Proiect Diploma

PROIECT DE DIPLOMĂ STUDIU PRIVIND TEHNOLOGIILE DE OBȚINERE ȘI UTILIZARE A BIOCOMBUSTIBILILOR

2013 1

CUPRINS

Capitolul 1. Biocombustibili 1.1.Generalități………………………………………………………. 4 1.2.Materii 1.2.Materii prime …………………………………………………….. 6 1.3.Tehnologii 1.3.Tehnologii de prelucrare …………………………………………. 10 biocombustibililor………………………….. …….. 11 1.4.Avantajele utilizării biocombustibililor…………………… 1.5.Tipuri 1.5.Tipuri de biocombustibili ……………………………………….... 13

Capitolul 2. Tehnologiile de obținere o bținere a principalelor tipuri de biocombustibili. 2.1 Biodieselul ………………………………………………………  . 14

biodieselului…………………………………… ………… 14 2.1.1 Proprietățile biodieselului………………………… biodieselului………………………. 16 2.1.2 Tehnologii de obținere a biodieselului………………………. 2.2 Bioetanolul ………………………………………………………. 25

bioetanolului…………………………... 25 2.2.1 Tehnici de obținere a bioetanolului…………………………. 2.3 Biogazul ………………………………………………………….. 35 2.3.1 Echipamente tehnologice pentru producerea biogazului ……… 45 2.3.2 Mecanismul producerii biogazului ……………………………. 50

Capitolul 3. Aplicații ale a le utilizării biocombustibililor. 3.1 Echipamente de cogenerare …………………………………………. 53

3.2 Centrale de încălzire cu biomasă………………………… biomasă……………………………………. …………. 59 influențează producția de biocombustibili…………….. biocombustibili…………….. 68 3.3 Factori care influențează Capitolul 4. Criterii de alegere și dimensionare a instalatiilor de biogaz…72

2

CUPRINS

Capitolul 1. Biocombustibili 1.1.Generalități………………………………………………………. 4 1.2.Materii 1.2.Materii prime …………………………………………………….. 6 1.3.Tehnologii 1.3.Tehnologii de prelucrare …………………………………………. 10 biocombustibililor………………………….. …….. 11 1.4.Avantajele utilizării biocombustibililor…………………… 1.5.Tipuri 1.5.Tipuri de biocombustibili ……………………………………….... 13

Capitolul 2. Tehnologiile de obținere o bținere a principalelor tipuri de biocombustibili. 2.1 Biodieselul ………………………………………………………  . 14

biodieselului…………………………………… ………… 14 2.1.1 Proprietățile biodieselului………………………… biodieselului………………………. 16 2.1.2 Tehnologii de obținere a biodieselului………………………. 2.2 Bioetanolul ………………………………………………………. 25

bioetanolului…………………………... 25 2.2.1 Tehnici de obținere a bioetanolului…………………………. 2.3 Biogazul ………………………………………………………….. 35 2.3.1 Echipamente tehnologice pentru producerea biogazului ……… 45 2.3.2 Mecanismul producerii biogazului ……………………………. 50

Capitolul 3. Aplicații ale a le utilizării biocombustibililor. 3.1 Echipamente de cogenerare …………………………………………. 53

3.2 Centrale de încălzire cu biomasă………………………… biomasă……………………………………. …………. 59 influențează producția de biocombustibili…………….. biocombustibili…………….. 68 3.3 Factori care influențează Capitolul 4. Criterii de alegere și dimensionare a instalatiilor de biogaz…72

2

REZUMATUL LUCRĂRII Lucrarea cuprinde 4 capitole importante:    

 biocombustibil  biocombustibili; i; tehnologiile de obținere a pprincipalelor rincipalelor tipuri de biocombustibili; aplicatii ale utilizarii biocombustibililor; criterii de alegere si dimesionare a instalatiilor de biogaz.

În primul c apitolul se prezintă noțiuni generale referitoare la  biocombustibili:  biocombustibili: materii materii prime utilizate, tehnologii tehnologii de prelucrare, prelucrare, avantajele avantajele utilizării biocombustibililor biocombustibililor și tipuri de biocombustibili . În capitolul al doilea se analizează tehnologiile de obținere a principalelor tipuri de biocombustibili. Analiza este detaliată pentru trei situații distincte:  biodiesel, bioetanol și biogaz. Se insistă pe clasificări și schemele bloc ale instalațiilor de producere a biocombustibililor. biocombustibililor. În ca pitolul al treilea se prezintă aplicații ale utilizării biomasei. Se insistă  pe echipamentele de cogenerare, pe centralele de încălzire cu biomasă și pe factorii care influențează producția de biocombustibili. Capitolul 4 este dedicat criteriilor de aleger e și dimesionare a instalațiilor de biogaz. Se prezintă aici o serie de tabele și date numerice care justifică utilizarea criteriilor respective. Lucrarea se încheie cu concluzii şi bibliografie.

3

CAPITOLUL 1 BIOCOMBUSTIBILII

1.1. GENERALITǍȚI Biocombustibilii sunt combustibili solizi, lichizi sau gazoși obținuți din  biomasă, plante oleagin oase, ierboase sau lemnoase, deșeuri agricole și forestiere, deșeuri organice mu nicipale și industriale. Teoretic, biocombustibilii  pot fi obținuți din orice sursă biologică de carbon. Industria biocombustibililor este în continuă schimbare și dezvoltare strâns legată   de costurile materiilor  prime, emisiile de gaze cu efect de seră (CO2), durabilitate. Biomasa poate fi utilizată ca resursă pentru producerea  biocombustibililor, iar creşterea utilizării acestora va avea ca efect modificări la nivelul biomasei utilizate ca materie primă, dar şi la nivelul tehnologiilor de transformare a acesteia. Diminuarea rezervelor mondiale recuperabile de hidrocarburi fosile şi majorările succesive ale preţului barilului de ţiţei, ca urmare a crizei petrolului, au creat premize favorabile abordării altor surse pentru obţinerea de combustibili. De asemenea, şi legislaţia restrictivă referitoare la nivelul de  poluare a mediului, produsă de gazele de ardere ale combustibililor convenţionali, contribuie la găsirea de surse alternative de energie. Astfel, au apărut preocupări pentru fabricarea de biocarburanţi din materii prime regenerabile (biomasă). Mai mult, unele ţări ale Comunităţii Europene au legiferat o serie de politici şi reglementări ce favorizează dezvoltarea domeniului  biocombustibililor (reduceri ale accizelor pentru carburanţi, credite acordate fermierilor pentru obţinerea de biomasă etc.). În prezent, sursele de energie sunt reprezentate de combustibilii fosili (petrol, gaze naturale şi cărbuni), compuşi radioactivi sau alte surse (soarele, căderile de apă, vântul, mareele) care permit obţinerea de lucru mecanic şi căldură. Dintre acestea, petrolul şi gazele naturale sunt considerate ca fiind  principalele surse energetice ale planetei. Aceste surse naturale sunt epuizabile ireversibil. Estimările efectuate pe baza nivelului actual de consum şi al evaluărilor privind rezervele certe de combustibili fosili, arată că acestea ar  putea fi utilizate încă 44 de ani pentru petrol, 62 de ani pentru gaze naturale şi 280 de ani pentru cărbune. Rezervele de combustibili fosili sunt repartizate neuniform pe glob, iar cantitatea exploatată creşte de la an la an. De aceea, trebuie să se acorde o atenţie tot mai mare biocarburanţilor, obţinuţi din materii prime regenerabile (biomasă). 4

Ingineri din institute celebre desenează prototipuri de maşini şi utilaje care să ţină pasul cu descoperirile teoretice. Aceştia cooperează, la nivel mondial,  pentru a găsi soluţii care să rezolve problema planetară a efectului de seră. Biomasa înglobează orice material regenerabil de natură organică, cuprinzând vegetalele terestre (culturi agricole de uz alimentar, pomi şi culturi destinate producerii de energie, plante industriale, nutreţuri) şi acvatice (algele, ierburile de mare), precum şi ansamblul de deşeuri şi reziduuri organice din agricultură, piscicultură, silvicultură, deşeuri municipale şi alte deşeuri. Marile producţii agricole de uz alimentar se pot clasifica în: cereale (grâu, orez, porumb, orz, ovăz, secară etc.), oleaginoase (floarea -soarelui, soia, in, rapiţă, arahide, măsline etc.) şi zaharoase (sfecla de zahăr şi trestia de zahăr). Dintre culturile erbacee desti nate producerii de energie, se pot menţiona cele de sorg, bambus, miscanthus (iarba de elefant), pir etc., iar dintre culturile  pomicole, destinate aceluiaşi scop, cele de plop, frasin, arţar, salcie, mesteacăn etc. O cantitate însemnată de biomasă o constituie rezidurile de culturi agricole reprezentate de părţile plantelor cultivate care rămân pe teren după recoltare (cocenii, frunzele şi pănuşile de porumb, paiele de cereale etc.), precum şi reziduurile rezultate din silvicultură, în urma exploatării plantaţiilor forestiere de esenţă moale sau tare. O importantă resursă regenerabilă de energie o reprezintă deşeurile orăşeneşti ce conţin cantităţi însemnate de material organic (hârtie, carton, deşeuri lemnoase, deşeuri din grădini etc.). Utilizarea  biocombustibilului are, însă, şi o serie de dezavantaje. Un studiu recent pare să diminueze oarecum entuziasmul legat de beneficiile utilizării combustibililor bio. În urma cercetărilor efectuate anul trecut în  plantaţiile de palmieri din Indonezia şi Malaezia, s-a ajuns la concluzia că cererea tot mai mare de ulei de palmier venită din rândul   statelor europene cauzează prejudicii imense pădurii tropicale, aceasta fiind defrişată pentru a face loc plantaţiilor de palmieri. Mai mult, utilizarea îngrăşăminte lor chimice are efecte devastatoare asupra mediului. O a treia cauză poluatoare a întregului  proces de producţie a combustibililor bio o constituie incendierea câmpurilor de turbă, pentru a face loc plantaţiilor de palmieri, emisiile de carbon astfel rezultate având efecte devastatoare asupra atmosferei. Astfel, Indonezia a devenit al treilea mare poluator al lumii, după Statele Unite şi China. Concluzia este că utlizarea biocombustibililor ar putea produce emisii mult mai dăunătoare decât cele rezultate în urma arderii combustibililor fosili. Ca urmare a rezultatelor evidenţiate de studiu, guvernul olandez a decis să suspende subvenţiile acordate utilizatorilor de combustibili bio. În acest moment, există o serie de acţiuni care încearcă să identifice sur sa exactă a combustibililor, pentru a se stabili dacă întreg sistemul de cultivare şi  procesare dintr-o anumită plantaţie respectă normele ecologice. 5

1.2. MATERIILE PRIME ALE PRINCIPALILOR BIOCARBURANŢI În prezent, principalii biocarburanţi existenţi sunt:   

 Bioetanolul  Biodieselul  Biogazul.

 Bioetanolul  este

definit ca alcoolul etilic de provenienţă naturală. Materiile  prime utilizate în fabricarea etanolului sunt: - materii prime glucidice (trestie de zahăr, sfecla de zahăr, sorgul zaharat, unele fructe) - materii prime amidonoase (porumbul, grâul, cartoful); - materii prime lignocelulozice (lemnul şi alte materiale din plante fibroase). Cea mai importantă sursă de obţinere a  bioetanolului din punct de vedere cantitativ, o reprezintă materiile prime lignocelulozice sub formă de deşeuri agricole (paie de cereale şi orez, deşeuri de trestie de zahăr, fibre şi deşeuri de  bumbac etc.), culturi erbacee destinate acestui scop, deşeuri industriale etc. Obţinerea bioetanolului din surse bogate în glucide est e un proces ce are la bază fermentaţia glucidelor cu 6 atomi de carbon în etanol, cu ajutorul tulpinilor de drojdii, un proces relativ simplu; în schimb, transformarea materialelor lignocelulozice în glucide fermentescibile este un proces mai dificil. Disponibilitatea materiei prime constituie una din constrângerile majore actuale  pentru a dezvolta fabricarea şi utilizarea acestui biocarburant. [Conform 1].  Biodieselul, din punct de vedere chimic, este un amestec de mono-alchil esteri ai

acizilor graşi, obţinut în mod obişnuit prin reacţia de transesterificare a trigliceridelor cu un alcool inferior. Combustibilul biodiesel prezintă o serie de avantaje comparativ cu combustibilul diesel provenit din petrol, fiind mai puţin  poluant, biodegradabil şi obţinut din surse regenerabile. Sursele obişnuite de trigliceride utilizate pentru obţinerea de biodiesel le constituie uleiurile vegetale şi grăsimile animale.  Biogazul, este definit ca produsul gazos ce rezultă în cursul fermentării anaerobe (în lipsa aerului) a materiilor organice. Pentru obţinerea biogazului se pot utiliza materii prime organice de provenienţă foarte diferită: deşeuri vegetale, deşeuri menajere, fecale umane, dejecţii animaliere, gunoiul de grajd, ape reziduale din industria alimentară şi din zootehnie, etc.[1]

6

 Lipidele neutre şi biodieselul 

Grăsimile reprezintă una dintre cele mai importante surse naturale de materii prime, având un avantaj deosebit prin faptul că ele se regenerează în  procesul ciclic natural al plantelor, respectiv al animalelor, din care provin. Materiile grase sau grăsimile, din punct de vedere chimic, sunt esteri ai glicerinei cu acizi carboxilici saturaţi sau nesaturaţi, iar în unele cazuri cu hidroxiacizi, având un număr par de atomi de carbon. O altă denumire a gr ăsimilor este cea de lipide neutre. Compoziţia chimică a grăsimilor este determinată în principal de sursa naturală din care provin, precum şi de o serie de factori, ca de exemplu, procedeele de obţinere. Compoziţia în acizi graşi şi distribuţia lor în trigliceride este variabilă şi depinde de sursa naturală. De asemenea, este influenţată şi de o serie de factori printre care se pot menţiona: condiţiile de climă, de sol, de amplasare geografică, gradul de maturitate, iar  pentru cele animale, de specia anima lă, de regimul alimentar, de sănătatea animalului, de localizarea depozitului de grăsime. Tipul şi compoziţia acizilor graşi din materia primă determină o serie de  proprietăţi ale biodiesel-ului obţinut. De exemplu, dacă materia primă conţine în  principal acizi graşi saturaţi, biodiesel -ul obţinut din această materie primă va avea o cifră cetanică ridicată. (Cifra cetanică arată tendinţa spre aprindere a combustililor folosiţi în motoarele diesel, cu auto - aprindere. Cu cât aceasta este mai mare, cu atât m ai uşor se aprinde combustibilul. La combustibilii obişnuiţi, folosiţi la motoarele diesel, cifra cetanică variază între 35 şi 55). În schimb, dacă materia primă conţine preponderent acizi graşi nesaturaţi, cifra cetanică a  biodiesel-ului obţinut va fi mai redusă. Temperatura de tulburare şi căldura de combustie, alte proprietăţi importante ale unui carburant, cresc odată cu numărul atomilor de carbon din acizii graşi şi  pot menţiona: soia (boabele de soia –  aproape tot biodiesel-ul fabricat în SUA este ob ţinut din soia), floarea -soarelui, seminţele de rapiţă (folosite în special în Europa), canola (o plantă asemănătoare rapiţei), uleiul de cocos (folosit în special în America de Sud), muştarul şi  bumbacul; ca materii grase de origine animală, se pot menţiona grăsimile animale, grăsimile reziduale din industria de prelucrare a cărnii sau rezidurile grase alimentare sau nealimentare. Fermentarea anaerobă a deşeurilor organice (descompunerea bacteriană a materialelor organice în absenţa oxigenului) asigură posibilitatea obţinerii de energie regenerabilă, biogaz , compus în principal din metan şi dioxid de carbon. Metanul se poate comprima şi folosi drept carburant pentru vehiculele care folosesc gazul natural. Gazificarea biomasei (în funcţie de temperatura la care se desfăşoară  procesul) conduce, în principal, la obţinerea de  gaz de sinteză  (amestec de monoxind de carbon şi hidrogen) ce poate fi convertit, prin tehnologii cunoscute, în diferiţi compuşi chimici sau combustibili. Pentru viitorul mai înde părtat ar putea fi folosit drept carburant hidrogenul obţinut din biomasă sau 7

din combustibili lichizi bogaţi în hidrogen, ca de exemplu, metanolul sau etanolul. În orice situaţie, biomasa poate fi utilizată ca resursă pentru producerea acestui biocombustibil. Creşterea utilizării biocombustibililor va avea ca efect modificări atât  privind biomasa utilizată drept materie primă, cât şi a tehnologiilor de transformare a acesteia în biocombustibili. Cu siguranţă, este foarte importantă folosirea şi în continuare a produselor agricole ca porumb, sfeclă de zahăr şi seminţe oleaginoase, dar trebuie să crească şi ponderea altor surse de materii  prime, cum ar fi culturile destinate obţinerii de energie, biomasa lemnoasă, iarbă etc., deoarece materiile prime  regenerabile au alte caracteristici fizicochimice decât resursele fosile şi necesită tehnologii noi de prelucrare. La începutul anului 2007, o mare companie de cercetare de pe lângă Universitatea de Stat Iowa a patentat un catalizator, care permite rafin ăriilor să amestece, în procesul de fabricaţie, două tipuri de uleiuri diferite: cele provenite din grăsimea animală şi uleiurile vegetale. Mai mult, catalizatorul duce la eliminarea unui pas din tehnologia de transfomare a uleiurilor în biodiesel. Şi cum orice inovaţie trebuie să treacă prin filtrul calculelor economice, specialiştii estimează că folosirea acestui catalizator reduce costul de producţie al  biodieselului cu 30 de cenţi pe galon. Nanocatalizotorul a fost comparat deja cu un organism omnivor, care se poate hrăni cu de toate, pentru a produce mult doritul biocombustibil. În plus, oamenii de ştiinţă îi laudă şi alte calităţi. Astfel, cu ajutorul lui, se poate extrage mult mai mult etanol din masă vegetală în fermentaţie decât până acum. Metoda a fost deja experimentată, iar rezultatele arată că "aproape tot carbonul din biomasă se transformă în combustibil". Spre comparaţie, o treime din carbonul rezultat din procesarea porumbului se transformă în dioxid de carbon care, în loc să reducă, agravează efectul de seră. Rezultatul acestor cercetări poate fi crucial în producţia de  biocombustibili, în condiţiile în care preţurile la materia primă "clasică" (porumb, trestie de zahăr, ulei de palmier) au explodat în ultimii ani. Teoretic, cu ajutorul noulu i catalizator, producătorii pot alege dintr -o gamă variată şi ieftină de biomasă şi bioproduse. Mai mult, catalizatorul nu este absorbit de uleiuri, în consecinţă, poate fi reutilizat. [Conform 13].  Plante vechi, tehnologii noi

Ştiinţele agriculturii şi cercetarea biologic ă au cunoscut şi ele un vârf în aceşti ani datorită biocombustibililor. Folosirea culturilor clasice pentru  producerea în special a etanolului a ridicat rapid probleme. Ca să ajungă sub formă de biocombustibil în rezervoare, porumbul, soia, trestia de zahăr trebuie raţionalizate. Au o valoare nutritivă la fel de importantă ca şi cea energetică. De 8

aceea, cercetătorii caută acum plante necomestibile din care să se poată produce combustibili alternativi. Camelina, noua revelaţie a domeniului, este o plantă din familia cruciferelor, cu tulpina dreaptă, cu flori galbene şi cu fructe mici, folosită în industrie pentru seminţele ei bogate în ulei, mai ales la fabricarea săpunului. Camelina se dezvoltă fără probleme pe soluri aride, seminţele sale conţin mai mult ulei decât rapiţa şi nu necesită tratare excesivă cu ierbicide, pesticide şi îngrăşăminte În Europa, planta creşte de aproape 3.500 de ani. Seminţele sale sunt folosite la fabricarea săpunului, dar americanii i -au deschis viito rul: sursă de energie curată. Se poate spune că este cultura cea mai interesantă, având  potenţial să devină noua cultură-minune pentru biocombustibili. Ȋn SUA, fermierii au înţeles importanţa camelinei şi deja o cultivă pe suprafeţe mari. Camelina poate fi folosită şi altfel, cerectătorii descoperind că planta are un conţinut ridicat de acizi graşi omega 3, despre care se crede că reduc tensiunea arterială, colesterolul şi ajută în bolile de inimă. Ȋn plus, după extragerea uleiului din seminţe, resturile pot deveni furaje pentru vite, păsări şi peşte. O altă plantă minune este canola, un soi de rapiţă. Canola este o plantă erbacee furajeră, cu tulpina înaltă, subţire şi ramificată, cu flori mărunte, galben aurii, cultivată şi pentru fructele ei, din ale căror seminţe se extrage ulei folosit în alimentaţie şi în industrie. Este cultivată în sudul Europei şi în Statele Unite, pentru extragerea de ulei industrial şi alimentar, dar şi pentru că planta mineralizează puternic solul şi îmbunătăţeşte gradul de umiditate. Are întrebuinţări şi în produsele de dietă. Canola modificată genetic a fost recent introdusă în culturi pentru obţinerea unor niveluri ridicate de acid lauric, care este un component important al uleiurilor tropicale comestibile. La noi în ţară, planta se cultivă în Insula Mare a Brăilei, pentru ulei de motor. Clima continentală şi compoziţia solului românesc recomandă cultura de canola drept una din afacerile de viitor. O varietate de iarbă cultivată în special pentru fixarea solurilor, dar care creşte spontan pe suprafeţe mari, ar putea fi o altă sursă de energie curată. Departamentul de Energie american îşi îndreaptă atenţia spre obţinerea  biocombustibilului din iarba de preerie, estimându- se că acesta va avea un rol important în independenţa energetică a SUA, dar şi în reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Iarba de preerie este o plantă erbacee, care creşte până la doi metri înălţime, iar la maturitate are tulpini groase, cât un creion şi la fel de rezistente. Se dezvoltă pe o varietate de soluri, suportă temperaturi înalte şi este rezistentă la secetă. Această plantă creşte rapid, captează o cantitate mare de energie solară pe care o transformă în celuloză, foloseşte la maximum apa din sol, este perfect 9

adaptată solurilor aride. Geneticienii lucrează în prezent la dezlegarea ADN ului acestei plante pentru a crea varietăţi şi mai rezistente. La ora actuală, în multe state din sudul SUA, iarba de preerie a crescut sălbatic pe solul sărăcit sistematic de culturile de bumbac. Cultivată intensiv, iarba are o productivitate de invidiat, pentru că ea creşte până la doi metri înălţime. Mai mult, pentru recoltare, nu sunt necesare utilaje speciale. Combinată cu altă decoperire, o nouă metodă de gazeificare, cultivarea de iarbă de preerie ar putea  avea multiple valenţe. Previne eroziunea solului, din ea se pot extrage gazolină pentru  biodiesel, metanol, gaz metan şi chiar şi hidrogen. Multe dintre aceste componente se folosesc în industria chimică pentru fertilizatori, solvenţi şi material plastic. Faţă de etanolul din porumb, cel din iarbă de preerie are o valoare energetică de cinci ori mai mare. De la începutul anului 2007, geneticienii lucrează la genomul ierbii de preerie, genom care apoi va putea fi comparat cu cel al porumbului, orezului sau a altor varietăţi de ierburi. Rezultatele vor fi folosite pentru îmbunătăţirea caracteristicilor şi a productivităţii. 1.3. TEHNOLOGII DE PRELUCRARE A BIOMASEI

Biorafinăriile viitoare vor avea ca primă etapă de procesare extragerea din  biomasă a unor componente valoroase cum ar fi: substanţe cu valoare nutritivă ridicată sau componenţi cu potenţial de prelucrare industrială (arome, condimente, fibre etc.). După separarea acestor componente valoroase biomasa este prelucrată în continuare, în mod diferit, în funcţie de natura ei. Procesele utilizate pot fi biologice, chimice sau termochimice. Cel mai cunoscut proces biologic este  fermentaţia biomasei  bogată în zaharuri sau amidon, cu obţinerea de bioetanol. Ȋn Europa, plantele utilizate sunt sfecla de zahăr şi grâul, în SUA porumbul, iar în Brazilia, trestia de zahăr. Pentru obţinerea bioetanolului o materie primă mult mai ieftină este biomasa ligno-c elulozică. Prelucrarea acesteia necesită însă etape mai dificile, cum ar fi separarea celulozei şi ligninei, urmată de hidroliza enzimatică a celulozei, până la zaharide fermentabile. Un alt proces biologic utilizat este  fermentaţia anaerobă. Acest proces este utilizat pentru tratarea deşeurilor biologice şi a nămolurilor provenite din tratarea apelor. Biogazul obţinut conţine 40 - 75% metan şi are o putere calorifică de 15-30 MJ/Nm3. Procedeul chimic cel mai răspândit este cel de obţinere a esterilor metil ici ai acizilor graşi prin transesterificarea grăsimilor şi uleiurilor naturale cu alcool metilic. Acesta este procedeul de obţinere a biodieselului. În afara procedeelor clasice se propun şi procedee enzimatice pentru obţinerea biodieselului. Aceste procedee au avantajul că pot prelucra materii 10

 prime cu conţinut mare de acizi liberi şi, de asemenea, asigură conversia glicerinei în produşi utili. Pe lângă etanol, din biomasa celulozică se pot obţine şi alţi intermediari organici cu potenţial de sinteză mare. Celuloza este mai întâi transformată în zaharide, după care acestea, prin diverse reacţii chimice catalitice, sunt convertite în lactone, 2 metilfuran, 5 hidroximetil 2 furfural, acid levulinic etc. Aceşti compuşi sunt intermediari valoroşi pentru sinteze chimice. Ȋn amestec însă, ei pot fi convertiţi şi în benzine. Procedeele termochimice utilizate pentru conversia biomasei sunt  piroliza rapidă şi  gazeificarea. Acestea pot fi folosite independent de alte procedee chimice sau împreună cu acestea. Piroliza rapidă este realizată prin descompunerea termică la temperaturi moderate, în absenţa aerului, cu viteze mari de încălzire şi cu timpi de staţionare mici ai vaporilor în zona de reacţie. Randamentele de obţinere a combustibililor sunt de 50% în cărbune, 30% în lichide, 20% în gaze. În anii /90 au fost realizate primele instalaţii industriale de piroliză a  biomasei cu capacităţi de 10-100 t/zi (în SUA, Canada, Olanda etc.). Un alt procedeu termochimic este gazeificarea. Aceasta se realizează prin încălzirea biomasei cu o cantitate de oxigen egală cu 1/3 din cantitatea necesară arderii complete. Se obţine un amestec gazos ce conţine îndeosebi CO şi H 2, numit “gaz de sinteză”. Acest amestec poate fi utilizat drept combustibil sau  pentru sinteză chimică (amoniac, metanol, alcooli şi aldehide, hidrocarburi). Gazeificarea biomasei reprezintă o cale eficientă de prelucrare a biomasei în energie, deoarece în acest proces sunt transformaţi toţi componenţii biomasei, inclusiv lignina, care, altfel, este foarte rezist entă la procesul de degradare  biologică. Interesul pentru gazeificarea biomasei a crescut după anii 1970. La ora actuală sunt în funcţiune atât instalaţii mari, care produc căldură şi energie electrică (puteri de aprox. 10 MW, în Finlada), cât şi instalaţii mici, ce asigură căldura şi energia electrică pentru câteva locuinţe. Costul energiei obţinută din biomasă este funcţie şi de raportul între energia obţinută şi energia consumată pentru obţinerea biomasei şi prelucrarea ei. Dacă pentru tehnologia clasică de obţinere a biodieselului acest raport este de 1,44, în instalaţiile complexe, în care se integrează fabricarea biodieselului, cu  prelucrarea prin gazeificare/piroliză a biomasei ce nu poate fi convertită în  biodiesel, acest raport are o valoare net sup erioară, de aprox. 2,55.

11

1.4 AVANTAJELE UTILIZĂRII BIOCOMBUSTIBILILOR Biodieselul este un combustibil ult ra curat, nu conține nici sulf ș i nici hidrocarburi aromatice iar emisiile poluante sunt mai reduse decât în cazul combustibilului clasic obținut din pet rol. Biodieselul nu este toxic și este de 4 ori mai biodegradabil decât motorina clasică. Nu există riscuri în ceea ce privește stocarea, manevrarea și utilizarea (punctul de inflamabilitate mai ridicat, 130 ºC față de 60 ºC pentru motorina). R educerea dependenței energetice față de piața mondială a petrolului. 

odata ce tehnologia este dispo nibilă la scară largă,  biocom bustibilul poate fi mult mai puțin costisitor decât benzina și alți combustibili fosili, mai ales că cererea mondială de  petrol crește, prin urmare, prețul litrului de benzină, poate atinge cote maxime.



 Materiale:



de vreme ce biocombustibilii sunt fabricați la nivel local, uzi nele de fabricare a biocarburanților pot crea noi locuri de muncă  prin angajarea a su te sau mii de muncitori. Producția de  biocombustibili va crește, de asemenea, cererea pentru culturile adecvate de biocarburanți și va furniza stimulare economică   a industriei agriculturii.



 Biodegradabilitate:



Costul :

întrucât ule iul este o resursă limitată , care vine de la materialele specifice, biocarburanții pot fi fabricați dintr -o gamă largă de materiale, inclusiv a deșeurilor vegeta le, resturi animale din grajd, și a  produselor înrudite, ceea ce face un pas eficient în reciclare. Stimularea economica:

 biocarburanții sunt ușor biodegradabili și mult mai ușor de manevrat decât combustibilii tradiționali, ceea ce face scurgerile mai puțin periculoase și mai puțin costisitoare. Scaderea emisiilor de carbon:

cand biocombustibilii sunt arși, aceș tia  produc CO2 și toxine într-o cantitate semnificativ redusă, făcându-le o alternativă mai sigură pentru păstrarea calității atmosf erice, alături de micșorarea gradului de poluare al aerului.

12

1.5 TIPURI DE BIOCOMBUSTIBILI Biocombustibilii sunt carburanţi produș i din surse bioregenerabile  provenite din natură, care în urma arderii în motor produc mai puţine emisii  poluante care să afecteze mediul înconjurător. Unii biocombustibili pot fi folosiţi şi în amestec cu combustibilii fosili, prin acest lucru urmărindu -se diminuarea cât mai mult posibil a emisiilor. Cele mai importante tipuri de  biocombustibili sunt :

etanol extras din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a deşeurilor, bioetanolul este fabricat din grâu, sfeclă de zahăr şi sorg dulce şi este adăugat de obicei ca înlocuitor al benzinei sau adăugat ca aditiv.   Biodiesel   - un metil-ester extras din ulei vegetal sau animal, de calitatea dieselului,   Biogaz - un combustibil gazos rezultat d in biomasă şi/sau din partea  biodegradabilă a deşeurilor care poate fi purificat la calitatea gazului  pur,   Biometanol  - dimetilester extras din biomasă,   Biometanolul poate fi fabricat din lemn sau resturi de lemn şi din reziduuri agric ole.   Biodimetileter  - dimetilester extras din biomasă,   Bio-ETBE  - (etil terţ butil ester): pe bază de bioetanol,   Bio-MTBE (metil terţ butil eter): pe bază de biometanol,   Biocarburanţi sintetici   - hidrocarburi sintatice sau amestecuri de hidrocarburi sintetice care au fost extrase din biomasă,   Biohidrogen - hidrogen extras din biomasă şi/sau din partea  biodegradabilă a deşeurilor,  Ulei vegetal crud   - ulei produs din plante uleioas e prin presare, extracţie sau proceduri comparabile, crud sau rafinat, dar nemodificat chimic. 

 Bioetanol  -

13

CAPITOLUL 2 TEHNOLOGIILE DE OBȚINERE A PRINCIPALELOR TIPURI DE BIOCOMBUSTIBILI.

Principalele tipuri de biocombustibili sunt biodieselul, bioetanolul și biogazul.

2.1 BIODIESELUL

Biodieselul reprezintă un carburant alternativ pentru motoarele de tip diesel al cărui principal avantaj îl reprezintă faptul că este un carburant regenerabil, non- toxic și biodegradabil. Deasemenea poate fi utilizat în majoritatea motoarelor de tip diesel fără a fi necesare modificări ample ale acestora. Este obținut în urma unor reacții chimice dintre lipide (de origine vegetală sau animală) cu un alcool în urma cărora se obțin esteri ai acizilor grași. 2.1.1 Proprietățile biodieselului Conform[13] s e analizează experimental proprietățile fizico-chimice a diferitelor amestecuri de biodiesel și motorină  (densitate, vascozitate, punct de inflamabilitate, punct de tulbura re, punct de congelare, compoziție elementar ă, analiză termică) făcându-se apoi o analiză comparativă cu difer ite standarde  pentru biodiesel.

Biodieselul are proprietăți de lu brificare superioare motorinei și o cifră cetanică mai mare. Adiția biodieselului reduce uzura sistemului de comb ustie și marește perioada de funcționare a echipamentului de injec ție ce se bazează pe combustibil pent ru lubrificare. Puterea calorică atinge o valoare de 37.27 Mj/kg. Are un punct de fierbere ridicat și o presiune de vaporizare scăzută. Temperatura de a prindere este mai ridicată decât cea a motorinei, de asemenea are o densitate mai mare. Tabel 2.1.[13] Caracteristici

Unitat  Valori e minime

Conținut de esteri

% (m/m) kg/m³

Densitate la 15°C

Valori maxime

M etoda de testar e

96,5

-

EN 14103

860

900

EN ISO 3675 / EN ISO 12185 14

Vâscozitate la 40°C Punct de inflamabilitate

mm²/s °C

3,5 > 101

5,0 -

Conținut de sulf

mg/kg

-

10

EN ISO 3104 EN ISO 2719 / EN ISO 3679 EN ISO 20846 / EN ISO 20884 EN ISO 10370

Reziduu carbon (pe 10 % % 0,3 reziduu de distilare) (m/m) Cifra cetanică 51,0 EN ISO 5165 Cenușa sulfatată % 0,02 ISO 3987 (m/m) Conținut de apă mg/kg 500 EN ISO 12937 Contaminare totală mg/kg 24 EN 12662 Coroziune pe lama de notare Clasa 1 Clasa 1 EN ISO 2160 cupru (3 h la 50 °C Stabilitate la oxidare, ore 6 prEN 15751 / EN 110°C 14112 Indice de aciditate mg 0,5 EN 14104 KOH/ g Indice de iod 120 EN 14111 Conţinut de ester metilic % 12 EN 14103 al acidului linoleni (m/m) Esteri metilici % 1 EN 14103  polinesaturaţi (³ 4 duble (m/m) legături) Conținut de metanol % 0,2 EN 14110l (m/m) Conținut de % 0,8 EN 14105 monogliceride (m/m) Conținut de digliceride % 0,2 EN 14105 (m/m) Conținut de trigliceride % 0,2 EN 14105 (m/m) Glicerina liberă % 0,02 EN 14105 / EN 14106 (m/m) Glicerina totală % 0,25 EN 14105 (m/m) Metale Grupa I (Na + K) mg/kg 5 EN 14108 / EN 14109 / EN 14538 Metale Grupa II mg/kg 5 EN 14538 (Ca+Mg) 15

2.1.2 Tehnologii de obținere a biodieselului Grăsimile și uleiurile sunt formate din tr igliceride. Fiecare trigliceridă este compusă din trei acizi grași de catenă lungă cu un număr de atomi de carbon cuprins între 8 și 22, care sunt legaț i de o moleculă  de glicerol. Biodie selul este format din acizi grași care sunt legaț i chimic de o molecula de metanol. În urma procesului de transesterificare, molecula de glicerol este îndepartată aproape complet din compoziția biodieselului finit. [12] Tehnologiile d e obținere a biodieselului comercial pot fi clasificate astfel:  

    

Transesterificarea în cataliză omogenă alcalină a uleiurilor rafinate Transesterificare a catalizată  bazic a grasimilor vegetale cu un conținut scăzut de acizi grași liberi și a grasimilor animale Transesterificarea în cataliză acidă Transesterificarea în cataliză eterogenă bazică și acidă Transesterificarea enzimatică Transesterificarea folosind microunde Transesterificarea folosind ultrasunete

Tehnologiile se pot realiza în siste m batch în cazul obținerii biodieselului la nivel domestic sau continuu în cazul obținerii acestuia la nivel industrial. Tehnologia de obținere în sistem batch permite controlul calitativ al produsului de reacție în cazul utilizării materiilor prime de o calitate medie precum ulei  prăjit reciclat sau grăsimile animale. Pentru ca biodieselul sa corespundă din punct de vedere calitativ, trebuie sa îi lipsească  din compoz itie alcoolii, catalizatorul, să punurile, glicerina, trigliceridele care nu au reacționat sau au reacționat parțial și acizii grasi liberi.

În prezent există numeroase produse pe bază de metili esteri utilizate în  procesele chimice la nivel industrial sau pentru fabricarea lubrifianților industriali. Însă cerințele de procesare a acestor produse nu sunt suficiente  pentru obținerea unui biodiesel corespunzător din punct de vedere calitativ. Cea mai comună problemă o reprezintă prezența trigliceridelor care nu au reacționat sau au facut- o parțial și a glicerinei, care cresc nivelul de vâscozitate, temperatura punctului de tulburare și cea a punctului de curgere, acești factori ducând la posibile avarii ale motorului.[11,12]

16



Transesterificarea în cataliză omogenă alcalină a uleiurilor rafinate

Transesterificarea cataliza tă  bazic a uleiu rilor vegetale rafinate prezintă o eficiență ridicată de până la 99,9% ș i produce biodiesel de buna calitate după înde părtarea excesului de metanol, catalizator bazic și glicerină.

Reacția chimică necesită trei molecule de metanol (sau alt alcool) pentru fiecare moleculă de triglicerida, care corespunde cu aproximativ 10% greutatea de metanol per masa de ulei procesat. Prin cipalul produs secundar de reacție este glicerina.

Fig.2.1. [13].

Mici cantități de acizi grasi liberi (1,5%) sun t convertite în săpunuri. Aceste săpunuri sunt în mod normal îndepărtate odată cu glicerina sau odată cu procesul de rafinare al uleiului crud. Drept cataliz atori bazici mai pot fi utilizaț i hidroxidul de sodiu sau metoxidul de sodiu. Catalizatorii pe baza de sodiu nu formează fertilizator ca produs de reacție. Acizii sunt utilizați atâ t pentru a stopa emulsifierea glicerinei în vederea unei procesari parțiale ulterioare, cât ș i pentru a neutraliza catalizatorul bazic.

17

Fig 2.2. Obținerea de biodiesel utilizând cataliza alcalină. [12]

Există numeroase variații ale tehnologiei alcaline de ob ținere a bioidieselului. Diferi ți catalizatori, inclusiv cei nonbazici, pot fi utiliza ți. Etanolul anhidric, alcooli izopropilici sau butidici pot substitui metanolul, îns ă  timpul de reac ție este prelungit, iar randamentul de obținere a biodieselului poate scadea, fiind necesare măsuri mai riguroase de control al calit ății precum și procese adiționale. Procesul de transesterificare bazic este realizat la atmosfer  ă standard și la o temperatur ă de 600C. Deasemenea exist ă variații ale acestei tehnologii în care sunt utilizate temperaturi și presiuni mai înalte. Uneori distilarea este utilizat ă pentru controlul calitatii.



Transesterificarea catalizat ă  bazic a grasimilor vegetale cu un con ținut scăzut de acizi gra și liberi și a grăsimilor animale

Transesterificarea catalizată bazic ce utilizează ca materie prima acizi grași liberi reprezintă o variație a transesterifică rii catalizate omogene alcaline. Astfel, o mică  cantitate de catalizator este adaugată la materia primă pentru a reacționa cu acizii grași liberi și forma săpunuri. Apoi săpunurile sunt îndepartate, iar  procesul de transesterificare începe. În cazul producătorilor locali, utiliz area acestei tehnologii prezintă dezavantajul pierderii unei cantitați 18

de ulei pur egal cu cea de săpun, fără posibilitatea valorificării lui. Însă la nivel industrial, săpunurile pot fi reintroduse în reacție pentru obținerea de produse utilizabile în agr icultură. Aceasta variație a procesului de transesterificare poate fi utilizată în funcție de disponibilitatea pe piața locală agricolă a acizilor grași și a valorii acestor produse (care ar trebui sa fie mai mare decât a biodieselului).



Transesterificarea în cataliza acidă

cu utilizarea clorurii de colina *xZn Cl2  pentru obținerea biodieselului Clorura de colina *xZnCl2 este utilizat ă  drept catalizator acid de tip Lewis pentru transesterificarea uleiului. Obținerea biodieselului folosind clorura de colina *xZnCl2 este eficient ă, prezentând numeroase avantaje precum modalitatea de prepa rare ușoara, prețul scăzut sau randamentul de obț inere al  biodieselului similar cu cel obținut în urma utilizării altui tip de catalizator. Tăria acida Lewis a lichidului ionic crește odată cu augmentarea cantității de ZnCl2. Datorită aciditații scăzute a catalizat orului, randamentul de obținere este mai mare decât al altor lichide ionice. Reacția are loc la un raport molar metanol-ul ei vegetal 16:1 la o temperatură de 700C, transesterificare fiind  promovată de speciile acide Lewis: Zn3Cl7-, Zn2Cl5- și ZnCl3- din catalizatori. Randamentul de obținere al biodieselului este ușor crescut odată cu creșterea lui x de la 1 la 3. Timpul optim de reacție este de 72 de ore, iar clorura de colină 2ZnCl2 este un catalizator tipic pentru acestă abordare a reacției de transesterificare, convers ia maxima de 54,52% fiind atinsă la 10 % clorura de colină 2ZnCl2. Datorita reversibilității reacției de transesterificare folosită la obținerea biodieselului, producerea unu i bun randament poate fi grabită   prin introducerea unui exces de metanol pentru a schimba echilibrul. La un raport mai mic de 16, raportul de metanol: uleiul are un efect semnificativ asupra activității catalitice. La adăugarea unei cantități mari de metanol, concentraț ia catalizatorului est e diluată la o cantitate fixă de clorură de colina 2ZnCl2 și ulei vegetal, iar depașirea raportului 16 de metanol nu are niciun efect asupra  performanței catalizatorului. Mai mult, un raport molar mai mare de metanol: uleiul duce la o problemă de separare î n timpul reciclării. Astfel,  raportul molar optim de metanol : uleiul vegetal este de 16:1. Inf luenţa temperaturii asupra reacției de esterificare devine mai mică odată cu creșterea acesteia. Totuși, dacă temperatura de reacție ajunge la punctul de fierbere a metanolului de 80 și 900C, metanolul se va vaporiza rapid şi va forma un număr mare de bule care inhib ă reacția la interfa ța dintre cele dou ă faze. În plus, pentru conservarea energiei, este necesar ă  alegerea unei temperaturi relativ sc ăzute. Astfel, temperatura optimă  de reacție pentru transesterificarea uleiului la biodiesel este în jurul valorii de 70 oC.[10] 19



Transesterificarea în cataliz ă eterogen ă bazică și acidă

Acizii grași liberi reacționează cu metanolul (1:1) și cu catalizatorul acid  precum acidul sulfuric, pentru a forma metile steri. Randamentul acestei reacții este în general de 96%, ceea ce înseamnă ca un procent de aproximativ 4% de acizi grași liberi nu reacționează, urmând ca aceștia să reacționeze cu catalizatorul bazic în următorul pas și formează săpunuri. În cazul în care să punurile nu sunt îndep ărtate înainte de transesterificare, sunt necesare teste de control a calității în vederea evidențierii prezenței să punurilor. Restul procesului este similar cu cel descris mai devreme. Însă acest proces are un randament ce  poate depași valoarea de 99%, depinzând de cantitatea de acizi grași din materia  primă originală și de varietatea de produse secundare rezultate.



Transesterificarea enzimatică

Poate avea loc în două sisteme de reacţie pentru obţinerea de biodiesel pe cale enzimatică şi anume: metanoliză în sistem cu agitare continuă, respectiv metanoliză în sistem cu deplasare și recirculare.În primul caz reacţia are loc folosind un reactor de tip batch în care enzima este supusă agitării împreună cu amestecul de reacţie de la începutul reacţiei până la finalizarea acesteia, în timp ce, în al doilea caz, reacţia are loc prin recircularea amestecului de reacţie peste stratul fix de enzimă – reactor tip coloană cu umplutură. Condiţiile de reacţie folosite în ambele cazuri sunt cele care s -au dovedit a fi optime pentru metanoliza enzimatică a uleiului de floarea soarelui catalizată de Novozym 435. Reacţiile au fost monitorizate timp de 24 h, iar pentru aceasta s-au prelevat probe din ame stecul de reacţie la intervale regulate de timp şi s -au analizat. Analizele efectuate au urmărit determinarea randamentului în esteri metilici şi au fost realizate cu ajutorul cromatografiei în fază gazoasă. Randamentele sunt net superioare în sistemul cu agitare, când încă de la începutul reacţiei enzima se află în contact cu toată cantitatea de ulei ceea ce duce la o viteză mai mare de reacţie. Astfel, după primele 15 min, randamentul global pentru reacţia cu agitare este deja de 23,6% (m/m),

20

Fig.2.3. Obținerea de biodiesel folosind cataliza enzimatică.[14]



Transesterificarea asistată de microunde

Transesterificarea poate fi efectuată prin reacția catalitică sau necatalitică f olosind diferite sisteme de încălzire. Un sistem de încălzire alternativă - "de încălzire cu microunde", a fost folosit în ultimii ani, mai ales în testările de laborator și la nivel de pilot. În acest caz reacția de t ransesterificare este accelerată într-un timp de reacție scurt. Ca urmare, are loc o reduc ere importantă a cantității de produse secundare și un timp scurt de reacție.

Se utilizează un sistem de încălzire tip  cuptor cu microunde. Întreg sistemul a fost echipat cu un condensator cu reflux, un agitator magnetic şi un detector de temperatură, tip non-contact în infraroșu, care permite controlul continuu și constant al temperaturii de lucru. Compoziția de acizi grași a uleiului şi analiza probelor de biomotorină se efectuează pe cromatograf de gaz 6890 echipat cu detector de ionizare cu flacară.

21



Transesterificarea asistată de ultrasunete

În prezent, biodieselul este, în principal produs în reactoare lot. Folosirea ultrasunetelor în transesterificarea uleiurilor la biodiesel permite prelucrarea in linie continuă, la orice scară. Ultrasonicarea duce la o creștere a randamentului de biodiesel până la 99%. Reactoarele cu ultrasunete reduc timpul de  prelucrare la mai puțin de 30 de secunde (prelucrarea conventională 1 - 4 ora/sarja). Mai important, ultrasonicarea reduce timpul de separare de la 5 - 10 ore (folosind agitație conventională) la mai puțin de 60 de minute.

Transesterificarea cu ultrasunete implică următorii pași: 1. uleiul vegetal este amestecat cu metanol (care produc esterii de metil) sau etanol (pentru etil esteri), precum și cu  catalizatorii; 2. amestecul este încălzit la temperaturi între 45 şi 65 0C; 3. apoi este trecut prin sonicator timp de 5 la 15 secunde. Sonicarea se efectuează la o presiune ridicată (De la 1 la 3 bar, manometru); 4. glicerina, care se obține ca produs secundar, este separată folosind centrifuge; 5.  biodieselul convertit este spălat cu apă.

Fig.2.4. Conversie biodiesel folosind ultrasunete [11] 22

Utilizări Biodieselul pur, denumit B100, este de fapt un monoalchilester al acizilor graşi derivaţi din uleiurile vegetale sau animale. Biodieselul este un combustibil alternativ care poate fi utilizat în formă pură sau în amestec cu motorină, atunci când este ars în motoarele cu ardere internă, sau cu combustibilii pentru cazane atunci când este utilizat în scopuri casnice. Strategiile de dezvoltare se direcţionează pe utilizarea biodieselului spre zonele sensibile din punct de vedere ambiental, ca de exemplu: -

transportul transportul public local: taxi, autobuze, servicii; vehicule publice: salubrizare s trăzi, colectare gunoi menajer, întreţinere spaţii verzi; - vehicule agricole şi de transport în zonele agricole; - vehicule ale armatei şi căile ferate. Avantaje ale utilizării biodieselului: 







Biodieselul este un combustibil curat. La utilizarea acestuia se reduc semnificativ emisiile de noxe comparativ cu motorina. Biodieselul înlocuiește cu succes motorina, petrolul, sau poate fi amestecat cu acestea în orice proportie. Utilizarea biodiesel-ului  –  obținut prin transesterificarea uleiului de sofranel cu alcooli inferiori (metanol, etanol, etc.) - drept combustibil  pentru motoarele dies el moderne nu presupune modificări constructive esențiale ale acestuia . Biodieselul are toxicitate mai mică comparativ cu motorina și se reduc emisiile de: o o o

  

dioxid de sulf cu 100% dioxid de carbon 10-50% dioxid de azot 5-10%

Biodieselul este mai sigur de manipulat decât motorina. Biodieselul este biodegradabil deoarece se obține din resurse regenerabile. Calitat ea biodieselul este reglementată de ASTM D 6751.

23

Dezavantaje:  

 



Vâscozitatea mai mare face ca pomparea sa fie mai dificilă. Valorile mai ridicate ale temperaturii de tulburare și a punctului de lichefiere pot pune probleme la pornirea motorului la temperaturi mai scazute iar consumul de combustibil este mai ridicat. Procentul emisiilor de oxizi de azot (NOx) este mai ridicat. Puterea dezvoltat ă de motorul este cu 5% mai mic ă comparativ cu puterea dezvoltat ă la utilizarea diesel-ului clasic. Există pericolul depunerilor la nivelul injectorului iar gradu l de uzură al motorului s-a dovedit a fi mai ridicat.

2.2. BIOETANOL Conform HG 1844/2005 privind pr omovarea utilizării biocarburanților și a altor carburanți regenerabili pentru transport, bioetanolul este definit ca fiind etanol produs din biomasa și/sau fracția biodegradabilă a deșeurilor, în vederea utilizării ca biocarburant. Este un combu stibil ecologic, formula chimică fiind aceeași cu cea a alcoolului etil.

2.2.1 Proprietăți Caracteristicile fizice și chimice ale sale, redate în tabelul 1, se referă la densitatea energetică, la caldura de vaporizare, raportul molecular dintre reactanți și produșii de combustie, energia specifică, limita de imflamabilitate, viteza de transmitere a scântei i și temperatura acesteia.

24

Tabel 2.2. Caracteristicile fizico - chimice ale bioetanolului

2.2.2 Tehnologii de obținere a bioetanol ului de primă generație

Materia primă utilizată  pentru p roducerea bioetanolului de primă generație se referă în primul rând la sursa de biomasă  care, de asemenea, este sursa pentru nutriția oamenilor și a animalelor.

25

Fig.2.5. Culturi energetice utilizate la obț inerea bioetanolului de prima generatie[4]

În figura 2.5 sunt rezumate câteva culturi d e primă generație. Materia primă ce are la baza sucroza provine în principal din trestie de zahar (Saccharum sp.), sfeclă de zahar (Beta vulgaris L.), și sorg zaharat (Sorghum sacharatumL.) [13, 17], în timp ce materia prima cu continut bogat in amidon provine din culturile cerealiere precum porumb (Zea mays), grâu (Triticum aestivum), orz (Hordeum vulgare), ovăz (Avena sativa), secară (Secale cereale) și culturile amidonoase  –  cartof (Solanum tuberosum), manioc (Manihot esculenta).

26

Fig.2.6. Schema fluxului tehnologic pentru obț inerea bioetanolului[9]

Din biomasa de sorg zaharat obținută în urma procesului de marunțire se extrage un sirop cu conținut ridicat de zaharuri care este supus apoi procesului de fermentație.

Fig.2.7. Schema fluxului tehnologic de obț inere a melasei din biomasa de sorg zaharat[9] 27

Sucul de sorg zaharat are compoziția chimică prezentată în tabelul 2. Tabel 2.3. Compoziția chimică a melasei de sorg zaharat

Caracteristici

Conținut

Substanța uscată 

16,8-24%

Zaharoză  Glucoză  Fructoză  Azot total Ph Densitate Potasiu Calciu Magneziu Sodiu Fier

11,04-13,71% 2,58-3,12% 1,05-2,15% 0,26% 4,5-5,4 1066 g/cm 3,77/cm la 15 o C 48,3 mg/100 g s.u 19,7 mg/100 g s.u 3,6 mg/100 g s.u 2,6 mg/100 g s.u

Fig.2.8. Schema fluxului tehnologic de obținere a bioetanolului din melasa de sorg zaharat 28

Procesarea materiei prime

Materia primă –   sorgul zaharat  – va fi recepționat, depozitat în silozuri, cântărit, după care se va realiza măcinar ea acestuia cu ajutorul unor mașini speciale. Din silozuri materia primă este transportată   cu ajutorul unor benzi rulante și unor elevatoare către punctul unde are loc măcinarea ei. În timpul depozitării se vor asigura condi ții de preîntampinare a procesului de putrezire, se va asigura o aerisire permanentă, și o t emperatură constantă. Atât paniculul cât și tulpinile de sorg zaharat su nt strivite cu ajutorul unor maș ini constituite din presa cu tavalugi, filtrul grosier cu diametru l porilor de 0.2 ÷ 0.4 mm, pompă , rezervor intermediar, rezervor de acumulare, presa  pentru presarea repetată  a bagasei. Pregatirea melase i în vederea fermentației cuprinde următoarele opera ții necesare pentru transformarea melasei într-un mediu fermentabil:

Fig.2.9. Etapele pregătirii melasei pentru fermentare[9]

Melasa ca atare este foar te vâscoasă și are un conținut ridicat de zahăr. În aceste condiții drojdiile nu pot transforma zahărul în alcool ș i dioxid de carbon. Pentru 29

a realiza concentrația optimă de zahăr și pentru a mări fluiditatea melasei aceasta se diluează cu apă. Datorită r eacției usor alcaline a melasei este necesară neutralizarea și acidularea acesteia până la pH-ul de fermentație de 4.5  –  5, uneori chiar la un pH mai scăzut. De asemenea, este necesară adăugarea de substanțe nutritive care conțin azot, fosfor, magneziu pentru a compensa deficitul substratului în aceste s ubstanțe. Melasa acidulată și îmbogațită în substanțe nutritive este supusă în continuare operației de limpezire, absolut necesară, deoarece suspensiile fine se depun pe membrana celulei de drojdie împiedicând interacția zahărului și a celorlalte substanțe nutritive cu celulele.[3]  Fermentaț ia melasei

Fermentarea este operația tehnologică  prin care zaharoza din melasa este transformată de către drojdii în alcool și dioxid de carbon ca produse principale, iar ca produse secundare se obtin aldehide, esteri, alcooli superiori, alcool metilic, glicerină. Concentrația alcooli ca a plamezii fermentate variază în limite largi cuprinse între 6 și 12% în funcț ie de felul materiei prime și procesul tehnologic aplicat. F ermentarea melasei se realizează în vase speciale numite fermentatoare (bioreactoare) prevăzute cu agitator cu elice, pompă cu circulație, serpentine de răcire sau un sistem exterior de racire ș i conducte de captare a dioxidului de carbon. Ca prim pas, se asigură   umplerea fermentatorului cu melasa diluat ă, proporția de 1:4 fiind reglată de dozatoare adecvate. În același timp se pun în funcțiune regulatoarele de temperatură, pH, de dozare a materialelor auxiliare (factori de creștere, substanțe nutritive ș i antispumante). Printre factorii de care depinde c alitatea și randamentul de obținere a  bioetanolului, alături de cali tatea materiei prime, alegerea și respectarea celui mai adecvat proces tehnologic, u n rol deosebit îl are drojdia utilizată la fermentarea plamezilor. În termenii stoechiometriei reacției chimice, conversia glucozei la etanol se realizează după cum urmează [20]:

30

Parametrii importan ți monitorizați în timpul fermenta ției sunt: modific ările densității celulelor de dro jdie, concentrația plămezii, consumul de zahăr, pH, temperatura, gradul de spumare și conținutul în alcool ... [1].  Distilarea bioetanolului

Alcoolul etilic și alți componenți volatili din plămadă  precum aldehide, esteri, alcooli superiori, acizi volatili, s e separă din plămadă prin operația de distilare. Distilarea se realizează prin încălzirea până la fierbere a plămezilor fermentate în instalații speciale, prin care alcoolul etilic și alți componenți volatili trec în faza de vapori și sunt apoi condensați  prin răcire cu apă. Separarea alcoolului etilic din acest amestec se bazează pe diferența de volatilitate dintre acesta și apa. Pentru a obține un produs cu un conținut ridicat în etanol sunt necesare distilări repetate și odată cu creșterea conținutului î n alcool al lichidului supus distilării se realizează o concentrare din ce în ce mai redusă până în momentul în care se ajunge la așa numitul punct azeotropic, din care nu se mai poate realiza în continuare o concentrare prin distilare. Pentru amestec acest punct azeotropic corespunde unei concentrații alcoolice de 97,17%vol. În afară de alcool și apă, prin distilarea plămezii fermentate trec în distilat și alte substanțe volatile conținute, cum ar fi aldehide, esteri, alcooli superiori, acizi volatili, alcool metilic, astfel încât se obț ine asa numitul alcool brut, care trebuie  purificat în continuare prin operația de rafinare.  Rafinarea bioetanolului

În urma distilării rezultă   ca produs intermediar alcoolul brut, care are o concentrație alcoolică de 80÷85% vol . și conține o serie de impurități, mai mult sau mai puțin volatile, fie provenite din plămada fermentata, fie formate chiar în cursul procesului de distilare. Rafinarea reprezintă operația de purificare și concentrare a alcoolului brut, în vederea obținerii unui produs de puritate superioară. Pentru a se realiza o purificare avansată a alcoolului este necesar ca la rafinare sa se aibă în vedere două  aspecte principale: temperaturile de fierbere ale impuritatilor și solubilitatile lor î n amestecul de alcool  – apă. Utilizări

Există următoarele alternative de utilizare a bioetanolului: Ca aditiv pentru benzine (ETBE), pentru folo sirea unor amestecuri de benzină și  bioetanol în diferite proporții. Bioetanolul este utilizat pentru creșterea cifrei octanice și îm bunătațirea calității benzinei. Sunt o varietate de mixturi cu  proporții variate de etanol/benzină în care E indică proporția etanolului în 31

mixtură. De exemplu: E10 reprezintă un amestec de 10% bioetanol și 90%  benzină. Până în prezent se utilizează amestecuri până la 85% bioetanol și  15%  benzină, combustibil denumit E85. Utilizarea în proporție de 100% a  bioetanolului la motoarele cu ardere implică   modificari constructive ale motoarelor respective.  Avantaje

Trebuie subliniat faptul ca bioetanolul este un combustibil regenerabil și nu este un contributor net la e misiile de gaze cu efect de seră. Acest lucru se datorează faptului ca biomasa cultivată pentru bioetanol este capabilă să reabsoarbă (prin fotosinteză) dioxidul de carbon produs în timpul arderii bioetanolului. Astfel,  principalul avantaj al biocombustibililor este faptul ca sunt neutri din punct de vedere al efectului de seră. Biocombustibilii sunt neutri pentru ca la arderea lor se elibereaz ă în atmosfer ă cantitatea echivalent ă de bioxid de carbon care a fost fixat ă fotosintetic de plante când s-a produs materia prim ă vegetal ă din care s-au obținut biocombustibilii. Un alt avantaj este faptul ca are cifr ă  octanică mai mare decât a benzinei, ceea ce se traduce prin ardere mai eficient ă și, implicit, emisii toxice mai reduse.În diagrama următoare sunt subliniate schematic avantajele utiliz ării bioetanolului ca biocombustibil.

Fig.2.10. Argumente pro pentru producerea ș i utilizarea bioetanolului. 32

 Dezavantaje

Deși bioetanolul este considerat o alternativa verde, prietenoas ă  cu mediul, utilizarea lui la o scara din ce în ce mai mare la nivel global poate crea probleme legate de defrișări și siguranța alimentară a populaț iei. Astfel, multe din culturile agricole destinate pentru consum sunt convertite în culturi destinate pentru  biocombustibil. De asemenea, bioetanolul pur (E100) poate porni autovehiculul mai greu la temperaturi scăzute, de aceea cel mai răspândit bioetanol se găsește în amestec (etanol+benzină în diferite proporții).

În diagrama următoare sunt subliniate schematic dezavant ajele utilizării  bioetanolului ca biocombustibil.

Fig.2.11. Argumente contra pentru producerea si utilizarea bioetanolului[4]

33

2.3 BIOGAZUL Biogazul este un amestec de gaze. Principalele gaze care îl compun sunt metanul şi dioxidul de carbon, ambele în proporţii variabile. În cantităţi foarte mici se mai găsesc în biogaz hidrogen sulfurat, azot, oxid de carbon, oxigen. Valoarea energetică a biogazului este dată de conţinutul de metan al acestuia. Biogazul este o sursă de energie neconvenţională, care rezultă în urma unui  proces de conversie na turală, controlată, a biomasei.Biomasa, materia organică a dejecţiilor animale şi deşeurilor vegetale, este regenerabilă şi inepuizabilă. Masa rezultată în urma fermentaţiei anaerobe, în prezenţa bacteriilor metanogene, constitui e un îngrăşămant natural, cu un grad scăzut de poluare.În contextul schimbărilor climatice şi actualelor politici energetice, necesitatea utilizării surselor de energie regenerabile, sustenabile şi indigene e ste din ce în ce mai ridicată. Utilizarea unor materiale pentru producerea de energie, care pot fi considerate deşeuri şi a căror depozitare costă bani, devine clar o abordare inteligentă. În plus faţă de beneficiile pentru mediu, creşterea preţului energiei convenţionale şi cerinţele din ce în ce mai mari pentru un management adecvat al deşeurilor organice sunt argumente în favoarea producerii de biogaz. Disponibilitatea şi utilizarea sunt strict dependente de politicile energetice şi de mediu naţionale şi UE. Co-fermentarea bălegarului şi a altor tipuri de deşeuri organice în centrale de biogaz reprezintă un proces integrat. Pe lângă producerea de energerie regenerabilă, procesul include beneficii de mediu şi agricole, cum sunt: - economisire a banilor de către fermieri - îmbunătăţirea eficienţei fertilizatorilor - reducerea emisiilor gazelor cu efect de seră - reciclare ieftină a deşeurilor - reducerea neplăcerilor cauzate de mirosuri şi muşte -  posibilitatea reducerii patogenilor prin igienizare, toate acestea conectate cu producerea de energie regenerabilă.

Instalaţiile industriale de biogaz sunt foarte similare sau chiar identice cu instalaţiile la scară redusă sau cele agricole, în ceea ce priveşte tehnica de fermentare. Difera doar materialele sursă şi capacitatea instalaţiilor.  Materialele necesare instalaţiilor industriale de biogaz sunt asigurate de industria de  procesare a alimentelor. Principalele materii sunt reprezentate de deşeurile alimentare, gr ăsimi şi deşeuri din abatoare. Acestea trebuie amestecate, dispensate de compuşii nepotriviti, tăiate sau diluate. Trebuie avută mare grijă atunci când se lucrează cu deşeurile din abatoare, care trebuie omogenizate dar şi igienizate. Deseori, reziduurile fermentate nu pot fi folosite ca îngrăşământ. Pentru utilizarea biogazului în instalaţii combinate de căldură şi energie, căldura trebuie folosită eficient. Un procent de 20% până la 40% din căldura 34

generată pote fi folosit chiar pentru instalaţia de biogaz, însă surplusul ar trebui folosit în sprijin ul industriei apropiate, în eventualitatea existenţei unei cereri  pentru uscarea lemnului, paleţilor sau ierbii. De asemenea, utilizarea căldurii în  procesele de răcire este o opţiune pentru folosirea surplusului. Dacă se împrăştie pe câmp îngrăşământ, după trei săptămâni, acesta nu se mai vede. În tot acest timp îngrăşământul trebuie să se descompună în gaz sau în alţi compuşi care să fie asimilaţi de plante. Aceasta transformare este posibilă sub acţiunea microorganismelor care se gasesc în îngrăşământ sau în sol. Această reacţie, având loc în aer liber, se numeşte „aerobă”. Descompunerea aerobă reprezintă deci procesul prin care energia conţinută în biomasă este eliberată sub formă de căldură la temperatură scăzută. Dacă, în loc să fie împrăştiat pe câmp, îngrăşământul se pune într -o instalaţie de biogaz, reacţia microbiană are loc în absenţa aerului şi se spune că este vorba de o transformare „anaerobă”. În cele două cazuri nu sunt aceleaşi bacterii care sunt responsabile de transformare. De asemenea, prin analogie, se pot numi bacterii aerobe acelea care acţionează în prezenţa aerului, respectiv bacterii anaerobe, cele care acţionează la producerea biogazului. În procesul de fermentare anaerobă, moleculele organice complexe se transformă, sub influenţa bacteriilor, în molecule mai simple care constituie  biogazul. Aproximativ 90% din energia conţinută în biomasă rămâne stocată în  biogaz. Arderea biogazului permite fie producerea de electricitate, fie obţinerea căldurii, la o temperatură ridicată. Biogazul rezultă deci din descompunerea anaerobă a materiilor organice ce reprezintă un amestec de compuşi: - 60-70% metan (CH 4); - 30-35% bioxid de carbon (CO 2); - 1-5% vapori de apă; - urme de hidrogen sulfurat (H 2S), azot (N2) şi hidrogen (H2); Puterea calorică a biogazului este de 21,5MJ/m3, iar 1 m3 de biogaz este echivalentul a 0,6 l de păcură. Biogazul există şi în stare naturală rezultând din procesul de fermentare din mlaştini sau din stomacul rumegătoarelor. Fermentarea metanică contribuie la epurarea apelor uzate încărcate cu materii organice. Agricultura este un mijloc favorabil pentru producerea şi utilizarea acestei forme de energie: prin arderea biogazului în instalaţii speciale, se obţin simultan electricitate şi căldură. În mod normal, ga zul metan este produs când temperatura este cuprinsă între 0 şi 1000C. La temperaturi mai scăzute producţia de metan este foarte redusă. Reacţiile chimice fiind mult mai rapide atunci când temperatura este 35

ridicată, digestoarele sunt în general încălzitoare pentru a creşte producţia de  biogaz. Digestorul constituie elementul de bază al unei instalaţii de biogaz, în acesta producându- se fermentarea anaerobă cu degajare de gaz. În prezent, metanul este sursă pentru producerea energiei termice şi se urmăreşte extinderea lui şi pentru obţinerea de energie electrică. Echipamentele tehnologice de producere a biogazului au o construcţie simplă şi un preţ de cost nu prea ridicat, iar funcţionarea şi exploatarea lor nu necesită condiţii deosebite de întreţinere. Biogazul este un gaz de fermentaţie alcătuit în principal din două gaze, metan (CH4), în proporţie de 60 - 70% şi bioxid de carbon (CO2), în proporţie de 25 - 30% şi cantităţi foarte mici de oxid de carbon, azot, hidrogen sulfurat, alte hidrocarburi, hidrog en şi vapori de apă. Dintre proprietăţile principale ale biogazului se menţionează  puterea calorică (energie), care este de 25  –   34 MJ/m3. Pentru comparaţie, se poate  preciza că gazele naturale au o putere calorică de 37,3 MJ/m3. Biogazul se obţine în principal din produse secundare şi reziduale din agricultură, cum ar fi dejecţii proaspete se animale, deşeuri vegetale, reziduuri din industria agro- alimentară, de prelucrarea fructelor şi legumelor şi industria celulozei şi hârtiei, precum şi din nămolul de la staţiile de epurare a apelor uzate. Biogazul este un produs obţinut prin conversie biologică, în urma fermentării anaerobe, printr -o oxidare parţială (cu accesul foarte scăzut al aerului) şi în prezenţa bacteriilor metanogene.. Pe baza unor calcule, s- a arătat că în 24 de ore se obţin următoarele cantităţi de biogaz - de la 10 porci  –  2 m3 de biogaz - de la 2 bovine  – 2,5…3,8 m3 de biogaz - de la 100 de păsări –  1,5 m3 de biogaz Prin extrapolare, de la 6 milioane de animale se obţin 1,2 milioane m3 de  biogaz, adică echivalentul a 600 t de motorină pe zi, respectiv 220.000 t pe an.[5,7,9].

36

Fig.2.12. Principalele moduri de utilizare a biomasei şi a produselor derivate. [7]

Producerea de biogaz este sustenabilă, regenerabilă, neutră din punct de vedere al emisiilor de dioxid de carbon şi reduce dependenţa de combustibilii fosili importaţi. Deseori operatorii sau beneficiarii centralelor de biogaz sunt capabili să devină sustenabili energetic. Ei consumă electricitatea şi căldura pe care o produc în propriile centrale de biogaz. Utilizarea biogazului sprijină obiectivele Uniunii Europene de utilizare a energiei regenerabile în procent de 20% până in 2020. Biogazul este o sursă de energie neutră din punct de vedere al amisiilor de dioxid de carbon. Sursele provenite de la plante şi animale emit dioxidul de carbon pe care l-au acumulat pe parcursul vieţii şi pe care l -ar fi eliberat şi fără utilizare energetică. În ansamblu, electricitatea produsă din biogaz generează mult mai  puţin dioxid de carbon decât energia convenţională. 1kW de electricitate  produsă prin biogaz împiedică eliberarea a 7,000 kg CO2 pe an. Alte beneficii: - Reducerea emisiilor de metan, acesta fiind de asemenea un gaz cu efect de seră; - Alimentare cu energie descentrali zată; - Producerea fertilizatorilor de înaltă calitate; - Reducerea mirosurilor neplăcute; - Consolidarea economiei la nivel local si regional; - Crearea autonomiei energetice. 37

2.3.1 Echipamente tehnologice pentru producerea biogazului

Din punctul de vedere al modului de alimentare (încărcare) a fermentatorului, echipamentele tehnologice pot fi: - cu alimentare continuă (instalaţii cu flux continuu), pentru instalaţii industriale. - cu alimentare discontinuă,  pentru echipamente tehnologice de capacitate mică, pentru uz gospodăresc şi medie, de tip ferme. 2.3.1.1 Instalaţii cu flux continuu

Cele mai multe instalaţii sunt realizate pe principiul fluxului continuu. Aceste instalaţii funcţionează aproape tot timpul la temperaturi ce variază înt re 26 şi 350C. În funcţie de instalaţie, îngrăşământul rămâne în reactor între 20 şi 25 de zile. O instalaţie de producere a biogazului cuprinde următoarele elemente:  partea de producţie (digestorul), elemente de stocare şi asigurare a securităţii aprovizionării cu gaz (reţeaua de gaz) elemente care asigură utilizarea gazului (transformarea gazului în căldură şi/sau electricitate). În figura 2.3 este prezentată schema de principiu a unei instalaţii de  producere a biogazului, cu evidenţierea principalelor  componente ale acesteia.  



Fig. 2.13. Componentele unei instalaţii de biogaz. [5] 38

Componente: Digestorul care este format din: - Reactor - Dispozitiv de amestecare - Dispozitiv de încălzire Reţeaua de gaz formata din: - Supapa de suprapresiune - Contor de gaz - Filtru cu pietriş - Sistem de desulfurare - Balon de stocare Utilizarea gazului: - 9. Cazan cu gaz - 10. Centrală căldură – forţă - 11. Ȋngrăşământ fermentat

Producţia de gaz depinde de o serie de factori (aportul zilnic de îngrăşământ, compoziţia acestuia) şi de alţi parametri care vizează procesul de fermentare (temperatura, perioada în care îngrăşământul rămâne în digestor etc.). Durata de stocare este obţinută ca raportul dintre volumul digestorului şi volumul ce reprezintă aportul zilnic de îngrăşământ. Evaluarea potenţialului de biogaz al unei exploatări agricole ţine seama de cantitatea disponibilă de materie organică, precum şi de aşa-numitul randament de gaz, care reprezintă cantitatea de biogaz obţinută dintr -un kilogram de materie organică. Din cele prez entate anterior, rezultă că acest randament depinde în mod esenţial de tipul îngrăşământului şi de parametrii caracteristici ai instalaţiei.[4,10] Digestorul. - Reactorul

Reactorul constituie elementul principal al unei instalaţii de biogaz, în interiorul acestuia producându- se fermentarea anaerobă cu degajare de gaz. Se disting două categorii principale de reactoare: reactoare aparente şi reactoare îngropate. Ele se pot fabrica din beton, oţel, fibre de sticlă sau lemn. Toate aceste materiale sunt posibile  pentru instalatii aparente; instalaţiile îngropate se realizează doar din beton, din motive de protecţie a apelor.

39

- Dispozitivul de amestecare

Acest dispozitiv are rolul de a asigura amestecarea conţinutului digestorului (amestecarea îngrăşământului proaspăt cu cel aflat în fermentaţie) şi trebuie sa împiedice formarea crustei sau a sedimentelor. - Sistemul de încălzire În cele mai multe instalaţii, este necesară încălzirea digestorului, pentru a aduce materia la temperatura optimă de fermentare şi pentru a compensa  pierderile termice. Această încălzire se face fie cu ajutorul pereţilor încălziţi în interiorul cuvei, fie cu ajutorul ţevilo r de plastic. În sistemele cu flux continuu, încălzirea digestorului, consumă aproximativ o treime din biogazul produs, ceea ce înseamnă că două treimi din  producţia de biogaz sunt disponibile pentru alte utilizări.

Fig. 2.14. Sisteme de încălzire a dig estorului.[5]

- Reţeaua de gaz

Biogazul este constituit în principal din 60% metan şi 35% bioxid de carbon. De asemenea, în componenţa sa mai sunt urme de hidrogen sulfurat, care este nociv, şi de azot. Gazul care părăseşte cuva de fermentaţie este saturat de apă şi, conform temperaturii de fermentaţie, el conţine între 1 şi 5% vapori de apă. Utilizarea fără probleme a biogazului în instalaţiile de încălzire necesită instalarea sistemelor de securitate între digestor şi utilizator, iar în anumite cazuri tr ebuie să existe sisteme de epurare a gazului.[4,5,9]

40

- Dispozitive de securitate

Pentru evitarea supraîncărcărilor digestorului, cuva de fermentaţie trebuie să fie dotată cu sisteme de siguranţă împotriva suprapresiunilor sau a subpresiunilor. Acest lucru se poate realiza cu ajutorul unei supape de siguranţă. De asemenea, este necesară montarea unui dispozitiv antiretur al flăcării. - Desulfurarea gazului

În general, instalaţiile de producere a biogazului sunt echipate cu un dispozitiv de desulfura re a gazului. După domeniul utilizării, prezenţa sulfului în gaz poate să aibă efecte mai puţin agreabile: producerea de dioxid de sulf, atunci când gazul este utilizat pentru ardere, coroziune prin formarea de acid sulfuric, atunci când gazul este utiliza t pentru încălzire. Majoritatea instalaţiilor de desulfurare funcţionează pe principiul absorbţiei pe bază de oxid de fier. Astfel, în procesele chimice, hidrogenul sulfurat se combină cu oxidul de fier pentru formarea sulfurii de fier. Prin aportul aerul ui, oxigenul reoxidează fierul iar sulful iniţial se depune. Dupa cicluri multiple, este necesară înlocuirea oxidului de fier. - Stocarea gazului

Atunci când are loc o alimentare regulată a instalaţiei, gazul este produs în mod regulat, de asemenea, iar c onsumul poate să varieze foarte mult. Înainte însă de a se putea utiliza tot gazul produs, este necesară o stocare a acestuia. Puterea energetică a biogazului fiind mică (1 litru de păcură echivalează cu 1.500 l de biogaz), stocul de biogaz va fi suficient pentru a compensa necesarul termen scurt. Dimensiunea stocului va depinde deci de diferenţele dintre  producţie şi consum.

Fig. 2.15. Balon de stocare a gazului.[5]

41

- Utilizarea gazului Gazul produs poate fi utilizat in diverse sisteme de transformare pentru  producerea de caldura, electricitate sau ca si carburant. Astfel, arderea biogazului serveşte la producerea de căldură şi apă caldă, centralele caldură - forţă produc simultan energie electrică şi căldură, iar utilizarea biogazului ca şi carburant vizează folosirea acestuia în motoarele cu  benzină sau diesel, după efectuarea adaptărilor corespunzătoare. Datorită compuşilor cum ar fi: vaporii de apă, hidrogenul sulfurat, dioxidul de carbon şi particulele de praf, biogazul nu poate fi folosit imediat ce a fost extras din instalaţie. Totuşi, după îndepărtarea vaporilor de apă şi dioxidului de carbon, biogazul poate fi folosit la fel ca orice alt gaz natural curat. Experienţa  în realimentarea tractoarelor sau compactoarelor folosite în cadrul instalaţiilor de deşeuri arată că biogazul poate fi folosit ca şi combustibil alternativ pentru vehicule. Dar, datorită legislaţiei corespunzătoare, este folosit mai ales în instalaţiile combinate de caldură si energie. In aceasta procedura,  biogazul est e folosit pentru operarea unui motor cu combustie ce alimentează un generator pentru producerea energiei electrice. Apa caldă rezultată din procesul de răcire cât şi evacuările pot fi folosite pentru încălzire atât direct on -site cât şi la consumatori apro piaţi de locaţia instalaţiei. O altă utilizare a biogazului este aceea de pompare a acestuia în reţeaua  publică de gaze. Acest lucru necesită rafinarea biogazului la calitatea gazului natural. Fiind la fel de eficient pe cât este de flexibil, biogazul poate fi directionat în locul unde este efectiv necesar pentru producerea de caldură şi electricitate. - Aparate de încălzire Arzătoarele destinte gazului natural pot fi utilizate şi pentru biogaz. Cu ajutorul unor mici adaptări, eficacitatea biogazului este comparabilă cu cea a gazului natural. - Centrale caldură-forţă In ultimul timp centralele căldură -forţă sunt acţionate cu biogaz. Acesta acţionează motoare cu explozie, care au fost adaptate pentru a putea funcţiona cu  biogaz; ele permit producerea eficientă a electricităţii şi căldurii. Asemenea instalaţii au avantajul de a putea utiliza în mod eficient biogazul produs, de -a lungul întregului an. Vara, electricitatea produsă poate fi consumată la nivel local sau să fie injectată în reţeaua electrică.

În figura 2.16 este prezentată schema unei instalaţii cu flux continuu. 42

Fig. 2.16. Instalaţie cu flux continuu. [5]

1. Digestor 2. Izolaţie termică 3. Perete exterior 4. Dispozitiv de amestecare rotativ 5. Dispozitiv pentru colectarea gazului 6. Conductă de gaz 7. Conductă de prea-plin 8. Conductă de intrare 9. Sistem de încălzire a digestorului 10. Fundaţie 43

2.3.1. Echipament tehnologic de producere a biogazului cu alimentare discontinuă. Realizare românească din anul 1985 (comuna Pleniţa). În cele ce urmează, se va face referire la o tehnologie de fermentare ecologică cu circuit închis pentru producerea biogazului şi a îngrăşămintelor industriale. În concordanţă cu schema structurală din figura urmatoare, se prezintă circuitul închis de alimentare a fermentatorului de capacitate mică, de uz gospodăresc şi obţinerea de biogaz şi îngrăşăminte naturale .

Fig. 2.17. Circuitele închise ale carbonului şi ale substanţelor nutritive anorganice  la  producerea biogazului.[1]

Componenta principală a echipamentului tehnologic de obţinere a  biogazului o constituie  fermentatorul (generatorul), de formă cilindrică, din  beton armat, cu alimentare discontinuă. Parametrii tehnologici principali sunt: capacitatea geometrică a generatorului de 5,70 m 3, volumul unei şarje de încărcare a deşeurilor este de 4,50 m3, producţia zilnică de biogaz este de 3,75 m3.[7]  Echipamentul tehnologic este alcătuit din: 44

(a)  fermentatorul sau generatorul,  pentru fermentarea deşeurilor vegetale şi a dejecţiilor de animale, cu umplere discontinuă, aproape complet îngropat în  pământ, de formă cilindrică; (b) clopotul sau capacul, din tablă de 3 mm, se realizează pentru colectarea biogazului, el având un volum de cel puţin 50 %. Capacul se introduce cu gura în jos în spaţiul dintre cei doi pereţi unde s -a pus apa, care formează garnitura lichidă ce nu permite trecerea gazului în atmosferă; (c) conducta aeriană din PVC cu un diametru de 4 cm, se montează pe capacul generatorului, pentru transportul biogazului spre locul de ardere; (d) filtru-decantor  pentru colectarea picăturilor de apă; (e) robinet  pentru închiderea şi deschiderea gazului.

Fig. 2.18. Echipament tehnologic de producere a biogazului cu alimentare discontinuă, de capacitate mică, de uz gospodăresc .

Construcţia generatorului: 45

- Se sapă o groapă cu diametrul de 2 m şi adâncimea de 4 m; - Pe fundul gropii, se pune un strat de 10 cm de balast, care trebuie să fie foarte bine bătătorit; - Peste balast, se toarnă, pe o înălţime de 20 cm, beton cu armătură metalică; - După ce betonul s-a uscat, pereţii cilindrici ai gropii sunt căptuşiţi, pe o grosime de 10 cm, tot cu beton armat. Interiorul cilindrului trebuie să fie foarte bine tencuit şi sclivisit (prin dublă finisare numai cu ciment), pen tru a se închide porii prin care ar ieşi biogazul; - Cilindrul din beton se înalţă deasupra gropii cu încă 20 cm; - Cilindrul din beton este dublat de un alt perete cilindric interior, realizat din acelaşi material, cu grosimea de 10 cm la o distanţă de 10 cm de  primul cilindru de beton; - Intre aceşti doi pereţi cilindrici se pune apă. - Aceşti doi pereţi cilindrici pot fi construiţi şi din tablă de 2 - 3 mm, bine  protejată împotriva agenţilor corozivi.  Funcţionarea instalaţiei

Echipamentul tehnologic de capac itate mică, de uz gospodăresc, cu încărcare discontinuă se încarcă manual. Fermentatorul (6) se încarcă în  proporţie de 80 % cu materie primă formată din dejecţii proaspete de animale, în amestec cu resturi vegetale. La prima şarjă se adaugă un inocul bogat de metanobacterii - 2 găleţi de reziduuri organice, bogate în microfloră (must de dejecţii animale), iar la şarjele următoare se păstrează din şarja anterioară 10 - 20% în rezervor pentru plămadă. Produsele organice reziduale din agricultură conţin cantităţi suficiente şi în proporţii echilibrate din toate elementele esenţiale: carbon, azot, fosfor, sulf.  Nu se folosesc dejecţiile provenite de la animalele care au fost tratate recent cu doze mari de antibiotice sau alte medicamente bacteriostatice. Pr ocesul de metanogeneză are loc la temperaturi cuprinse între 30 - 350C. Viteza de creştere a metanobacteriilor şi, deci, producerea de biogaz, depinde de temperatură. Deoarece echipamentele tehnologice de capacitate mică, de uz gospodăresc, nu sunt prevăzute cu dispozitive interioare de încălzire, randamentul acestora este influenţat de temperatura mediului ambiant. Pentru aceasta, echipamentul tehnologic de uz gospodăresc este îngropat total în  pământ. În cazul echipamentelor semiîngropate, se acoperă în sezonul rece cu  baloţi de paie, dejecţii de animale, iar vara cu o folie de plastic pentru a asigura efectul de seră. O singură umplere poate asigura, zilnic, 3,75 m 3 de biogaz. Reîncărcarea fermentatorului se realizează după circa 120 de zile, avându -se grijă ca la deschiderea capacului să nu se producă scântei prin frecar e, pentru a se evita 46

orice accident. Descărcarea se realizează manual. Biogazul se acumulează sub capacul (7). Datorită presiunii, acesta urcă deasupra gurii generatorului, până la 60 cm. Stratul de apă îi permite capacului această deplasare. Totodată, str atul de apă nu permite metanului să iasă în atmosferă, deoarece solubilitatea metanului în apă este 0. Biogazul cules de conducta (7), furnizează energie termică, prin ardere. În acelaşi timp, se va urmări ca apa care se adună după câteva luni pe conducta de gaz, datorită condensării, să fie colectată într -un filtru - decantor (9), montat pe conducta de gaz. Pe conducta de gaz se montează doi robineţi un robinet de control (10) şi un robinet de biogaz (11). Instalaţia se amplasează într -un teren situat la 6 - 10 m de casă, unde apa freatică este la adâncime.. Instalaţia poate avea o durată de viaţă de zeci de ani. Studiu de caz

Se notează cu h – înălţimea fermentatorului;  D –   diametrul fermentatorului; V  g   –  volumul geometric al fermentatorului; V  s  – volumul unei şarje de încărcare Pentru: h = 3,70 m d  = 1,40 m V 



 Ab h 



   

2 r  h 

(2.1) V 



   

V  s



V  s



2

0,70



3,70



3 5,70  m

80 %V  3 4,50  m

 Producţia de biogaz 

În urma studiilor făcute a rezultat că: 3 m3 de dejecţii produc - 2,5 m3 de biogaz, rezultând astfel: 4,50 m3 materie primă produc - 3,75 m3 biogaz/zi Încărcarea se face o data la patru luni . Cantitatea de biogaz pentru 4 luni

= 120 zile x 3,75 m 3  biogaz/zi = 450 m 3

 biogaz Costuri construcţie (investiţie) echipament tehnologic de biogaz  47

1 sac de ciment = 250 000 lei = 25 Ron Pentru instalaţie sunt necesari 20 saci 20 x 250 000 = 5 000 000 lei = 50 Ron Preţul instalaţiei = 5.000.000 + 3.000.000 + 2.000.000 lei =10.000.000 lei =100 Ron 3.000.000 lei = preţul capacului; 2.000.000 = alte cheltuieli  Economii

Biogazul furnizat de o astfel de instala ţie de 3,75 m3/zi, timp de 4 luni, este echivalent consumului de gaz de la o butelie pentru un aragaz cu patru ochiuri, suficient  pentru prepararea hranei pentru o familie de 4 persoane. O familie de 4 membri consumă într -o lună o butelie = 350.000 lei = 35 Ron Pentru 4 luni se face o economie de 4 x 350.000 lei =1.400.000 lei = 140 Ron Pentru I an se economisesc 3 x1.400.000 lei = 4.200.000 lei = 420 Ron Pentru 20 ani se realizeaza o economie de 84.000.000 lei = 8.400 Ron  Amortizare

Preţul instalaţiei se va amortiza în: 10.000.000 : 4.200.000 = 2,38 ani  Elemente de modernizare a echipamentelor de producerea a biogazului

Pentru modernizarea echipamentelor de biogaz de capacitate mică, de uz gospodăresc şi medie, de tip ferme ar trebui dotate cu : - manometru  pentru măsurarea presiunii biogazului în interiorul fermentatorului; - termometru pentru a indica temperatura încărcăturii; - contor pentru a înregistra cantitatea de biogaz rezultată, cunoscând astfel  productivitatea reală; - agitator de amestecare care împiedică formarea crustei ce nu permite eliberarea gazului. Mai multe îngrăşăminte naturale Dejecţiile de animale sunt poluante atât prin mirosurile neplăcute, prin microbii pe care îi conţin, cât şi datorită umidităţii mari. Într-o crescătorie de porci, se vehiculează zilnic circa 2.000 –  3.000 m3 de apă cu dejecţii. Acest nămol nu poate fi folosit ca îngrăşământ, are o umiditate mare şi conţine o mare cantitate de microbi. 48

 Nămolul fermentat pentru a fi folosit ca îngrăşământ trebuie uscat şi apoi supus unui proces de humificare, care se realizează printr -o continuare a  procesului de fermentare, de data aceasta aerobă. În acest scop, nămolului i se adaugă cantităţi reduse de paie, coceni frunze, resturi din grădinile de legume. Un complex de 50.000 de porci, pe paturile de uscare prelucrează anual 29.000 m3 de nămol cu 95 % umiditate, rezultând 6.00 m 3 nămol fermentat dezhidratat. Îngrăşătoriile de porci pot deveni atât producătoare de  biogaz, dar şi de humificate cu o bună capacitate de fertilizare a pământului.

2.3.2. Mecanismul producerii biogazului Biogazul este amestecul de gaze obţinut prin fermentarea anaerobă a materiilor organice. Materiale cum sunt: bălegarul, deşeurile biodegradabile sau hrana furajeră sunt transformate în metan şi dioxid de carbon. În procesul de  fermentare anaerobă acţionează bacteriile metanogene. Condiţiile de mediu necesare sunt: - Mediu anaerob; - Temperaturi între 15 0C şi 550C; - Valori ale PH-ului între 6,5 şi 8,0; - O varietate de furaj în cantităţi nu prea mari; - Evitarea factorilor de încetinire, cum sunt: sărurile metalice grele, antibioticele, dezinfectanţii; - Existenţa urmelor de minerale cum ar fi nichelul şi molibdenul.

Fermentarea anaerobă este un proces strict bacteriologic. Procesul are loc în absenţa aerului şi poate fi împărţit în patru etape. În  prima fază,  bacteriile anaerobe folosesc enzime pentru a descompune substanţele organice cu un număr mare de molecule, cum ar fi proteinele, carbohidraţii, celuloza şi grăsimile, în compuşi cu puţine molecule. În timpul celei de-a doua faze, acidul ce formeză bacteria continuă  procesul de descompunere în acizi organici, dioxid de carbon, hidrogen sulfurat şi amoniac. Bacteriile acide formează acetat, dioxid de carbon şi hidrogen în timpul celei de-a treia faze, aceto-geneza. A patra faza, metano - geneza, implică bacteria de creare a metanului,  producând metan, dixoid de carbon şi apă alcalină. Bacteria poate digera orice fel de material biologic, cu ex cepţia  biocombustibililor solizi ce conţin o cantitate mare de lignit, cum ar fi lemnul. 49

Bacteria din faza de metanizare necesită o mai mare perioadă de reproducere decât bacteria din faza de acidifiere. Astfel, viteza şi proporţia fermentării depind de metabolismul bacteriei de metan. Pe de altă parte, bacteria de metan are nevoie de metabolismul produs de bacteria de acid. Astfel, acestea două se află în simbioză, iar condiţiile necesare pentru ambele bacterii sunt imperative pentru a asigura un flux continuu. Aşa cum s-a menţionat anterior, bacteriile sunt foarte sensibile. Temperatura şi valoarea pH- ului ar trebui să fie precise şi constante. Anumite substanţe sunt toxice pentru bacterii şi pot opri fermentarea. Aceste substanţe toxice pot fi: - Medicamente- cum ar fi antibioticele; - Medii de denitrificare; - Zinc; - Cupru; - Amoniu (NH3); - Acizi graşi; - Hidrogen sulfurat (H 2S). Sursele materie primă de producere a biogazului necesită anumite tipuri de tratamente. Tipurile de surse - materia  primă pentru producerea biogazului trebuie să fie supus unui proces de tratare preliminară înainte de a fi introdus în instalaţia de fermentare a centralei de biogaz. Tipul de tratare depinde foarte mult de tipul de fermentare (uscat sau lichid). În gener al, materia uscată nu ar trebui să fie în cantitate prea mare. Sursele cu un procentaj de materie uscată de 12% sunt cele mai bune pentru fermentarea lichidă. În acest fel transportul si amestecarea se realizează uşor.  Fermentare lichidă:

Această metodă de fermentare curent folosită este o fermentare lichidă  pentru că sursele introduse consistă din mai puţin de 40% materie uscată, sunt fluide. Pentru a fi pompate în instalaţia de fermentare trebuie să fie umezite până la nivelul de 12% mate rie uscată. Bălegarul lichid şi co-substratul sunt depozitate şi, dacă este necesar, separate de materiile care împiedică procesul de fermentare. Apoi sunt mărunţite, amestecate sau subţiate. Deşeurile de la abatoare sau deşeurile asimilate acestora trebu ie să fie sterilizate astfel încât sunt eliminaţi toţi germenii.  Fermentarea uscată: 50

Fermentarea uscată nu este o metodă curentă pentru că mare parte din materia primă de generare a biogazului are un conţinut redus de materie uscată.  Când este folosit ă această metodă de fermenetare, materia primă introdusă ar trebui sa aibă un conţinut de materie uscată peste 45% şi este bine să fie depozitate în containerul de fermentare. Acest tip de fermentare foloseşte tipuri de materie primă care curg în mod liber, dar care nu sunt fluide sau potrivite pentru a fi pompate. Acest tip de  proces este folosit in principal pentru centralele de biogaz care nu folosesc  bălegar lichid ca sursa principală şi economisesc multă apă. In Germania, fermentarea lichidă este o metodă general folosită, şi cu toate acestea fermentarea uscată este o alternativă bună pentru cereale, fâneţe şi culturi de păioase.

CAPITOLUL 3 51

APLICAŢII ALE UTILIZǍRII BIOMASEI 3.1. ECHIPAMENTE DE COGENERARE 3.1.1. Introducere

Cogenerare înseamnă producerea combinată de energie electrică şi energie termică. Principala caracteristică a tehnologiei de cogenerare este reprezentată de eficienţa energetică şi de economia de combustibil spre deosebire de producerea separată a formelor de energie, de aici rezultand avantaje ecologice şi economice ale producţiei de energii în cogenerare. Energia electrică generată în unităţile de cogenerare poate fi folosită  pentru consum în clădirea în care este situat echipamentul, sau poate fi introdusă în reţeaua naţională. Energia termică generată de unitatea de cogenerare poate fi folosită la încălzirea clădirii, pentru prepararea apei calde sau pentru utilizare tehnologică. Instalaţiile de cogenerare sunt folosite şi ca surse electrice de rezervă î n cazul existenţei unor cerinţe de alimentare neîntreruptă. În condiţii speciale, unităţile CHP (Combined Heat and Power) pot fi folosite şi în trigenerare  producerea simultană de energie electrică, termică şi frig. Tehnologia de cogenerare corect aleasă  va duce la economii majore în costul energiei pentru utilizator şi în eventualitatea vânzării electricităţii în reţeaua naţională, va aduce un câştig suplimentar. Cogeneratoarele utilizeaza în mod obisnuit gazul natural. In multe cazuri însă, pot fi folosiţi combustibili alternativi precum biogaz, GPL, motorină. Biogazul poate fi obţinut de la fermele de creştere a animalelor, instalaţiile de epurare a apelor uzate sau gropile de gunoi biodegradabil ale oraşelor.[6]  Avantajele producerii energiei electrice şi termice in cogenerare :

- Aduce profituri substanţiale prin producerea de energie în cogenerare de inaltă eficientă; - Foloseşte orice tip de combustibil: gazul natural, biogazul, GPL, motorină - Ajută la economisirea substanţială a resurselor neregenerabile şi la maximizarea folosirii acestora; - Amortizarea cheltuielilor pentru echipamente, montaj şi instalare se face într-un timp mai scurt decât în cazul altor echipamente; 52

- Sistemul de cogenerare  poate fi folosit în mod insular (fără conectarea la reţeaua naţională) sau în paralel cu aceasta (conectat la reţea); - Emisiile de noxe în atmosferă sunt mai mici cu până la 50%, iar costurile cu energia mai mici cu până la 70%; - Sistemele pot fi folosite în complexe industriale, spitale, hoteluri,  piscine şi centre spa, centre comerciale şi multe altele; - Dacă se foloseşte biogazul, instalaţiile de cogenerare sunt potrivite  pentru staţii de epurare, în agricultură şi la depozite de gunoi.

Se vorbeşte de cuplaj căldură –  forţă, atunci când o instalaţie produce simultan căldura şi electricitate – deci forţă. Micile instalaţii produc electricitate  prin intermediul unui generator acţionat de un motor diesel, alimentat cu gaz sau cu biogaz. Căldura conţinută în apa de răcire şi în gazele de eşapament ale motorului servesc în acelaşi timp la încălzire.[6] Tehnica cuplajului căldură -forţă permite producerea simultană de energie mecanică, care este de regulă direct transformată în electricitate şi de căldură utilă, mai ales utilizată pentru încălzirea localurilor şi a apei calde menajere. Electricitatea extrasa din cuplajul căldură forţă poate fi utilizată, de exemplu, în pompe de căldură. Pompele de căldură utilizează două treimi din căldura mediului şi doar o treime electricitate, pentru antrenarea pompei. In comparaţie cu cazanele alimentate cu combustibil fosil, combinaţia cuplaj caldură - forţă cu pompe de caldură creşte randamentul energiei primare la 60%. Pentru a produce 100 de unităţi de căldură, un cazan convenţional consumă 110 unităţi de gaz natural, contra a doar a 65 de unităţi de gaz, pentru o combinaţie căldură - forţă -  pompă de căldură. Emisiile de CO2 scad, de asemenea, ceea ce are ca şi consecinţă faptul că recurgerea la asemenea sisteme red uce foarte mult emisiile de bioxid de carbon în mediu, în comparaţie cu instalaţiile termice tradiţionale. Centrala căldură - forţă este un sistem de energie economic ce respectă mediul, care produce în acelaşi timp căldură şi energie electrică. Această instalaţie funcţionează după principul producţiei combinate de căldură şi electricitate. Un motor cu combustie antrenează un generator, care  produce energie electrică. Căldura este recuperată prin mai multe schimbătoare şi alimentează sistemul de încălzire, asigurând în acelaşi timp şi producţia de apă caldă menajeră. Energia electrică produsă şi neconsumată în clădire poate fi trimisă în reţeaua electrică publică. Astfel, electricitatea neutilizată nu este risipită, ci utilizată oportun în altă parte. Ȋn timp ce centralele electrice clasice nu convertesc decât aproximativ 34% din combustibil în energie, instalaţiile de cogenerare transformă până la 90% din conţinutul acestei energii primare în electricitate şi căldură, ceea ce 53

contribuie la economisirea resurselor energetice şi, în egală măsură, la reducerea sensibilă a emisiilor de CO 2.

Fig. 3.1. Schema de principiu a unui sistem de cogenerare căldură – forţă.[1]

3.1.2. Sisteme de cogenerare

Conversia combustibilului primar (cărbune, gaz natural) în electricitate este un proces cu un randament relativ scăzut. Chiar şi cele mai moderne centrale cu ciclu combinat nu ajung decât la randamente de 50  –   60%. Cea mai mare parte din energia irosită în acest proces de conversie este degajată în mediul încon jurător, prin intermediul turnurilor de răcire. Principiul cogenerarii are în vedere recuperarea şi utilizarea acestor  pierderi de căldură, contribuind astfel la creşterea randamentului de conversie. Cele mai bune astfel de centrale de cogenerare pot atinge randamente de  până la 90%.

54

Principalele tehnologii utilizate în prezent sunt bazate pe: 







Motoare cu gaz  –   motoare similare celor utilizate la motoarele autovehicolelor, utilizând gazul natural ca şi combustibil, acţionând un generator şi recuperând căldura din gazele de eşsapament şi din sistemul de răcire al acestuia. Turbine cu gaz  –   produc gaze la temperaturi înalte, ideale pentru generarea aburului sau utilizări directe în procese de răcire; acest tip de centrale este frecvent întâlnit în industrie (de exemplu, în industria hârtiei, industria chimică), unde este necesară o cantitate mare de abur. Turbine cu abur  – se găsesc în centralele care funcţionează pe bază de cărbune; Turbine cu gaz cu ciclu combinat  – care combină o turbină cu gaze alimentând un generator cu abur cu recuperare de căldură, care acţionează o turbină cu abur.

Fig.3.2 Centrală de cogenerare de mici dimensiuni.

55

Fig. 3.3. Centrală cu ciclu combinat .[5] 

Turbina cu gaz

O turbină cu gaze este o turbină termică, care utilizează căderea de entalpie a unui gaz sau a unui amestec de gaze, pentru a produce, prin intermediul unor  palete care se rotesc în jurul unui ax, a unei cantităţi de energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Turbina cu gaze mai este cunoscută şi sub denumirea de instalaţie de turbină cu gaze. Din punctul de vedere termodinamic , o turbină cu gaze funcţionează destul de asemănător cu motorul unui automobil. Aerul din atmosferă este admis într-un compresor cu palete, unde este comprimat, urmează introducerea unui combustibil , aprinderea şi arderea lui într -o cameră de ardere. Gazele de ardere se destind într-o turbină,  care extrage din ele lucrul mecanic,  iar apoi sunt evacuate în atmosferă. Procesul este continuu, iar piesele execută doar mişcări de rotaţie, ceea ce pentru o putere dată conduce la o masă totală a instalaţiei mai mică. Ca urmare, turbinele cu gaze s-au dezvoltat în special ca motoare de aviaţie, însă îşi găsesc aplicaţii în multe alte domenii, unul dintre cele mai 56

moderne fiind termocentralele cu cicluri combinate abur-gaz.

Fig. 3.4 Schema de principiu a unei turbine cu gaze.[5]

Turbina cu gaz este, sub multe aspecte, simlilară turbinei cu abur. Ea are, de asemenea, una sau mai multe elice, care se rotesc în jurul axei. Un gaz comprimat acţionează elicele. Turbinele cu gaz sunt de mare importanţă în centrale. O turbină cu gaz este, de cele mai multe ori, concepută astfel încât să funcţioneze în ciclu deschis. După ce gazul –  în mod normal aerul - a trecut prin turbină, acesta nu este reutilizat, ci transferat mediului înconjurător.

Fig. 3.5. Turbina cu gaz.

57

o

Turbina cu gaz în centrale

Figura 3.5 arată modul de funcţionare al unei turbine cu gaz utilizate într o centrală. Conductele supradimensionate sunt astfel prezentate pentru a evidenţia faptul că sunt necesare cantităţi enorme de aer. După ce aerul este absorbit în interior, acesta este compr imat şi încălzit, lucru descris mai clar în cele ce urmează. Turbina acţionează un generator (figurat în partea dreaptă a figurii) pentru a produce energie electrică. Săgeţile de culoare roşie semnifică  presiune mare, temperatură mare, în timp ce săgeţile albastre arată presiune normală şi temperatură scăzută. Compresia

Ȋn turbina cu gaz, aerul este mai întâi absorbit şi comprimat. Această comprimare este realizată cu ajutorul compresorului, în acelaşi mod în care elicele „strâng” aerul într -un spaţiu mic. Ȋn turbinele moderne, sunt necesare de obicei numeroase compresoar e, de exemplu un compresor de joasă şi două de înaltă presiune. Compresoarele sunt de obicei cuplate cu propria lor turbină.  Arderea

Desigur, presiunea şi temperatura gazului cresc după comprimare. Acest aer comprimat este acum încălzit suplimentar, fie prin ardere exterioară, fie prin injectarea combustibilului direct în turbină. Gazele sunt acum la o presiune imensă şi foarte fierbinţi. Acestea sunt direcţionate în continuare printr -o turbină multi-nivel şi efectuează lucru mecanic, asigurând rotirea turbinei. Atunci când aerul păraseşte turbina, temperatura sa este încă ridicată.  Motoare combinate

Ȋn centrală, aerul fierbinte evacuat din turbinele cu gaz este deseori utilizat  pentru producerea aburului pentru o turbină cu abur,  producând, de asemenea, energie electrică. O combinaţie între turbine cu gaz şi cea cu abur conduce la randamente de peste 50%. Cele mai moderne centrale utilizează aşa-numitele cuplaje căldură – forţă. Căldura evacuată din condensatorul unei turbine cu abur este utilizată pentru încălzire. Astfel, aproximativ 90% din energie este utilizată.

58

3.2. CENTRALE DE ȊNCǍLZIRE CU BIOMASǍ 3.2.1. Generalităţi Sistemele de încălzire cu biomasă utilizează materii vegetale şi organice,  precum lemnul, rezidurile agricole şi chiar deşeurile urbane, în scopul generării de căldură. Această căldură poate fi transportată şi utilizată acolo unde se cere,  pentru încălzirea şi ventilarea clădirilor individuale sau în reţea şi chiar în  procesele industriale. Sistemele de încălzire cu biomasă sunt diferite faţă de combustia convenţională realizată în sobe pe lemn sau în şeminee, prin controlul amestecului de aer şi de biocombustibil, în scopul maximizării randamentului şi al minimizării emisiilor. Ele includ şi un sistem de distribuţie, care transportă căldura de la locul combustiei la beneficiar. Multe sisteme de încălzire cu  biomasă includ un mecanism de alimentare automată cu biomasă. Ȋncălzirea cu biomasă nu este o noutate. Din cele mai vechi timpuri, oamenii utilizează sobe şi cuptoare alimentate cu lemn pentru a se încălzi. Dezvoltarea sistemelor de încălzire cu biomasă cu alimentare automată a început în anii 70 în Scan dinavia, atunci când preţul petrolului a explodat. Astăzi, există o mulţime de sisteme care funcţionează la scară mondială şi care utilizează diferite biomase. Cu toate acestea, mulţi specialişti în încălzire, cât şi publicul larg nu sunt informaţi asupra rentabilităţii, eficacităţii şi fiabilităţii sistemelor de încălzire cu  biomasă. Din cauza problemelor asociate emisiilor de gaz cu efect de seră, recent accentul a fost pus pe înlocuirea combustibililor convenţionali cu surse de energie care se regenerea ză, ceea ce a determinat creşterea interesului pentru sistemele de încălzire cu biomasa deoarece aceasta are asigurata reinnoirea. Ȋncălzirea cu biomasă oferă numeroase avantaje propietarului sau comunităţii locale, în cazul unei reţele de încălzire urbane . Acest tip de sistem  poate înlocui resursele costisitoare de energie convenţională, cum sunt combustibilii fosili şi electricitatea, cu resurse locale de biomasă.Datorită utilizării biomasei, sunt diminuate reziduurile globale de poluanţi şi de gaz cu efect de seră; consumatorul este protejat contra variaţiilor bruşte şi imprevizibile ale preţurilor la combustibili fosili; sunt create noi locuri de muncă la nivel local  pentru colectarea, prepararea şi livrarea materialelor utilizabile. Sistemul de distribu ţie a căldurii provenite de la centralele de încălzire cu biomasă facilitează, de asemenea, şi recuperarea reziduurilor termice, rezultate din  producerea de energie electrică sau din procedee termice, asa încât aporturile de căldura pot fi transferate unor grupuri de clădiri sau chiar unor comunităţi, totul în funcţie de conceptul reţelei de încălzire urbană. Sistemele de încălzire cu biomasă presupun costuri de investiţii mai mari decât cele ale sistemelor convenţionale pe combustibili fosili. Ȋn plus, ca litatea  biomasei variază mai mult decât cea a combustibililor fosili, care e relativ 59

normalizată. Livrarea, depozitarea şi manipularea sunt mai complexe şi cer spaţii mai mari. Toţi aceşti factori cer o implicare şi o atenţie crescută din partea operatorilor acestor sisteme. Dată fiind complexitatea şi dimensiunea sistemelor automatizate de încălzire, ele sunt, în general, utilizate în sectoarele industrial, comercial, instituţional şi comunitar. Ele sunt, de obicei, situate în zone rurale sau industriale, unde restricţiile asupra emisiilor de poluanţi sunt mai puţin severe, unde este facilitat acesul vehicolelor de aprovizionare, unde echipamentele de manipulare a biomasei, cum sunt încărcătoarele, sunt deja amplasate iar mâna de lucru calificată pentru a exploata un astfel de sistem de încălzire industrial este mai uşor de găsit. Sistemele de încălzire cu biomasă sunt mai eficace şi ridică mai puţine probleme tehnice, producând, în cursul unui an, o cantitate constantă de căldură la un nivel apropiat de capacit atea lor nominală de producţie.Ȋn cele ce urmează, se vor descrie sistemele de încălzire cu biomasă şi pieţele cărora le sunt accesibile, incluzând, mai ales, reţelele de încălzire urbană, clădirile individuale, instituţiile, centrele comerciale şi aplicaţiile legate de procedee industriale. Ȋn final, sunt  prezentate consideraţii generale proprii sistemelor de încălzire cu biomasă. 3.2.2. Tipuri constructive de focare cu arderea biomasei  Focar plan, fără răscolire, ardere în straturi liniştit

Acest tip de cazane au o funcţionare discontinuă, în sensul că, mai întâi, se face o alimentare cu combustibil pe grătar, după care se lasa să ardă combustibilul. Din această cauză, există o zonă de curgere preferenţială a aerului. Există, deci, o ardere neuniformă, zgurificări locale şi, în final, zgurificarea combustibilului, moment în care funcţionarea cazanului se opreşte.

Fig. 3.6. Grătar plan fără răscolire. 60

Ȋn acelaşi moment, în focar se găsesc şi particule arse, care se urcă, ducându-se spre canalul şi coşul de fum, dar şi particule care ard, fă când parte din patul de ardere. Cazanul trebuie oprit, realimentat şi reaprins. De aceea, astfel de cazane au randamente scazute (50 - 60%). Se mai pot aminti, de asemenea, ca inconveniente tehnice şi funcţionarea greoaie, încărcare manuală, descărcare manuală a zgurii.  Arderea pe un grătar mecanizat de tip lanţ

Ȋn acest caz, este vorba despre o ardere în etape succesive. Acest tip de grătar este specific pentru arderea cărbunilor cu puteri calorice între 30 - 50 kj/kg, cu umiditate mică, cărbuni cu cenuşă greu fuzibilă.

Figura 3.7 Grătar mecanizat.

Combustibilul solid poate ajunge la dimensiuni ridicate (0  –   400 mm). Limitatorul de strat reglează înălţimea stratului de combustibil (40 - 400 mm), altfel spus reglează debitul de combustibil. Barele de grătar formează un grătar cu fante pentru aerul insuflat. Acest tip de grătar cu ardere în faze succesive are avantajul unei alimentări mecanice cu combustibil, deci avantajul unei funcţionări continue. Dozarea se realizează corespunzător cu cu timpul necesar arderii cu aer insuflat. 61

Spre sfârşitul grătarului, unde arde cocsul, se produce zgurificarea. Bucatelele de zgură sunt evacuate printr -un puţ de zgură.  Arderea pe un grătar mecanizat cu împingere directă cu răscolire

Fenomenul de răscolire, specific acestui grătar (fig. 3.8), constă în mişcarea mecanizată, prin care se realizează înaintarea stratului de combustibil, afânarea şi aerarea acestuia, în acelaşi timp cu spargerea crestelor de zgură. Acest tip de grătar este specific arderii combustibilului solid cu putere calorifică între 9000  –   11000 kJ/kg cu conţinut ridicat de umiditate. Datorită acestei mişcări a barelor de grătar, procesul de ardere este mai bun decât în cazul anterior. Datorită acestei mişcări, lespezile de zgură se dislocă şi se sparg. Există, totuşi, posibilitatea de formare a zgurei abia în partea finală a grătarului, fenomenul fiind mult mai redus decât în cazul anterior.

Fig. 3.8. Grătar mecanizat cu împingere directă cu răscolire. 62

 Arderea pe un grătar mecanizat cu împingere răsturnată, cu răscolire puternică

Această variantă de grătar reprezintă o îmbunătăţire a schemei anterioare. Se  poate prevedea orice înclinare a barelor de grătar, astfel încât să se potrivească cel mai bine pe tipul de combustibil solid. Ȋn cazul de faţă barele de grătar sunt  poziţionate vertical.

Fig. 3.9. Grătar cu împingere răsturnată cu răscolire.

Mişcarea barelor de grătar se face în sus şi în jos (în contrasens unele faţă de altele). Ca urmare a acestei mişcări a combustibilului aprins, avem de-a face cu o împingere rasturnată a combustibilului. Ȋn acelaşi timp, avem şi o recirculare a combustibil ului deja aprins spre buncăr, ceea ce conduce la o aprindere inferioară a acestuia, uscându-l, deci pragătindu-l pentru ardere. 63

Randamentul maximal se obţine atunci când bolta faţă este paralelă cu  panta grătarului. Ȋn acest caz, gazele de ardere calde se întorc spre zona iniţială de ardere, aducând aporturi substanţiale de căldura spre zona de uscare şi aprindere.

Schema unei centrale termice de încălzire pe biomasă O centrală de încălzire cu biomasă cuprinde un anumit număr de unităţi de încălzire. Acestea asigură o capacitate suficientă pentru a răspunde nevoilor de căldură (punându-se în lucru unităţi suplimentare dacă cererea creşte), reduc riscul asociat unei întreruperi de aprovizionare cu biomasă, care ar putea compromite producţia de căldură (celelalte unităţi pot compensa un deficit de combustibil al unităţii principale) şi maximizează utilizarea biomasei cu costul cel mai scăzut (utilizând în primul rând biomasa cea mai ieftină şi numai când este necesar pe cea mai scumpă). Cele patru tipur i de unităţi de producere de căldură care se pot regăsi într -o centrală de încălzire cu biomasă, sunt următoarele: Sistem de recuperare a căldurii:

- căldura mai ieftină este în general furnizată de un sistem de recuperare a căldurii. Anumite centrale de încălzire cu biomasă pot fi situate în apropierea unor echipamente de producere a electricităţii (de ex. un motor cu piston care acţionează un generator) sau de un procedeu termic care emană căldură. Această căldură, altfel pierdută, poate fi recuperată   de un sistem de recuperare de căldură, la costuri minime sau nule. Sistem de combustie a biomasei:

- un sistem de combustie a biomasei produce căldură prin arderea  biocombustibilului şi este, prin definiţie, inima unei centrale de încălzire cu  biomasă. Costul unitar al căldurii produse este relativ scăzut, atunci când este utilizată o biomasă ieftină şi sistemul de combustie funcţionează la o încărcare relativ constantă, apropiată de capacitatea sa nominală. Sistemul de combustie a  biomasei va răspunde, până la capacitatea sa nominală de producţie, nevoilor de căldură pe care sistemul de recuperare a căldurii nu le satisface. Sistem de încălzire de vârf: - datorită caracteristicilor operaţionale

şi costurilor crescute de investiţii, un sistem de combu stie cu biomasă poate fi conceput ca să furnizeze suficientă căldură ca să răspundă cererilor obişnuite, dar poate să nu fie suficient unor cereri de vârf ocazionale. Sistemul de încălzire de vârf va furniza fracţiunea de cerere anuală de căldură care nu poate fi satisfacută de sistemul de combustie cu  biomasă. Sistemul de încălzire de vârf utilizează în multe cazuri surse de energie 64

convenţionale şi prezintă un cost de investiţie mai scăzut, dar şi costuri crescute cu combustibilul. Sistem de încălzire de urgenţă: -un sistem de căldură de urgenţă

este utilizat atunci când mai multe sisteme de  producere de căldură sunt oprite, ca urmare a lucrărilor de întreţinere sau a întreruperii aprovizionării cu combustibil. Sistemul de încălzire de urgenţă are, d e vârf, adică costuri în general, aceleaşi caracteristici ca şi sistemul de încălzire de de investiţie cu combustibilii de încălzire . Ȋntr-un sistem de combustie a biomasei, elementul principal al unei centrale de încălzire cu biomasă, biocombustibilul, este transferat prin sistemul de ardere, trecând prin diferite etape succesive, descrise succint mai jos: -Zona de descărare a biocombustibilului : dacă combustibilul pe bază de  biomasă nu este disponibil în apropiere, el este livrat într -o zonă de descărcare unde spaţiul trebuie să fie suficient pentru a permite circulaţia fără dificultate a autovehicolelor de livrare; -  Zona de depozitare a biocombustibilului - pentru a permite o alimentare constantă cu biocombustibil pe perioada cea mai lungă l ungă dintre două aprovizionări consecutive, trebuie să existe depozitată o anumită cantitate de biomasă. Biomasa poate fi îngrămadită la exterior, sub un acoperiş protector sau la interior, într-un rezervor sau într- un siloz. Mai ieftină, depozitarea la exterior are dezavantajul expunerii la precipitaţii şi contaminării cu murdărie a biomasei; -  Alimentarea cu biocombustibil  - deplasarea biomasei din spaţiul de stocare în camera de ardere se poate face manual (de ex. încărcare cu bile de lemn din cuptoare exterioare), automatizat (de ex. printr- un colector cu şurub fără capăt sau bandă rulantă) sau printr -o combinaţie de manevre manuale şi automatizate. Performanţa sistemelor integral automatizate poate fi afectată de diversitatea biomasei şi de prezenţa unor bucăţi îngheţate, de formă neregulată sau contaminate (de ex. cu cabluri sau mănuşi); - Transferul biocombustibilului - deplasarea biomasei din spatiul de stacaj in camera de ardere se poate face manual (de ex. incarcare cu bile de lemn din cuptoare exterioare), automatizat (de ex. printr-un colector cu surub fara capat sau banda rulanta) sau printr-o combinatie de manevre manuale si automatizate. Performanta sistemelor integral automatizate poate fi afectata de diversitatea  biomasei  biomasei si de prezenta prezenta unor bucati inghetate, inghetate, de forma neregulata neregulata sau contaminate (de ex. cu cabluri sau manusi) - Camera de ardere -  biomasa este introdusă într -o cameră de ardere închisă, unde este arsă în condiţii controlate de un sistem care determină cantitatea de aer admisă în funcţie de cererea de căldură. Ȋn cazul sistemelor automatizate, debitul de intrare a biocombustibilului în camera de ardere este, de 65

asemenea, controlat. Utilizarea materialelor refractare la căldură permite o conservare mai bună a căldurii la interiorul camerei de ardere. Pentru a facilita o ardere cât mai completă, anumite camere de ardere sunt dotate cu un gratar pe care stă biocombustibilul şi care permite aerului, care intră deasupra, să treacă  prin biocombustibil. Ȋn sistemele mai complexe, grătarul se mişcă, pentru a  permite o distribuţie cât mai uniformă a biocombustibilului pe suprafaţa de ardere, pentru a transporta biocombustibilul în zonele de ardere cu nivele de debit de aer diferite, cât şi pentru a deplasa cenuşa la extremitatea camerei de ardere. Gazul cald care se emană paraseşte camera de ardere, trecând printr -o -o cameră secundară de ardere, dotată cu un schimbător de căldură sau, dacă camera de ardere are deja o astfel de dotare, direct în sistemul de evacuare a gazului. - Schimbător de căldură - căldura produsă în camera de ardere este transferată sistemului de distribuţie a căldurii, prin interpunerea unui schimbător de căldură. Pentru cuptoarele instalate la exterior, o cămaşă de apă izolată,  plasată la exteriorul camerei de ardere, serveşte, de obicei, ca schimbător de căldură. Sistemele de ardere a biomasei de capacitate mare utilizează serpentine având ca fluid purtător de căldură apa, vaporii v aporii sau uleiuri termice; -  Ridicarea şi stocarea cenuşilor   - camera de a rdere trebuie golită de cenuşa depusă şi de cenuşa transportată de gazul de emisie. Ȋn funcţie de tipul sistemului, cenuşa este extrasă maual sau automatizat. Cenuşa antrenată de emisia de gaz, poate să se depuna în camera de ardere secundară sau în schimbătorul de căldură (care, la rândul său, necesită curaţare), poate să se elimine în atmosferă odata cu emisia de gaz sau poate fi reţinută într -un sistem de colectare a particulelor (un epurator de emisii de gaz); - Cosul şi sistemul de evacuare   - gazele de ardere sunt evacuate în atmosferă. Sistemele mici utilizează curenţii naturali generaţi de gazele calde; sistmele mari utilizează ventilatoare pentru a împinge aer la interiorul camerei de ardere ca să expulzeze gazul. Ventilatoarele plasate la baza coşului pot fi, de asemenea, utilizate pentru a aspira gazele emise la exteriorul camerei de ardere. Ȋn afara echipamentelor descrise mai sus, există o serie de instrumente şi sisteme de control mai mult sau mai puţin complexe, care permit supervizarea, în funcţie de cerere, a funcţionării sistemului de ardere a biomasei, pot varia injecţia de aer şi, în sistemele automatizate, debitul de intrare a biomasei, menţinând un mediu de muncă sigur. Sistemele de ardere a biomasei sunt disponibile într- o gamă vastă de echipamente, care variază în funcţie de modalităţile de injectare a  biocombustibilului şi a aerului, de concepţia camerei de ardere şi a grătarelor, de tipul de schimbător de căldură şi de natura sistemului de tratare a emisiilor de gaze şi de cenuşi. Cu excepţtia centralelor foarte mari de încălzire, sistemele de 66

ardere a biomasei pot fi clasate în trei categorii generale, funcţie de capacitatea sistemului de alimentare: - Sisteme mici cu alimentare manuala (50 - 280 kW) - sisteme, în general cuptoare exterioare, care ard bucăţi de lemn şi utilizează apa caldă pentru a distribui căldura; - Sisteme mici cu alimentare automatizata (50 - 500 kW) - sisteme care utilizează biocombustibil în particule şi care au un sistem de ardere în două faze (adică cu o cameră de ardere secundară) şi un încălzitor pentru apă caldă cu tuburi (adică un tub care transportă gazele calde de emisie prin apa care trebuie încălzită); - Sisteme intermediare de alimentare (400 kW şi peste) - sisteme care utilizează un sistem de alimentare cu particule de biomasă integral automatizat şi care este dotat, de obicei, cu un sistem de ardere cu grătar, fix sau mobil, şi cu un încălzitor cu tuburi integrat sau juxtapus, pentru a încălzi apa, vaporii sau uleiurile termice.

Ȋn afara acestor categorii generale, există multe sisteme de ardere a  biomasei  biomasei concepute pentru pentru a functiona cu biocombustibili biocombustibili,, cu caracter particular particular sau care răspund unor cerinţe particulare de încălzire.

3.3 FACTORI CARE INFLUENȚEAZĂ PRODUCȚIA DE BIOGAZ Pe baza experienței îndelungate acumulate de către cei care, în decursul timpului au cercetat si um arit producerea biogazului, următorii factori sunt determinanți în productia de biogaz:      

Materia prima Temperatura Presiunea Agitarea Ph-ul Materia prima

Materia  primă trebuie să asigure mediul prielnic dezvoltării și activității microorganismelor ce co ncura la digestia substratului și în final la producerea  biogazului. Acest mediu trebuie să satisfacă următoarele condiții: -

Să conțină materie organică biodegradabilă; Să aibă o umiditate ridicată, peste 90 %; Să aibă o reacti e neutră sau aproape neutră (pH=6.8-7.3); Să conțină carbon și azot într -o anumită proporție (C/N=15-25). 67

Să nu conțină substanțe inhibitoare pentru microorganisme: unele metale grele , detergenți, antibiotice, concentrați mari de sulfați,formol, dezinfectan ți, fenoli, etc. Pentru obținerea biogazului se pot utiliza mate rii prime organice de proveniență foarte diferită, deșeuri vegetale , deșeur i menajere, fecale umane, dejecții animaliere , gunoi ul de grajd, ape reziduale din industria alimentară și zootehnie, etc. Producția specifică,medie de biogaz ce se poate obține din diverse materii  prime, raportată la substanța uscată a lor, este cea din tabelul următor : Tabel 3.1

DENUMIREA Paie de grâu, întregi Idem,tocate la 3 cm Idem, tocate la 0,2 cm Lucernă Ierburi diferite Frunze de sfeclă furajeră Frunze de sfeclă de zahăr  Lujeri de roșii tocați Tuleie de porumb, tăiate la 2 cm Frunze de copac Paie de orz Paie de orez Tulpini de in sau de cânepă Dejecții de bovine Dejecții de porc Dejecții de cal Dejecții de oaie Dejecții de păsări Fecale umane  Nămol din stații de epurare orășenești Drojdie de la distilerii de spirt

BIOGAZ OBTENABIL Litri/kg S.U 367 363 423 445 557 496 501 606 214 260 380 360 369 260-280 480 200-300 320 520 240 370 300-600

CONȚINUT MEDIU DE METAN, ÎN % 78,5 80,2 81,3 77,7 84,0 84,0 84,8 74,7 83,1 58 77 75 58 50-60 60 66 65 68 50 50-60 58

68

Materiile prime de mai sus pot fi utilizate exclusive sau în amestec. S-a constatat că prin amestecarea diferitelor materii prime, capacitatea metanogenă a amestecului este mai mare decât media rezultată din calculul aritmetic. Acest as pect este redat din tabelul următor: Tabel 3.2

DENUMIREA

Dejecții de bovine Dejecții de porcine Dejecții de păsări  Nămol de la apele reziduale Buruieni, ierburi Dejecții bovine+porcine Dejecții bovine +pasări Dejecții bocine+ nămol ape reziduale  Dejecții bovine+ buruieni Dejecții porcine + păsări Dejecții bovine +porcine+păsări Dejecții păsări + nămol ape reziduale Dejecții păsări + buruieni  Nămol ape reziduale + buruieni

PROPORȚIA DE AMESTEC ÎN %

BIOGAZ l/ kg S.O

100 100 100 100 100 50-50 50-50 50-50 50-50 50-50 25-50-25 50-50 50-50 50-50

380 569 617 265 277 510 528 407 363 634 585 495 513 387

CREȘTE REA FAȚĂ DE CALCUL IN % + 7,5 +6 +26 +5 +7 +9,6 +12,3 +13,5 +42

Această potențare sinergică se datorează faptului ca în amestec de materii prime se realizează raporturi mai bune între conținutul de carbon și cel de azot raport foarte important în produc ția eficient ă  de biogaz și care după  cum s-a ar ătat trebuie sa fie cuprins în intervalul 15- 25. În tabelul următor sunt trecute pentru  principalele materii prime : - Conținutul de carbon - Conținutul de azot - Raportul C/N

69

Tabel 3.3

DENUMIREA

Iarbă verde Paie de grâu,uscate Paie de orez,uscate Paie de ovăz,uscate Tuleie de porumb Lucerna Frunze Vrejuri de cartof Lujere de soia Dejecții de oaie,proaspete Dejecții de bovine,proaspete Dejecții de cal,proaspete Dejecții de porc,proaspete Fecale umane,proaspete Dejecții de găină

CONȚINUT DE CONȚINUT CARBON % DE AZOT % 15 0,6 46 0,53 42 0,63 42 0,75 40 0,75 48 2,6 41 1 40 1,8 41 1,3 16 0,55 7,3 0,29 10 0,42 7,8 0,65 2,5 0,85 45 3

RAPORTUL C/N 25 87 67 56 53 18 41 22 32 29 25 24 13 29 15

70

CAPITOLUL 4 CRITERII DE ALEGERE ȘI DIMESIONARE A

INSTALAȚIILOR DE BIOGAZ

Când cineva își propune să realizeze o instalație de producere a biogazului  primul lucru la care trebuie să se gândească este dimensiunea ei. După care este necesar sa ne gândim că :  



Trebuie sa satisfacă energetic utilizatorul Trebuie sa asigure prelucrarea integrală a materiilor prime disponibile local Trebuie să asigure prelucrarea materiilor prime dintr -o zonă a cărei întindere se stabilește pe criterii tehnico -economice.

Primul criteriu este caracteristic instalatiilor de producere a biogazului care urmează sa deservească din punct de vedere energetic un anumit sau mai multi utilizatori. Cel de-al doilea reprezintă un punct de vedere ecologic când instalația de  producere a biogazului este chem ată să sanitarizeze un anumit loc prin distrugerea pe calea fermentării anaerobe, a reziduurilororganice poluante pentru îndepartarea cărora nu există alternative mai economice. Cel de-al treilea criteriu îndeplineste cerințele primelor două criterii in sensul că îndepărtează reziduuriele organice și prin aceasta sanitarizează o zonă mai întinsă, instalația de gaz fiind amplasată în centrul strategic al resurselor tinând cont de potențialii ultilizatori. În general vorbind, aceasta este situația instalațiilor centralizate de producere a biogazului care, în prezent, au tendința de aplicare excesivă în țările Europei. În acest capitol se vor expune modalitățile de elaborare a răspunsurilor la problemele arătate anterior. Stabilirea necesarului de biogaz la utilizator

Utilizatorul, unul sau mai mulți are/au nevoie de biogaz pentru satisfacerea urmatoarelor cerinte enumerate în ordinea priorității lor:   

Energie termică pentru prepararea hranei Energie termică pentru incălzirea apei menajere Energie termică pentru încălzirea locuinței 71



Energie electrica pentru nevoile casnice

În cele ce urmează  se va lua in considerare cazul unei familii clasice , de 4  persoane ce locuieste inctr-o casa cu 4 camere intr-o zona cu clima temperata. Prin extrapolare specialistul in instalatii va stii sa calculeze necesitatile termice si electrice in cazuri ami complicate ce pot reuni in case tip bloc, mai multe familii.

Necesarul de energie termică pentru prepararea hranei Pentru cazul considerat este suficientă o masină de gătit cu patru ochiuri . Aceste ochiuri vor fi utilizate astfel: - La micul dejun vor arde două ochiuri, timp de câte o jumatate de ora fiecare - La prepararea pranzului vor arde 4 ochiuri în medie câte trei sferturi de oră fiecare - La prepararea cinei, vor arde două ochiuri ,câte o jumatate de ora fiecare - Eventual și cuptorul va fi utilizat zilnic câte 45 de minute Însumând rezultatele de mai sus, ob ținem: - Cinci ore de ardere a gazului la un ochi - 45 de minute de ardere a gazului la cuptor Un ochi con sumă in medie , 200 l gaz pe oră. Pentru 5 ore de ardere va fi nevoie de 1000 l biogaz, respectiv 1 m 3 .

Cuptorul consumă în medie 480 l gaz pe oră.În 45 de minute va avea nevoie de 360 l biogaz . Rezultă că pentru gatit necesarul acestei familii este de 1,36 m 3/zi biogaz. Pentru un calcul mai generalizat se pot utiliza datele urm atoare care arată necesarul de biogaz pentru gătit în funcție de numărul de persoane: -

1 persoană .................................... 2 persoane..................................... 3-4 persoane.................................. 5-6 persoane.................................. 7-10 persoane ...............................

0,4  –  0,45 m3 /zi 0,35  –  0,4 m3 /zi și persoană 0,33  –  0,35 m3 /zi și persoană 0,3 - 0,33 m 3 /zi și persoană 0,25-0,3 m 3 /zi și persoană

Se observă cum scade consumul specific de gaz  pentru o persoană atunci când numărul acestora crește, ceea ce este logic. 72

Necesarul de energie termică pentru încălzirea apei menajere În tabelul u rmător este specificat necesarul de biogaz pentru încălzirea apei menajere. Tabel 4.1  Numărul membrilor de familie  Modul de incălzire al apei

Încalzire directă pe arzătorul mașinii de gătit

3 1,6

4 1,9

6 2,7

8 3,6

Încălzire în boilere,inclusiv cu duș

1,9

2,3

3,3

4,3

În exemplul considerat va fi nevoie de încă  1,9 m3  biogaz la încălzirea apei menajere pe ochiul mașinii de gătit sau de 2,3 m 3  biogaz în cazul utilizării unui  boiler. Necesarul de energie termic ă pentru încalzirea locuinței

Pentru încălzirea locuinței în perioada de temperaturi scăzute, necesarul de  biogaz este redat în tabelul urmator, difere nțiat pe trei moduri de realizare a izolației termice a locuinței. Tabel 4.2

Modul de realizare a izolatiei termice

 Necesarul de incalzit m /m ora

biogaz

pentru

Izolatie termică foarte bună

0,021-0,025

m /m  pentru 10 ore 0,21-0,25

Izolație termică de calitate mijlocie

0,023-0,027

0,23-0,27

Izolație termică slabă

0,035-0,038

0,35-0,38

În cazul locuinței considerate de 4 camere cu o suprafață totală de 75 m3 și un volum total de încălzit de cca 200 m 3, necesarul de biogaz pentru 10 ore de încălzire va fi în medie de: 73

200 m3 x 0,23 m3 / m3 = 46 m3 pentru o locuință bine izolata termic. 200 m3 x 0,25 m3 / m3 = 50 m3 pentru o locuință cu izolație termică medie. 200 m3 x 0,37 m3 / m3 = 74 m3 pentru o locuință slab izolată termic. Însumând necesarul de biogaz pentru obținerea unui confort termic maxim care  presupune gătitul, apa caldă, și încălzirea locuinței pe timp de iarna necesarul de  biogaz pentru exemplul considerat va fi: 1,36 m3/zi +2,3 m3/zi+46 m3/zi=49,66 m3/zi Necesarul de

energie electrică

În cazul exemplului considera t, necesarul de energie electrică poate fi și el diferențiat în funcție de gradul de conf ort dorit care la rândul lui determină felul și numărul consumatorilor de energie electrică. Pentru un caz mediu care as igură iluminatul și prize în toate incăperile, pentru câteva aparate electrocasnice,  puterea totală instalată  va fi de P1= 5 kw iar factorul de simultaneitate de cca 0,6. Puterea efectivă necesară va fi deci de P ef =3,0 kw pe o durata medie de 8 ore/ zi . Consumul de energie electrică va fi deci de 24 kwh/zi. Pentru realizarea  puterii efective de 3 kw este necesar un generator de cca 3,3 kVA antrenat de un motor termic de cca 5 cai putere. Un astfel de convertor al biogazului în energie electrică ar consuma cca 3 m 3/h biogaz adică în total 24 m 3 biogaz în cele 8 ore de funcționare. Astfel de convertoare sunt realizate însă cu recupararea avansată a că ldurii degajate de motorul termic și din gazele de ardere astfel încâ t energia electrică reprezintă doar un sfert din energia adusă de biogaz și cca o treime din energia totală produsă. Cei 24 m3 de biogaz necesari se vor împărți deci, astfel: - 6 m3 biogaz pentru energie electrică - 18 m3 biogaz pentru energie termică - 6 m3 biogaz pierderi

Cum energia termică recuperată de la convertor este sub formă de apă caldă aceasta poate fi utilizată foarte bine, fie la incalzirea locuintei fie la prepararea apei menajere. În final, calculul necesarului de biogaz pentru asigurarea unui confort maxim in cazul considerat va arăta astfel: -

Biogaz pentru gatit ...................................... Biogaz pentru apă caldă menajeră .............. Biogaz pentru încălzirea locuinței .............. Biogaz pentru energia electrică .................. o Total .....................................

1,36 m 3/zi 2,3 m3/zi 46 m3/zi 24 m3/zi 73,66 m 3/zi 74

Se scade echivalentul energiei termice recuperate .. 18 m 3/zi o

Totalul necesar net

3

55,66 m /zi

Se observă că față de necesarul total de biogaz( 73,66 m3/zi) pentru satisfacerea unui confort maxim în exemplul considerat consumurile energetice parțiale sunt repartizate astfel: -

Pentru gatit .......................................... Pentru apă caldă menajeră.................... Pentru încălzirea locuinței.................... Pentru energia ele ctrică ....................... o Total ..........................................

1,85 % 3,12 % 62,45 % 32,58 % 100,00 %

Dacă se operează scăderea din necesarul de biogaz pentru încălzirea locuinței a celor 18 m3/zi corespunzătoare energiei termice recuperate de la convertor rămân 46-18=28 m3/zi biogaz care va fi solicitat instalației de producere a  biogazului iar tabloul distribuției energetice față de noul total de 55,66 m3/zi va arăta astfel: -

Pentru gătit .................................. 2,44% Pentru apa caldă menajeră ...........  4,13% Pentru încălzirea locuinței ........... 50,31% Pentru energia electrică ...............  43,12% o Total  .................................. 100,00 %

Pe acest model de calcule se pot determina nevoile energetice ale  beneficiarilor, instalațiilor de biogaz în diferite situații, depinzând de anumite date specifice fiecărui caz în parte. STABILIREA POTENTIALULUI METANOGEN AL UTILIZATORULUI

Cantitatea de biogaz care poate fi obținută din deșeurile organice ale unei gospodării depinde de multi factori care țin invariabil de punerea și de stru ctura economică a ei . Aici se poate da un exemplu de valoare a potențialului metanogen al unei microferme agricole de tipul celor care se dezvoltă în prezent în mediul rural. Cum astfel de microferme există de multă vreme , nu numai în țări vest-europene cât și în cele din estul Europei , exemplul dat în continuare este departe de a fi utopic. O microfermă de tip agro -zootehnic care dezvoltă culturi agricole pe 20 ha,  pământ arabil și are în exploatare zootehnică și industrială 20 vaci de lapte și 40  porci la ingrășat, 2 cai, 100 gaini ouătoare și numeroase deșeuri agricole ca paie, frunze verzi sau uscate, tulpini și lujeri de la zarzavaturile din grădina proprie 75

 precum și apa menajeră provenită de la cei 4 locatari ai familiei și din pregatirea mâncarii poate conta pe următorul potențial de biogaz, evidențiat in tabelul următor: Tabel 4.3

RESURSA Vaci de lapte Porci la îngrășat Cai Gaini ouătoare Locuitori echivalenți Ierburi Resturi vegetale Paie tocate Frunze verzi

U.M

CANTITATE

Cap. Cap. Cap Cap Cap Kg/zi Kg/zi Kg/zi Kh/zi

20 40 2 100 4 5 5 10 5

BIOGAZ OBTENABIL m3/zi Pe U.M Total 1,4 28 0,2 8 1,0 2 0,014 1,4 0,06 024 0,05 0,25 0,1 0,5 0,32 3,2 0,03 0,15

Total general

43,74

Pentru a stabili viabilitatea acestei rețete de alimentare a instalației de producere a biogazului se verifică raportul carbon/azot prin operații cuprinse in tabelul următor : Tabel 4.4

RESURSA Vaci de lapte Porci la îngrășat Cai Găini ouătoare Locuitori echivalenți Ierburi Resturi vegetale tocate Paie tocate Frunze verzi Total general

Cantitate  pe cap

Total kg/zi

40 7 22 0,2 1,0 -

800 280 44 20 4 5 5 10 5 1.173

Raportul Produs C/N  pt. calcul 25 13 24 15 29 25 22 87 41 -

20.000 3.640 1.056 300 116 125 110 870 205 26.422

76

Făcând raportul dintre totalul ultimei coloane si totalul celei de -a treia coloană se obține raportul C/N pentru întregul amestec: 26422/1173=22,5=C/N care este un raport bun pentru producerea biogazului.

În calculul potențialului de mai înainte nu a mai fost luat în considerare efectul sinergic al amestecului de materii prime care la rândul lor potențează în mod semnificativ producția de biogaz în medie cu cca 10 %. Se poate conta , deci pe o producție totală de biogaz în exemplul considerat de : 43,75 m3/zi x 1,1 = 48,125 m 3/zi biogaz

Cantitatea de biogaz de mai sus reprezintă producția brută. Atunci când fermentatorul de biogaz lucrează în regim mezofil (cel mai frecvent) experiența arată că la o execuție îngrijită și cu o bună izolatie termică, autoconsumul de  biogaz (necesarul de biogaz pentru asigurarea regimului termic de producție) , nu depașește 20% din producția brută. În cazul exemplificat va rămâne o cantitate de biogaz disponibil de : 48,125 m3/zi x 0,8 = 38,5 m 3/zi.

Față de necesarul de biogaz stabilit anterior se pot concluziona următoarele :   

Cantitatea de biogaz disponibilă depășește cu mult necesarul de biogaz în timpul lunilor în care nu este necesară încălzirea locuinței ( cca 7 luni/an) În perioada celor 7 luni există suficient  biogaz pentru gătit, apă caldă menajeră și pentru producerea de energie electrică În anotimpul rece, producția netă de biogaz ajunge numai pentru pregatirea hranei, pentru apa caldă menajeră și pentru încalzirea a numai 3 din cele 4 camere ale locuinței.

77

CONCLUZII

1. Biocombustibilii sunt combustibili solizi, lichizi sau gazo și obtinuți din  biomasă, plante oleaginoase, ierboase sau lemnoase, deșeuri agricole și forestiere, de șeuri organice municipale și industriale. 2. În prezent, principalii biocarburanţi existenţi sunt: - bioetanolul; - biodieselul; - biogazul. 3. Bioetanolul este definit ca fiind etanol produs din biomasa și/sau frac ția  biodegradabilă a deșeurilor, în vederea utiliz ării ca biocarburant. Este un combustibil ecologic, formula chimica fiind aceea și cu cea a alcoolului etil. 4. Biodieselul este un combustibil ult ra curat, nu conține nici sulf ș i nici hidrocarburi aromatice iar emisiile poluante sunt mai reduse decât în cazul combustibilului clasic obținut din petrol. Biodieselul nu este toxic și este de 4 ori mai biodegradabil decât motorina clasică. Nu există riscuri în ceea ce priveste stocarea, manevrarea și utilizarea (punctul de inflamabilitate mai ridicat , 130 ºC fată de 60 ºC pentru motorin ă). 5. Biogazul este o sursă de energie neconvenţională, care rezultă în urma unui proces de conversie na turală, controlată, a biomasei. Biomasa, materia organică a dejecţiilor animale şi deşeurilor vegetale, est e regenerabilă şi inepuizabilă. 6. Biorafinăriile viitoare vor avea ca primă etapă de procesare extragerea din biomasă a unor componente valoroase cum ar fi: substanţe cu valoare nutritivă ridicată sau componenţi cu potenţial de prelucrare industrială (arome, condimente, fibre etc.). După separarea acestor componente valoroase, biomasa este prelucrată în continuare, în mod diferit, în funcţie de natura ei. Procesele utilizate pot fi biologice, chimice sau termochimice. 7. Dimensionările efectuate în ultimul capitol sunt justificate din punct de vedere economic. 78