebnim slučajevima (Wyman, 1996). Proces fermentacije se odvija u specijalno konstruisanim sudovima – fermentorima, uglavnom pod anaerobnim uslovima, naime bez prisustva kiseonika, iako je poznato da su kvasci fakultativni anaerobi (mogu fermentisati šećere i pod aerobnim i anaerobnim uslovima). Pod anaerobnim uslovima kvasci fermentišu šećere stvarajući etanol i ugljendioksid uz oslobađanje određene količine energije koju je potrebno odvoditi iz sistema, prema Gej-Lisakovoj jednačini: C6H12O6→2C2H5OH+2CO2 +117 kJ Prema navedenoj jednačini može se videti da se po jedinici (kilogramu) fermentisane glukoze može ostvariti teorijski prinos od 0,51 kg etanola. Međutim, stvarni prinos koji se može ostvariti u toku fermentacije supstrata zavisi od vrste šećera koji se fermentiše, vrste mikroorganizama i primenjenih procesnih uslova (pH, temperatura, mešanje, koncentracija šećera u hranjivoj podlozi, koncentracija drugih izvora supstrata neophodnih za metabolizam proizvodnog mikroorganizma, efikasna eliminacija kontaminacije, prisustvo inhibitora u hranjivoj podlozi itd.). U dobro koncipiranim postupcima stvarni prinos se kreće oko 90 – 95% od teorijskog. Kao što se iz jednačine vidi, prilikom fermentacije 1 mola glukoze oslobodi se 117 kJ u okolni prostor. U cilju održavanja konstantne i optimalne temperature za gajenje kvasaca ovu oslobođenu toplotu je potrebno odvoditi iz sistema, što se postiže hlađenjem sudova, odnosno fermentora u kojima se izvodi alkoholno vrenje. Efikasnost iskorišćavanja supstrata, pa samim tim i ekonomičnost procesa fermentacije u mnogome zavisi od fizioloških karakteristika mikroorganizama koji se koriste u fermentaciji. S tim u vezi već dugo i intenzivno se vrše istraživanja razvoja i selekcije mikroorganizama koji podnose visoke koncentracije i šećera i etanola. Kombinacijom odabranih mikroorganizama i optimizacijom procesnih uslova postignuti su značajni pomaci u razvoju tehnologije proizvodnje bioetanola, posebno ako se uzme u obzir da se u konvencionalnom šaržnom postupku ostvarivala prosečna koncentracija etanola od oko 7% zapreminskih (Rehm i sar., 1993). U tehnologiji etanola već tradicionalno se koristi proizvodni mikroorganizam Saccharomyces cerevisiae. Ovaj kvasac važi kao najviše eksploatisani mikroorganizam u industriji i još uvek je primaran za proizvodnju etanola i alkoholnih pića. Do sada je poznato da ovaj kvasac može da proizvodi 10 – 12% etanola. Međutim, postoje tvrdnje i indicije da ćelije kvasca mogu proizvesti i do 23% etanola. Postavlja se pitanje da li je u proizvodnim uslovima moguće ostvariti ovako visoke koncentracije etanola u fermentisanoj podlozi, kao i koji su preduslovi potrebni za postizanje maksimalne koncentracije etanola prilikom fermentacije kvascima? Da bi

se postigle više koncentracije etanola u podlozi koja fermentira potrebno je ukloniti faktore koji stresno utiču na ćelije kvasca. Prvi stresni faktor je sadržaj glukoze. Ako su koncentracije glukoze visoke, inhibira se metabolizam kvasca i nema nastajanja etanola. Preporučuje se da se glukoza dodaje postepeno kako bi se moglo dostići 23% etanola. Drugi stresni faktor je etanol. Ćelije kvasca mogu da opstanu i prežive u podlozi koja sadrži i do 30% etanola. U pogonima se izvode fermentacije uz postepeno dodavanje glukoze, tako da sadržaj etanola dostiže vrednosti 16 – 18%. Pod uslovom da se uklone navedeni faktori stresa, sadržaj etanola u fermentisanim podlogama može dostići 23%. Da bi kvasac mogao da raste u podlogama se mora smanjiti sadržaj mlečne i sirćetne kiseline. Mnoge fabrike etanola rade pod uslovima da podloge sadrže 0,2 – 0,3% mlečne kiseline. Ove koncentracije, ma koliko se činile niskim, smanjuju aktivnost ćelija kvasca. Preporučuje se da se mora učiniti napor da se eliminiše mlečna kiselina iz podloge tokom fermentacije, kako bi kvasac mogao dati maksimum od sebe. Uticaj temperature tokom fermentacije se, takođe, ne sme zanemariti. Tokom fermentacije potrebno je temperaturu držati što je moguće niže. Ako se želi ostvariti cilj od 23% etanola, mora se obezbediti maksimalno dobar sistem hlađenja fermentora ili izmenjivač toplote. Sa povišenjem temperature za svaki 10°C povećava se efekat smrtnosti ćelija kvasca od mlečne kiseline za 10 puta. Isto tako povećava se smrtnost ćelija kvasca od etanola za 10 puta.U podlozi od žitarica može se naći fitinska kiselina “antinutritivni faktor” zbog toga što vezuje vitamine, aminokiseline i minerale; tako da oni nisu na raspolaganju ćelijama kvasca. Ako se u hranljivu podlogu doda fitaza razgradiće se fitin na sastavne komponente. Ovaj enzim je potrebno dodati podlozi na temperaturi 50°C zajedno sa enzimima za ošećerenje. Stresni faktori su sinergistični. Ovako kombinovani stresni faktori mogu drastično da smanje rast kvasca i prinos etanola. Ocenjuje se da je 25% žitarica u svetu kontaminirano mikotoksinima. Mikotoksini inhibiraju rast kvasca što ima za posledicu smanjenje produkcije etanola. Da bi se vezali mikotoksini mogu se upotrebljavati esterifikovani glukomanani. Na taj način može se eliminisati njihov negativni uticaj na rast kvasca (Pejin i sar., 2007). Kvasac Saccharomyces cerevisiae koristi jednostavne (monomerne) heksozne šećere. Kako je veoma malo jednostavnih šećera u početnoj sirovini, veoma je važno sirovinu efikasno hidrolizovati, čime se povećava njihov sadržaj i stvara mogućnost uspešnije fermentacije. Takođe, objašnjenje upotrebe kvasca ne vredi mnogo, ako se ne napomene upotreba nekih bakterija koji mogu da fermentišu kompleksne šećere direktno, čime je izbegnuta potreba hidrolize sirovine. Ovaj proces je poznat pod imenom simultana saharifikacija i fermentacija (SSF) (Zaldivar isar., 2001). Međutim, bakterije, kao i kvasci, nisu tolerantni na visoke početne koncentracije šećera i visoke koncentracije sintetisanog etanola. Upravo zbog toga je korisno izvoditi ova dva procesa odvojeno, omogućavajući veću kontrolu nad količinom šećera i etanola u fermentoru. Postoje četiri načina izvođenja fermentacije u proizvodnji etanola: diskontinualno (šaržno), dolivno (feed-bach), semikontinualno i kontinualno. U sva četiri metoda može se primenjivati recirkulacija ćelija, pod uslovom da je hranljiva podloga bistra, bez suspendovanih čestica iz sirovina. Sa tehnološkog stanovišta kontinualni postupak je najinteresantniji zbog toga što se proizvodni mikroorganizam nalazi u eksponencijalnoj fazi rasta, tako da sve vreme produktivnost etanola raste. Napojna smeša, koja sadrži supstrat, kulturni medijum i druge neophodne nutritijente se pumpom transportuje u sud opremljen mešalicom,

gde su već prisutni aktivni mikroorganizmi. Tokom procesa, šećer se troši na račun sintetisanja etanola i proizvodnje novih ćelija kvasca. Proizvod koji se iz sistema izvodi sa vrha fermentora, pored etanola, sadrži male količine neproreagovanog šećera i zaostale ćelije. Vazduh, neophodan za održavanje ćelija, se produvava kroz fermentor. Sastav fermentacione tečnosti u fermentoru je prostorno uniforman i identičan sa satavom fermentacione tečnosti, koja napušta fermentor. U fermentoru se kontinualno stvaraju nove ćelije, ali i kontinualno iste spiraju. Kada fermentor radi stacionarno, brzine stvaranja i spiranja mikrobnih ćelija je jednake. Tipična gustina ćelija u kontinualnom fermentoru je 10-12 g L-1, a ukupna produktivnost jednostavnog CSTR (Continuous Stired Tank Reactor) sa visoko produktivnim sojevima kvasca je 6 g L-1 h-1 etanola, što jetri puta više od prosečne šaržne produktivnosti, pri istim uslovima (Pejin i sar., 2007). 4.5.2.2. Dobijanje anhidrovanog etanola Production of anhydrous ethanol Postupak dobijanja anhidrovanog etanola sastoji se iz dve faze: koncentrisanje i obezvodnjavanje i one predstavljaju ekonomski najnepovoljnije faze u proizvodnji bioetanola. Osnovni proces kojim se etanol izdvaja iz fermentisane podloge nakon fermentacije je destilacija i rektifikacija.Klasičnim postupcima destilacije i rektifikacije obično se postiže koncentracija etanola od oko 96% vol, što je obično neprihvatljiv kvalitet za korišćenje kao gorivo. Za dobijanje bioetanola koji se sam ili u smeši sa benzinom koristi kao motorno gorivo potrebno je izdvojiti vodu i određen sadržaj nečistoća. U Američkoj i Evropskoj literaturi opisane su dve kategorije motornog goriva na bazi bioetanola: anhidrovani i neanhidrovani. Neanhidrovani etanol može sadržati 85 – 95 % vol. etanola i namenjen je za pogon motora koji koriste samo bioetanol (ne smeše sa benzinom). Ova kategorija se koristi u Brazilu, pored anhidrovanog etanola. Za razliku od ovoga, anhidrovani etanol koji je namenjen za smeše sa benzinom sadrži minimalno 99,5% etanola. Prema današnjim standardima, preovladava mišljenje da se za gorivo može koristiti samo anhidrovani etanol sa najmanje 99% etanola. Zbog toga je značajno da fermentisana podloga koja napusta fermentor ima što je moguće veću koncentraciju etanola (Pejin i sar., 2007). Koncentrisanje Destilacija i rektifikacija su separacione operacije, koje se koriste za razdvajanje komponenti bliskih tački ključanja. Rektifikacija se razlikuje od obične (jednostupne) destilacije po sledećim karakteristikama: • predstavlja višestupnu destilacionu operaciju, pa se često naziva i frakciona destilacija • tečna faza se sliva niz kolonu, a parna ide naviše, pri čemu se između faza razmenjuje i masa i toplota • razmenjuje se latentna tolota isparavanja, jer su obe faze zasićene, što omogućava da lakše isparljiva komponenta pređe iz tečne u parnu fazu, a teže isparljiva komponenta iz parne u tečnu fazu. Svrha ove faze u proizvodnji bioetanola je dobijanje rafinisanog etanola, od 95 – 96 % vol. Veću koncentraciju etanola je nemoguće ostvariti standardnom destilacijom i rektifikacijom zbog činjenice da etanol i voda formiraju azeotropnu

smešu.. Fermentaciona tečnost po izlasku iz fermentora, sem etanola, sadrži veliku količinu CO2, vode, neproreagovanog skroba i kvasca. Da bi se postigla željena koncentracija etanola od oko 96 % vol. koriste se dve destilacione kolone: “stripping” i rektifikaciona kolona. Obezvodnjavanje Poslednja faza u proizvodnji bioetanola je obezvodnjavanje ili dehidratacija. Uopšte uzev, postoje dva osnovna tipa tehnoloških postupaka za dobijanje anhidrovanog bioetanola: 1. Destilacione metode • Azeotropna destilacija i rektifikacija 2. Nedestilacione metode • Apsorpcija • Adsorpcija • Pervaporacija Azeotropna destilacija i rektifikacija. Azeotrop je tečna smeša dve ili više komponenata, koje imaju jedinstvenu tačku ključanja. Kao posledica toga, parna faza ove smeše ima isti sastav kao tečna faza, pa jednostavna tehnika destilacije ne može pomoći u razdvajanju komponenti smeše. Za razdvajanje i koncentrisanje azeotropnih tečnosti koristi se metoda azeotropne destilacije. Rafinisani etanol, koji sadrži 95 - 96 % vol. etanola, meša se sa trećom komponentom, tzv. “entrainerom” (benzen, heptan ili cikloheksan) i tako stvara azeotropsku smešu kojom se napaja kolona. Tako, na primer, smeša 7,5 % vode, 18,5 % etanola i 74 % benzena, normalnih tački ključanja 100°C, 78,3°C i 80°C, respektivno, formira ternarni azeotrop, normalne tačke ključanja 64,9°C. Takođe, benzen i etanol formiraju binarni azeotrop sa tačkom ključanja 68,2°C. Stoga, kada se smeša 95 % etanola i benzena destiliše, prvi destiliše ternarni azeotrop koji napušta kolonu na vrhu, kondenzuje se i zatim u dekanteru razdvaja na organsku fazu i vodu, prati ga binarni azeotrop, dok je finalna frakcija (tačke ključanja 78,3°C) apsolutni etanol i sakuplja se na dnu kolone (Tasić, 2011). Postrojenje za dobijanje anhidrovanog etanola je često u savremenim pogonima sastavni deo sisteme za destilaciju i rektifikaciju. U tom slučaju nije potrebno ugrađivati posebnu kolonu za koncentrisanje etanola, jer tu funkciju može da vrši rektifikaciona kolona. U novije vreme azeotopna destilacija se sve više zamenjuje drugim metodama dehidratacije koje su energetski i zdravstveno povoljnije, jer se benzen pokazao kao jako kancerogeno sredstvo. Apsorpcija. Zasniva se na korišćenju dehidratacionih sredstava za izdvajanje vode iz rafinisanog etanola. Industrijski se naročito ističe Mariller-Granger proces, koji koristi glicerin za obezvodnjavanje rektifikovanih para etanola. Suština ovog procesa je u prolazu para etanola kroz čist glicerin, pri čemu se izdvaja etanol čistoće 99,2 %vol. Efikasnost procesa se može povećati na izdvajanje 99,8 %vol. etanola dodatkom K2CO3 u rastvor glicerina. Međutim, dobijanje 99,8 - 100 %vol. etanola korišćenjem glicerina kome su dodate soli je neophodno izvoditi pod vakumom, jer se time izbegava degradacija apsorbenta, čime se izvođenje procesa znatno otežava. Adsorpcija. Metoda slična apsorpciji koja za izdvajanje vode koristi molekulska sita (sintetički i prirodni zeoliti, K-aluminosilikati, kao i određeni prirodni polimeri, skrob i celuloza) čije su pore permeabilne za vodu, ali ne i za etanol. Molekulska sita sa prečnikom pora od 3 Å uspešno vrše obezvodnjavanje etanola, jer u pore molekulskih sita mogu difundovati jedino molekuli vode čiji je prečnik 2,8 Å, dok molekuli

etanola čiji je prečnik 4,4 Å ne mogu da uđu u pore i zato se ne zadržavaju na sitima. Tipično postrojenje za obezvodnjavanje pomoću molekulskih sita u suštini predstavljaju sistem od jednog ili dva adsorbera. Adsorberi primenjuju visoki pritisak kada treba da povećaju kapacitet zadržavanja vode na adsorbensu, a nizak pritisak kada je potrebno udaljiti vodu iz adsorbensa. Pored molekulskih sita i drugi čvrsti adsorbenti se mogu primenjivati za adsorpciju vode iz 96%-nog etanola. Zbog malog toplotnog efekta adsorpcije, kao pogodni i efikasni sorbenti su se pokazali celuloza i skrob zbog njihove male toplote adsorpcije. Takođe moguće koristiti mleveno kukurzno brašno kao dehidrataciono sredstvo. Pokazalo se da se ono može 20 puta reciklirati pre nego što se upotrebi za stočnu hranu (Tasić, 2011). Pervaporacija. Po definiciji pervaporacija je membranski proces za razdvajanje tečnih smeša putem parcijalnog isparavanja komponenti preko semipermealne memrane. Semipermealne membrane su najčešće izrađene na bazi polimera poliviniletanola i zeolita, koji se nanosi na porozni neorganski nosač. Permeat (izdvojena voda) se kondenzacijom prevodi u tečno stanje i tako izvodi iz sistema. Pogonska sila permeacije je razlika u parcijalnim pritiscima permeata kroz membranu. Ovo se postiže izvođem procesa pod vakumom, jer se na taj način snižava ukupni pritisak sa unutrašnje strane membrane. Mogućnost pervaporacije zavisi od toga koliko je komponenta koja se transportuje (voda) kroz membranu polarna, a ne od razlike u isparljivosti komponenata u smeši. Što je molekul manji i veće polarnosti, time je veći permeacioni fluks datog molekula alkohola, a time je pervaporaciona selektivnost manja. Mehanizam pervaporacije odnosno mehanizam transporta vode kroz membranu, takođe zavisi i od vrste semipermebilne membrane. Kada se pervaporacija izvodi gustim polimernim memranama, mogućnost pervaporacije zavisi od toga da li komponenta koja se transportuje (voda) kroz membranu može u njoj da se rastvori i dalje difunduje. A kada se koriste zeolitske membrane (slučaj kada se komponenta ne rastvara u membrani), mogućnost pervaporacije zavisi od adsorpcionog kapaciteta, tj. afiniteta membrane prema komponenti koja se uklanja (Tasić, 2011). 4.5.2.3. Prednosti i nedostaci primene bioetanola Benefits and disadvantages for Bioethanol users

Pogodnost etanola počiva na toplotnoj moći obzirom da je relativno bogat energijom (26,8 MJ/kg), relativno većem oktanskom broju u odnosu na benzin (120), većoj toploti isparavanja i manjoj toploti sagorevanja. Specifična toplota etanola i napon pare nalaze se u oblasti pogodnoj za motorna goriva. Najvažnija prednost korišćenja goriva na bazi mešavina sa etanolom u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem je u manjoj emisiji izduvnih gasova. Kancerogene supstance se ne nalaze u čistom etanolu, ali ih ima u mešavini etanola i benzina, i one upravo potiču od benzina, ali u znatno manjoj meri. Najveći značaj primene etanola sa aspekta emisije štetnih gasova je smanjenje emisije ugljenmonoksida. Primena E10 ukazuje na smanjenje emisije CO za 25%, što se objašnjava potpunijim sagorevanjem zbog prisustva kiseonika u gorivu. Emisija NOx se ne menja značajno dodavanjem bioetanola u odnosu na emisiju prilikom primene čistog motornog benzina (Stojiljković i sar., 2007). Nivo emisije CO2 u procesu sagorevanja bioetanola mora se sagledavati kompleksno, tj. kroz celokupni životni ciklus goriva. U tom pogledu generalno se smatra da je bioetanol u velikoj prednosti u odnosu na fosilna goriva, s obzirom da potiče iz biomase. Pošto biljke, od kojih se proizvodi bioetanol, u procesu

fotosinteze koriste CO2, ukupan bilans CO2 je u procesu sagorevanja bioetanola jednak nuli, tj. biljke potroše jednaku količinu CO2 sa onom koja nastane procesom sagorevanja etanola. Glavni problem upotrebe bioetanola kao goriva nastaje usled emisije aldehida (posebno acetaldehida), jer njegove količine u vazduhu nisu još regulisane zakonom. Aldehidi se direktno ispuštaju u atmosferu usled sagorevanja etanola i pojedinih ugljovodonika. Aldehidi su fotohemijski reaktivni. Emisija aldehida je kod alkohola 2 – 4 puta veća nego kod benzina, zbog visokog sadržaja vezanog kiseonika. Ipak, ona se lako može neutralisati u katalitičkom konvertoru koji je obavezan sistem na savremenim vozilima opremljenim Otto motorima (Stojiljković i sar., 2007). Osim toga, transport bioetanola (E5 - E22) kroz postojeće transportne pumpe i cevovode namenjene tečnom fosilnom gorivu, koje je u trenutnoj upotrebi, bilo bi otežano zbog osobine bioetanola da apsorbuje vodu i njegove visoke sposobnosti da rastvara određene primese, tako da bi njegova upotreba zahtevala modifikaciju postojećih pumpi za gorivo. No i pored navedenih ograničenja upotreba bioetanola kao goriva je u stalnoj ekspanziji, za razliku od njegovog korišćenje u industriji i industriji alkoholnih pića, godinama unazad ne beleži značajniji porast, kako se to može videti iz podataka prikazanih na slici 4.29. 80000 70000

Gorivo Industrija Alkoholna pića

Miliona tona

60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

Slika 4.29. Svetska proizvodnja i upotreba etanola u milionima tona

4.5.2.4. Uslovi za proizvodnju bioetanola u zemljama WB Značajniji razvoj proizvodnje etanola Republici Srbiji nastao je tek nakon 1960. godine, kada je počela izgradnja većih industrijskih kapaciteta sa savremenom opremom i tehnologijom. U Jugoslaviji je 1996. godine postojalo 11 postrojenja čiji je zbirni godišnji kapacitet bio oko od oko 40 miliona hl pri 260 dana rada, odnosno oko 48 miliona hl pri radu od 320 dana godišnje. U današnjoj Srbiji se proizvodnja etanola odvija u 10 industrijskih pogona koji su prikazani u tabeli IV.5. U tabeli su prikazana postojeća industrijska postrojenja za proizvodnju etanola, njihovi kapaciteti kao i sirovine koje koriste za proizvodnju. Najveći pogoni su u Beogradu, Crvenki i Kovinu i predstavljaju oko 85% proizvodnog kapaciteta Srbije. Navedeni pogoni obavljaju proizvodnju etanola sa maksimalnim sadržajem etanola od 96% vol. koji je namenjen uglavnom za alkoholna pića, a manje za medicinske ili farmaceutske svrhe. Nijedan

od navedenih industrijskih pogona ne raspolaže opremom za obezvodnjavanje odnosno dehidrataciju etanola, odnosno ne postoji organizovana proizvodnja bioetanola kao goriva u Srbiji (Pejin i Mojović, 2007). Proizvodnja etanola je u Srbiji danas niža nego 1991. godine. Razlozi za to su mnogobrojni, počevši od ukupnog stanja privrede, negativnih zbivanja na planu sveukupne proizvodnje, neadekvatnih zakonskih propisa, tranzicionih kretanja, svrstavanja etanola pod zakonsku regulativu propisanu za vino i etanolna pića, što je praktično sužavalo mogućnost njegovog korišćenja za druge svrhe za koje se on u svetu koristi (hemijska industrija, gorivo). Minimalne količine bioetanola potrebne za supstituciju motornog benzina koje su propisane Evropskom direktivom o biogorivima 2003/30/EC izračunate su na osnovu podatataka o potrošnji i projektovanim potrebama za motornim benzinom u Srbiji , a rezultati su prikazani u tabeli IV.6. Iz tabele IV.6 se može videti da je, pod pretpostavkom da je Srbija poštovala Evropsku direktivu o biogorivima 2003/30/EC i da je uvela minimalnu supstituciju od 2% motornog benzina etanolom već u 2005 godini, bilo bi potrebno da je proizvela 21 900 t etanola za gorivo. Tako bi ukupne potrebe Srbije za etanolom u toj godini za gorivo (A) i za potrebe industrije i alkoholna pića (B) iznosile 73 900 tona što je 3,3 puta više od aktuelne proizvedene količine u toj godini koja je iznosila 22 000 tona, a 2,3 puta više od maksimalnog postojećeg kapaciteta pri radu od 320 dana. U 2010. g. potrebe za etanolom u Srbiji su značajnije jer je samo za minimalnu propisanu supstituciju motornog benzina etanolom od 5,75% potrebno proizvesti 78.200 tona etanola. U tom slučaju bi čak i pri nepromenjenim potrebama za etanolom za industrijske i farmaceutske svrhe i za alkoholna pića u odnosu na postojeće, ukupne potrebe za etanolom iznosile minimalno 130 200 t što je blizu 6 puta više od trenutne proizvodnje, ili pak 4 puta više od maksimalnog postojećeg kapaciteta u Srbiji pri radu od 320 dana (Pejin i Mojović, 2007).

Tabela IV.5 Instalisani kapaciteti za proizvodnju etanola u Srbiji (103 hl) (Pejin i Mojović, 2007) Postrojenje

Sirovina

Dnevni kapacitet

Godišnji kapacitet (broj radnih dana) 260

320

Panalko – Beograd

Melasa

30

7 800

9 600

Crvenka – novi pogon

Melasa

30

7 800

9 600

Crvenka stari pogon Kadakas – Crvenka

Melasa+žitarice

15

3 900

4 800

Žitarice+melasa

2

560

640

Kovin

Melasa

30

7 800

9 600

Osečina Užice

Žitarice Žitarice+ voće

4 5

1 040 1 300

1 280 1 600

Lukas – Bajmok

Žitarice+melasa

1,2

312

384

Srbobran

Žitarice+melasa

4

1 040

1 280

Takovo

Žitarice+krompir

4

1 040

1 280

125,2

32 812

40 384

UKUPNO

Dalja predviđanja potreba za etanolom u 2020. godini su neprecizna, jer nema precizne procene o potrošnji motornog benzina, ali je jasno da će one i dalje imati rastući trend. Iz svega ovoga je jasno da su Srbiji neophodni novi kapaciteti za proizvodnju etanola. S obzirom na razvijenu poljoprivrednu proizvodnju i činjenicu da proizvedene količine žitarica potpuno zadovoljavaju i prevazilaze domaće potrebe za ljudskom i stočnom ishranom, potrebno je razmotriti i mogućnosti proizvodnje bioetanola od žitarica. Za proizvodnju 100 000 tona bioetanola, potrebno je oko 330 000 tona žitarica, što predstavlja oko jedne trećine tržišnih viškova žitarica ili svega oko 2-4 % ukupne proizvodnje žitarica. U ostale alternativne sirovine pogodne za proizvodnju bioetanola, za koje postoji potencijal u našoj zemlji mogu se svrstati sirak, jerusalimska artičoka (topinambur) i krompir. Prema procenama, u Republici Srbiji postoji oko 100 000 hektara marginalne zemlje koja se može iskoristiti za gajenje sirka i jerusalimske artičoke, čime bi se moglo proizvesti oko tri miliona tona etanola godišnje. Prema raspoloživim podacima u Republici Hrvatskoj trenutno nema proizvođača bioetanola, ali se radi na stvaranju i realizaciji projekata uvođenja industrijske proizvodnje bioetanola. Kompanija Etanol Osijek d.o.o. je osnovana sa ciljem otvaranja fabrike za proizvodnju bioetanola u Osijeku. Što se tiče Republike Makedonije, otvorena je mogućnost investicije od strane Britanske kompanije za proizvodnju ekogoriva Organic fuel LTD u postrojenja za proizvodnju biodizela i bioetanola u Tetovu. Tabela IV.6

Potrebe za etanolom u Srbiji (tona apsolutnog alkohola) 2005

2010

2020

1 095 000

1 360 000

-

2%

5,75%

Predviđa se i do 20%

21 900

78 200

> 272 000ª

A+B

52 000 73 900

52 000 130 200

Ukupna proizvodnja etanola u 2005. godini (tona*)

22 000

-

-

Ukupna instalisan kapacitet u Srbiji 320 dana rada – tabela 2 (tona*)

32 000

-

-

Motorni benzin % supstitucije po EU direktivi o biogorivima 2003/30/EC A) Potrebna količina etanola za gorivo (tona*) B) Procena potreba etanola u Srbiji za potrebe industrije i za alkoholna pića (tona*)

*1 tona ~ 1265 hl°; Podatak je neprecizan. Budući da ne postoji podatak o predviđenoj potrošnji motornog benzina u Srbiji u 2020. g. izračunato je 20% od predviđene potrošnje u 2010 g. ª

4.5.3. BIOGAS Biogas Biogas je vrsta gasovitog biogoriva koje se dobija anaerobnom razgradnjom organskih materija, uključujući đubrivo,kanalizacioni mulj, komunalni otpad ili bilo

koji drugi biorazgradivi otpad. U vremenu kada rezerve fosilnih goriva opadaju, energetski troškovi rastu, a životnu sredinu ugrožava nepravilno odlaganje smeća, pronalaženje rešenja za problem biološkog otpada i tretman otpadnih organskih materija postaje pitanje od najveće važnosti. Po hemijskom sastavu biogas je smeša gasova, koja se uglavnom sastoji od metana (55 - 75%) i ugljen-dioksida (25 - 45%), dok je udeo ostalih gasovi značajno manji (vodonik sulfid 0-1%, azot 0-2%, vodonik 0-1%, vodena para 0-2%, amonijak 0-2% i kiseonik 0-0,5%). Sastav i prinos biogasa variraju u zavisnosti od sirovina koje se koriste i od tehnoloških uslova procesa (Tomović, 2002). Biogasni digestori koriste biorazgradljive materije od kojih se dobijaju dva korisna proizvoda: biogas i fermentisano biođubrivo visokog kvaliteta. Biogas prečišćen do nivoa čistoće neophodne za gasovod naziva se obnovljivi prirodni gas i moguće ga je koristiti u svakoj primeni u kojoj se inače koristi zemni gas. To uključuje distribuciju takvog gasa putem gasovoda, proizvodnju struje, grejanje, zagrevanje vode i upotrebu u raznim tehnološkim procesima. Kompresovan biogas može da se koristi i kao pogonsko gorivo za automobile.

4.5.3.1. Dobijanje biogasa Biogas Production Biogas se proizvodi procesom anaerobne digestije. Anaerobna digestija ili fermentacija je biološki proces u kome se organski ugljenik prevodi oksidoredukcionim procesima u najviši stepen oksidacije (CO2) i najviši stepen redukcije (CH4). Ovaj proces se odigrava u odsustvu kiseonika, a katalizovan je velikim brojem mikroorganizama. Anaerobna digestija je prirodan proces i javlja se u različitim prirodnim sredinama kao što su bare, močvare, deponije i td. Proces anaerobne digestije, osim što dovodi do nastanka biogasa, nudi značajne prednosti u odnosu na ostale oblike tretmana otpada: • Proizvodi manje mulja u odnosu na tehnike koje koriste aerobne procese, • Uspešno se tretiraju i otpadi koji sadrže manje od 40% suve materije, • Efikasniji je u otklanjanju patogena, • Minimalna emisija neprijatnih mirisa jer se 99% isparljivih komponenti oksidativno razlaže pri sagorevanju, npr., H2S formira SO2, • Visok stepen slaganja sa nacionalnim strategijama za smanjenje biorazgradivog otpada, • Mulj koji se dobija koristi se kao đubrivo za poboljšanje plodnosti zemljišta. Proces anaerobne digestije se odvija u zagrejanim, zatvorenim tankovima bez prisustva vazduha kako bi se stvorili uslovi za fermentaciju organskog materijala i dobijanje biogasa. U digestoru se moraju obezbediti odgovarajući uslovi za nesmetano odvijanje procesa. Postoje dva tipa anaerobne digestije (Singh i Prerna, 2009): • Mezofilna digestija. Digestor se zagreva na 30-35°C i smeša ostaje u digestoru obično 15-30 dana. Mezofilna digestija je tolerantnija u odnosu na termofilnu, ali produkcija gasa manja, potrebni su veći tankovi i ukoliko je potrebno vršiti dezinfekciju ona se mora obaviti kao posebna faza u procesu (slika 4.30).

Slika 4.30 Šematski prikaz mezofilnog procesa sa dva reaktora, razmenjivačima toplote (RT) i termofilnom post-dezinfekcijom

• Termofilna digestija. Digestor se zagreva na 55 °C i proces obično traje 1214 dana. U ovom procesu je produkcija metana veća, uništavanje patogena i virusa efikasnije, ali zahteva skuplju tehnologiju, veću potrošnju energije i veći stepen monitoringa. Tokom ovog procesa 30 – 60% digestibilnih čvrstih materija se prevodi u biogas (slika 4.31).

Slika 4.31. Šematski prikaz termofilnog procesa sa dva reaktora i razmenjivačima toplote (RT)

Sirovine. Kao sirovine za proizvodnju biogasa mogu se koristiti poljoprivredni otpad, različite vrste industrijskih otpadnih materija, stajski otpad, kultivisana biomasa nastala prečišćavanjem otpadnih voda, kanalizaciona voda i td. Sastav i prinos biogasa varira u zavisnosti od upotrebljenih sirovina. Tako naprimer, sadržaj metana u biogasu dobijenom iz kokošjeg đubriva i otpadnih voda sa farmi i kanalizacionih otpadnih voda dostiže 70 % i više, dok iz slame i drugog biljnog materijala iznosi oko 55 %. Kombinovanjem različitih vrsta otpada, naprimer stajnjaka i organskog industrijskog otpada, može se povećati prinos biogasa. Pored toga, mešanje otpada može stabilizovati proces anaerobne digestije čvrstih sirovina zbog povećanja sadržaja lakše razgradivih materija. Poljoprivredni otpad (slama, seno, kukuruz, trska itd.) potrebno je da bude u fazi raspadanja kako bi se olakšao protok kroz digestor i povećala efikasnost bakterijskog delovanja. Korišćenjem svežih biljnih sirovina dobija se veća količina gasa u odnosu na upotrebu suvih materijala. Skladištenje otpadnog materijala u zatvorenom prostoru preko 10 dana inicira anaerobno dejstvo bakterija što smanjuje vreme potrebno da bi digestor postigao radne uslove (Angelidaki i sar., 2003). Faze u procesu anaerobne digestije. Proces anaerobne digestije se odvija u tri faze: hidroliza, kiselinska faza i metanska faza (http:/www.gtz.de), koje su šematski prikazane na slici 4.32:

Slika 4.32 Tri faze anaerobne digestije biomase (http:/www.gtz.de)

1.

2.

3.

Hidroliza. U prvoj fazi se organske materije razlažu pod dejstvom ekstracelularnih enzima. Bakterije raskidaju duge lance složenih ugljenih hidrata, proteina i lipida na manje molekule. Na primer polisaharidi se prevode u monosaharide, a proteini u peptide i aminokiseline. Kiselinska faza. Kiselinske bakterije, koje su uključene u drugu fazu, prevode intermedijere iz prve faze u sirćetnu kiselinu, vodonik i ugljen-dioksid. Ove bakterije su fakultativni anaerobi i mogu rasti pod uslovima niske pH vrednosti. Za proizvodnju kiseline neophodan je kiseonik i ugljenik tako da ove bakterije troše rastvoreni ili vezani kiseonik i na taj način stvaraju anaerobne uslove neophodne za odvijanje treće faze. Takođe, one dovode i do stvaranja alkohola, organskih kiselina, aminokiselina, ugljen-dioksida, vodonik-sulfida i tragova metana. Sa hemijske tačke gledišta ovaj proces je moguć samo uz dovođenje energije pošto bakterije nisu sposobne da podrže takav tip reakcije. Metanska faza. U ovu fazu su uključene metanogene bakterije koje dalje razlažu jedinjenja male molekulske mase. Na primer: one koriste vodonik, ugljen-dioksid i sirćetnu kiselinu kako bi produkovale metan i ugljen-dioksid. Metanogene bakterije su obligatni anaerobi i veoma su osetljive na promene u okolini. Za razliku od acidogenih i acetogenih bakterija, metanogene bakterije pripadaju rodu Archaebacter, grupi bakterija sa veoma heterogenom morfologijom i određenim biohemijskim i biološkim svojstvima po kojima se razlikuju od ostalih bakterijskih rodova.

Metanogene i acidogene bakterije deluju u simbiozi. S jedne strane acidogene bakterije stvaraju uslove koji su neophodni metanogenim bakterijama (anaerobni uslovi, jedinjenja male molekulske mase), dok, s druge strane, metanogene bakterije koriste intermedijere nastale dejstvom acidogenih i sprečavaju, na taj način, nastajanje uslova koji su toksični za acidogene bakterije. Faktori koji utiču na poces proizvodnje biogasa Temperatura Temperatura je jedan od glavnih faktora okoline koji utiču na bakterijski rast. Brzina rasta se često povećava sa povećanjem temperature do određene granice nakon čega dolazi do naglog opadanja rasta bakterija. Osim uticaja na brzinu rasta bakterija temperatura utiče i na fizičke parametre kao što su gudtina, viskoznost i površinski napon fermentacione tečnosti (Angelidaki i sar., 2003). Povećanje temperature pruža određene prednosti, kao što su povećana rastvorljivost organskih jedinjenja, povećanje brzine bioloških i hemijskih reakcija i povećano odumiranje patogenih

mikroorganizama. Međutim, primena viših temperatura (termofilni uslovi) ima i negativne efekte jer dovodi do povećanja sadržaja slobodnog amonijaka koji inhibira rast mikroorganizama (Appels i sar., 2008). Kao posledica egzotermne razgradnje ugljenih hidrata dolazi do samozagrevanja procesa od 35-39 °C do 42-49 °C u zavisnosti od tipa reaktora. Da bi se sprečio porast temperature treba promeniti napojnu smešu, smanjiti brzinu punjenja ili ugraditi rashladni sistem (Lindorfer i sar., 2008). Anaerobna digestija se, pored pomenutih termofilnih i mezofilnih temperatura, može odvijati i pri psihrofilnim temperaturama (ispod 20 °C), ali zbog male brzine procesa ovaj opseg temperatura se veoma retko koristi. Ukoliko je temperatura biomase ispod 15 °C proizvodnja biogasa nije ekonomična. Struktura mikrobne populacije u reaktorima sa termofilnim i mezofilnim temperaturnim režimima je veoma različita. Promena sa mezofilnih na termofilne uslove (ili obrnuto) može dovesti do naglog smanjenja u produkciji biogasa dok se ne poveća broj neophodne populacije. Čak i male promene temperature, od 35 na 30 °C ili od 30 na 32 °C smanjuju brzinu produkcije biogasa. Tokom šaržne fermentacije biljnog otpada i drveta degradacija masnih kiselina je brža na 55 °C nego na 38 °C. Takođe, 95% prinos metana je ostvaren za 11 dana pri termofilnim uslovima, dok je pri mezofilnim uslovima bilo potrebno 27 dana. Međutim, poređenje dvofaznih konfiguracija mezofilni-mezofilni, mezofilni-termofilni i termofilni-termofilni pri tretiranju otpadaka od krompira pokazalo je da je prinos metana veći ako se u drugoj fazi koriste mezofilni uslovi. S duge strane, termofilni uslovi u drugoj fazi obezbeđuju kraće vreme zadržavanja (Ward i sar., 2008). Da bi se postigla optimalna stabilnost procesa temperatura se mora pažljivo regulisati u veoma uskom opsegu. U toplim klimatskim područjima digestori mogu raditi bez dodatnog dovođenja toplote. Kao mera opreza česta je praksa da se digestori ukopavaju u zemlju kako bi se iskoristile izolatorske sposobnosti zemljišta ili upotrebe staklenika. Dozvoljene fluktacije temperature koje nemaju uticaj na proces su za mezofilni opseg ± 1 °C/h, a za termofilni 0,5 °C/h (http:/www.gtz.de). pH vrednost Svaka grupa mikroorganizama ima različiti optimum pH vrednosti. Metanogene bakterije su veoma osetljive na pH vrednost sredine i optimum im je između 6,5 i 7,2. Ukoliko pH padne ispod 6,2 sredina će imati toksičan efekat na metanogene bakterije. Fermentativni mikroorganizmi su manje osetljivi i funkcionišu u opsegu pH između 4,0 i 8,5, pri čemu na nižim vrednostima pH uglavnom proizvode sirćetnu i buternu kiselinu, a pri pH 8 proizvode sirćetnu i propionsku kiselinu. Kiseline koje nastaju tokom anaerobne digestije snižavaju pH vrednost. Ovom smanjenju se suprotstavlja aktivnost metanogenih bakterija koje onemogućavaju povećanje pH vrednosti proizvodnjom ugljen-dioksida, amonijaka i bikarbonata. pH vrednost fermentacione tečnosti se kontroliše puferskim sistemima ugljen-dioksid/bikarbonat i amonijak/amonijum jon (http:/www.gtz.de). U toku procesa digestije pH vrednost sredine se menja, a ova promena zavisi od vrste sirovine. Generalno pH brzo opada na početku zato što se organske materije hidrolizuju i konvertuju u kiseline. Nakon početnog pada pH vrednost počinje postepeno da raste zbog transformacije kiselina. Pri fermentaciji nekih otpada

(naprimer čvrst gradski otpad) pH nakon početnog perioda konstantno raste usled smanjenja sadržaja kiselina, dok se pri fermentaciji mešanih otpada pH vrednost sredine smanjuje (Macias-Corral i sar., 2008). Nutritivni sastav Za rast bakterija neophodne su ne samo organske materije već i mineralni nutritijenti. Osim ugljenika, kiseonika i vodonika produkcija biogasa zahteva i odgovarajuće snabdevanje azotom, sumporom, fosforom, kalijumom, kalcijumom, magnezijumom i elementima u tragovima kao što su gvožđe, mangan, molibden, cink, selen, nikl. Supstrati kao što su poljoprivredni ili gradski otpad obično sadrže dovoljne količine pomenutih elemenata. Visoke koncentracije pojedinih supstanci mogu imati inhibitorni efekat tako da se preporučuje izvođenje analize u svakom pojedinačnom slučaju kako bi se utvrdilo da li i u kolikoj meri treba dodati određene nutritijent. Odnos ugljenika i azota takođe je važan za stabilnost procesa. Pokazano je da odnos C/N između 25 i 32 ima pozitivan efekat na prinos metana. Pri niskim vrednostima odnosa C/N prisutan je višak azota koji nije potreban za sintezu biomase i dovodi do inhibicije. S druge strane previše veliki odnos C/N dovodi do deficita azota za sintezu biomase. Odnos C/N se može podešavati kombinovanjem sirovina sa niskim sadržajem ugljenika i visokim sadržajem azota, ili obrnuto (Ward i sar., 2008). Anaerobno tretiranje otpadnih voda sa visokim koncentracijama sumpora može dovesti do inhibicije usled formiranja vodonik-sulfida. Koncentracije ukupnog vodonik-sulfida od 100 do 300 mg/l ili slobodnog vodonik-sulfida od 50 do 150 mg/l može dovesti do potpunog prekida proizvodnje biogasa (http:/www.gtz.de). Prisustvo teških metala, antibiotika i deterdženata može imati inhibitorni efekat na proces proizvodnje metana. Jedan od najčešćih inhibitora u procesu anaerobne digestije je amonijak. On može poticati od rastvorenog amonijaka ili nastati usled razgradnje proteina i drugih komponenti kao što je urea. Mnogi supstrati često sadrže amonijak u koncentraciji koja je toksična. Nivo amonijaka koji je inhibitoran zavisiće od parametara kao što su pH, temperatura i adaptacija inokuluma. Utvrđeno je da je za inhibiciju odgovoran nejonizovani oblik amonijaka. Tako, čak i malo smanjenje pH ima pozitivan efekat na inhibiciju amonijakom (Angelidaki i sar., 2003). Mešanje Mešanje pri procesu anaerobne digestije ima za cilj da obezbedi prenos organskih materijala do aktivne mikrobne biomase, omogući homogenizaciju fermentacione tečnosti i uniformnost temperature, da oslobodi mehurove gasa iz medijuma i spreči taloženje materijala veće gustine. Usled podizanja gasnih mehurova i toplotne konvekcije uvek postoji određeni stepen prirodnog mešanja u digestoru. Međutim ovo mešanje je nedovoljno tako da je neophodno eksterno mešanje. Mešanje može biti neprekidno ili periodično, što je određeno sadržajem čvrstih materija u napojnoj smeši, tipom reaktora i mešača (Appels i sar., 2008). Najčešći tipovi mešanja su spoljašnja recirkulacija tečnosti, unutrašnje mehaničko mešanje i unutrašnje pneumatsko mešanje (slika 4.33).

Slika 4.33

Tipovi mešanja u digestoru (a) spoljašnje, recirkulacija pumpanjem, (b) unutrašnje, mehaničko mešanje, (c) unutrašnje, recirkulacija gasa (Appels i sar., 2008)

Pri spoljašnjoj recirkulaciji tečnosti velika količina fermentacione tečnosti se povlači iz centra digestora, protiče kroz spoljašnje razmenjivače toplote, a zatim se vraća nazad kroz raspršivače u osnovi ili na vrhu digestora. Brzina strujanja pri recirkulaciji mora biti veoma velika kako bi se obezbedilo potpuno mešanje što ograničava upotrebu ovog tipa mešanja. Drugi nedostatak ovakvog mešanja je moguće začepljenje pumpe. Mehanički sistemi za mešanje koriste mešalice sa ravnim lopaticama koje mogu biti postavljene na vrhu ili na stranama digestora. Unutrašnje mešanje pomoću gasa (pneumatsko mešanje) je uspešan metod za mešanje sadržaja digestora i onemogućavanje stvaranja pene. Sistemi za mešanje mogu biti zatvoreni i otvoreni. Sadržaj digestora se meša prolaskom mehurova oslobođenog gasa kroz tečnost. Ovaj tip mešanja je jako efikasan za suzbijanje taloženja čvrste faze. Protok gasa za ovakve sisteme je 0,0045–0,007 m3/m3min (Appels i sar., 2008).

Vreme trajanja procesa Vreme trajanja procesa anaerobne digestije zavisi u prvom redu od vrste i sastava sirovina i temperature fermentacije. Tako na primer, za fermentaciju tečnog kravljeg stajnjak potrebno je 20-30 dana, za tečni svinjski stajnjak 15-20 dana, a za životinjski stajnjak u kombinaciji sa biljnim materijalom 50-80 dana. Sa povećanjem temperature, brzina bio-digestije se povećava, a vreme trajanja procesa skraćuje (http:/www.gtz.de). Predtretman napojne smeše Primena anaerobne digestije na čvrste materijale biološkog porekla često je ograničena zbog dugog vremena trajanja procesa (20-30 dana) i niske efikasnosti razgradnje čvrstih organskih materija (30-50 %). Ovi limitirajući faktori su uglavnom povezani sa fazom hidrolize. Tokom hidrolize ćelijski zid se razara pri čemu se oslobađaju egzopolisaharidi koji na taj način postaju dostupni acidogenim

mikroorganizmima. Predtretmani napojnih smeša mogu povećati proizvodnju biogasa, smanjiti sadržaj isparljivih supstanci i povećati rastvorljivost čvrstih jedinjenja. Predtretman napojne smeše je naročito poželjan u slučaju sirovina sa visokim sadržajem celuloze ili lignina. U tom cilju napojna smeša se podvrgava mehaničkim, toplotnim, hemijskim ili biološkim procesima (Appels i sar., 2008). Termički predtretman obuhvata podvrgavanje sirovina visokim temperaturama i pritiscima, čime se stvaraju uslovi za kidanje hemijskih veza ćelijskog zida i membrane olakšavajući rastvaranje ćelijskih komponenti. Optimalni uslovi ovog procesa u prvom redu zavise od tipa otpada - teža hidroliza bioloških materija zahteva jači intenzitet predtretmana. Efekat predtretmana zavisi od načina izvođenja aerobne digestije i značajno može povećati proizvodnju metana pri mezofilnoj anaerobnoj digestiji, a u manjem stepenu pri termofilnoj. Neki komercijalni procesi proizvodnje biogasa su bazirani na termičkom predtretmanu. Tako je na primer Norveška kompanija Cambi razvila sistem koji je baziran na termičkoj hidrolizi, pri čemu se sirovine podvrgavaju temperaturi od 180°C u trajanju od 30 minuta. Na ovaj način rastvori se oko 30 % čvrstih supstanci, a produkcija biogasa se poveća 150 %. Osnovni nedostatak temičkog predtretmana je značajni utrošak energije što povećava cenu dobijenog biogasa. U praksi se često koriste i termo-hemijski predtretmani koji kombinuju efekat toplote i hemijskih procesa sa ciljem smanjenja veličine čestica ili povećanja rastvorljivosti čvrstih sastojaka smeše (Appels i sar., 2008). Mehanički predtretman uključuje procese fizičke dezintegracije ćelija i delimično rastvaranje njihovog sadržaja. Najčešće se koriste različite vrste mlinova kao što je naprimer mlin sa kuglama, kao i homogenizacija pod visokim pritiskom (60 MPa). Pritisak komprimovane suspenzije se smanjuje propuštanjem kroz ventil pri čemu su ćelije izložene turbulenciji, kavitaciji i naponu smicanja što dovodi do njihove dezintegracije. Povećanje efikasnosti anaerobne digestije primenom ovih metoda je relativno nisko u poređenju sa ostalim načinima predtretmana sirovina (Appels i sar., 2008). Hemijski predtretman obuhvata hemijske procese tretiranja sirovina sa ciljem hidrolize ćelijskog zida i membrane i povećavanja rastvorljivosti organskih supstanci prisutnih u ćelijama. Najznačajnije metode hemijskog predtretmana su (Appels i sar., 2008; Ward i sar., 2008): • Kisela i alkalna hidroliza: Ova metoda obuhvata dodavanje kiseline ili baze u cilju rastvaranja čvrstih sastojaka napojne smeše. Alkalni predtretman je naročito pogodan za digestiju biljnog materijala. Dodatkom kiseline ili baze izbegavaju se visoke temperature pa se ovi postupci najčešće odvijaju na nižim i umerenim temperaturama. U kontinualnim reaktorima alkalni predtretman može dovesti do smanjenja stepena degradacije acetata i glukoze usled nastajanja toksičnih komponenti tokom reakcije saponifikacije. Ograničenja primene ove metode su u promeni pH vrednosti zbog čega se otpad mora naknadno reneutralizovati. • Oksidacija: .U procesu oksidativne razgradnje koristi se kiseonik ili vazduh visokih temperatura (260 °C) i pritisaka (10 MPa). Međutim ovakav način predtretmana otvara problem neprijatnih mirisa, korozije i visokih energetskih troškova. Najčešće korišćene metode oksidacije su ozonizacija i peroksidacija, koje su bazirane na stvaranju hidroksil radikala koji predstavlja izuzetno jako oksidaciono sredstvo. Ovi radikali se najčešće stvaraju upotrebom vodonik peroksida u

kombinaciji sa solima prelaznih metala. Skorija istraživanja otvaraju i mogućnost upotrebe alternativnih peroksidanata kao što su peroksimonofosfat i dimetiloksiran. Ultrazvučni pretretman se najčešće koristi za razgradnju kompleksnih polimera u tretiranju otpadnog mulja. Ovo je bez sumnje najefikasniji način razgradnje ćelija. Iako se primenom veće snage može postići gotovo potpuna dezintegracije ćelija, energetska ulaganja u tom slučaju postaju značajan nadostatak primene ovog postupka (Appels i sar., 2008; Ward i sar., 2008). Primenom aditiva može se povećati produkcija biogasa ili brzina početnog perioda procesa anaerobne digestije. U tom cilju značajna je primena metala, koje mikroorganizmi koriste kao kofaktore enzimskih kompleksa. Efikasno uklanjanje propionata pri visokim nivoima isparljivih kiselina u termofilnom reaktoru bez mešanja zahteva dodavanje Ca, Fe, Ni i Co. Produkcija biogasa anaerobnom digestijom stajnjaka i krompirovog otpada se povećava dodatkom teških metala. Tako, na primer, nikl se nalazi u enzimskom kompleksu acetil-CoA dekarboksilaza/sintetaza koji ima značajnu ulogu u konverziji acetata do metana (Ward i sar., 2008). 4.5.3.2 Prečišćavanje biogasa Glavni razlozi prerade biogasa leže u ispunjavanju zahteva koji su vezani za njegovu upotrebu, povećanje toplotne vrednosti ili standardizaciji kvaliteta biogasa. Željeni kvalitet zavisi prvom redu od primene što se može videti u tabeli IV.7. Tabela IV.7 Potrebno uklanjanje komponenti biogasa (Appels i sar., 2008) Primena Dobijanje toplotne energije Dobijanje toplotne i električne energije Gorivo za vozila Gasovod

H2S

CO2

H2O

Tragovi

<1000 ppm

Ne

Ne

<1000 ppm

Ne

Da

Da

Izbeći kondenzaciju Da

Da (npr siloksani) Da (npr siloksani) Da

Da

Da

Da

Da

Uklanjanje ugljen-dioksida Uklanjanjem CO2 povećava se toplotna vrednost goriva i ostvaruje postojani kvalitet gasa. Kada se koriste metode za uklanjanje CO2 veoma je važno što više smanjiti gubitke metana kako iz ekonomskih tako i iz ekoloških razloga. Postoje različiti načini uklanjanja CO2, a najčešće se koriste apsorpcija i adsorpcija (Appels i sar., 2008). Pri apsorpcionim procesima CO2 i H2S se simultano uklanjaju zbog razlika u jačini veza polarnih CO2 i H2S i nepolarnog CH4. Najčešće se kao rastvarač koristi voda. CO2 i H2S se zatim ispuštaju u tank u kome se pritisak smanjuje. Jedan deo sumpora se može akumulirati u vodi i izazvati koroziju cevovoda, zbog čega se preporučuje prvobitno uklanjanje H2S. Rezultati pokazuju da u biogasu ostaje 5-10 % CO2. Naravno, apsorpcija može biti skoro potpuna ako se za uklanjanje koristi rastvor

Ca(OH)2 koji CO2 i H2S prevodi u nerastvorni CaCO3 i CaS. Organski rastvarači kao što su polietilenglikol, mono-etanol amin ili di-etanol-amin takođe se mogu koristiti, ali je ovaj postupak skuplji i neophodna je periodična zamena rastvarača. Uklanjanje CO2 se može vršiti i adsorpcijom na čvrstim supstancama kao što je aktivni ugalj ili na molekulskim sitima. Proces je jednostavan ali skup i sa visokim energetskim zahtevima. Ovim postupkom se može tretirati samo suvi biogas tako da je neophodno prvo ukloniti vodenu paru. S obzirom da na atmosferskom pritisku temperature ključanja metana iznosi−160 °C, a ugljen-dioksida −78 °C, efikasna metoda njegovog izdvajanja je kriogena separacija. Hlađenjem biogasa CO2 se može ukloniti kao tečnost i na taj način postići sadržaj metana u biogasu od 97 %. Membranska separacija je još jedna metoda koja danas postaje sve aktuelnija. Međutim, ovaj proces zahteva visoke pritiske (do 25 bara) a mogući su i gubici metana. Uklanjanje vode Biogas koji napušta digestor je zasićen vodenom parom. Za uklanjanje vode koristi se hlađenje sa ili bez prethodne kompresije, a za postizanja veće suvoće gasa adsorpcija na silika gelu ili Al2O3 , kao i apsorpcija u glikolu ili higroskopnim solima (Appels i sar., 2008). Uklanjanje H2S Sadržaj H2S u biogasu može se smanjiti odgovarajućim tretiranjem smeše u toku anaerobne digestije. Dodatak Fe3+ soli može smanjiti slobodni H2S, ali višak ovih soli može inhibirati stvaranje biogasa. H2S se može adsorbovati na aktivnom uglju koji prevodi H2S u elementarni S. Mikroorganizmi koji pripadaju familiji Thiobacillus mogu se koristiti za smanjenje nivoa sulfida u biogasu oksidujući ga do sumpora ili sulfata. Ove bakterije se najčešće nalaze u digestionom materijalu i ne moraju se dodavati. Za biološku desulfurizaciju nophodno je dodati kiseonik u količini koja zavisi od koncentracije H2S. Biološka desulfurizacija se najčešće odvija u posebnom reaktoru. Reaktor se sastoji iz poroznog punjenja, raspšivača koji omogućuju ispiranje kiselih proizvoda sa punjenja i odvoda koji mora sadržati tečnost velike alkalnosti i neophodne nutritijente. Proces se odvija na 35 °C i pokazao se veoma efikasnim (sadržaj H2S se može smanjiti i do 95 %) uz uslov da ima dovoljno kiseonika (Angelidaki i sar., 2003). Uklanjanje tragova nekih gasova Prisustvo siloksana u biogasu može dovesti do problema vezanih za toplotnu vrednost biogasa. Siloksani se oslobađaju i isparavaju tokom razgradnje organskih materija. Pri sagorevanju biogasa siloksani se prevode u mikrokristale koji mogu dovesti do ozbiljnih fizičkih oštećenja različitih delova uređaja. Metode koje se najčešće koriste za njihovo uklanjanje su adsorpcija na aktivnom uglju, apsorpcija u neisparljivim organskim rastvaračima i kriogena kondenzacija (Appels i sar., 2008). 4.5.3.3. Industrijski procesi proizvodnje biogasa Anaerobna digestija se odvija u zagrejanim, zatvorenim kontejnerima, bez vazduha koji stvaraju idealne uslove za bakterijsku fermentaciju organskih materijala. Digestori moraju biti dobro izmešani kako bi se stvorili uslovi za što veću konverziju

organskih materija. Projektovanje i povećanje razmere anaerobnih reaktora zahteva poznavanje korelacija između konfiguracije i efikasnosti procesa Osnovni zahtevi koji moraju biti ispunjeni pri projektovanju anaerobnih digestora je da obezbedi kratko vreme zadržavanja fermentacione tečnosti i proizvede maksimalnu zapreminu metana. Podzemni reaktori se lakše konstruišu u vidu kocke, ali to može dovesti do problema sa mešanjem koje će biti ograničeno u uglovima čime se smanjuje efektivna zapremina digestora. U procesu dobijanja biogasa najčešće se koriste tri tipa reaktora od kojih je najednostavniji šaržni reaktor. Noviji tipovi ovih reaktora opremljeni su unutrašnjim ili spoljašnjim razmenjivačima toplote i opremom za unutrašnje ili spoljašnje mešanje reakcione smeše. Drugi tip predstavljaju jednofazni kontinualni reaktori u kojima se sve biohemijske reakcije odvijaju u jednom reaktoru. Treći tip su dvofazni reaktori u kojima se procesi hidroliza/acidifkacija i acetogeneza/metanogeneza odvijaju odvojeno (Ward i sar., 2008). Digestori za čvrsti otpad se sa druge strane dele na “mokre” i “suve”. U “mokri” digestorima fermentiše napojna smeša sa sadržajem ukupnih čvrstih materija ne većim od 16 %, dok napojna smeša za “suve” digestore sadrži između 22 % i 40 % ukupnih čvrstih materija. Tehnologija “suvih” digestora se više koristi za čvrst gradski otpad i otpad od povrća. Sadržaj ukupnih čvrstih supstanci ispod 16 % je tipičan za mnoge vrste stajnjaka čiji visoki sadržaj vode zahteva veću ukupnu zapreminu u poređenju sa suvim i polu-suvim digestorima. Ukoliko se “mokri” digestori koriste za tretman suvih napojnih smeša pre digestije je neophodan predtretman. Upotreba sveže ili reciklirane procesne vode da bi se dobilo manje od 15% ukupnog čvrstog sadržaja ima prednosti u tome što će prisutni inhibitori metanogeneze u napojnoj smeši biti razblaženi. Međutim, ukoliko je razblaženje nedovoljno može doći do njihovog brzog širenja po ukupnoj zapremini reaktora (Ward i sar., 2008). Kako su čvrsti otpadi manje podložni digestiji od onih sa manjem sadržajem čvrstih materija često se koristi metod kodigestije, pri čemu se mešaju dve različite vrste otpada. Tako se, na primer, gradski otpad može mešati sa stajnjakom ili sa otpadnim muljem pri čemu se u značajno olakšava proces digestije i povećava prinos biogasa. Na ovaj način se čvrst otpad umesto u “suvom” može tretirati u “mokrom” digestoru. Industrijski proces zasnovan na kodigestiji je Waasa proces, koji se koristi za različite vrste otpada sa sadržajem čvrstih materija od 10 do 15 %. Glavna karakteristika ovog procesa je postojanje zona u reaktoru. Mešanje fermentacione tečnosti je pneumatsko, pomoću biogasa koji se uvodi na dnu reaktora. Da bi se ubrzao proces inokulacije mali deo digestata meša se sa svežom napojnom smešom. Ovaj proces se koristi u Švedskoj, Japanu i Holandiji (Angelidaki i sar., 2003). U mnogim slučajevima, naročito u razvijenim oblastima, teško je naći drugi otpad za kodigestiju sa gradskim otpadom pa se koriste suvi digestioni sistemi. Valorga proces (slika 4.34) spada u polusuve procese. Razvijen je u Francuskoj i sastoji se u mešanju otpada nakon predtretmana sa recikliranom procesnom vodom. Reaktor radi u mezofilnom režimu i sa potpunim mešanjem koje se ostvaruje pomoću komprimovanog biogasa (Angelidaki i sar., 2003). Valorga postupak ima široku primenu u procesima dobijanja biogasa, a postrojenja velikog kapaciteta su Amiens (85 000 tona/god) i Grenoble (16 000 tona/god) u Francuskoj, Tilburg u Holandiji (52 000 tona/god) i Papeete na Tahitiju (90 000 tona/god).

Slika 4.34 Šematski prikaz Valorga procesa Dranco proces je suvi proces digestije za tretiranje organske frakcije gradskog otpada. Kako bi se sadržaj čvste faze u napojnoj smeši povećao preporučuje se mešanje gradskog otpada sa nerecikliranim papirom i baštenskim otpadom. Dranco proces je termofilni proces i šematski je prikazan na slici 4.35. Ulazni otpad se najpre podvgava predtretmanu i sortiranju, a nakon toga meša sa recirkulirajućim digestatom iz reaktora. Mešanje otpada sa velikom količinom digestata (3/4 sadržaja reaktora se recirkuliše) obezbeđuje inokulaciju ulaznog materijala. Nakon toga se smeša pomoću klipnih pumpi uvodi u cevni reaktor. Digestovana biomasa koja recirkuliše se izvodi sa dna, a biogas sa vrha reakora (Angelidaki i sar., 2003). Poznata Dranco postrojenja za proizvodnju biogasa su Brecht u Belgiji (12 000 tona/god.), Salzburg u Austriji (20 000 tona/god), Bassum (13 500 tona/god) i Kaiserslautern (20 000 tona/god) u Nemačkoj.

Slika 4.35 Šematski prikaz Dranco procesa Kompogas proces je razvijen u Švajcarskoj. Reaktor je horizontalni cilindar koji radi u termofilnom opsegu sa hidrauličnim retencionim vremenom od 15 dana (Angelidaki i sar., 2003). Najveći broj procesa anaerobne digestije zasnivaju se na primeni jednostepenih reaktorskih sistema. Pored njih, u primeni su i višefazni sistemi u kojima su faze digestije razdvojene kako bi se mogli ostvariti optimalni uslovi za odigravanje svake

od njih. U poređenju sa jednofaznim sistemima, višefazni reaktorski sistemi su stabilniji u pogledu fluktacija brzine organskog punjenja, heterogenosti otpada ili prisustva inhibitora. Na primer, poređenjem digestije stajnjaka u jedno- i dvofaznom termofilnom reaktoru utvrđeno je se da dvofaznom reaktoru ostvaruje veći prinos metana i efikasnije uklanjaju isparljive komponente. Digestijom gradskog otpada u dvofaznom reaktoru prinos metana je povećan čak za 21 % (Ward i sar., 2008). Jedan od najpoznatih višefaznih procesa anaerobne digestije je BTA proces, čiji je šematski prikaz dat na slici 4.36. Napojna smeša se najpre podvgava predtretmanu u cilju sitnjenja krupnih čestica i meša sa recirkulisanom vodom iz procesa. Na ovaj način obezbeđuje se stvaranje pulpe sa oko 10 % čvrstih materija. Pulpa se uvodi u puferski tank u kome dolazi do acidifikacije. Sadržaj reaktora za acidifikaciju se nakon toga centrifugira, pri čemu se vodena i čvrsta frakcija razdvajaju. Tečna frakcija se prebacuje u reaktor sa biofilmom, a čvrsta frakcija sa nerastvorenim materijalom se meša sa procesnom vodom i uvodi u kontinualni reaktor sa mešanjem gde se odigrava dalja hidroliza i acidifikacija. Izlazna smeša iz reaktora sa mešanjem se ponovo centrifugira kako bi se izdvojila vodena faza koja se uvodi u biofilm reaktor na metanizaciju pod mezofilnim uslovima (Angelidaki i sar., 2003).

Slika 4.36 Šematski prikaz BTA procesa

4.5.3.4. Prednosti i nedostaci upotrebe biogasa Benefits and disadvantages for Biogas users Proizvodnja biogasa se neprestano povećava iz sledećih razloga: • Cene goriva se sve više povećavaju • Ograničene rezerve fosilnih goriva • Čine se značajni napori za povećanje upotrebe obnovljivih izvora energije • Proizvodnja je moguća i u postrojenjima malih razmera i veoma jednostavne konstrukcije. • Širok spektar primene biogasa. Najznačajnija primena biogasa je za generaciju toplotne i električne energije, čime se rešava problem snabdevanja energijom naročito u ruralnim oblastima gde se tradicionalno koristi drvo kao gorivo. Biogas koji se može proizvesti u digesteru zapremine 10 m3 može zameniti 2 000 kg drveta, što praktično odgovara deforestaciji

šuma površine 0,26 - 4 ha. Osim iz ekoloških razloga upotreba biogasa umesto drveta poželjna je i iz zdravstvenih razloga jer biogas sagoreva bez dima (www.i-sis.org.uk). Biogas se može koristiti i za dugoročno skladištenje voća i žitarica. Atmosfera sa metanom i ugljen-dioksidom inhibira metabolizam i smanjuje formiranje etilena u voću i žitaricama, a osim toga ubija i štetne insekte, plesni i bakterije koje mogu prouzrokovati kvarenje. Metan iz biogasa se koristi za proizvodnju metanola i organskih rastvarača koji se mogu koristiti za dobijanje formaldehida, hlormetana, organskog stakla i drugih proizvoda (www.i-sis.org.uk). Još jedna primena biogasa je kao gorivo za automobile. 1m3 biogasa generiše 5500 kcal energije što odgovara toplotnoj moći 0,6 l dizel goriva. Biogas predstavlja najčistije dostupno gorivo, jer se njegovim sagorevanjem oslobađa 95% manje uljendioksida i 80 % manje azotnih oksida. Takođe, upotreba biogasa ne dovodi do emisije čvrstih čestica u atmosferu.U novije vreme ispituje se mogućnost upotrebe biogasa zajedno sa dizel gorivom u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem. Na ovaj način smanjuje se emisija polutanata u odnosu na upotrebu čistog dizela i postižu bolje performanse motora u odnosu na upotrebu čistog biogasa (Sahoo i sar., 2009). Pored pomenutih prednosti primene biogasa, biogas je jako popularan i sa stanovišta njegove proizvodnje. Tretiranjem otpada u zatvorenim tankovima izbegava se emisija metana koji ima značajno doprinosi povećanju efekta staklene bašte i globalnom zagrevanju. Godišnje se širom sveta, kao posledica mikrobne aktivnosti, u atmosferu oslobodi 590 - 880 miliona tona metana. Oko 90 % emitovanog metana potiče iz procesa razgradnje biomase, dok je ostatak fosilnog porekla. Biogas postrojenja su veoma popularna opcija rešavanja problema odlaganja otpada. Prema tome, pokretačka snaga za povećanje proizvodnje biogasa nije samo obezbeđivanje novog izvora energije već i neophodnost rešavanja ekoloških i sanitarnih problema. Podvrgavanjem otpadnih voda anaerobnoj digestiji može se i za 90 % smanjiti sadržaj polutanata u njima i na taj način sprečiti zagađivanje zemljišta i reka. Nakon završetka anaerobne digestije ostaje čvrsta faza koja se može iskoristiti kao visoko kvalitetno đubrivo (www.i-sis.org.uk). Međutim, osnovni nedostatak primene biogasa čine problemi vezani za njegovo skladištenje i transport. U zavisnosti od tipa uređaja i materijala od kojeg je napravljen, biogas se skladišti pri pritiscima do 200 bar. Zbog toga postoji veliki rizik od curenja gasa na mestima sastava, kao i opasnost od eksplozije ukoliko se takvi cilindri nađu u blizini izvora plamena. 4.5.3.5.

Uslovi za proizvodnju biogasa u zemljama WB

Biogas se proizvodi u mnogim zemljama, ali samo nekoliko njih ima razvijeni program proizvodnje biogasa. Tradicionalna mala porodična biogas postrojenja sve više se zamenjuju industrijskim. Buduća proizvodnja biogasa će se najverovatnije fokusirati na industrijskim postrojenja za kodigestiju čvrstog gradskog otpada i stajnjaka. Korišćenje biogasa kao energenta u Srbiji je u začetku i prvi put u Srbiji je uspostavljen u PKB-IMES-u (Beograd) gde donosi značajne uštede. Prva mini

elektrana za dobijanje električne energije iz biogasa otvorena je u martu 2010. god. u okolini Guče. Kao sirovina za dobijanjekoristi se silaža kukuruza.Instalirani kapacitet elektrane je 60 KWi očekuje se da isporučuje 8000 KWh struje godišnje na mrežu, što je dovoljno za potrebe 100 domaćinstava. Mlekara "Velvet farm" u Čurugu potpisala je ugovor o izgradnji postrojenja na biogas za proizvodnju energije sa nemačkom kompanijom EnviTek Biogas. Planirani početak izgradnje postrojenja je mart 2011. godine. Postrojenje će biti snage 1,5 MWh, a sirovine za proizvodnju biogasa biće obezbeđivane iz tečnog i čvrstog stajnjaka, uz dodatak biomase iz silaže kukuruza kao i od drugih biljnih ostataka. Predstavnici Mlekare „Lazar” – Blace i kompanije GHD iz Viskonsina (SAD) potpisali su ugovor za izgradnju biogas postrojenja na farmi muznih krava u Blacu, a predviđena je I izgradnja elektrane na biogas u okolini Ćuprije. U Republici Hrvatskoj najveći potencijal za proizvodnju biogasa imaju Slavonija i Baranja koji se, kada bi se iskoristio u svrhu proizvodnje električne energije, procjenjuje se na nešto više od 200 MW/h dnevno. Farma Slatine poljoprivredne zadruge Osatina u opštini Ivankovo, u Vukovarsko – srijemskoj županiji, je prva elektrana na biogas u Republici Hrvatskoj snage 1000 kW. U fazi izrade projektne dokumentacije je i veći broj postrojenja za dobijanje biogasa uglavnom lociranih u istočnoj Hrvatskoj. U cilju podsticanja korišćenja biomase za proizvodnju energije, Vlada Republike Srbije je usvojila Akcioni plan za biomasu (Sl.glasnik RS 56/2010) - kojim je definisana strategija za korišćenje biomase kao obnovljivog izvora energije imajući u vidu potencijale, nacionalne strategije, zakonske propise i evropske direktive. Akcioni plan za biomasu za Republiku Srbiju je izrađen u skladu sa obavezama iz Ugovora o energetskoj zajednici i u duhu nove Direktive EU o obnovljivoj energiji (Direktiva 2009/28/EC), kao i u skladu sa preporukom EU (COM/2005/628) iz 2005. godine o izradi akcionih planova za biomasu u cilju povećanja njenog korišćenja u zemljama članicama EU. Jedan od najvažnijih zadataka pri izradi akcionog plana za biomasu je bio da se utvrde problemi u procesu korišćenja biomase i definišu aktivnosti, odgovornost i rokovi za njihovo prevazilaženje. Za rešavanje većine identifikovanih problema definisan je vremenski okvir do kraja 2012. godine, a dugoročne aktivnosti su naznačene. Praćenje realizacije akcionog plana za biomasu će vršiti Nacionalni savet za održivi razvoj. Akcioni plan za biomasu je izrađen u saradnji sa ekspertima iz Holandije u G2G programa (www.ekapija.com).

PITANJA I ODGOVORI 1. Šta je biodizel po hemijskom sastavu i kako se dobija? Po hemijskom sastavu biodizel je smeša metil estara masnih kiselina (MEMK) standardizovanog kvaliteta. Dobija se postupkom metanoholize (transesterifikacije) bioloških sirovina bogatih triacilglicerolima. 2. Navesti osnovne karakteristike reakcije metanolize triacilglicerola. Ukupna reakcija metanolize se sastoji iz tri uzastopne, povratne reakcije, u kojima se molekul TAG stupnjevito konvertuje u diacilglicerol (DAG), monoacilglicerol (MAG) i glicerol. U svakom stepenu reaguje po jedan mol alkohola, a nastaje jedan mol estra. Reakcija metanolize je povratna i obično se odigrava u prisustvu

viška metanola, da bi se njena ravnoteža pomerila u smeru nastajanja estara. Brzina reakcije i prinos metil estara zavise od kvaliteta izvora TAG, prisustva i vrste katalizatora i primenjenih reakcionih uslova. U zavisnosti od toga da li se reakcija metanolize odigrava u ili bez prisustva katalizatora, metanoliza može biti nekatalizovana i katalizovana. Nekatalizovana metanoliza se odigrava na visokim temperaturama i pritiscima, iznad kritičnih za metanol. Na niskim i umerenim temperaturama reakcija metanolize se odigrava u prisustvu katalizatora. 3. Navesti sirovine koje se koriste za dobijanje biodizela. Osnovna sirovina – izvor TAG za dobijanje biodizela jesu biljna ulja i to uglavnom jestiva biljna ulja (u prvom redu tu spadaju ulje uljane repice, suncokreta, soje i palme), zatim korišćena ulja i masti, otpadne masti, otpadne zauljane smeše iz procesa rafinacije jestivih ulja, nejestiva ulja i ulja iz algi. U alkoholizi biljnih ulja mogu se koristiti primarni i sekundarni monohidroksilni alkoholi sa najviše 8 ugljenikovih atoma u lancu. Zbog niske cene, visoke reaktivnosti i pogodnih osobina, najveću primenu imaju metanol i etanol. 4. Navesti prednosti primene heterogenih katalizatora u metanolizi biljnih ulja. Heterogeni katalizator se lako odvaja od proizvoda reakcije, čime se eliminiše proces neutralizacije katalizatora, a proces prečišćavanja proizvoda čini mnogo jednostavnijim. Na ovaj način dobija se čistiji i biodizel i glicerol. Zbog jednostavnijeg postupka i mogućnosti višestruke upotrebe katalizatora, celokupan proces heterogene sinteze MEMK istovremeno ima neuporedivo povoljniji ekonomski efekat. 5. Navesti podelu sirovina za proizvodnju bioetanola u zavisnosti od tipa ugljenih hidrata. Prema tipu ugljenih hidrata koji dominira sirovine za proizvodnju bioetanola su generalno podeljene u tri kategorije: • šećerne sirovine: šećerna repa, topinambur i šećerna trska, • skrobne sirovine: krtolaste (krompir, sladak krompir i kazava) i žitarice (pšenica, raž, kukuruz, ječam i sirak) i • lignocelulozne sirovine (papir, karton, gradski otpad, drvo, trava i drugi vlaknasti biljni materijali). 6. Koji je cilj hidrolize sirovina za dobijanje bioetanola i kako se kvantitativno određuje njena efikasnost. Osnovni cilj hidrolize je da se izvrši efikasna konverzija dve osnovne polimerne komponente skroba: amiloze, linearnog makromolekula na bazi glukoze vezane αD-(1-4) glukozidnim vezama i amilopektina, razgranatog makromolekula na bazi glukoznih jedinica vezanih α-D-(1-4) i α-D-(1-6) vezama, do fermentabilnih šećera, koji se zatim mogu fermentisati do etanola pomoću određenih vrsta kvasaca ili bakterija. Efikasnost hidrolize se kvantitativno prati određivanjem dekstroznog ekvivalenta (DE), koji predstavlja procenat raskinutih glikozidnih veza. Čista glukoza ima DE=100, čista maltoza 50, a skrob 0. Dekstrozni ekvivalent se može predstaviti na sledeći način:

DE =

broj raskinutih glikozidnih veza ⋅100 broj glikozidnih veza prisutnih u skrobu na početku

U praksi se koristi sličan, mada ne identičan izraz: DE =

koncentracija redukujućih šećera ⋅100 početna koncentracija skroba

7. U prisustvu kojih mikroorganizama se najčešće odigrava fermentacija šećera. Fermentacija šećera se izvodi najčešće pomoću kvasaca iz roda Saccharomyces cerevisiae. Pored Saccharomyces cerevisiae u industrijskoj praksi se koriste i kvasci Saccharomyces uvarum (carlsbergensis), Schizosaccharomyces pombe i Klyveromyces vrste. Pored kvasaca i neke bakterije kao napr. Zymomonas mobilis, Clostridium sporogenes i Thermoanaerobacter ethanolicus mogu proizvoditi etanol, ali se one manje industrijski koriste, osim u posebnim slučajevima. 8. Kojim tehhnološkim operacijama se ostvaruje obezvodnjavanje etanola. Poslednja faza u proizvodnji bioetanola je obezvodnjavanje ili dehidratacija. Uopšte uzev, postoje dva osnovna tipa tehnoloških postupaka za dobijanje anhidrovanog bioetanola: Destilacione metode: Azeotropna destilacija i rektifikacija Nedestilacione metode: apsorpcija, adsorpcija, pervaporacija 9. Koji je hemijski sastav biogasa i koje sirovine se koriste za njegovo dobijanje? Biogas je smeša gasova, koja se uglavnom sastoji od metana (55 - 75%) i ugljendioksida (25 - 45%), dok je udeo ostalih gasovi značajno manji (vodonik sulfid 01%, azot 0-2%, vodonik 0-1%, vodena para 0-2%, amonijak 0-2% i kiseonik 00,5%). Sastav i prinos biogasa variraju u zavisnosti od sirovina koje se koriste i od tehnoloških uslova procesa. Kao sirovine za proizvodnju biogasa mogu se koristiti poljoprivredni otpad, različite vrste industrijskih otpadnih materija, stajski otpad, kultivisana biomasa nastala prečišćavanjem otpadnih voda, kanalizaciona voda i td. 10. Kako se dobija biogasa i koje su osnovne faze ovog procesa? Biogas se dobija procesom anaerodne digestije (fermentacije ili razgradnje), koji se generalno odvija u tri faze: hidroliza, kiselinska faza i metanska faza. 11. Navesti razloge prečišćavanja biogasa i koje aktivnosti najčešće obuhvata ovaj proces. Glavni razlozi prerade biogasa su ispunjavanje zahteva koji su vezani za njegovu upotrebu, povećanje toplotne vrednosti ili standardizaciji kvaliteta biogasa. U procesu prečišćavanja najčešće se uklanjanja ugljen-dioksid, voda, H2S i tragovi nekih gasova naprimer siloksana. 12. Ukratko objasniti Dranco proces proizvodnje biogasa. Dranco proces je jednostepeni, suvi proces digestije, koji se najčešće koristi za tretiranje organske frakcije gradskog otpada ili mešavine gradskog otpada sa nerecikliranim papirom i baštenskim otpadom. Ulazni otpad se najpre podvgava predtretmanu i sortiranju, a nakon toga meša sa recirkulirajućim digestatom iz reaktora. Mešanje otpada sa velikom količinom digestata (3/4 sadržaja reaktora se recirkuliše) obezbeđuje inokulaciju ulaznog materijala. Nakon toga se smeša

pomoću klipnih pumpi uvodi u cevni reaktor. Digestovana biomasa koja recirkuliše se izvodi sa dna, a biogas sa vrha reakora.

PITANJA ZA VEŽBANJE 1. Navesti razloge istraživanja primene novih uljnih sirovina u procesima dobijanja biodizela. 2. Uporediti prednosti i nedostatke homogenih kiselih i baznih katalizatora reakcije metanolize. 3. Koji su mogući načini unapređenja postupaka dobijanja biodizela homogeno katalizovanom metanolizom u smislu povećanju prinosa MEMK i skraćenju vremena trajanja reakcije. 4. Koje aktivnosti mogu doprineti smanjenju cene biodizela. 5. Navesti najznačajnije faktore koji utiču na izbor industrijske sirovine za proizvodnju bioetanola. 6. Uporediti prednosti i nedostatke kiselinske hidrolize sirovina za dobijanje biodizela. 7. Navesti faktore koji stresno utiču na ćelije kvasca u toku fermentacija šećera pri dobijanju bioetanola 8. Navesti prednosti primene bioetanola kao goriva. 9. Koji su osnovni tipovi anaerobne digestije? 10. Ukratko objasniti kiselinsku fazu anaerobne digestije. 11. Navesti metode za uklanjanje ugljen-dioksid iz biogasa. 12. Ukratko objasniti BTA proces proizvodnje biogasa.

LITERATURA 1. Angelidaki I.,Ellegaard L., KicerAhring, B., Applications of the anaerobic digestion process, Adv. biochem eng. Biot. vol. 82, Editor: T. Scheper, SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2003. 2. Appels L., Baeyens J., Degrève J., Dewil R., Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge, Prog. Energy. Combust. 34 (2008) 755-781. 3. Baras J., Gaćeša S. Pejin D., Ethanol is a strategic raw material, Hem. Ind, 56 (2002) 89–105. 4. BeMiller J.N., Acid-catalyzed hydrolysis of glycosides, Adv. Carbohyd. Chem. 22 (1967) 25-108. 5. Bournay L., Casanave D., Delfort B., Hillion G., Chodorge J.A., New heterogeneous process for biodiesel production: A way to improve the quality and the value of the crude glycerin produced by biodiesel plants, Catal. Today 106 (2005) 190-192. 6. Chaplin M.F., Bucke C., The use of enzymes in starch hydrolysis, Enzyme techology, Cambridge University Press, Cambridge, 1990. 7. European biodiesel board EBB (25.4. 2011).

8. Glišić S., Lukić I., Skala D., Biodiesel synthesis at high pressure and temperature: Analysis of energy consumption on industrial scale, Bioresour. Technol. 100 (2009) 6347-6354. 9. http://www.ekapija.com/website/sr/page/299299(10.32011) 10. http://www.gtz.de/de/dokumente/en-biogas-volume1.pdf (24.4.2011) 11. http://www.i-sis.org.uk/BiogasChina.php (15.4.2011) 12. http://www.mem.gov.rs/(15.3.2011) 13. http://www.victoriagroup.co.rs (15.3.2011) 14. http:/www.ikim.gov.my/v5/index.php?1g=1&opt=com_article&grp=2&sec=&ke y=1233&cmd=resetall (20.3.2011). 15. Kusdiana D., Saka S., Effects of water on biodiesel fuel production by supercritical methanol treatment, Bioresour. Technol. 91 (2004) 289-295. 16. Lindorfer H., Waltenberger R., Köllner K., Braun R., Kirchmay R., New data on temperature optimum and temperature changes in energy crop digesters, Bioresour. Technol. 99 (2008) 7011-7019. 17. Macias-Corral, M. Samani Z., Hanson A., Smith G., Funk P., Yu H., Longworth J., Anaerobic digestion of municipal solid waste and agricultural waste and the effect of co-digestion with dairy cow manure Bioresour. Technol. 99 (2008) 8288-8293. 18. Miladinović M., Lukić I., Stamenković O., Veljković V., Skala D.,Heterogena bazno katalizvana metanoliza biljnih ulja: presek stanja,Hem. Ind. 64 (2010) 6380. 19. Mittelbach M., Remschmidt C., Biodiesel -the comprehensive handbook, Boersedruck Ges.m.b.H., Vienna, Austria (2005). 20. Norouzian D., Akbarzadeh A., Scharer J.M., Young M.M., Fungal glucoamylasses, Biotechnol. Adv. 24 (2006) 80–85. 21. Ognjanović N.D., Petrović S.D., Bezbradica D.I., Knežević-Jugović Z.D., Lipaze kao biokatalizatori u sintezi biodizela, Hem. Ind. 64 (2010) 1-8. 22. Orlović, A., Skala, D., Mojović, Lj, Nikolić, S., Potrebe za tečnim gorivima i bioetanolom u svetu, evropi i srbiji – stanje i perspective, In: Bioetanol kao gorivo – Stanje i perspektive, Monografija, Tehnološki fakultet Leskovac, 2007. 23. Pejin D., Popov S., Mojović Lj., Rakin M., Vukašinović M., Orlović A., Skala D., Milojević S., Nedović V. i Leskošek-Čukalović I., Tehnologija proizvodnje bioetanola. In: Bioetanol kao gorivo – Stanje i perspektive, Monografija, Tehnološki fakultet Leskovac, 2007. 24. Pejin, D. Mojović Lj., Postojeći kapaciteti i oprema za proizvodnju etanola u Srbiji, In: Bioetanol kao gorivo – Stanje i perspektive, Monografija, Tehnološki fakultet Leskovac, 2007. 25. Pinnarat T, Savage P.E., Assessment of non-catalytic biodiesel synthesis using supercritical reaction conditions, Ind. Eng. Chem. Res. 47 (2008) 6801–6808. 26. Rehm H.-J., Reed G., Puhler H.-J., Stadler P. Biotechnology, Vol. 8a, WilleyVCH, Weinheim, 1993. 27. Roher M., The Biotechnology of Ethanol, Wiley-VCH Verlag, 2001.

28. Sahoo B.B., Saho, N., Sah, U.K., Effect of engine parameters and type of gaseous fuel on the performance of dual-fuel gas diesel engines - A critical review, Renew. Sust. Energ. Rev. 13 (2009) 1151-1184. 29. Singh S.P., Prerna P., Review of recent advances in anaerobic packed-bed biogas reactors, Renew. Sust. Energ. Rev. 13 (2009) 1569–1575. 30. Stamenković O., Kinetika bazno-katalizovane metanolize suncokretovog ulja na niskim temperaturama, doktorska disertacija, Tehnološki fakultet, Leskovac (2008). 31. Stojiljković D., Jovanović V., Povrenović D., Banković-Ilić I., Ekološki značaj primene bioetanola, In: Bioetanol kao gorivo – Stanje i perspektive, Monografija, Tehnološki fakultet Leskovac, 2007. 32. Tan T, Lu J, Nie K, Deng L, Wang F. Biodiesel production with immobilized lipase: A review. Biotechnol Adv 28 (2010) 628–634. 33. Tanino T., Ohno T., Aoki T., Fukuda H., Kondo A., Development of yeast cells displaying Candida antarctica lipase B and their application to ester synthesis reaction, Appl. Microbiol. Biot. 75 (2007) 1319–1325. 34. Tasić, M., Bioetanol iz krtola krompira – modelovanje i optimizacija tehnološkog procesa, doktorska disertacija, Tehnološki fakultet, Leskovac (2011). 35. Tešić M., Kiss F., Janković V., Mogućnosti proizvodnje i korišćenja biodizela u Srbiji, Jefferson institute, 2010. 36. Tomović S., Alternativni izvori energije, Tehnička knjiga, Beograd, 2002. 37. Veljković V., Tehnologije sinteze biodizela: stanje i perspektive, Glasnik hemičara, tehnologa i ekologa Republike Srpske, 48 (2008) 15-28. 38. Ward A., Hobbs P.J., Holliman P.J., Jones, D.L., Optimisation of the anaerobic digestion of agricultural resources, Bioresour. Technol. 99 (2008) 7928 – 7940. 39. Woodward J., Utilisation of Cellulose as a Fermentation Substrate: Problems and Potential, in Carbon Substrates in Biotechnology, IRL Press, Washington, 1987. 40. Wyman C.E., Handbook of bioethanol: Production and utilization (Applied energy technology Series) Taylor and Francis, London, 1996. 41. Zabeti M., Wan Daud W.M.A., Aroua M.K., Activity of solid catalysts for biodiesel production: A review, Fuel Process. Technol. 90 (2009) 770–777. 42. Zaldivar, J., Nielsen, J., Olsson, L., Fuel ethanol production from lignocellulose: a challenge for metabolic engineering and process integration, Appl. Microbiol. Biotechnol. 56 (2001) 17–34. ABSTRACT For many years liquid fossil fuels have been dominant fuels for motor vehicles and machinery in building construction, industry, agriculture, etc.. Fossil diesel is most frequently used due to high thermal capacity, simple exploatation and manipulation and possibilities for further processing. A decrease in the world oil supplies and the instability of great exporting regions caused the increase of the price for both fossil fuel and its derivatives. Apart from that, high quantities of CO2, which is the basic cause of global warming, are emitted by fossil fuel combustion. For ecological and economic reasons, the obtaining of alternative fuels is seriously considered. Most promising alternative fuels are biofuels or fuels derived from biomass. Biomass is suitable for the production of solid, liquid and gaseous biofuels contributing to energy

efficiency and sustainability because it is the “reservoir” of solar energy. Biofuels used worldwide are biodiesel, bioethanol and biogas. This chapter presents the review of commonly used feedstock and the technological processes of their production, the influence of some operating and reaction conditions on the production processes, the development of new and possibilities for improving the existing processes as well as advantages and disadvantages of their use. The most commonly used technologies for their industrial production are emphasized, and well known world’s factory plants are listed. Also, EU legislation in this area and the current state and perspectives of their production (especially in West Balcans countries) are pointed out.