Ridicarea Standardului de Civilizatie
Ridicarea standardului de civilizație
Introducere
Noțiunea de calitate a vieții și-a modificat în ultimul timp conținutul. Ridicarea standardului de civilizație nu mai poate fi înțeleasă doar ca o diversificare a mijloacelor tehnico-materiale, ci mai ales ca o integrare a omului în mediul ambiant, în condiții de confort și conservare a stării de sănătate. Fenomene ca efectul de seră, distrugerea stratului de ozon sau ploaia acidă, distrugerea pădurilor și modificările ireversibile globale la nivel de ecosistem natural sunt consecințe ale unei activități antropice nechibzuite motivată de goana după dezvoltări industriale neraționale și dovedesc că mediul înconjurător nu mai poate prelua la nesfârșit funcția de coș de gunoi al omenirii.
Amplificarea consumului specific de energie fosilă, neaplicarea eficientizării proceselor de transformare a energiei prin reducerea pierderilor și reversibilităților sau neadoptarea unor tehnologii și cicluri termodinamice avansate, continua creștere a populației pe glob, neimplementarea din motive economice a surselor alternative de energie la potențial cuvenit și posibil, comoditatea sau complacerea în starea actuală, guvernate doar de goana după câștiguri economice oferită de starea actuală impun cu prisosință retehnologizarea sectorului energetic și aplicarea, până nu este deja prea târziu, a conceptelor de dezvoltare durabilă. Progresul trebuie conceput și aplicat în armonie și cu păstrarea echilibrului ecosistemului natural în care omul, ca ființă inteligentă, este actorul principal.
Protejarea și conservarea mediului este o problemă globală a umanității. Procedeele tehnice care trebuie aplicate reparatoriu sau la concepția instalației sunt de natură interdisciplinară, iar anvergura mijloacelor necesare poate fi asigurată doar prin finanțare consistentă, voință politică, temeinice cunoștințe în domeniu și prin cooperare națională și internațională. Prezenta lucrare se încadrează în actualitate. Directiva europeană pentru instalații mari de ardere (Directiva 2001/80/EG) are ca scop îmbunătățirea calității aerului în țările Uniunii Europene și protecția contra riscurilor de sănatate datorate poluării aerului. În același timp se urmărește împiedicarea creșterii concentrației de acizi și formării ozonului troposferic.
Instalațiile mari de ardere contribuie considerabil la emisiile de dioxid de sulf și oxizi de azot. De aceea este necesară conformarea instalațiilor mari de ardere existente și a celor ce se vor construi în viitor în țările membre ale Uniunii Europene la cerințele conforme stadiului celei mai bune tehnici existente. În directivă sunt menționate cerințele descrise ca stadiul al tehnicii, în vederea limitării emisiilor de SO2, NOx și pulberi. Aceste valori limită de emisie specificate în Directiva LCP (Large Combustion Plants), sunt “cerințe minimale” și trebuiesc respectate întocmai de către instalațiile mari de ardere. În ceea ce privește implementarea celor mai bune tehnici conform Directivei 96/61/EG (Directiva pentru prevenirea și reducerea poluării mediului înconjurător, IPPC) este posibilă respectarea de valori limită de emisie, limitări de emisie mai stricte pentru alte substanțe și emisii prin procedura integrată de prevenire a poluării mediului. Cartea face o prezentare metodică a unor tehnologii de acest gen și se înscrie și în contextul obligației asumate de Comunitatea Europeană din care și România face parte, de a reduce emisiile de dioxid de carbon până la respectarea obligațiilor prevăzute în protocolul de la Kyoto. Monitorizarea și raportarea emisiilor de gaze cu efect de seră este de pe acum o necesitate legiferată.
La nivelul României au fost legiferate norme și legi de protecție a mediului, în acord cu cele existente în Comunitatea Europeană, iar respectarea acestor reglementări se impune a fi urmărită cu sancțiuni contravenționale drastice. Nu în cele din urmă, un comportament ecologic adecvat presupune și schimbări la nivelul conștiinței individuale și colective precum și atitudine civică. Costurile trebuie suportate de societate, dar în folosul ei. Rolul învățământului superior este de a forma specialiștii capabili să acționeze eficient și activ în domeniu și de a-i pregăti să facă față sporitelor necesități ale mediului economic. Parafrazând o afirmație celebră și o zicală din popor, se poate anticipa că mileniul actual va fi "ecologic" sau nu va fi deloc și "cum ne vom așterne" așa vom dăinui ca ființe inteligente pe planeta Pământ.
2. Prezentare generalĂ a necesitĂȚii crescÂnde de resurse de energie. Ce soluȚii se oferĂ?
Creșterea accentuată a populației și tendința de a beneficia de un confort exagerat depășesc capacitatea planetei de a satura toate nevoile de energie. Prin urmare, la acest început de mileniu, o problemă majoră a omenirii este să gândească și să planifice viitorul energetic al Terrei prin realizarea de noi capacități energetice, la nivelul actual al cunoașterii și bazat pe resursele de care se poate dispune, pe cale pașnică. Aceste noi centrale trebuie însă să respecte și principiile unei dezvoltări durabile globale, în sensul minimizării poluării mediului ambiant.
Energia electrică, atât de îndrăgită și utilizată, necesară și totuși incriminată că ar fi scumpă, nu este decât o formă superioară de energie, care are la bază alte forme primare. Se cercetează intens și se fac eforturi majore pentru descoperirea unor noi tehnologii de conversie energetică care să se bazeze pe combustibili neutri și pe resurse neconvenționale, ideal fără verigi intermediare, ca de exemplu prin filiera termică. Nu există însă la ora actuală perspective generoase. Se prevede că deși eforturile omenirii vor fi din ce în ce mai evidente în a asigura o energie curată și suficientă, tot resursele clasice, adică cele fosile și tehnologiile convenționale în baza ciclurilor termodinamice vor fi esențiale, fiind cele mai accesibile ca și preț, evoluate, verificate și bazate pe cantități prospectate de combustibili care să acopere nevoia următorului secol. Între timp, cu siguranță, ingeniozitatea omului și bunătatea naturii vor oferi noi soluții.Transformarea resurselor de energie primară în energie termică și electrică reprezintă o succesiune de procese, mai mult sau mai puțin poluante, mai mult sau mai puțin controlabile, supuse legilor naturii, adică principiilor și postulatelor termodinamicii. Inevitabil, dacă se apelează la resurse energetice fosile, se generează dioxid de carbon. Suplimentar se produc și oxizi de azot, oxizi de sulf, hidrocarburi, particule și alte noxe, care afectează ființele vii, dar și fauna și flora, în general mediul ambiant. Generarea poluanților antropici scoate din echibru capacitatea ecosistemului natural de a se purifica și blochează sau modifică brutal, circuitele naturale ale elementelor, așa cum este de exemplu circuitul carbonului. Este nevoie de multă chibzuială în proiectarea sistemelor energetice deoarece acestea contribuie indirect și la distrugerea civilizației, în egală măsură în care o și susțin.
Dioxidul de carbon nu este o noxă, dar afectează extrem de mult clima și generează astfel transformări ireversibile, de la dispariția unor zone de coastă prin mărirea suprafețelor acoperite de ape la modificări de temperatură, la umidificarea sau uscarea unor regiuni și până la sărăcirea sau modificarea florei, distrugerea diversivității. Trăim mai puțin decât o clipă în acest univers cu resurse finite, dar trebuie să ne punem serios problema durabilității evoluției și nu să o blocăm, prin expandarea și utilizarea nerațională a resurselor limitate ale Planetei, dând frâu unor impulsuri de moment.
În cazul în care se apelează la resurse fosile de energie, reducerea și controlul emisiei de noxe se poate realiza tehnic fie prin micșorarea debitului de combustibil fie prin inhibarea mecanismelor de geneză a noxelor sau epurarea gazelor de ardere. În prezent, se cunosc suficiente tehnologii de prevenire sau reducere a emisiilor de noxe dar foarte puține se și aplică, în ciuda repetatelor tratate sau convenții, legislației severe sau promisiunilor ferme făcute de reprezentanții unor guverne. O metodă generală de reducere a emisiilor de poluanți dar și de dioxid de carbon este mărirea randamentului global în lanțul de transformare a diferitelor forme de energie. Inevitabil, se trece prin veriga energiei termice iar inginerului termotehnician îi revine rolul de a-și impune gândirea creatoare și capacitățile de previziune.
Se caută cu insistență soluții eficiente de limitare a emisiei de dioxid de carbon, dar fără reușite spectaculoase până în prezent. Toate tehnologiile de captare a dioxidului de carbon rămân încă un vis nerealizabil deoarece economic depășesc posibilitățile sau înțelegerea rațiunii din prezent. În aceste condiții, tot preceptele termodinamicii oferă soluții legate de reducerea consumului specific de combustibil fosil prin creșterea randamentului efectiv al transformării energiei primare înspre energie utilă. Centralele termoelectrice vor deveni din ce în ce mai sofisticate, mai complexe, alături de sistemele clasice. Folosirea procedeului de cogenerare, adică producerea simultană de energie termică și electrică, reducerea pierderilor termodinamice și controlul ireversibilității sunt tot atâtea soluții tehnic posibile și care oferă, pe moment, un colac de salvare nesăbuinței și inechității energetice ale mileniului.
Producția industrială și activitatea de toate zilele a omului sunt strâns legate de un consum din ce în ce mai mare de energie electrică și termică, care se asigură din următoarele surse primare:
– arderea combustibililor fosili: cărbune, petrol, gaze naturale;
– fisiunea nucleară, momentan sperându-se ca în viitorul nu prea îndepărtat să se utilizeze și fuziunea nucleară;
– energia hidraulică;
– energii neconvenționale: solară, geotermală, eoliană, heliotermă, din pile de combustie, etc.
În contextul creșterii populației globului de la 6 miliarde de oameni în prezent la circa 8 – 9 miliarde în anul 2020 și a unei dezvoltări economice globale cu un ritm anual de creștere de (1,6 2,4) %, cererea de energie va înregistra o creștere globală cu (65 95) % până în anul 2020, caracterizată prin următoarele date:
– consumul zilnic de petrol este apreciat la circa 90 milioane barili, înregistrând o creștere de circa 27 milioane barili pe zi, adică echivalentul întregii producții OPEC în prezent;
– extracția de cărbune se va dubla, atingând circa 7 miliarde de tone pe an, mai mult decât dublul rezervelor totale cunoscute ale Canadei sau Angliei;
– cererea anuală de gaze naturale se va ridica la mai mult decât dublu, atingând circa 4000 miliarde m3, adică aproape atât de mult cât reprezintă întreaga rezervă actuală de gaze a SUA;
– în următorii 25 de ani se va construi mai multă capacitate de generare a energiei decât în secolul trecut; 90 % din această creștere energetică va avea loc în țările aflate astăzi în curs de dezvoltare, în special în Asia și America Latină;
– acele țări în curs de dezvoltare, care consumă astăzi 30 % din energia totală a lumii vor consuma 50 % și probabil 70 % în anul 2100 și vor produce până în anul 2020 mai mult CO2 prin arderea combustibililor fosili, decât a produs întreaga lume industrializată în anul 1990. Se speră că această previziune sumbră în ceea ce privește producția de CO2 să nu fie valabilă și pentru celelalte noxe (SO2, NOx, CO), întrucât vor fi aplicate tehnologii moderne pentru minimizarea producerii lor, care sunt deja cunoscute în prezent.
Congresul Mondial al Energiei (Tokyo, 1995) a sesizat că omenirea este înclinată să mențină predominantă utilizarea combustibililor fosili pentru multe decenii ce vor urma și nu este entuziasmată de o dezvoltare nucleară imediată. Ponderea combustibililor fosili clasici (cărbune, țiței, gaze naturale) rămâne evidentă în totalul de energie, cu toate că apar surse noi, alternative. Cu excepția progresului realizat în Asia, se consideră improbabil ca sectorul nuclear să crească semnificativ până când tehnologia nu dovedește că întregul ciclu al combustibilului, inclusiv tratarea deșeurilor nucleare, este inofensiv și acceptat public. În unanimitate se consideră că, momentan, intensificarea cercetărilor pentru rezolvarea problemelor de securitate în energetica nucleară este imperios necesară, fiindcă epuizarea resurselor combustibililor fosili, în special a gazelor naturale și a petrolului, nu este prea departe, iar energia nucleară este deocamdată singura capabilă să acopere „setea de energie” a omenirii, chiar dacă se va conta doar pe efortul reactoarelor rapide reproducătoare și nu și pe fuziunea nucleară. Activitatea din sectorul energetic european a fost puternic influențată de curentul de opinie inițiat împotriva energeticii nucleare.
România se află în prezent la un punct caracteristic evoluției în ceea ce privește aplicarea și implementarea diferitelor tehnologii de utilizarea a surselor regenerabile de energie folosind combustibili alternativi cu scopul generat de tendințele globale și regionale de a reduce consumul de combustibili fosili în contextul existenței crizei economice și financiare la nivel mondial, regional sau local.
Piața internă de energie se află în creștere, existând un potențial deosebit pentru satisfacerea necesarului impus de cererea crescândă și putând oferi cetățenilor și companiilor avantajele securității alimentării, la prețuri rezonabile. În acest scop, trebuie dezvoltate interconectările, să existe un cadru legislativ și de reglementări eficient care să fie pus complet în practică iar regulile comunitare privind concurența să fie riguros aplicate. În plus, consolidarea sectorului energetic ar trebui să fie asigurată de actorii de piață dacă vrem ca România, ca membru al Comunității Europene, să răspundă cu succes numeroaselor provocări pe care le întâmpină și să facă investiții adecvate pentru viitor. Accesul la energie este fundamental pentru viața de zi cu zi a fiecărui european deci și a fiecărui român. Se cunosc însă ca reale și ca extrem de acute prețurile extrem de mari de achiziție a energiei, amenințările pentru securitatea alimentării cu energie și care determină – în condițiile nemodificării structurii ei tradiționale – schimbările climatice ireversibile. Energia durabilă, competitivă și sigură este pilonul de bază al vieții noastre de zi cu zi.
Cadrul european necesită din partea fiecărui membru un răspuns activ, pentru o acțiune concertată, unită și țintind protejarea intereselor CE, care este a doua piață din lume în ceea ce privește generarea de energie deși în plan de management al cererii ocupă primul loc. Astfel se impune o inovare aplicată în management și în sectorul activ energetic iar prima necesitate este de a crea o baza solidă și diversificată de valorificare energetică a diverselor surse cu pondere pe combustibilii fosili – conform prognozelor și rezervelor încă cunoscute – dar cu creșterea participării resurselor regenerabile sau neutre în emisia de dioxid de carbon.
Dat fiind că România dispune de resurse hidrotehnice bune și în context cu ceea ce se prevede în CE cu referire la dezvoltarea energiei regenerabile în țara noastră și anume că după Polonia, în cadrul celor 27 cea mai mare pretenție și așteptare este dezvoltarea sectorului regenerabil din țara noastră, se cunosc trei resurse regenerabile specifice care trebuiesc valorificate urgent, nepoluant și eficient. Astfel, se indică în dependență cu tradiția și bogăția naturală a țării că, biomasa, energia solară și energia geotermală trebuie să-și crească simțitor ponderea în balanța națională. Schema de comercializare a emisiilor, incluzând și piața de comercializare a certificatelor verzi, a creat un cadru flexibil din punct de vedere al costurilor și pentru producerea de energie mai curată. Este de necontestat că și la nivel național se poate produce mai mult, mai curat și promovând eficiența termodinamică sporită a ciclurilor termodinamice de generare, să existe șansa de a se obține prețuri mai reduse.
Sursele regenerabile de energie din România au un potențial teoretic important. Potențialul utilizabil al acestor surse este mult mai mic, datorită limitărilor tehnologice, eficienței economice și a restricțiilor de mediu.
Comparând sursele de energie regenerabilă adică potențialul energetic anual, exprimat ca și echivalent economic, în unități de energie (mii tep) rezultă, conform Planului Național de Acțiune în Domeniul Energiei din Surse Regenerabile (PNAER) – 2010, că alături de energia solară, eoliană, hidroelectrică și geotermală pentru care România are potențial clar, biomasa și biogazul reprezintă categoric o resursă naturală, regenerabilă, de bază (Tabelul 2.1).
Tabelul 2.1. Surse de energie regenerabilă
Una din provocările majore pentru Uniunea Europeană se referă la modul în care se poate asigura securitatea energetică cu energie competitivă și „curată”, ținând cont de limitarea schimbărilor climatice, escaladarea cererii globale de energie și de viitorul nesigur al accesului la resursele energetice.
Viziunea politicii energetice europene de astăzi corespunde conceptului de dezvoltare durabilă și se referă la următoarele aspecte importante: accesul consumatorilor la sursele de energie la prețuri accesibile și stabile, dezvoltarea durabilă a producției, transportului și consumului de energie, siguranța în aprovizionarea cu energie și reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. UE elaborează o politică energetică ambițioasă care acoperă toate sursele de energie, de la combustibili fosili (țiței, gaz și cărbune) până la energia nucleară și cea regenerabilă (solară, eoliană, geotermală, hidroelectrică etc.), în încercarea de a declanșa o nouă revoluție industrială, care să ducă la o economie cu consum redus de energie și limitarea schimbărilor climatice asigurând că energia pe care o consumăm va fi mai curată, mai sigură, mai competitivă și durabilă.
Politica Uniunii Europene în domeniul energiei pentru perioada până în 2020 se bazează pe trei obiective fundamentale, pentru care UE a propus pachete separate de reformă legislativă și de reglementare:
Durabilitate – subliniază preocuparea UE pentru schimbările climatice prin reducerea emisiilor sale de gaze cu efect de seră (GES) la un nivel care să limiteze efectul de încălzire globală la doar 2°C în plus față de temperaturile din era pre-industrială. În acest sens, în decembrie 2008, a fost aprobat Pachetul „Energie –Schimbări Climatice”;
UE este tot mai conștientă de vulnerabilitatea sa prin dependența de importurile de energie primară și de șocurile pe care aceasta le poate produce asupra securității. În consecință, face pași concreți în adoptarea unei noi politici energetice comune;
Competitivitate – vizează asigurarea implementării efective a pieței interne de energie; în acest sens, în septembrie 2008 Parlamentul European și Consiliul au adoptat cel de-al treilea pachet legislativ pentru piața internă de energie;
Siguranța în alimentarea cu energie – vizează reducerea vulnerabilității UE în privința importurilor de energie, a întreruperilor în alimentare, a posibilelor crize energetice și a nesiguranței privind alimentarea cu energie în viitor.
Pachetul de reglementări privind politica viitoare a UE în domeniul energie – schimbări climatice a fost aprobat în cadrul Consiliului European și adoptat de Parlamentul European în decembrie 2008. În contextul instituirii și al funcționării pieței interne și din perspectiva necesității de protecție și conservare a mediului înconjurător, politica energetică a UE urmărește:
– asigurarea funcționării piețelor de energie în condiții de competitivitate;
– asigurarea siguranței aprovizionării cu energie în Uniune;
– promovarea eficienței energetice și a economiei de energie;
– dezvoltarea surselor regenerabile de energie;
– reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră;
– promovarea interconectării rețelelor energetice.
Pachetul „Energie – Schimbări Climatice”, stabilește pentru UE o serie de obiective pentru anul 2020, cunoscute sub denumirea de „obiectivele 20-20-20”, și anume:
reducere a emisiilor de GES la nivelul UE cu cel puțin 20 % față de nivelul anului 1990;
creșterea cu 20 % a ponderii surselor de energie regenerabilă (SRE) în totalul consumului energetic al UE, precum și o țintă de 10 % biocarburanți în consumul de energie pentru transporturi;
reducerea cu 20 % a consumului de energie primară, care să se realizeze prin îmbunătățirea eficienței energetice, față de nivelul la care ar fi ajuns consumul în lipsa acestor măsuri.
De asemenea, UE propune să reducă nivelul emisiilor cu până la 30% până în 2020 doar dacă și alte state dezvoltate vor adopta obiective similare, ca parte a unui viitor acord de mediu global post – 2012. Negocieri pentru un astfel de acord la nivelul Națiunilor Unite sunt încă în derulare.
Acest pachet legislativ conține patru acte normative complementare:
Directiva 2009/29/CE – pentru îmbunătățirea și extinderea schemei europene de tranzacționare a certificatelor de emisii de gaze cu efect de seră (EU – ETS);
Decizia 2009/406/CE – Decizia non-ETS;
Directiva 2009/28/CE – Directiva privind energiile regenerabile (RES);
Directiva 2009/31/CE – Directiva privind stocarea geologică a CO2 (CSC).
Prognozele arată că, menținând stadiul actual al cunoașterii și prognoza evolutivă a consumurilor, emisia de CO2 va crește cu 5 % în 2030, față de 1990.
Planul de acțiune "biomasa" trebuie reconsiderat și aplicat mai ales că are certe avantaje pentru România, atât în plan economic cât și pentru sporirea independenței naționale energetice, generând crearea unei mixturi de sorturi de energie iar în plan social, oferind locuri de muncă unei clase defavorizate de locuitori din zone rurale, agricole și forestiere dar și specialiștilor și sectorului de comerț aferente.
Fig. 2.1: Evoluția resurselor energetice în balanța mondială. Trecut și perspectivă.
Creșterea siguranței în alimentarea cu energie electrică, în contextul creșterii dependenței de importuri, a fost realizată prin utilizarea eficientă a energiei și diversificarea surselor de purtători de energie. Printr-o susținută politică de conservare a energiei, țările Uniunii Europene au demonstrat posibilitatea decuplării ritmului de creștere a produsului intern brut (PIB) de ritmul de creștere a consumului total de energie, luându-se ca indicator de bază intensitatea energetică a PIB (definită ca raportul dintre consumul de energie primară/finală și produsul intern brut).
O altă schimbare majoră a constat în inițierea și dezvoltarea, conform Directivei CE 96/92, a procesului de demonopolizare prin deschiderea pieței de energie și introducerea concurenței. Pe ansamblu, gradul de deschidere a pieței Uniunii Europene depășește deja 60 %. Țările Uniunii Europene au optat predominant pentru un model reglementat de acces la rețea (RTPA), unele dintre acestea introducând modele proprii de piață, inclusiv prin dezvoltarea burselor de energie electrică. În prezent au loc dezbateri privind dezvoltarea rețelelor internaționale de transport de energie și a unei instituții internaționale de reglementare. A fost adoptată Directiva UE 98/30 privind regulile pieței unice a gazelor naturale. În domeniul petrolului există o piață globalizată cu deschidere totală, în care mecanismele concurențiale sunt puternic dezvoltate. De asemenea, a fost adoptata Directiva UE 93/76 privind limitarea emisiilor poluante prin cresterea eficienței energetice (Directiva SAVE).
într-o economie din ce in ce mai globalizată, strategia energetică a unei țări se realizează în contextul evoluțiilor și schimbărilor care au loc pe plan mondial. Cererea totală de energie în 2030 va fi cu circa 50% mai mare decât în 2003, iar pentru petrol va fi cu circa 46% mai mare. Rezervele certe cunoscute de petrol pot susține un nivel actual de consum doar până în anul 2040, iar cele de gaze naturale până în anul 2070, în timp ce rezervele mondiale de huilă asigură o perioadă de peste 200 de ani chiar la o creștere a nivelului de exploatare. Previziunile indică o creștere economică, ceea ce va implica un consum sporit de resurse energetice.
Din punct de vedere al structurii consumului de energie primară la nivel mondial, evoluția și prognoza de referință realizată de Agenția Internațională pentru Energie (IEA) evidențiază pentru perioada 2010 – 2020 o creștere mai rapidă a ponderii surselor regenerabile dar și a gazelor naturale.
Se estimează că aproximativ un sfert din nevoile de resurse energetice primare, la nivel global, vor fi acoperite în continuare de cărbune. Concomitent cu creșterea consumului de energie va crește și consumul de cărbune. Creșterea cererii de energie, combinată cu factori geopolitici, în special situația din Orientul Mijlociu, au determinat în prima decadă a secolului XXI creșterea prețului țițeiului care a indus și creșteri ale prețurilor gazelor naturale. Un alt factor care a determinat creșterea prețului la produsele petroliere pe plan mondial a fost lipsa capacităților lor de rafinare, problemă care necesită identificarea unor soluții pe termen mediu și lung. La toate acestea s-a adăugat și tendința manifestată de unele state de suplimentare a stocurilor pentru a face față situațiilor de criză.
Una din provocările majore pentru Uniunea Europeană se referă la modul în care se poate asigura securitatea energetică cu energie competitivă și „curată”, ținând cont de limitarea schimbărilor climatice, escaladarea cererii globale de energie și de viitorul nesigur al accesului la resursele energetice. Viziunea politicii energetice europene de astăzi corespunde conceptului de dezvoltare durabilă și se referă la următoarele aspecte importante: accesul consumatorilor la sursele de energie la prețuri accesibile și stabile, dezvoltarea durabilă a producției, transportului și consumului de energie, siguranța în aprovizionarea cu energie și reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. UE elaborează o politică energetică ambițioasă, care acoperă toate sursele de energie, de la combustibili fosili (țiței, gaz și cărbune) până la energia nucleară și cea regenerabilă (solară, eoliană, geotermală, hidroelectrică etc.), în încercarea de a declanșa o nouă revoluție industrială care să ducă la o economie cu consum redus de energie și limitarea schimbărilor climatice, asigurând că energia pe care o consumăm va fi mai curată, mai sigură, mai competitivă și durabilă.
Se instituie un cadru juridic pentru captarea și stocarea geologică, în condiții de siguranță din punct de vedere al mediului. UE intenționează construirea și punerea în funcțiune până în 2015 a unui număr de până la 12 instalații demonstrative de CSC. Orientările comunitare, revizuite, privind ajutoarele de stat pentru protecția mediului, emise în aceeași perioadă în care a fost aprobat pachetul legislativ, permit guvernelor să asigure sprijin financiar pentru instalațiile pilot de CSC.
Implementarea prevederilor pachetului legislativ Energie – Schimbări Climatice va avea implicații majore în special asupra instalațiilor din sectorul energetic care intră și sub incidența Directivei 2001/81/CE privind controlul integrat al poluării. Aceste instalații vor trebui să respecte concomitent și obligațiile privind calitatea aerului, care conduc la reducerea emisiilor de substanțe poluante generate (SO2, NOx, particule).
Măsurile privind eficiența energetică au un rol critic în garantarea realizării la cele mai mici costuri a obiectivelor stabilite prin pachetul energie-schimbări climatice. Este evident că obiectivul de 20% referitor la eficiența energetică va contribui în mare măsură la obiectivele privind durabilitatea și competitivitatea în UE. În plus, diminuarea consumului prin eficiența energetică este cel mai eficient mod de a reduce dependența de combustibilii fosili și de importuri.
Recunoscând importanța tehnologiei în domeniul energiei pentru reducerea emisiilor de CO2, a garantării securității în alimentarea cu energie și a competitivității companiilor europene, UE a propus o strategie comună pentru promovarea tehnologiilor energetice. În octombrie 2009 s-a adopat „Planul strategic european pentru tehnologiile energetice – Către un viitor cu emisii reduse de carbon”. În acest document, Comisia Europeană propune o strategie coordonată între UE, companiile industriale europene și statele membre precum și o prioritizare a tehnologiilor energetice cu accent pe tehnologiile de îmbunătățire a eficienței energetice, utilizare a surselor de energie regenerabilă și de reducere a emisiilor de CO2 (centrale cu ardere pe combustibil solid cărora să li se aplice tehnologia de captare și stocare a CO2 și a patra generație de centrale nucleare).
Uniunea Europeană este în pragul unei perioade fără precedent pentru domeniul energetic. Efectele turbulențelor de pe piețele globale de energie au fost în mare măsură atenuate în ultimii ani, ca urmare a liberalizării, aprovizionării și posibilităților adecvate de import. Cu toate acestea, se întrevăd schimbări dramatice. Prețurile energiei vor fi afectate de marea nevoie pentru investițiile din sectorul energetic precum și de stabilirea prețului carbonului și a prețurilor internaționale mai mari la energie datorită creșterii cererii în țările emergente. Competitivitatea, securitatea aprovizionării și obiectivele legate de atenuarea schimbărilor climatice vor fi subminate cu excepția cazului în care rețelele electrice vor fi modernizate, instalațiile învechite vor fi înlocuite cu alternative competitive și mai curate iar energia va fi folosită mai eficient pe tot parcursul lanțului energetic.
Statele membre și industria au recunoscut amploarea provocărilor. Securitatea aprovizionării cu energie, o utilizare eficientă a resurselor, prețuri accesibile și soluții inovatoare sunt cruciale pentru creșterea noastra durabilă pe termen lung, pentru crearea de locuri de muncă și calitatea vieții în Uniunea Europeană.
Potențialul național de economisire de energie, respectiv de reducere a pierderilor energetice, este apreciat la 27 – 35 % din resursele energetice primare (industrie 20 – 25%, clădiri 40 – 50%, transporturi 35 – 40%).
3. Transportul – necesitate social – economicĂ În EVOLUȚIE. TendinȚe
Transporturile sunt la originea a aproape o treime din totalul emisiilor de gaze cu efect de seră din Uniunea Europeană. Reducerea acestor emisii, în special în contextul Protocolului de la Kyoto, necesită cercetare și introducerea unor soluții alternative, îndeosebi în sectorul transportului rutier. De aceea, Uniunea a definit o politică de promovare a biocarburanților și de reducere a emisiilor generate de transportul rutier și cel aerian. De asemenea, în cazul transportului maritim, există problema poluării marine. Uniunea intervine pentru a limita poluarea cauzată de nave precum și pentru a sancționa comportamentele răuvoitoare.
Efectul direct al poluării atmosferei este diminuarea permanentă a calității vieții pe Pământ. Activitățile de transport influențează negativ fauna, flora și orice activitate economică. Transportul auto elimină în atmosferă până la 50 % din cantitatea de hidrocarburi, fiind considerat principalul impurificator cu substanțe organice al zonelor urbane. Aproximativ 65 % din populația Uniunii Europene este expusă la nivele inacceptabil de înalte de zgomot, în cea mai mare parte produs de traficul urban, cauzând disconfort și probleme de sănătate (ritm cardiac mai înalt, dereglări psihice și de somn, probleme auditive, stres etc.). Se consideră că la nivelul Uniunii Europene, circa 28 % din emisiile de gaze cu efect de seră sunt cauzate de transport, 84 % din acestea provenind din transportul rutier. Mai mult de 10 % din emisiile de dioxid de carbon provin în UE din traficul rutier din zonele urbane (Buletinul AGIR nr. 4/2009, octombrie-decembrie, UNELE ASPECTE PRIVIND INFLUENȚA TRANSPORTURILOR ASUPRA MEDIULUI).
Consecința directă a poluării atmosferei este diminuarea permanentă a calității vieții pe Pământ. În creșterea gradului de poluare a aerului o pondere deosebită o au activitățile umane, arderea carburanților fosili (petrol, cărbune, gaze naturale), activitățile pentru intreținerea proceselor industriale și în mod special, vehiculele cu motor.
Efectul de seră definit drept fenomenul prin care anumite gaze rețin în atmosferă o parte din căldura reflectată de scoarța terestră, are ca principală consecință încălzirea globală. Deja s-a constatat o tendință îngrijorătoare de creștere a temperaturii globale, având consecințe greu de evaluat și perspective destul de sumbre. Această tendință poate să continue și să se accelereze dacă activitățile umane vor conduce la o disipare tot mai mare de energie în mediul ambiant.
Mediul înconjurător este agresat intens și diversificat de transporturile rutiere, activitățile de transport influențând negativ fauna, flora și orice îndeletnicire economică. Transportul auto elimină în atmosferă până la 50 % din cantitatea de hidrocarburi, fiind considerat principalul impurificator cu substanțe organice ale zonelor urbane. Se consideră că la nivelul Uniunii Europene, circa 28 % din emisiile de gaze cu efect de seră sunt cauzate de transport, 84 % din acestea provenind din transportul rutier. Mai mult de 10 % din emisiile de dioxid de carbon provin în UE din traficul rutier din zonele urbane.
Activitatea de transport joacă un rol esențial în dezvoltarea economică și socială a unei societăți. Transportul asigură accesul la locurile de muncă sau agrement, locuințe, societăți.
În domeniul transporturilor, România deține o poziție-cheie la frontiera estică a Uniunii Europene lărgite, ca zonă de tranzit, atât pe direcția est-vest (racordul cu Asia prin Marea Neagră), cât și nord-sud (de la Marea Baltică, la Marea Mediterană). Trei dintre axele prioritare TEN-T traversează teritoriul României.
Sistemele de transport existente în România sunt transportul de marfă și transportul de călători. În cadrul acestor sisteme funcționează sistemele de transport rutier, feroviar (pe căi navigabile interioare, maritim), aerian, nemotorizat și speciale (prin conducte și transport electric aerian).
Impactul acestor tipuri de transport asupra mediului se manifestă la nivelul tuturor factorilor de mediu prin:
aglomerări de trafic și accidente – în cazul transporturilor rutiere;
poluarea aerului, ca efect al emisiilor generate;
poluarea fonică și vibrațiile – în marile intersecții, de-a lungul șoselelor, în apropierea nodurilor feroviare și a aeroporturilor;
poluarea solului și a apei, prin deversarea produselor petroliere;
ocuparea unor suprafețe de teren din intravilan pentru parcări;
schimbarea peisajul eco-urban;
generarea de deșeuri solide (anvelope uzate, acumulatoare, altele).
Dintre efectele pe care transportul le are asupra sănătății umane sunt importante cele legate de nocivitatea gazelor de eșapament care conțin NOx, CO, SO2, CO2, compuși organici volatili, particule încărcate cu metale grele (plumb, cadmiu, cupru, crom, nichel, seleniu, zinc), poluanți care împreună cu pulberile antrenate de pe carosabil pot provoca probleme respiratorii acute și cronice, precum și agravarea altor afecțiuni. Traficul greu este generator al unor niveluri ridicate de zgomot și vibrații, care determină condiții de apariție a stresului, cu implicații uneori majore asupra stării de sănătate.
Din punct de vedere al impactului asupra mediului înconjurător, există o gamă largă de factori care influențează creșterea emisiilor de CO2 rezultate din transportul rutier, cum ar fi cererea și oferta de autoturisme, necesitățile de mobilitate individuală, disponibilitatea/lipsa disponibilității serviciilor publice alternative de transport în comun, precum și costurile asociate deținerii unui autoturism proprietate personală.
Deși eficiența energetică a vehiculelor a fost și este în continuă creștere, acest lucru este compensat de creșterea lungimii medii a unei călătorii, creșterea numerică a parcurilor auto precum și de alte variabile, cum ar fi stilul de condus, ambuteiajele din trafic etc., fapt care se traduce printr-o creștere a intensității emisiilor de gaze cu efect de seră.
Fig. 3.1. Evoluția emisiilor de CO2 în funcție de cea a parcului auto, respectiv de numărul de pasageri – kilometrii
Sursa: Institutul Național de Statistică / Inventarul național de emisii de poluanți atmosferici
(Preluat din http://mmediu.ro/file/TRANSPORTURI.pdf)
Strategia de dezvoltare durabilă a Uniunii Europene în ceea ce privește transportul este „de a se asigura că sistemele actuale de transport îndeplinesc nevoile economice, sociale și de mediu, minimizând în același timp efectele nedorite asupra economiei, societății și mediului".
În ceea ce privește emisiile de CO2 provenite de la vehicule utilitare ușoare, valoarea medie a acestora aferentă parcului de automobile noi, trebuia să atingă ținta de 140 g/km pentru anii 2008 – 2009, și 120 g/km în anul 2012. Pentru 2020 se prevede (față de 1990) aplicarea strategiei 20-20-20, adica reducerea emisiilor de CO2 și în general a emisiilor cu 20%, introducerea unor biocombustibili în cuantum de min 20% (10%) înlocuind combustibilul clasic, fosil și cresterea eficienței termice cu aceeași valoare.
Pentru diminuarea impactului asupra mediului produs de transportul rutier se pot lua în considerare următoarele situații:
„nicio schimbare de politică" – strategia comunitară de reducere a emisiilor de CO2 provenite de la autoturisme și de îmbunătățire a eficienței consumului de combustibil rămâne neschimbată, în sensul că obiectivul comunității europene de 120 g CO2/km trebuie să fie atins prin punerea în aplicare combinată a celor trei piloni deja existenți ai strategiei, și anume acorduri voluntare din partea asociațiilor producătorilor de autoturisme pentru a ajunge la 140 g CO2/km până în 2008/2009, informarea consumatorilor prin etichetarea vehiculelor și măsuri fiscale pentru a promova eficiența consumului de combustibili;
„doar măsuri care vizează tehnologia vehiculelor" – obiectivul comunității europene în privința mediei de emisii aferente parcului de automobile noi a fost de 120 g CO2 / km până în 2012 și care se poate atinge doar prin îmbunătățiri aduse tehnologiei de fabricație a autoturismelor;
abordarea „integrată" – obiectivul comunității europene în privința limitării emisiilor de CO2 la 120 g/km pentru flota de automobile noi este realizat printr-o abordare integrată ce implică producătorii de autoturisme dar și alte părți interesate cum ar fi producătorii de anvelope, autoritățile competente din statele membre etc.
În România, politica în domeniul transporturilor urmărește alinierea continuă a sistemului național de transport la principiile Politicii Comunitare de Transport definite în Cartea Albă a transporturilor (cu actualizările aferente) și cerințele de dezvoltare durabilă a României. În calitate de membru efectiv al UE de la 1 ianuarie 2007, România a urmărit implementarea prevederilor aplicabile ale Deciziei Parlamentului European și ale Consiliului nr.1.692/1996/EC din 23 iulie 1996 privind liniile directoare comunitare pentru dezvoltarea rețelei transeuropene de transport, amendată prin Decizia nr. 1.346/2001, precum și a viitoarei rețele TEN-T pe teritoriul său definită prin Legea nr.203/2003 privind realizarea, dezvoltarea și modernizarea rețelei de transport de interes național și european, cu modificările ulterioare.
În acest context, prioritățile pe termen mediu stabilite prin Programul de Guvernare 2009 – 2012, precum și alte documente de politici publice și angajamente instituționale (strategii sectoriale, planuri naționale de dezvoltare, programe de dezvoltare) au fost, în principal:
modernizarea și dezvoltarea infrastructurilor de transport;
dezvoltarea și modernizarea mijloacelor și instalațiilor de transport în vederea îmbunătățirii calității serviciilor, siguranței circulației, securității, calității mediului și asigurarea interoperabilității sistemului de transport;
întărirea coeziunii sociale și teritoriale la nivel național și regional prin asigurarea legăturilor între orașe și creșterea gradului de accesibilitate a populației la transportul public, inclusiv în zonele cu densitate mică a populației și/sau nuclee dispersate;
creșterea competitivității în sectorul transporturilor, liberalizarea pieței interne de transport;
îmbunătățirea comportamentului transportului în relația cu mediul înconjurător, diminuarea impacturilor globale ale transporturilor (schimbările climatice) și reducerea degradării calității ambientale în mediul natural și urban.
Programul de stimulare a înnoirii Parcului auto național (programul “Rabla”) a fost instituit în baza O.U.G. nr. 217 din 4 decembrie 2008, a Ordinului nr. 89 din 10 februarie 2009 pentru aprobarea Instrucțiunilor privind modalitățile de aplicare a Ordonanței de urgență a Guvernului nr. 217/2008 și Ordinului nr. 148 din 03 iulie 2009 și a avut următoarele obiective:
diminuarea efectelor negative a poluării aerului asupra sănătății populației și a mediului în aglomerările urbane, ca urmare a emisiilor de gaze de eșapament de la autoturisme, cu nivel de poluare foarte ridicat;
încadrarea emisiilor în valorile limită admise la nivel european pentru aerul ambiental;
prevenirea formării deșeurilor ca urmare a abandonării autoturismelor uzate și atingerea țintelor prevăzute de aquis-ul comunitar de mediu privind recuperarea și reciclarea deșeurilor provenite din vehicule uzate.
Gazele emise din trafic contribuie atât la creșterea acidității atmosferei cât și la formarea ozonului troposferic, cu efecte directe și/sau indirecte asupra tuturor componentelor de mediu (vegetație, faună, sol, apă). Prezența metalelor grele în gazele de eșapament afectează calitatea solului și a apelor, starea de sănătate a florei și faunei. De asemenea, se produce poluarea solului cu diferite deșeuri (în special în locurile de parcare), cu produse petroliere provenite de la unele defecțiuni ale autovehiculelor precum și cu diferite substanțe provenite din accidente rutiere.
În scopul reducerii emisiilor din transporturi s-au organizat la nivelul întregii țări numeroase activități. În continuare sunt prezentate unele dintre măsurile adoptate în scopul reducerii acestora.
Reprezentanți ai Registrului Auto Român au efectuat controale în trafic, pentru verificarea emisiilor poluante și a stării tehnice a autovehiculelor. Pentru reducerea emisiilor datorate transportului, se utilizează autovehicule echipate cu sistem EURO III și EURO IV, motorină EURO III și EURO IV conform normelor europene, convectori catalitici.
Fig. 3.2. Emisiile standard ale autovehiculelor ( http://ecology.md/md/section.php?section=ecoset&id=6850#.VB2tP3jfqbE)
Situația ecologică a planetei noastre lasă de dorit. Aproximativ o treime din populația lumii trăiește în zone cu o concentrație maximă admisă de substanțe periculoase în aer.
Una din sursele majore de poluare a aerului în epoca civilizatiei actuale este transportul auto. Substanțele nocive emise în aer, inclusiv în urma transportului, reduc durata medie a vieții cu cîțiva ani. Conform statisticilor, în mediul rural, la sate și locuri în care utilizarea autovehiculelor este scăzută speranța medie de viață pentru oameni este cu 4-5 ani mai mare decât în orașe cu o industrie de automobile înfloritoare și în creștere.
Emisiile vehiculelor reprezintă gaze de evacuare, vapori de combustibil din rezervorul cu combustibil și carburator, gaze de carter, funingine, etc. Mai mult decât atât, există o dependență directă a volumului de poluanți atmosferici toxici de starea tehnică a autovehiculelor. Atunci când motorul funcționează în mod normal, substanțele periculoase nu trebuie să depășească rata admisibilă. Monoxidul de carbon standard nu trebuie să depășească 35% , oxidul de azot 21% și hidrocarburile 12%. Prin respectarea acestor norme de către toate mijloacele de transport auto s-ar putea reduce considerabil poluarea mediului înconjurător. Dar putem spune că respectarea standardelor în zilele noastre este o raritate și sectorul auto nu este o excepție.
Emisiile de poluanți rezultate în domeniul transporturilor au un impact negativ asupra solului, rezervoarelor de apă și plantelor. În ceea ce privește oamenii, emisiile în urma automobilelor duc la multe maladii. Cele mai frecvente sunt cancerul, bolile cardiovasculare și diferite maladii respiratorii. Astfel, în fiecare an, emisiile de gaze toxice duc la moartea a circa 300 de mii de persoane numai în Rusia.
Progresul înregistrat de industria auto precum și în alte domenii în curs de dezvoltare rapidă, desigur, este foarte important și binevenit, dar acum mai mult ca niciodată trebuie să acordăm o atenție deodebită protecției mediului înconjurător. Până când nu se va îmbunătăți starea și întreținerea tehnică a tuturor caracteristicilor necesare ale autovehiculelor, situația ecologică pe planeta noastră nu se va schimba. Este foarte important ca astăzi să începem cercetările științifice care vizează în special reducerea emisiilor de poluanți în atmosferă și să monitorizăm punerea lor în aplicare. Astăzi, din păcate, acest tip de cercetări nu este relevant. Puțini oameni acordă o atenție faptului că umanitatea a devenit un ostatic al industriei auto. Dar înțelegem perfect că situația ecologică creată la moment în multe țări, nu ne va lăsa să așteptăm mult timp și în curând necesitatea de a lua măsuri pentru a reduce emisiile provenite din transporturi va crește considerabil.
Pentru a elimina creșterea emisiilor toxice în urma vehiculelor este logic să presupunem că, în primul rând, trebuie să acordăm atenție emisiilor provenite în urma autocamioanelor, acestea aducând cele mai mari daune atmosferei din cauza cererilor mari. O mare parte din acest transport aparține statului și organizațiilor, care au mijloacele necesare pentru a avea grijă de îmbunătățirea situației ecologice.
Nu trebuie să uităm că starea ecologiei planetei noastre deocamdată se află în mâinile noastre. Să sperăm că îmbunătățirile în industria auto ne vor salva de influențele negative asupra mediului înconjurător, în ciuda nevoilor tot mai mari de transporturi auto.
4 PoluareA aerului – rezultat al dezvoltĂrii Și intensificĂrii transportului
4.1. Situație actuală și perspectivă
Evoluțiile din ultimile două decenii au arătat creșterea vulnerabilitățiilor societății cauzate de defectarea, distrugerea și/sau întreruperea infrastructurilor tehnologice (transporturi, energie, informatică, etc.) provocate de acte de terorism, dezastre naturale, neglijențe, accidente, activități criminale.
Se vor lua măsuri în următoarele direcții :
reducerea consumului de energie prin proiecte de modernizare a transportului feroviar de călători și marfă;
creșterea calității transportului în comun în vederea utilizării acestuia în detrimentul transportului cu mașini particulare;
extinderea transportului în comun prin noi trasee;
eficientizarea traficului și parcărilor;
mijloace de transport în comun pentru salariați, asigurate de către societățile economice beneficiare;
dezvoltarea mijloacelor de transport pe cale de rulare în cadrul transportului urban (tramvaie, troleibuze);
mărirea eficienței energetice a vehiculelor prin stabilirea de criterii minime de eficiență;
introducerea de normative care să susțină vehiculele cele mai eficiente și nepoluante;
utilizarea combustibililor gazoși și a biocarburanților în transporturi.
Pentru realizarea măsurilor de mai sus, o componentă esențială o reprezintă educarea populației în vederea acceptării și aplicării lor pe scară largă.
Strategia de securitate națională definește domeniile de interes major:
infrastructura de transport – în mod deosebit, construcția de autostrăzi și modernizarea rapidă a infrastructurii feroviare – și rețeaua de management a traficului;
infrastructura energetică;
infrastructura de comunicații;
managementul potențialului hidrografic și protecția împotriva inundațiilor;
sistemul bazelor militare.
Impactul social de mediu al transportului, indicator de dezvoltare durabilă al transportului, se exprimă prin numărul persoanelor care au decedat ca urmare a unui accident rutier. În perioada 1996 – 2007, conform datelor prezentate de Eurostat, acest număr a avut, în general, o evoluție fluctuantă dar, luând în considerare extremele intervalului de timp considerat, s-a înregistrat o descreștere a numărului de persoane decedate.
4.2. Calculul aerului minim și al produselor arderii perfecte a combustibililor solizi și lichizi
În condiții obișnuite, arderea combustibililor solizi este incompletă din punct de vedere mecanic (pe scurt: incompletă) și din punct de vedere chimic (pe scurt: imperfectă). Calculul cantităților de aer și a produselor arderii se face în ipoteza că arderea este completă și perfectă însă debitul de combustibil se micșorează cu cota q4, cotă care reprezintă pierderea relativă de căldură datorată arderii incomplete.
La arderea a 1 kg de combustibil solid a cărui compoziție elementară este cunoscută și dată sub forma:
(4.1)
cantitatea minimă de oxigen necesară arderii perfecte este:
m3N/kg] (4.2)
respectiv cantitatea minimă de aer este:
m3N/kg] (4.3)
Arderea în focare se realizează cu un coeficient de excedent de aer:
(4.4)
în care L reprezintă cantitatea de aer reală introdusă în focar pentru arderea a 1 kg de deșeuri municipale. Valoarea coeficientului de excedent de aer λ depinde de tipul grătarului, de modul de introducere a aerului, de granulația deșeurilor, de tipul focarului etc. În general λ = 1,4 … 1,6 pentru focarele obișnuite cu grătare mecanice, dar poate avea valori mai mici în cazul focarelor cu ardere în strat fluidizat sau sub formă de praf ( λ = 1,3 … 1,35 ) .
Produsele arderii perfecte sunt:
cantitatea de dioxid de carbon:
m3N/kg] (4.5)
cantitatea de dioxid de sulf:
m3N/kg] (4.6)
cantitatea de oxigen liber:
m3N/kg] (4.7)
cantitatea de azot:
m3N/kg] (4.8)
cantitatea de vapori de apă:
m3N/kg] (4.9)
în care: d = 10 g/kg este conținutul mediu anual de umiditate care revine la 1 kg de aer uscat pentru condițiile din România;
ρ0aer = 1,293 kg/m3N este densitatea aerului uscat în condiții normale, iar
ρ0H2O = 0,804 kg/m3N este densitatea vaporilor de apă în condiții normale.
Însumând se obține:
cantitatea de gaze uscate:
m3N/kg] (4.10)
cantitatea de gaze totală (cunoscute în literatură și ca gaze umede):
m3N/kg] (4.11)
4.3. Calculul aerului minim și al produselor arderii perfecte a combustibililor gazoși
În cazul combustibililor gazoși compoziția acestora este definită prin participarea volumică a componentelor. La arderea a 1 m3N de combustibil gazos a cărui compoziție elementară este cunoscută și dată sub forma:
(4.12)
cantitatea minimă de oxigen necesară arderii perfecte este:
m3N/m3N] (4.13)
respectiv cantitatea minimă de aer este:
m3N/m3N] (4.14)
și
m3N/kg] (4.15)
Produsele arderii perfecte cu λ > 1 vor fi:
cantitatea de dioxid de carbon:
m3N/m3N] (4.16)
cantitatea de oxigen:
m3N/m3N] (4.17)
cantitatea de azot:
m3N/m3N] (4.18)
cantitatea de vapori de apă:
m3N/m3N] (4.19)
Ca mai înainte, produsele arderii se pot grupa în gaze uscate și gaze totale.
Concluzie
Arderea deși contribuie la generarea de energie termică dorită și necesară ca sursă primară în numeroase aplicații inclusiv în sistemele de transport dependente de motoarele cu adere internă, produce implicit și inevitabil și poluare/produse poluante, funcție de tipul combustibilului, tipul arderii, regimul de lucru, etc., nemaivorbind de emisia de CO2, gaze cu efect de seră pe lângă vaporii de apă.
5. Ce trebuie monitorizat pentru a dovedi calitatea aerului?
5.1. Poluanții majori
Ecologia studiază raporturile pe care organismele le întrețin cu mediul care le înconjoară. Termenul de ecologie provine din limba greacă și ar desemna în accepțiunea sugerată de etimologia sa studiul habitatelor, al locuințelor de trai. Totuși, încă de la prima sa utilizare (plasată îndeobște la 1866), el desemnează de asemenea și studiul relațiilor dintre viețuitoare.
Mediul înconjurător reprezintă totalitatea factorilor naturali și a celor artificiali creați prin acțiuni umane care, în strânsă interacțiune, influențează echilibrul ecologic, determinând condițiile de viață pentru om și dezvoltarea societății. În Legea Protecției Mediului pentru România se indică: "mediul este ansamblul de condiții și elemente naturale ale Terrei: aerul, apa, solul și subsolul, toate straturile atmosferice, toate materiile organice și anorganice, precum și ființele vii, sistemele naturale în interacțiune cuprinzând elementele enumerate anterior, inclusiv valorile materiale și spirituale".
Mediul are deopotrivă un sens topografic (locul sau biotopul) și mai ales, un sens funcțional, pe care-l imprimă factorii energetici (căldura, radiațiile), trofici (apa și resursele nutritive) și mecanici (ploaia, vântul).
Unitatea de bază a ecologiei este ecosistemul. Acesta reprezintă ansamblul de acțiuni reciproce ce se petrec între numeroase ființe și mediul lor sau, altfel spus, un angrenaj de relații ce se stabilesc între lumea vegetală și animală sub oblăduirea acelorași factori fizici oferiți de mediu. În sens mai larg, prin ecosistem se înțelege complexul dinamic de comunități de plante, animale și microorganisme și mediul lor lipsit de viață care interacționează într-o unitate funcțională.
Structura ecosistemului este caracterizată de patru mari componente, și anume:
-componenta abiotică, reprezentată de resursele energetice și trofice ale mediului;
-componenta producătoare de materie organică;
-componenta consumatoare de materie organică (animalele vegetariene și carnivore);
-componenta formată din microflora și microfauna solului, care descompune și mineralizează deșeurile organice.
Un ecosistem natural este echilibrat. Trebuie însă observat că ecosistemele sunt guvernate de mecanisme cu o stabilitate labilă, capabile să reziste prin autoreglare, atât la schimbările minore ale mediului cât și la variațiile numărului și modificărilor structurale ale populației. Aceste autoreglări au însă limite peste care nu se mai poate trece fără ca ecosistemul să nu se modifice substanțial sau chiar să se prăbușească.
Atunci când condițiile noi depășesc limitele între care oscilează schimbările obișnuite, echilibrul dinamic al ecosistemelor este rupt, cel mai adesea ireversibil și cu efecte imprevizibile. Catastrofele naturale și, mai ales, activitatea umană (surse antropice) produc ecosistemelor cele mai profunde tulburări.
Progresul tehnic aduce cu sine, alături de atâtea minunate realizări, numeroase neajunsuri și o multitudine de substanțe poluante care amenință cu distrugerea mediului înconjurător.
Orice substanță rezultată din procese chimice, fizice și biologice, care, răspândită în mediul ambiant, dăunează organismelor vii, bunurilor materiale, operelor de artă și peisajului se numește substanță poluantă.
Poluantul este deci o substanță solidă, lichidă, gazoasă sau sub formă de energie (radiație electromagnetică, ionizantă, termică, fonică sau vibrații) care, introdusă în mediu, modifică echilibrul constituenților acestuia și a organismelor vii și aduce daune bunurilor materiale. Cuantificarea efectelor activității umane și a proceselor naturale asupra mediului, a sănătății și securității omului, precum și a bunurilor de orice fel se realizează prin evaluarea impactului asupra mediului. Prin prejudiciu se înțelege efectul cuantificabil în cost al daunelor asupra sănătății oamenilor, bunurilor sau mediului provocat de poluanți, activități dăunătoare sau dezastre.
În urma deteriorării mediului se produce alterarea caracteristicilor fizico-chimice și structurale ale componentelor naturale ale mediului, reducerea diversității și productivității biologice a ecosistemelor naturale și antropizate, afectarea echilibrului ecologic și a calității vieții cauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei și solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea și valorificarea lor deficitară, ca și prin amenajări necorespunzătoare ale teritoriului.
Sursele poluării permanente sunt foarte diversificate și numai simpla lor înșiruire, fără pretenția de a fi exhaustivă, arată pericolul la care este supusă și expusă omenirea.
Astfel, fabricile de îngrășăminte chimice emit importante cantități de oxizi de sulf, oxizi de azot, acizi ai fosforului, fabricile de sodă emit clor, fabricile de aluminiu emit fluor, fabricile de ciment emană praf, rafinăriile emană hidrocarburi și dioxid de sulf, combinatele de metalurgie neferoasă emit oxizi de sulf, compuși ai metalelor grele, oxizi de azot etc.
Gazele, evacuate pe coșurile de fum ale instalațiilor de ardere conțin, de asemenea, importante cantități de oxizi de sulf, oxizi de azot, monoxid și dioxid de carbon, praf de cenușă, etc.
Chiar și prin canalul de fum al coșurilor imobilelor de locuit sunt emise importante substanțe poluante. Amploarea și primejdia acestor emisii se explică, pe de o parte, prin aceea că emisiile de fum se fac la mică înălțime și deci dispersia lor în aer este slabă iar, pe de alta parte, prin conținutul relativ ridicat de hidrocarburi grele și gudroane, explicabil prin temperaturile mici la care se desfășoară procesele de ardere.
La toate acestea se adaugă noxele evacuate în aer odată cu gazele eșapate de autovehicule și anume: monoxid și dioxid de carbon, oxizi de azot, aldehide, acid clorhidric și bromhidric, acid sulfuric și azotic, combinații ale plumbului, etc. Cantitatea acestora este deosebit de mare în acest secol al civilizației și depășește, în multe regiuni, pe cea emisă de instalațiile de ardere staționare.
5.2. Efectele nocive ale poluanților
Orice substanță sau produs care folosit în cantități, concentrații sau condiții aparent nepericuloase, prezintă risc semnificativ pentru om, mediu sau bunurile materiale (deci pot fi explozive, oxidante, inflamabile, toxice, nocive, corozive, iritante, mutagene sau radioactive) se desemnează drept substanță periculoasă. Prin STAS 12574–1987 se stabilesc concentrațiile maxime (medie lunară sau anuală) admise ale unor substanțe poluante în aerul din zonele protejate.
Din punct de vedere ecologic, există deosebiri destul de importante între diverse categorii de poluanți. Astfel, se deosebesc:
– noxe care dăunează direct organismului uman, ca de exemplu oxizii de azot (NOx), oxizii de sulf (SOx), monoxidul de carbon (CO), precum și unele metale grele;
– noxe care acționează direct asupra vegetației, ca de exemplu dioxidul de sulf (SO2) și combinațiile dintre Cl și H2;
– noxe care stau la baza formării de acizi, ca de exemplu SO2, SO3, NO și NO2, ce determină formarea ploilor acide și distrugerea pădurilor (Waldsterben);
– noxe persistente în soluri care, în cadrul lanțului biologic plantă-animal-om, se acumulează și devin astfel nocive organismului uman, așa cum este cazul metalelor grele;
– noxe care devin factori de influență ai climei, ca de exemplu CO2 și N2O, precum și factori importanți în declanșarea efectului de seră al pământului sau contribuie la distrugerea stratului natural de ozon.
Se face observația că prin atmosferă se înțelege masa de aer care înconjoară suprafața terestră, incluzând și stratul de ozon.
5.2.1. Efectele nocive ale oxizilor de sulf
Din oxidarea sulfului combustibil, cea mai mare parte (peste 95%) se transformă în SO2, restul în SO3. Conversia SO2 în SO3 are loc în flacără, în cazul unui exces mare de oxigen, dar și pe traseul gazelor, în prezența oxizilor de vanadiu și chiar de fier, care joacă rol de catalizator, mai ales la temperaturi de peste 800°C (1073 K).
Evacuat în atmosferă, dioxidul de sulf (SO2) reacționează în proporție de (1 – 2) 0/00/h cu oxigenul, sub acțiunea radiațiilor ultraviolete solare (ruv), dând naștere anhidridei sulfuroase (SO3), conform relației:
2 SO2 + O2 + ruv = 2 SO3 (5.1)
Aceasta, la rândul ei, se combină cu vaporii de apă din atmosferă și formează acidul sulfuric.
SO3 + H2O H2SO4 (5.2)
În perioadele de ceață și în zilele foarte umede se atinge un grad de transformare de până la 15,7 %.
Dioxidul de sulf reprezintă o substanță toxică, care atrage atenția prin mirosul și acțiunea iritantă asupra mucoaselor, provocând spasm și contracția mușchilor căilor respiratorii superioare. În concentrații ridicate, SO2 provoacă iritație și senzație de arsură asupra mucoaselor respiratorii și conjunctivale, tuse, tulburări ale respirației, spasm glotic, senzație de sufocare, etc.
Prezența oxizilor de sulf în mediul ambiant se manifestă atât prin leziuni directe ale plantelor, cât și prin modificarea compoziției apei și solului. Astfel SO2, în concentrație mare, distruge clorofila din frunze, acțiunea sa amplificându-se prin sinergism cu NO2. Expunând frunze de diferite plante într-o atmosferă de NO2, în concentrație de 2 ppm și separat, într-o atmosferă cu SO2 în concentrație de 0,7 ppm, după 4 ore, nu s-a observat nici o schimbare morfologică în structura frunzelor. Expunând însă aceleași frunze într-o atmosferă cu ambele noxe dar într-o concentrație individuală mult mai mică decât în primul caz(0,1 ppm pentru fiecare gaz), s-a observat o continuă modificare a țesutului frunzelor.
Tabelul 5.1: Efectele nocive ale anhidridei sulfuroase (SO2) în aer, la diferite concentrații.
Oxizii de sulf, respectiv acizii sulfuros și sulfuric, care rezultă prin hidratarea acestora, determină fenomene de coroziune, decolorarea materialelor colorate, reducerea elasticității și rezistenței pentru unii compuși organici (amine, polimeri, textile etc.), unele materiale de construcție și unele tipuri de cabluri electrice.
Tabelul 5.2: Efectele unor poluanți asupra omului.
Oxizii de sulf, alături de cei de azot, sunt astăzi considerați principalele cauze ale ploilor acide, care cauzează distrugerea pădurilor, pe suprafețe îngrijorător de mari. Modificările în compoziția apei și a solului au ca rezultat tulburări de dezvoltare a plantelor, o scădere a producției de masă lemnoasă respectiv a producției și calității fructelor, cu întregul cortegiu de consecințe economice și de altă natură, ultimele manifestate prin lanțul trofic plantă – animal – om.
5.2.2. Acțiunea toxică și corozivă a oxizilor de azot
Din cantitatea totală de NOx, peste 95 % este sub formă de monoxid de azot (NO) și doar restul sub formă de dioxid de azot (NO2). Eliminat în atmosferă, NO, în prezența oxigenului din aer și sub acțiunea razelor ultraviolete (ruv), se transformă, destul de repede, în NO2, care este foarte toxic. În anumite condiții, NO2 împreună cu H2O formează acidul azotic, HNO3 .
Prin agresivitatea și toxicitatea lor, oxizii de azot și acidul azotic sunt extrem de periculoși pentru mecanismul biologic uman. Ei atacă căile respiratorii, mucoasele, transformă oxihemoglobina în metahemoglobină, ceea ce poate duce la paralizii. O expunere mai îndelungată la acțiunea oxizilor de azot chiar și la concentrații foarte mici de numai 0,5ppm, slăbește organismul uman, sensibilizându-l foarte mult față de infecțiile bacteriene. Această influență este mai evidentă asupra sănătății copiilor.
Toxicitatea oxizilor de azot crește foarte mult prin sinergism cu alte substanțe toxice, așa cum s-a arătat anterior.
Acidul azotic, determină apariția mai multor tipuri de coroziune. El atacă construcțiile metalice, provocând distrugerea lor. El formează azotați cu diferiți cationi prezenți în atmosferă. Aceștia au o acțiune corozivă asupra cuprului, alamei, aluminiului, nichelului, etc., distrugând rețele electrice, telefonice, etc. Astfel de procese pot avea loc chiar la concentrații foarte mici ale oxizilor de azot în atmosferă (0,08ppm).
Caracterul puternic oxidant și nitrurat al oxizilor de azot și acidului azotic este principala cauză a distrugerii de către aceștia a maselor plastice, lacurilor, vopselelor, utilizate ca materiale de protecție la instalații și construcții industriale.
Este dovedită acțiunea NOx asupra unor materiale speciale de construcție din grupa carbonaților, ca de exemplu marmura. Oxizii de azot pătrund prin microfisurile din aceste materiale, formează acolo nitrați, care, prin cristalizare, măresc fisurile, provocând distrugerea construcției.
Recent se acordă deosebită atenție și compusului N2O (protoxidul de azot). Deși se cunosc efectele sale nocive, nu s-a promulgat încă, în nici o țară, o legislație privind emisiile de N2O, pentru protejarea mediului ambiant. N2O este un gaz stabil care se descompune de abia la 600°C în elementele N2 și O2. În troposferă, deci până la circa. 10 km deasupra pământului, se comportă ca și un gaz inert.
Experimental s-a dovedit însă că măsurile primare și secundare, aplicate industrial pentru scăderea concentrației de NOx în gazele de ardere, sunt totdeauna însoțite de o producție de emisii secundare, nedorite, ca CO, N2O, NH3. Acest fenomen este un semnal de alarmă și își aduce o contribuție de până la 10 % la creșterea anuală a concentrației de N2O (protoxidul de azot) în troposferă (circa 0,2 %). Alte surse generatoare de N2O sunt: fenomenele naturale din pădurile tropicale și apele oceanelor, procesele de nitrificare-denitrificare determinate de îngrășămintele chimice, industria chimică și vehiculele rutiere.
Efectul nociv al N2O este dublu. Întâi se amintește contribuția N2O la efectul de seră. N2O absoarbe spectre caracteristice în domeniul razelor ultraviolete (ruv), emise de pământ. Spectrul în domeniul 1618 µm se suprapune peste spectrul de absorbție al CO2. În general, contribuția noxei N2O la încălzirea atmosferei terestre este de circa 4%.
Al doilea, și de fapt cel mai nociv efect al N2O, este contribuția sa la distrugerea păturii protectoare de ozon din stratosferă (1050 km deasupra pământului). N2O face parte din categoria gazelor inerte în troposferă, dar nocive în stratosferă, datorită efectului său catalitic în cadrul unor reacții fotochimice ce dezvoltă radicali activi care atacă pătura de ozon. Fenomenul este puternic accentuat de faptul că durata de viață a N2O este deosebit de mare (până la 180 ani). În stratosferă se absorb ruv cu lungimea de undă între 200 nm și 242 nm de către moleculele de O2. Rezultă disocierea acestora și producerea de ozon O3.
ruv + O2 O + O (5.3)
O + O2 + M O3 + M (5.4)
ruv + 3O2 2 O3 (5.5)
unde M este un partener de activare. Ozonul astfel format absoarbe ruv în domeniul 200340 nm și se descompune în oxigen molecular și atomic, în cadrul fotolizelor. Dacă însă lungimile de undă sunt mai mici decât 310 nm, se formează oxigenul singular, în stare activată (O*):
ruv + O3 O* + O2 (5.6)
O* ataca apoi N2O, rezultând protoxidul de azot activat (NO*):
N2O + O* NO* + NO* (5.7)
Urmează reacția catalitică în care NO* atacă ozonul:
NO* + O3 NO2 + O2 (5.8)
NO2 + O NO* + O2 (5.9)
O3 + O O2 + O2 (5.10)
Acesta este ciclul JohnstonCrutzen de distrugere a stratului de ozon. Ozonul este atacat și de alți radicali ca de exemplu hidrocarburi pe bază de fluor și/sau clor. Cel mai important catalizator, ce contribuie cu aproximativ 25% la distrugerea stratului de ozon, este radicalul NO*, produs din descompunerea protoxidului de azot (N2O).
5.2.3. Acțiunea toxică a oxizilor de carbon
Oxidul de carbon este unul dintre toxicii cu mare răspândire atât în mediul industrial cât și în mediul urban. Oxidul de carbon pătrunde în sânge datorită următoarelor proprietăți fizico-chimice: densitate apropiată de cea a aerului, difuzibilitate mare și afinitate ridicată a hemoglobinei pentru CO(de 210 ori mai mare comparativ cu O2). Efectul principal este intoxicația. Primele semne de intoxicație cu oxid de carbon sunt cefaleea, oboseala și amețeala. Alte simptome sunt: anorexia, greața, apatia, insomnia, tulburări de memorie și personalitate.
Dioxidul de carbon este toxic numai în concentrații foarte mari (peste 5000 ppm). CO2 influențează clima prin efectul de seră creat asupra pământului, contribuția care-i revine fiind apreciată la circa 50%. Până în prezent nu există soluții tehnico-economice de combatere a emisiilor de CO2. Singura soluție fezabilă este accentuarea creșterii eficienței la producerea, transformarea și utilizarea energiei termice sau exploatarea energiei nucleare și a altor surse de energie neconvențională. Pentru anul 2000, pe plan mondial, se tindea să se limiteze emisia de CO2 la nivelul celei din 1990.
Din fericire, procesul de asimilare clorofiliană (fotosinteza) folosește CO2 expirat de ființele vii sau eliminat de industrie, dând naștere la glucide și oxigen:
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 (5.11)
5.2.4.Acțiunea toxică a clorului și fluorului
Clorul și fluorul reacționează de asemenea cu vaporii de apă din aer, formând acid clorhidric, respectiv fluorhidric. Aceste produse, în cazul în care depășesc concentrațiile limită, devin un pericol iminent, care poate da naștere la calamități de mari proporții.
Clorul are acțiune nocivă datorită proprietății sale iritante. El acționează de obicei împreună sau prin intermediul acidului clorhidric, care se prezintă fie în stare lichidă, fie în stare de vapori. Aceștia exercită o acțiune puternic iritantă asupra mucoaselor, putând provoca hemoragii, bronhospasm marcant sau edem pulmonar. Fluorul contribuie și el la distrugerea stratului de ozon din jurul pământului.
5.2.5. Efectele nocive ale prafului de cenușă
Cenușa zburătoare, eliminată prin coșul de fum al instalațiilor de ardere, praful de cenușă fin, antrenat de vânt din haldele de depozitare a cenușii și praful de cărbune provenit din haldele de cărbune sau din transportul și prepararea acestuia, constituie împreună o noxă solidă care se găsește și sub formă de aerosoli.
În cazul în care cenușa are un conținut foarte redus de metale grele (Cr, Ni, Cd, As, Pb), aerosolii formați sunt netoxici. Sub aspect nociv, aceștia prezintă importanță numai atunci când particulele au dimensiuni mari. În acest caz, ele pot irita mucoasele oculare și cele ale căilor respiratorii.
Mai importantă este activitatea de vehiculare a gazelor nocive și de înlesnire a exercitării efectelor periculoase ale acestora, la distanțe foarte mari de locul de emisie. Un asemenea exemplu îl constituie cazul monoxidului de carbon, care poate să ajungă la distanțe foarte mari de locul unde a fost emis, numai purtat de praful de cenușă. Dacă nu ar fi fost purtat de praf, ar fi reacționat ușor în apropierea sursei de emisie.
Cenușile murdăresc și degradează mediul ambiant, se depun pe vegetație, clădiri, străzi și dau un aspect neplăcut.
Aerosolii toxici constituie categoria de poluanți care au cele mai nocive efecte. Din fericire, cenușile conțin arareori Pb, Fl, As. Aerosolii toxici sunt constituiți din hidrocarburile policiclice aromatice, rezultate ca produse ale arderii incomplete și imperfecte a combustibililor. Acestea se condensează sub formă de picături foarte fine și plutesc în aer. Asemenea aerosoli sunt foarte periculoși datorită acțiunii cancerigene a hidrocarburilor.
5.3. Pragul de nocivitate
Cercetările în acest domeniu au urmărit să stabilească limita (granița) tolerabilă a poluanților în aer în condițiile protejării sănătății oamenilor. S-a ajuns la concluzia că impurificarea atmosferei poate determina trei riscuri:
a) toxicitatea imediată, datorată expunerii la concentrații relativ ridicate ale poluanților. Aceste cazuri sunt mai puțin întâlnite și se datorează unor situații excepționale, ca de exemplu apariția unor accidente în funcționarea instalațiilor industriale;
b) intoxicarea pe termen mai lung, care apare în cazul expunerii la substanțe cu proprietăți cumulative, ele fiind reținute în organism în stare activă un timp oarecare. Absorbția repetată a micilor doze din aceste substanțe și eliminarea lor greoaie creează premisele atingerii pragului de concentrație toxică la nivelul receptorilor sensibili. Este cazul metalelor (plumb, mercur, cadmiu), a fluorului dar și a anhidridei sulfuroase și acidului sulfuric, susceptibile de a contribui la apariția bronșitelor cronice;
c) inducția proliferărilor maligne, care rezultă din expunerea la substanțe considerate cancerigene sau potențial cancerigene. Intre aceste substanțe se numără substanțele aromatice: dimetilaminobenzenul, dimetilaminostilbenul, benzospirenul (provenit mai ales de la motoarele diesel prost reglate) sau dietilnitrosamina. Alături de aceste hidrocarburi, o acțiune similară pot declanșa derivații arsenului, cobaltului, zincului, plumbului și cromului.
Trebuie remarcat că nu numai factorul concentrație este esențial pentru mediul ambiant, ci și alte condiții, printre care se amintesc cele meteorologice și acțiunile sinergetice ale poluanților la care se adaugă stările fiziologice și variațiile individuale de sensibilitate ale ființei umane.
Condițiile de calitate al aerului atmosferic sunt stabilite în România prin STAS 12574/87 [38] astfel încât concentrațiile maxime admise ale poluanților să depășească pragul de nocivitate și să se protejeze populația, flora și fauna din zona înconjurătoare centralelor termice și nu numai împotriva efectelor nocive ale acestor substanțe.
În Tabelul 5.3 sunt prezentate valorile medii pe scurtă și lungă durată ale concentrațiilor maxime admise (imisiilor) pentru substanțele poluante specifice centralelor termoelectrice, luate individual.
Tabelul 5.3: Valori medii pe scurtă și lungă durată ale concentrațiilor maxim admise (imisiilor) pentru substanțele poluante specifice centralelor termoelectrice.
În cazul prezenței simultane a mai multor substanțe poluante, așa cum se întâmplă în realitate, la stabilirea concentrației maxime admise trebuie să se ține seama de efectul sinergetic al acestora.
În lipsa unor date concrete se recomandă respectarea inegalității:
(5.12)
în care:
Ci – este concentrația substanței poluante în aer, în mg/Nm3;
Ci max – concentrația maxim admisă pentru substanța poluantă în aer, în mg/Nm3;
După cum se cunoaște, prin Ordinul Nr. 592 din 25 iunie 2002 s-au înlocuit parțial prevederile din STAS 12574/1987 privind condițiile de calitate ale aerului din zonele protejate în vederea alinierii acestora la prevederile UE.
5.4. Emisiile- Metode standard de măsurare
5.4.1. Metode de măsurare a emisiilor
5.4.1.1. Noțiuni introductive. Definiții
În domeniul protecției aerului împotriva agenților poluanți se folosesc curent noțiunile de emisie, transmisie, imisie, emitent și acceptor.
Noțiunea de emisie descrie fenomenul evacuării unor impurități în atmosfera liberă. Locul unde se produce emisia se consideră drept emitent.
Noțiunea de transmisie descrie distribuția (dispersia) spațială a impurităților în atmosfera liberă, sub acțiunea unor fenomene motrice și a unor efecte fizice și chimice.
Prin imisie se ințelege receptarea de către un acceptor a impurităților din atmosferă.
Corelat cu aceste definiții, se deosebesc noțiunile de măsurare a emisiilor și a imisiilor, adică determinarea concentrațiilor acestora. În prima situație se efectuează măsurători direct la emitent, în al doilea caz la receptor, la mai mult de 50 m distanță de emitent.
În general, măsurarea emisiilor este complementară celei de determinare a parametrilor funcționali, fiind un indicator al corectitudinii în funcționarea instalațiilor de ardere.
Concentrațiile emisiilor și imisiilor au, în general, valori mici. Ele se măsoară și sunt indicate prin participări volumice în părți per milion "ppm" (1 ppm = 10-4 %) și părți per bilion "ppb" (1 ppb = 10-7 %), respectiv prin participări masice în mg/m3 sau µg/m3, raportate la condiții concrete (normale) de presiune și temperatură sau alți parametri ca de exemplu concentrația de oxigen normată de referință.
Pentru O2 și CO2 se folosește indicarea concentrației prin participarea lor volumică, în % volumice.
Sursele de emisie sunt naturale (se produc în urma unor circuite naturale existente pe planetă) și antropice (sunt rezultatul acțiunii umane). Se consideră(istoria catastrofelor ecologice a demonstrat-o) că, de cele mai multe ori, emisiile antropice sunt mult mai periculoase și mai importante față de cele naturale.
Lupta ecologiștilor se îndreaptă în special spre combaterea și/sau restrângerea surselor antropice și restabilirea echilibrului natural.
În prima fază se determină componentele gazoase și conținutul de particule solide din emisii. Acestea se evaluează, așa cum s-a indicat mai sus, prin măsurarea concentrațiilor. În cazul emisiilor sunt importante și debitele masice emise. Pentru imisii sunt uzuale determinarea depunerilor (depozitelor).
Impuritățile reziduale lichide sau solide având mărimea de câțiva µm sau mai mici se numesc aerosoli. Ele reprezintă în general o măsură a gradului de impurificare a atmosferei prin acțiunea surselor poluante antropice și naturale.
Foarte des folosit, în situații critice, este termenul de smog. Această noțiune provine din combinarea a două cuvinte englezești smoke (fum) și fog (ceață).
Smogul se formează prin interacțiunea umezelii atmosferice relativ înalte (ceața) cu dioxidul de sulf și particule, în special aerosoli. Dioxidul de sulf se va oxida formând trioxidul de sulf și apoi se va dizolva în apă, formând acidul sulfuric. Particulele solide acționează drept catalizatori. Se fac deosebiri între smogul londonez și cel californian.
Tehnicile de măsurare (investigare) pot fi continue, respectiv discontinue, în funcție de scopul măsurătorilor. În cazul măsurătorilor continue se inregistrează dependența de timp a valorilor măsurate. Pentru măsurătorile discontinue se vor determina valori medii, reprezentative pentru intervalul de timp în care s-a măsurat.
De asemenea se folosesc termenii de tehnică de măsurare on-line, situație în care analiza decurge direct la fața locului, respectiv of-line, situație în care mostra colectată la locul de analiză este prelevată, păstrată și transportată pentru a fi investigată ulterior într-un laborator specializat.
Importanța tehnicii de măsurare directe a probei proaspete, nealterate, se va evidenția prin exemplificarea erorii de măsurare (artefact), înregistrată cu ocazia primelor măsurători ale concentrației protoxidul de azot (N2O).
În 1988 s-a pus problema posibilei formări a protoxidului de azot în timpul denoxării gazelor de ardere, provenite din instalațiile de ardere staționare și nestaționare. Având în vedere că tehnica de măsurare existentă nu a permis analizarea on-line a probei de gaze de ardere, s-a procedat la captarea probelor de gaz în recipiente. Acestea erau transportate în laborator unde exista o dotare corespunzătoare cu aparate de măsură. În primii ani de cercetare, s-au efectuat analizele în laborator după mai multe ore sau chiar zile de la colectarea probelor.
Lucrând în acest mod, s-au obținut concentrații foarte ridicate de N2O, rezultate ce au înspăimântat lumea științei, cunoscut fiind faptul că protoxidul de azot este un gaz ce contribuie la distrugerea păturii de ozon și, de asemenea, are efect de seră. O sursă antropică puternică de N2O (așa cum s-a crezut inițial), creată prin evacuarea gazelor de ardere denoxate, suplimentară celei naturale (legată de fenomene din pădurile tropicale și din oceane), ar fi condus în timp la o catastrofă ecologică.
Ce s-a întâmplat de fapt? În decursul intervalului dintre colectarea probei și analizarea ei, în recipient s-au creat condiții favorabile pentru desfășurarea următoarelor reacții, prin intermediul componentelor SO2 și H2O, existente în mod obișnuit în gazele de ardere:
2 NO + O2 2 NO2 (5.13)
2 NO2 + H2O + H2SO3 HNO + HNO3 + H2SO4 (5.14)
2 HNO N2O + H2O (5.15)
Se observă că, prin păstrarea probei în condiții improprii un interval de timp și amânarea analizei, s-a favorizat formarea de N2O, cantitatea apărută suplimentar fiind cu mult mai mare decât cea existentă în proba inițială de gaze ce trebuia analizată, așa cum era ea în realitate.
Eroarea este astăzi cunoscută și poate fi evitată sau controlată doar printr-o analiză on-line sau o pregătire și păstrare corespunzătoare a probei, în condiții speciale. În cazul analizat s-ar impune fie o analiză la locul de prelevare, fie extragerea dioxidului de sulf și a umezelii din probă, înainte ca ea să fie analizată.
5.4.1.2. Principii de măsurare a noxelor gazoase
În Tabelul 5.4 se indică o imagine de ansamblu asupra principalelor metode de măsurare a impurităților gazoase.
În continuare, se exemplifică componentele emisiei din instalațiile de ardere care trebuiesc măsurate, în corelație cu normele restrictive privind nivelul maxim admis al emisiilor, așa cum prevăd legile privind protecția mediului elaborate în țările civilizate, situate pe o anumită treaptă de dezvoltare industrială.
Componentele din gazele de ardere, ale căror concentrație trebuie măsurată, sunt în primul rând legate de calitatea arderii (O2, CO2, CO, H2O, H2SO4 pentru stabilirea punctului de rouă) și de produsele arderii imperfecte (CO, CmHn, suma alchenelor și alchinelor, substanțe aromate, aldehide, emisii mirositoare, funingine).
Alături de acestea mai trebuie determinată concentrația compușilor pe bază de sulf (SO2, SO3, H2S), pe bază de azot (NOx, NO, NO2, NH3) și a altor substanțe gazoase anorganice (Cl2, HCl, F2, HF).
Tabelul 5.4. Principalele metode de investigare a impurităților gazoase din atmosferă.
Emisiile sub formă de praf și aerosolii se determină atât cantitativ cât și calitativ, adică atât natura cât și compoziția lor.
Se impune să se măsoare și concentrația metalelor grele din gazele de ardere (V, Ni, Cd, Hg, Pb), precum și calitatea compușilor organici pe care îi leagă.
Metodele de măsurare au fost materializate prin concepția și construcția unei game largi de aparate, care se realizează în producție de serie în țări industrializate, ca de exemplu Germania, SUA, Franța, în directă corelație cu rigurozitățile impuse prin lege în ceea ce privește nivelul maxim admis al emisiilor, pe de o parte, respectiv cu stadiul de dezvoltare al tehnologiilor de ardere nepoluantă (curată) și de curățire a gazelor de ardere, pe de altă parte.
5.4.1.3. Metode de măsurare a noxelor gazoase
a)Fotometria
Generalități
În cazul fotometriei se folosește proprietatea moleculelor de a absorbi anumite lungimi de undă a radiației din domeniul infraroșu (IR), vizibil (VIS) sau ultraviolet (UV), furnizându-se astfel un semnal detectabil, proporțional cu concentrația acestor molecule.
Radiația din domeniul UV și VIS activează tranzițiile electronilor de pe diferite nivele de valență, pe când radiația din domeniul IR produce cu precădere intensificări ale mișcării de vibrațierotație ale moleculelor.
Datorită caracterului discontinuu al nivelelor energetice electronice de vibrațierotație, moleculele din noxele gazoase absorb radiația incidentă numai în anumite domenii de energie, cu anumite lungimi de undă specifice fiecărei molecule, numite benzi de absorbție.
Intensitatea radiației incidente este diminuată prin absorbție și poate fi recepționată, comparativ cu cea emisă inițial de sursă ca și semnal.
Sunt reprezentate și câteva din benzile de absorbție în IR, caracteristice unor molecule întâlnite mai frecvent în noxele gazoase.
Lungimile de undă corespunzătoare sunt:
IR 1 000 10 000 nm,
VIS 400 800 nm,
UV ca. 200 400 nm.
Un spectrofotometru se compune în principal dintr-un element ce emite radiații, ce traversează o chiuvetă, care conține amestecul gazos (ce cuprinde și gazul de concentrație necunoscută), ce trebuie analizat. În final, radiațiile, modificate prin absorbție în gazul al cărui concentrație trebuie determinată, vor fi recepționate de receptor.
Fig. 5.1: Forme de activare specifice diferitelor lungimi de undă și selecțiuni din gama benzilor de absorbție din IR.
La baza fotometriei stă legea Lambert-Beer:
(5.16)
sau, prin logaritmare, se obține relația liniară:
(5.17)
unde: I0 – intensitatea radiației incidente (inițiale);
intensitatea radiației la ieșirea din chiuvetă;
coeficientul molar de extincție (dependent de lungimea de undă);
concentrația gazului;
grosimea stratului (din chiuvetă);
extincția gazului ce absoarbe.
Suplimentar, se definește E0 ca valoare de referință a extincției, pentru situația în care scăderea intensității luminii incidente se datorează existenței în chiuvetă a amestecului gazos, fără componenta în cauză.
În practică nu s-au putut impune aparatele ce lucrează în domeniul VIS, deoarece aplicațiile lor concrete pentru gaze ca NO2 (maro), Cl (verde) sau alți halogeni sunt limitate.
b) Colorimetria
Colorimetria face parte principial din rândul metodelor fotometrice și are la bază respectarea legii Lambert-Beer.
Menționarea ei separată este necesară deoarece este o metodă discontinuă și presupune o reacție chimică între o componentă gazoasă a cărei concentrație se caută și un reactiv chimic, cu care reacționează specific, dând naștere la un compus colorat, de obicei în domeniul vizibil. În acest caz se măsoară intensitatea culorii produsului de reacție.
Pentru ca măsurătoarea să fie cantitativă este necesară existența unui contact intim între reactanți pentru a permite o reacție completă.
Analiza (foarte sensibilă și selectivă) se face discontinuu, proba se colectează la fața locului, urmând ca definitivarea măsurătorii să se realizeze ulterior în laborator, cu ajutorul unui fotometru.
Este foarte răspândită, în special în lipsa unei aparaturi specializate pentru determinarea concentrațiilor.
c) Fluorescența în domeniul UV
Această metodă s-a dezvoltat înrudit cu fotometria.
Gazul ce trebuie analizat este și în acest caz iradiat cu o radiație de o anumită lungime de undă, dar nu se va determina variația intensității radiației incidente ce o suferă, ci un anumit fenomen luminos special (luminiscența), ce poate apărea cu această ocazie.
În urma iradierii unei molecule cu radiație ultravioletă având lungimi de undă corespunzătoare, această moleculă poate fi excitată în anumite stări energetice electronice superioare.
Dacă molecula, într-un anumit nivel de energie, posedă cel puțin două stări electronice distincte a căror nivel de rotație-vibrație se intersectează în așa fel încât să existe cel puțin un nivel de rotație vibrație de aceeași energie în fiecare stare, atunci poate apare fenomenul de fluorescență.
În urma iradierii UV a molecului cu o radiație de lungime de undă mai mică (energie mai mare) într-o stare electronică excitată superioară (notată de obicei S2) care se intersectează rotațional-vibrațional cu o altă stare electronică excitată (notată S1) de energie mai scăzută (E1 < E2), atunci, în urma unor fenomene de dezexcitări rotațional-vibraționale, se poate ajunge din starea S2 în starea S1. Acest gen de dezexcitări se numesc tranziții neradiative. Din starea S1 molecula poate emite o radiație de lungime de undă mai mare decât cea incidentă (de energie mai scăzută) numită radiație de fluorescență. Radiația de fluorescență se măsoară perpendicular pe direcția radiației incidente.
Principiul de măsurare poate fi observat din schema redată în [0], pentru exemplul concret al determinării concentrației de dioxid de sulf, atât în imisie cât și în emisie. Lampa emite în domeniul strict 190-320 nm.
Dioxidul de sulf existent în proba de amestec gazos va fi activat și va emite radiație de fluorescență în domeniul 320-380 nm. Un filtru de interferență recepționează doar aceste din urmă lungimi de undă.
Calitatea determinării este foarte bună (selectivă). Cu cât concentrația de dioxid de sulf este mai mare, cu atât va fi mai intensă radiația de fluorescență.
Totuși, datorită anumitor molecule care pot însoți moleculele gazului ce se determină prin fluorescență, molecule numite stingători sau acceleratori de fluorescență, pot apare fenomene perturbatoare destul de puternice, care să influențeze semnificativ măsurătoarea cantitativă.
Figura 5.2: Principiul măsurării concentrației dioxidului de sulf prin fluorescență în domeniul UV:
1 Sursă pulsatorie în UV: 190 320 nm,2 Evacuarea probei de analiză, 3 Filtru de interferență, 4 Amplificator, 5 Aparat indicator, 6 Multiplicator fotometric, 7 Lumină fluorescentă având 320 380 nm, 8 Admisia probei de gaz, 9 Lentilă de focalizare.
d) Chemiluminiscența
Chemilumiscența ca mecanism de emisie a radiației este înrudită cu fluorescența în domeniul UV. Deosebirea esențială constă în faptul că în cazul chemilumiscenței, activarea moleculelor nu se realizează prin radiație, ci în urma unor reacții chimice speciale.
Este vorba de un procedeu fizico-chimic de investigare. Menținând nemodificați toți parametrii externi (presiune, temperatură, debit volumic), se va obține o intensitate a radiației direct corelată cu concentrația necunoscută a gazului din amestecul gazos. Radiația emisă este, și în acest caz, recepționată de un fotomultiplicator.
Metoda se aplică la măsurarea concentrațiilor de NO, NOx și O3, atât în imisie cât și în emisie.
Determinarea concentrației de NOx
Drept gaz auxiliar se folosește ozonul (O3).
În aparat au loc următoarele reacții:
NO + O3 –> NO2* + O3 (5.18)
NO + O3 –> NO2 + O2 (5.19)
NO2* –> NO2 + hv (5.20)
NO2* + M –> NO2 + M (5.21)
în care hv este energia unei radiații luminoase de chemiluminiscență cu lungimea de undă cuprinsă între 600 și 3 200 nm (cu maximul la 1 200 nm), iar M un partener inert de ciocnire, ce preia o parte din energie, dar nu se implică în alt mod la reacții.
Din aceste reacții se observă că, la revenirea moleculei de dioxid de azot din stare activată (NO2*) în stare normală (NO2), se eliberează energia luminoasă hv, a cărei intensitate va constitui efectul măsurat. O parte din NO2* va ceda energia partenerului neutru M, trecând în stare neactivată. Această cedare (transmitere) de energie, neînsoțită de emiterea de radiații, se numește quenching. Cu cât presiunea parțială și deci densitatea gazului respectiv în camera de analiză este mai redusă, cu atât este mai mică probabilitatea ca molecula de NO2* să-și cedeze, fără radiație, energia. Energia produsă în urma mecanismului descris de reacțiile de mai sus este recepționată, prin intermediul unui filtru de interferență, de către un amplificator fotometric.
În [0] se prezintă schema unui aparat ce măsoară concentrația de NO și de NOx, în baza principiului chemiluminiscenței, descris anterior.
Ozonul necesar reacțiilor se produce prin descărcări electrice în curent de aer (sau O2, în cazuri speciale).
Dacă se dorește determinarea concentrațiilor de NOx (NO + NO2), se impune inițial reducerea dioxidului de azot la monoxid de azot (pe suport catalitic de molibden). Și în această situație, dacă concentrațiile de NOx sunt prea mari, va trebui să se folosească oxigen pentru obținerea ozonului. Cantitatea de NO2 se determină prin diferență între cantitatea globală de NO (obținută prin reducerea NO2 și NO din amestecul inițial) și cantitatea inițială de NO.
Fig. 5.3: Principiul unui aparat cu chemiluminiscență pentru determinarea concentrației de NO respectiv de NOx
Menținerea unei presiuni scăzute în camera de reacție se realizează prin sistemul cu by-pass, care permite dozarea fină a debitului spre capilar.
Aparatele construite pe principiul chemiluminiscenței sunt foarte bune și precise, măsurând concentrații de 0 100 ppm pentru NOx în imisie și de până la 10 000 ppm pentru NOx în emisie.
Interacțiunile perturbatoare provenite de la alte componente din amestecul analizat sunt extrem de reduse.
Determinarea concentrației de ozon
Deși ozonul nu este un component în gazele emise de instalațiile de ardere, se dau în cele ce urmează câteva indicii asupra modalitații în care se poate determina concentrația lui, motivat de două aspecte: importanța ozonului pentru viața pe planeta Pământ și apropierea metodei de investigare cu cea descrisă în paragraful anterior.
Pentru determinarea concentrației de ozon, s-ar fi putut folosi principial reacțiile descrise mai sus. Etanul (C2H4) reprezintă însă un partener mult mai activ de reacție, deci vor fi declanșate reacțiile:
O3 + C2H4 O2 + C2H4O* (5.22)
C2H4O* C2H4O + hv (300 600 nm) (5.23)
Singurul dezavantaj al acestei metode, în acest caz concret, este legat de inflamabilitatea etanului. Calitatea măsurătorilor este însă deosebit de ridicată. Aparatele sunt foarte rapide și utile la cercetarea din avion a imisiei de ozon.
e) Fotometria în flacără
În cadrul acestei metode, denumită și flamfotometrie, se procedează la excitarea atomilor cu o flacără (de obicei pe bază de hidrogen) și măsurarea intensității radiației emise. Printr-un filtru de interferență este selectată din radiația emisă de flacăra doar una din liniile ei spectrale caracteristice atomului cercetat și este apoi transmisă unui fotoamplificator.
Aparatele ce funcționează după acest principiu sunt specifice determinărilor rapide de imisii ale substanțelor ce conțin sulf sau fosfor. În cazul determinării imisiilor de sulf, metoda constă nu în receptarea emisiei de atomi ci în recombinarea ionilor de sulf din stare activată spre starea de bază, sub acțiunea emisiei undelor luminoase de 320 460 nm și a unui filtru selectiv de 394 nm.
f) Ionizarea flăcării
Orice moleculă poate fi transformată într-un ion prin absorbția de energie în cantitate suficient de mare pentru a fi posibilă expulzarea unui electron după un anumit nivel energetic.
Numărul moleculelor ionizate va fi proporțional cu fluxul de energie ce poate realiza ionizarea și cu numărul moleculelor dintr-un anumit volum. Menținând fluxul de energie ionizantă constant, volumul constant, debitul gazului ce străbate acest volum de asemenea constant, numărul de ioni din molecula ce suferă ionizarea va fi proporțional cu concentrația acestor molecule.
Energia de ionizare a moleculelor, dar mai ales a celor organice, poate fi furnizată în mai multe moduri, dintre care de interes practic, pentru a fi construite detectoare pe acest principiu, sunt două:
modul termic, în flacăra unui gaz cu temperatură mare de ardere (în speță flacără de hidrogen), detectorul fiind denumit cu ionizare în flacără (FID),
modul cu radiații de energie mare, generate de substanțe radioactive.
Dezavantajul detectoarelor construite pe principiul ionizării este acela că ele nu sunt specifice pentru un anumit tip de molecule. Din acest motiv, într-un astfel de detector, la un moment dat, trebuie să pătrundă numai molecule de un anumit tip.
În general, astfel de detectoare sunt construite pentru dozarea globală a unor anumite clase de compuși, de exemplu hidrocarburi.
Detectorul construit pe baza fenomenului de ionizare în flacără (FID) și analizorul ce înglobează un asemenea detector sunt prezentate de [0].
Cu ajutorul detectorului FID se pot determina în general concentrațiile hidrocarburilor în gazele de ardere. Nu se pot determina concentrațiile pentru următoarele gaze: CO, CO2 și HCHO.
Flacăra de hidrogen arde într-o duză metalică ce constituie simultan și electrodul negativ al camerei de ionizare. Anodul este amplasat deasupra flăcării, sub forma unui inel. Intre cei doi catozi se aplică o tensiune continuă. Debitul de ioni va genera o cădere de tensiune, care se măsoară pe o rezistență electrică. Gazul ce trebuie analizat va fi amestecat cu gazul combustibil utilizat (H2), puțin înainte ca acesta să pătrundă înspre diuza de ardere. Aerul necesar arderii este alimentat prin interstițiul inelar ce înconjoară diuza arzătorului.
Fig. 5.4: Principiul detectorului de ionizare în flăcără (FID):
1 Gaz combustibil, 2 Aer de ardere, 3 Regulator de presiune, 4 Admisia probei gazoase de analiză, 5 Ventil cu ac, 6 Debitmetru, 7 Pompa probei de analiză, 8 – Filtru fin de praf, 9 Carcasa încălzită, 10 Manometru,
11 By-pass, 12 Regulator de presiune, 13 Aparat indicator, 14 Amplificator, 15 Rezistență electrică, 16 Electrod, 17 Flacără, 18 Diuză, 19 Capilar, 20 Cameră de ardere, 21 Evacuarea probei.
Este deosebit de important să se mențină constante debitele volumice de combustibil, de aer de ardere și de amestec gazos ce trebuie analizat. În acest scop se folosesc capilare, de-a lungul cărora trebuie să se instaleze căderi constante de presiune. În aparat există regulatoare fine pentru reglaje.
Majoritatea aparatelor funcționează cu suprapresiune, adică regulatoarele sunt amplasate în amonte de capilare. Ideal ar fi invers, dar acest deziderat este extrem de dificil de realizat practic.
Evitarea condensării hidrocarburilor se realizează prin încălzirea aparatului și a conductelor ce-l alimentează cu gazul ce trebuie analizat.
Combinațiile hidrocarburilor vor fi oxidate în flacără. Astfel se vor forma ioni, ca produse intermediare. Intr-o primă aproximație se poate accepta că există o legătură directă între debitul de ioni generat și concentrația atomilor de carbon.
FID sunt utilizate în special la dozarea globală a hidrocarburilor. Moleculele mari (de hidrocarburi) determină o ionizare intensă, motiv pentru care se obține un semnal puternic. În acest caz energia de ionizare provine nu numai din energia furnizată de flacără, ci și din energia de oxidare a carbonului. Carbonul oxidat parțial sau total nu va genera un semnal detectabil (de exemplu pentru CO, CO2 etc.).
FID este metoda standard pentru determinarea hidrocarburilor nearse din gazele de ardere, provenite din instalații staționare sau nestaționare (automobile) de ardere.
g) Conductometria
În cadrul acestei metode se prevede punerea în contact a gazului ce trebuie analizat cu o soluție specifică, cu care va intra în reacție. Ca urmare a reacției, se produce o modificare a conductivității electrice a soluției. Metoda este deci electrochimică.
Principial s-ar putea determina cu această metodă concentrațiile tuturor gazelor ce pot genera un astfel de fenomen, ca de exemplu SO2, CO2, H2S, HCl, HN3 și altele. În condițiile unei oxidări prealabile în CO2, s-ar putea detecta chiar și CO.
În [0] se prezintă principiul unui analizor continuu de gaz (SO2) ce funcționează pe baza determinărilor conductometrice.
Soluția specială necesară captării de SO2 este pe bază de apă oxigenată (H2O2). Reacțiile de oxidare ce au loc în soluție sunt următoarele:
H2O2 + SO2 + 2 H2O H2SO4 + 2 H2O 2 H3O++ SO4+ (5.24)
Acidul sulfuric format disociază complet în soluția apoasă. Ionii vor modifica conductivitatea electrică a soluției absorbante, furnizând astfel un semnal (de exemplu printr-o punte Wheatstone) proporțional cu concentrația inițială de SO2.
Așa cum se poate vedea din schema aparatului prezentată în [0], gazul ce trebuie analizat este aspirat de o pompă cu membrană, printr-un bypass.
Soluția absorbantă provine dintr-un rezervor de alimentare. Această soluție va fi pusă în contact și se va amesteca cu gazul de analizat (ce conține SO2) într-un canal de reacție. În acest canal se produc reacțiile (5.24) și SO2 este consumat în totalitate.
După reacție, gazul analizat (ce nu mai conține SO2) se va separa de soluția specială de captare. Urmează determinarea conductivității soluției ce conține ionii proveniți din disocierea acidului sulfuric.
Figura 5.5: Schema analizorului de gaz (SO2) ce lucrează după principiul conductivității electrice:
1 Admisia probei de analizaă, 2 Gaz, 3 Soluție proaspătă, 4 Soluție reactivă, 5 Pompă,
6 Determinarea conductivității, 7 Bypas, 8 Aparat indicator, 9 Soluție uzată, 10 Pompă cu debitmetru, 11 Evacuarea probei de gaz, 12 Regulator de presiune.
Și pentru acest principiu de dozare se impune menținerea constantă a debitelor de gaz și a soluției absorbante.
De asemenea, întregul aparat este termostatat, având în vedere dependența puternică a conductivității electrice de temperatură. Acest aparat se folosește des pentru determinarea emisiilor de SO2.
h) Amperometria
La baza acestei metode stă modificarea intensității curentului galvanic generat de o pilă galvanică a cărei electrolit își modifică proprietățile, în urma reacției sale cu componenta gazoasă ce trebuie detectată și a cărei concentrație trebuie măsurată.
Celulele de măsură sunt chiar elementele galvanice. Acestea generează un curent proporțional cu numărul ionilor ce disociază în soluția de electrolit, ca urmare a interacțiunii cu gazul în cauză. Important este că doar componenta gazoasă respectivă din întregul amestec gazos analizat să producă acest efect.
Din timp în timp, se impune schimbarea electrozilor și a electrolitului, având în vedere fenomenul de îmbătrânire, în urma unei utilizări intense. Analizoarele construite după acest principiu sunt mult mai ieftine comparativ cu analizoarele în IR, dar nu pot fi folosite decât la determinări de scurtă sau medie durată, de obicei în aparate portabile.
În cazul utilizării lor la determinări continue de lungă durată, se produce o accentuare a fenomenului de îmbătrânire a electrozilor și a elctrolitului.
Uzual se pot determina concentrații pentru următoarele gaze: O2, CO, H2S, NO, NO2, SO2, etc.
Senzorii electrochimici cu lichid prezintă câteva avantaje hotărâtoare față de alte tipuri de senzori fiind miniaturali, robuști, neavând nevoie de o întreținere deosebită, în condițile unei manevrabilități ușoare și a unui preț accesibil.
Câteva caracteristici ale acestor senzorilor sunt cuprinse în [0].
Tabelul 5.2. Caracteristici ale senzorilor electrochimici.
În [0] s-a reprezentat principiul de funcționare al senzorului cu doi electrozi, specific detectării O2. Proba de gaz difuzează printr-o membrană spre electrolitul alcalin.
Fig. 5.6. Schema simplificată a senzorului cu doi electrozi (pentru O2).
Pe catod are loc următoarea reacție chimică:
O2 + 2 H2O + 4 e- = 4 OH- (5.25)
Electronii necesari în reacția (5.25) provin din oxidarea materialului din care este constituit anodul, realizat de obicei din Pb, conform reacției următoare:
Pb 4 OH- = PbO2 2 H2O 4 e- (5.26)
Sumând reacțiile (5.25) și (5.26), obținem reacția globală (5.27), care indică oxidarea plumbului ce constituie anodul celulei cu doi electrozi, pe toată durata de viață a senzorului:
O2 Pb = PbO2 (5.27)
Electrolitul nu se consumă, în schimb anodul de Pb înregistrează în timp o oboseală și se consumă, ceea ce limitează durata de viață a senzorului la circa trei ani.
Separarea spațială a reacțiilor (5.25) și (5.26) permite generarea unui semnal electric proporțional cu concentrația oxigenului din amestecul de gaze ce difuzează prin bariera senzorului.
În [0] se prezintă schema funcțională a senzorului cu trei electrozi, folosit în general pentru determinarea gazelor toxice NO, NO2, CO, SO2 și exemplificat pentru cazul concret al determinării concentrației de CO.
Fig. 5.7. Schema senzorului cu trei electrozi:
1, 5 Barieră de difuzie, 2 Anod, 3 Electrolit (H2SO4), 4 Catod, 6 Gaz de referință, 7 Electrod de referință,
8 Regulator de tensiune continuă.
În afara anodului (numit și electrod activ) și a unui contraelectrod (catodul), aparatul este prevăzut și cu un electrod de referință. Proba de analiză difuzează prin bariera de difuzie și suferă o descompunere chimică pe anod, care are și rol de catalizator. Pentru cazul determinării concentrației de CO în proba de analiză se exemplifică reacția (5.28) ce are loc pe anod, reacția (5.29) care se desfășoară pe catod și reacția sumativă (5.30).
Se remarcă avantajul oferit de senzorul cu trei electrozi față de cel cu doi electrozi deoarece electrozii nu se consumă deși sunt și ei supuși unui fenomen de îmbătrânire. Fenomenul de îmbătrânire al electrozilor se datorează acțiunii lor catalitice și determină limitarea duratei de viață a senzorului la circa doi ani.
CO + H2O = CO2 + 2 H+ + 2 e- (5.28)
1/2 O2 + 2 H+ + 2e- = H2O (5.29)
CO + 1/2 O2 = CO2 (5.30)
Regulatorul de tensiune constantă (continuă), prevăzut între electrodul activ (anod) și electrodul de referință, are rolul de a evita deriva potențialului electrodului activ datorat curentului generat prin reacțiile (5.28) și (5.29). Prin aceasta, se măresc stabilitatea și domeniul de măsură al senzorului. Valoarea tensiunii dintre electrodul activ și cel de referință precum și alegerea adecvată a electrodului și electrolitului asigură o selectivitate corespunzătoare a senzorului.
Suplimentar se iau și măsuri pentru a se asigura o sensibilitate selectivă prin înglobarea constructivă a unor filtre, care absorb componentele gazoase perturbatoare.
Gazoananalizorul este un echipament performant de determinare a emisiilor gazoase din gazele de ardere, determinarea acestora realizându-se în celule speciale, în urma unor reacții electro-chimice de tip Peltier. Gazele analizate sunt SO2, CO, CmHn, O2, NO și NO2 .
De asemenea, determină coeficientul excesului de aer și, prin calcul, concentrația de CO2, viteza de curgere a gazelor și debitul masic (numai dacă se ia în calcul secțiune de curgere) pentru toate speciile de gaze analizate.
Aparatul este format din trei subansamble principale: unitatea de analiză, unitatea de control și sonda de prelevare a gazelor. Opțional se pot atașa diferiți senzori de temperatură precum și o sondă Pitot-Prandtl. Unitatea de analiză este echipată cu două intrări diferite pentru senzorii de temperatură: una pentru determinarea temperaturii gazelor prelevate și una pentru altă utilizare, spre exemplu pentru determinarea temperaturii ambiante.
Unitatea de analiză conține celulele de reacție, bateria de acumulatori, filtrele pentru reținerea impurităților solide din gazele de ardere și aer, decantorul pentru condens și conexiuni electro-pneumatice, așa cum reiese din [0].
Fig.5.8. Unitatea de analiză
1 – Conexiuni transfer de date; 2 – diluție; 3 – semnal de alarmă;
4 – senzor opțional de temperatură; 5 – conectare sondă.
Fig. 5.9. Unitatea de analiză.
1– Contacte electrice; 2 – Leduri de control; 3 – Filtru particule solide;
4 – Filtre reținere particule din aerul aspirat; 5 – Colectare condens; 6 – Celule de analiză;
7 – Sistem integrat de determinare a vitezei și presiunii gazelor; 8 – Conexiuni.
Gazul aspirat prin sondă este introdus în celule de reacție când pompa de gaz este pornită manual sau automat. Înainte însă gazul de analizat este răcit brusc la 4 … 8 °C, având loc precipitarea condensatului cu absorbție scăzută de NO2 și SO2, condensat ce este evacuat la intervale regulate de timp de o pompă de condens. Gazul uscat trece apoi printr-un filtru special, în vederea reținerii particulelor solide. Acest filtru funcționează și ca o capcană pentru apă: dacă mai există apă în gazele aspirate filtrul devine impermeabil, prin închiderea porilor în contact cu apa, protejând astfel senzorii și pompa.
În urma reacțiilor Peltier se emite un semnal electric trimis și prelucrat în unitatea de control, fiind afișate valorile concentrației emisiei gazelor analizate. Surplusul de gaz este evacuat continuu.
Celula de CmHn este diferită, concentrația de hidrocarburi fiind determinată prin oxidare catalitică, ceea ce presupune existența unei cantități minime de O2 în gaze de aproximativ 2 %. Celula este închisă automat dacă valoarea O2 este sub 2 %. De asemenea, este posibilă și închiderea manuală a celulei de hidrocarburi.
Pentru măsurători de anvergură (monitorizarea mai multor surse) se pot interconecta până la 8 unități de analiză, echipate identic sau diferit și până la 20 unități separate de achiziție de date (pentru determinări de viteză, temperatură, umiditate etc.) ca în [0], toate conectate la aceeași unitate de control și/sau la un PC.
Fig. 5.10. Interconectarea aparatelor pentru măsurători continue complexe.
Unitatea de control (0) este un dispozitiv de măsurare ce poate fi utilizat și independent de unitatea de analiză, însă NU pentru determinarea emisiilor gazoase. Este echipat cu conexiuni de intrare la care pot fi conectați (pe lângă unitatea de analiză) senzori de temperatură, umiditate, viteză, turbulență, presiune, curent și tensiune, precum și turație. Pot fi afișate grafic până la 6 canale simultan. Unitatea de control poate fi comandată fie cu ajutorul tastaturii fie cu un creion de contact (touch-pen). Pe lângă valorile datelor măsurate mai sunt afișate informații cum ar fi configurarea sistemului și locație. Este echipată cu sursă de lumină pentru operarea în condiții de întuneric. Prin conectarea unui sistem de achiziție de date se pot extinde intrările pentru senzori. Unitatea este echipată cu memorie proprie, în care se pot stoca până la 250 000 de date, precum și cu o imprimantă încorporată pentru tipărirea acestora. Datele măsurate pot fi transferate și către un PC printr-o interfață de tip serial.
Fig.5.11. Unitatea de control:
1– imprimantă, 2 – touch-pen (creion de contact), 3 – bară pentru informații de sistem,
4 – afișare valori măsurate, 5 – bară pentru informații legate de funcționare, 6 – taste operare funcțiuni, 7 – tastatură, 8 – conectare sondă presiune, 9 – conectare probă, 10 – conectare unitate de analiză, 11 – interfață serială.
Prin conectarea la PC gazoanalizorul poate fi folosit la măsurători de lungă durată (săptămâni), fiind controlat de un program special.
Aparatul poate fi echipat cu mai multe sonde de prelevare a gazelor. Acestea diferă în funcție de caracteristicile gazelor prelevate. Astfel există diferențe între sondele destinate prelevării gazelor de eșapament sau gazele evacuate la coș, de intervalul de temperaturi de operare, de dimensiunile canalului de curgere a gazelor și pot fi sonde încălzite sau nu. În [0] este prezentată sonda de prelevare a gazelor evacuate la coș, sondă cu tubulatură încălzită la 180°C și care operează la temperaturi de maximum 1200 °C.
Fig.5.12: Sonda de prelevare a gazelor.
i) Coulombmetria
În cadrul metodei coulombmetrice se măsoară cantitatea de electricitate necesară descompunerii unei anumite cantități dintr-un electrolit. Electrolitul se formează în urma trecerii unei anumite componente gazoase peste o soluție corespunzătoare. În acest scop se pompează continuu proba de amestec gazos peste soluția care va genera electrolitul. Este important ca doar componenta analizată să genereze ioni, în urma interacțiunii cu soluția. Cantitatea de curent măsurată este direct proporțională cu concentrația componentei de analizat din amestecul gazos.
Inițial, pe baza acestui principiu s-a măsurat concentrația dioxidului de sulf, analizele însă nu s-au dovedit suficient de exacte pentru pretențiile impuse la detectarea emisiilor. Astăzi se folosește o metodă combinată și anume metoda polarografică-coulobmetrică, concepută de Rumpel.
La baza acestei metode stă următorul principiu. Dacă se imersează într-o soluție de electrolit o pereche de electrozi cu potențiale electrochimice diferite (un electrod ușor polarizabil, iar celălalt nepolarizabil), se poate genera un anumit curent electric, proporțional cu diferența de potențial dintre electrozi. În cazul în care prin soluție este trecută o substanță cu proprietăți polarizante, contraelectrodul nepolarizabil își păstrează potențialul, chiar și în situația în care se aplică din exterior o tensiune.
În [0] se prezintă o schiță a unui analizor pentru dioxid de sulf, construit pe principiul polarografic-coulombmetric.
Fig.5.13: Schema analizorului de gaz (SO2) construit pe principiul coulombmetric:
1 Admisia probei de gaz, 2 Filtru de praf, 3 Filtru pentru H2S, 4 Debitmetru, 5 Sursă de înaltă tensiune, 6 Aparat indicator, 7 Pompă pentru electrolit, 8 Rezervor electrolit, 9 Celula I, 10 Celula II, 11 Celula III, 12 Celula IV, 13 Rezervor final, 14 Filtru pentru vaporii de iod, 15 Pompă cu debitmetru, 16 Evacuarea probei de gaz.
Prin celula 9 curge o soluție slabă (1 %) de acid sulfuric (electrolitul) pentru a fi saturată cu iod. În celula 10 urmează "curățirea" sa prin acceptare de electroni de la ionii I- și formarea de iod, în urma acțiunii electrodului de platină existent aici. Prin celula 11 se introduce un debit continuu și constant din proba de gaz ce trebuie analizată.
Proba ce conține SO2 într-o concentrație ce se dorește a fi determinată va reacționa cu iodul. În urma reacției de oxireducere între iod și dioxidul de sulf se va forma acid sulfuric și acid iodhidric, acizi care în mediu ușor diluat sunt total disociați.
Reacția chimică este:
SO2 + I2 + 2 H2O SO42- + 4 H+ + 2 I- (5.30)
Ionii de iod (I-) acționează ca și depolarizatori și se oxidează pe electrodul polarizabil de Pt al celulei 11, reformând iodul neutru. Cantitatea de curent electric generată astfel este proporțională cu concentrația masică/volumică a dioxidului de sulf din amestecul gazos analizat și va fi măsurată în celula 12, care conține electrodul nepolarizabil. Cei doi electrozi (polarizabil și nepolarizabil) sunt menținuți sub tensiune de 200 mV, la potențial constant. Aparatul construit după acest principiu este foarte exact și capabil să detecteze concentrații chiar mai mici de 1 µg/m3.
j) Potențiometria
Generalități
La baza acestei metode stă fenomenul în urma căruia se poate modifica compoziția chimică a unui electrolit, atunci când este străbătut de un curent continuu. Curentul electric (energia electrică) se generează în urma unor procese chimice.
Nernst a studiat acest fenomen și a dedus următoarea lege:
(5.31)
în care: UE este tensiunea culeasă, în V;
tensiunea de bază, în V;
temperatura absolută, în K;
constanta generală a gazului perfect, în J/Kmol;
n numărul sarcinilor elementare;
constanta Faraday ( = 96 486 As/mol);
a activitatea ionului ce trebuie detectat;
ai activitatea electrolitului de referință.
Principial, s-a folosit o sferă realizată dintr-o sticlă specială, ce prezintă proprietăți de membrană. În interior ea este umplută cu o soluție având un pH cunoscut (de referință).
La introducerea acestei sfere într-o soluție cu pH necunoscut, se formează o diferență de potențial între cele două suprafețe (interioară și exterioară) ale peretelui membrană, ca urmare a diferenței de pH. Această tensiune este direct proporțională cu activitatea ionilor din soluția cu pH necunoscut și permite măsurarea acestuia.
Determinarea concentrației de O2 cu sonda Lambda
Sonda Lambda este realizată dintr-o membrană de dioxid de zirconiu (ZrO2) și se utilizează atât pentru determinarea concentrației de O2 în gazele de ardere cât și ca element de reglaj al concentrației de O2.
Denumirea provine de la notația coeficientului de exces de aer cu litera grecească , valoare sa putând fi calculată pe baza concentrației de oxigen din fum.
Principiul metodei este descris prin următorul fenomen. În cazul în care două amestecuri gazoase ce au concentrații diferite de O2 (dintre care una cunoscută determinată prin presiunea parțială de referință PO2ref și una ce va fi măsurată) sunt despărțite, la temperatură înaltă (> 400 °C), printr-o membrană de ZrO2, atunci se va produce o difuzie a ionilor de oxigen înspre golurile plasei de ZrO2.
Astfel se instalează o diferență de sarcini electrice între cele două suprafețe ale membranei, constituind semnalul electric proporțional cu concentrația necunoscută. Concentrația este reprezentată practic de presiunea parțială a O2 (PO2amestec) în amestecul gazos analizat.
Legea (5.32) devine în acest caz:
(5.32)
Notațiile sunt cele anterior descrise.
Drept amestec de referință se folosește aerul atmosferic, ce are 20,8 % părți volumice O2.
În [0] se prezintă schema constuctivă a unei sonde .
Fig.5.14: Schema sondei pentru determinarea concentrației de O2:
1 Partea expusă gazelor de ardere, 2 Aer, 3 Partea expusă aerului (de referință), 4 Aparat indicator, 5 Element de etanșare conducător de electricitate, 6 Element metalic de fixare, 7 Garnitură, 8 Electrod interior de Pt, 9 Electrod exterior de Pt, 10 Electrolit pe bază de ZrO2.
În [0] se prezintă variația tensiunii culese cu sonda în funcție de concentrația de O2 și temperatură.
Fig.5.15: Caracteristica tensiune-concentrație de O2 funcție de temperatură pentru sonda .
Determinarea concentrației diferitelor gaze pe baza fenomenelor de paramagnetism și de conductivitate termică
Oxigenul, spre deosebire de alte gaze din compoziția aerului, prezintă o comportare paramagnetică. Această proprietate a sa este utilizată în analizoarele de O2 ce funcționează pe baza fenomenului de paramagnetism. Gazul este deviat într-un câmp magnetic, astfel încât se generează un curent (curgere) de un anumit debit, proporțional cu concentrația gazului paramagnetic.
Aparatele construite pe principiul conductivității termice se bazează pe valorile diferite și specifice ale acestei mărimi pentru fiecare gaz în parte. De exemplu H2 are o valoare foarte mare, comparativ cu alte gaze. CO2 se găsește în mod obișnuit în cantități sporite în gazele de ardere, deosebindu-se astfel și cantitativ de celelalte componente.
Principiul măsurării concentrației diferitelor componente în gazele de ardere se bazează pe diferențierea lor, după valorile conductivității termice. Proba de gaz curge, într-un debit cunoscut și constant, peste un filament încălzit, răcindu-l. Se modifică astfel rezistența electrică a filamentului, într-o măsură direct dependentă de cantitatea (concentrația) componentei căutate din gazul analizat. Filamentul face parte de obicei dintr-o punte de comparație tip Wheatstone, rezistența pereche fiind spălată de un gaz etalon cunoscut.
Aparatele construite în baza acestor proprietăți nu pot detecta decât concentrații relativ mari, nicidecum urme de gaze.
k) Procedee analitice
Aceste procedee implică prelevarea probelor de analizat la fața locului, folosind recipiente din material plastic sau din sticlă (de preferat). Analizarea efectivă a probei se execută ulterior, în laboratoare special amenajate și dotate.
În anumite cazuri, în timpul prelevării se poate realiza și o îmbogățire a probei în componenta ce urmează a fi analizată, astfel ca, în final, să se poată efectua măsurători cu o precizie mai bună, chiar și pentru compuși ai căror concentrații inițiale sunt relativ reduse.
În [0] se prezintă câteva montaje folosite pentru prelevarea probelor de gaz. Prima variantă constă în captarea unei probe în pungi de plastic, este deosebit de simplă dar nerecomandată decât pentru analize nepretențioase. Probele pot fi reținute și în recipienți de sticlă. Mai uzual este însă reținerea componentei căutate în soluții speciale aflate în turnuri de prespălare sau în conducte de absorbție.
Analiza în laborator a probelor se face de obicei cu ajutorul unui procedeu chimic. Aplicând metoda volumetrică, se practică, în genere, trecerea probei analizate (câteodată de mai multe ori) peste o soluție absorbantă specifică. Procedeul a fost foarte utilizat la aparatul Orsat, pentru determinarea concentrației componentelor O2, CO și CO2, actualmente însă se recomandă înlocuirea lui cu aparate perfecționate.
O altă alternativă față de metodele volumetrice este oferită de metodele titrimetrice. Această metodă constă în adăugarea unei soluții având o anumită concentrație de o substanță ce a reacționat cu gazul captat și măsurarea volumului de soluție adăugată, până în momentul consumării integrale în reacție a gazului. Atingerea punctului de echivalență poate fi observată prin mai multe metode, dar cel mai uzual se evidențiază pe un indicator de culoare. Indicatorul de culoare își schimbă culoarea (virează) la atingerea punctului de echivalență. Volumul de soluție de concentrație cunoscută, măsurat până la atingerea punctului de echivalență este proporțional cu concentrația gazului captat.
În acest mod se determină de exemplu cantitatea de NH3 din gazele de ardere, rezultată ca emisie secundară (denumite și scăpări de amoniac). În situația în care în instalația de ardere se practică o denoxare a gazelor de ardere prin injecție de amoniac (sau alt agent reducător), după metoda SNCR sau SCR, se impune controlul riguros al emisiei (scăpărilor) de NH3. Determinarea concentrației de amoniac în gazele de ardere este o problemă destul de dificil de rezolvat deoarece amoniacul este foarte solubil în apă (condens), pe de altă parte se impune evitarea formării în instalația de prelevare a sulfatului de amoniu. Se analizează probe fierbinți și umede. Deosebit de dificilă este și determinarea concentrației de SO3 în gazele de ardere.
Fig.5.16: Exemple de prelevare a probelor de gaz:
1 Sondă încălzită montată în canalul de gaze, 2 Filtru încălzit de praf, 3 Separator de umiditate, 4 Pompă cu contor de gaz, 5 Robinet de închidere, 6 Pungă de plastic, 7 Rezervor de sticlă, 8 Manometru, 9 Soluție de spălare, 10 Turn de uscare, 11 Ventil, 12 Contor, 13 Conductă de absorbție.
În [0] se prezintă schematic montajul utilizat pentru determinarea concentrației de amoniac în gazele de ardere. De analizat se analizează proba reală (umedă și caldă), raportarea se face pentru gaze uscate și reci.
Proba de gaz, așa cum este prelevată de sondele din canalul de gaze de ardere, este trecută printr-o soluție de acid sulfuric. Astfel, în urma reacției dintre amoniac și acidul sulfuric, vor rezulta ionii NH4+. În laborator se va determina ulterior concentrația de ioni NH4+, conform unui procedeu volumetric, de exemplu.
Fig.5.17: Montaj pentru prelevarea unei probe de gaz în vederea determinării concentrației de NH3:
1 Sondă de prelevare încălzită, 2 Recipient de spălare a probei în soluție de acid sulfuric,
3 Turn de uscare (exhicator), 4 Pompă cu membrană, 6 Contor de gaz cu termometru și determinarea suprapresiunii.
Urmează uscarea probei și eliminarea condensului pentru protejarea pompelor și a contoarelor de gaz. Turnul de preuscare cuplat cu contorul de gaz au rolul determinării debitului de gaze de ardere uscate, la care se va raporta cantitatea de NH3 măsurată.
l) Procedee cromatografice
Cuvântul cromatografie provine din limba greacă și semnifică scriere în culori. Metoda se bazează pe un fenomen fizic și anume afinitatea diferită în ceea ce privește schimbul intermolecular între diferite perechi de substanțe.
Cel mai simplu procedeu cromatografic se poate evidenția cu ajutorul unei sugative speciale. Dacă ea este umezită cu o soluție, substanțele conținute se vor detașa unele de altele, formând pe sugativă zone diferit colorate.
Cromatograful cu gaz
Cromatografele cu gaz posedă coloane de separare, care conțin substanțe absorbante. Proba de gaz ce trebuie analizată este împinsă de-a lungul lor de către un agent transportor gazos. De aici și denumirea de cromatograf cu gaz.
Funcție de afinitatea diferențiată a diverselor componente din probă față de substanța absorbantă, se va produce o separare a componentelor printr-o încetinire specifică a acestora astfel încât, la ieșirea din coloană, se recepționează o înșiruire în timp de componente detașate. Urmează detectarea separată a fiecăreia, cu ajutorul unui detector fizic specific.
Cromatografele sunt foarte utile și exacte, atât pentru determinarea emisiilor cât și a imisiilor gazoase.
Ele pot fi utile și la analiza unor lichide, cu condiția ca vaporizarea lor – necesară înaintea analizei cromatografice – să nu le modifice compoziția.
În [0] se arată schema de principiu a unui cromatograf. Principalele părți componente sunt: blocul de alimentare (dozare), coloana de separare, cuptorul de termostatare și detectorul.
Fig.5.18: Principiul cromatografului:
1 Capilar de injecție, 2 Filtru, 3 Agent transportor, 4 Termostat, 5 Coloană, 6 Bloc de injecție, 7 Detector, 8 Integrator.
Coloana de separare este parcursă de un agent transportor, așa numita fază mobilă (hidrogen, azot, heliu). Agentul transportor preia proba ce trebuie analizată printr-un sistem de injecție (prezentat în detaliu în figura 5.19), ce alimentează aparatul cu o cantitate bine determinată de fluid. Blocul de alimentare și o mare parte din cromatograf sunt încălzite, pentru a permite vaporizarea instantanee a lichidelor, pe de o parte, dar în special pentru controlul termostatării, având în vedere puternica dependență de temperatură a proprietăților fizice ale fluidelor valorificate de cromatograf.
În scopul măririi suprafeței interioare, se practică stratificarea coloanei de separare cu diferite materiale poroase (de exemplu silicagel). Se vorbește de așa numitele cromatografe cu coloane stratificate. În cazul cromatografelor de tip gaz-lichid, acest material poros este umplut cu un lichid, ce constituie faza staționară și mărește puterea de separare a aparatului.
Fiecare componentă gazoasă din amestecul ce este supus analizei va parcurge coloana de separare cu viteză diferențiată. Această viteză depinde de viteza cu care are loc atingerea echilibrului fiecărei componente, atât față de faza mobilă, cât și față de cea staționară. Evacuarea componentelor din coloană se produce astfel diferențiat, în timp. Urmează ca detectori specifici să identifice componentele, măsurându-le concentrația. Ca detectori se folosesc în general detectorul cu ionizarea flăcării, cel bazat pe principiul conductivității termice sau spectrometrul de masă.
Rezultatul analizei cu un cromatograf este o cromatogramă (0). Pe ea se formează așa numitele picuri, ce caracterizează calitativ și cantitativ componenta detectată.
Timpul de retenție în coloană este specific fiecărei substanțe și condițiilor de lucru din timpul analizei. El se poate citi din cromatogramă (pe axa orizontală), iar suprafața picurilor este proporțională cu concentrația componentei. Prin integrarea computerizată a ariilor, se indică direct concentrația.
Capacitatea de separare a coloanelor stratificate este limitată. În ultimii ani s-au dezvoltat capilare de separare, pentru care faza staționară este formată de o peliculă foarte subțire de lichid, dispusă pe peretele interior. Aceste capilare sunt în general realizate din cuarț și au lungimi variind între 25 și 50 m.
Fig.5.19: Cromatogramă.
Cromatograful cu două coloane de separare
Cromatografele moderne posedă de obicei două coloane de separare, o coloană principală și o antecoloană, așa cum se prezintă schematic în [0].
Cromatografele cu două coloane de separare sunt foarte exacte, sensibile la o mare varietate de substanțe și foarte indicate în determinarea precisă, discontinuă, of-line a emisiilor și imisiilor.
Cromatografele de gaz cu două coloane de separare s-au dezvoltat din necesitatea separării unei game largi de componente. Unele componente traversează antecoloana fără a fi separate (absorbite și desorbite), altele dimpotrivă vor fi selectate ieșind cu întârzieri diferențiate.
Componentele neseparate pătrund în cea de-a doua coloană (cea principală), unde vor fi selectiv absorbite și ulterior detectate, în detectorul coloanei principale. Cea de-a doua categorie de substanțe, deci cele care s-au separat încă din antecoloană, va fi direcționată direct spre detectorul propriu acestei coloane.
Fig.5.20: Principiul cromatografului cu două coloane de separare:
1 Admisia probei gazoase, 2 Evacuarea probei, 3 Dozator, 4 Coloană capilară (de ex. de 25 m), 5 Coloană stratificată (de ex. de 30 m), 6 Primul detector, 7 Al doilea detector, 8 Integrator cu imprimantă.
Specific cromatografelor cu două coloane de separare este cuplajul special T-live, a cărui schiță și principiu de funcționare s-au redat în [0].
Cuplajul T-live se găsește între antecoloană și coloana principală, care sunt astfel practic cuplate sau decuplate, fără elemente mecanice intermediare.
Reglarea funcționării cuplajului se face prin intermediul unui ventil magnetic, care variază funcție de diferența de presiune dintre cele două conducte auxiliare marcate cu A și B.
Dacă în A presiunea este mai mare decât în B, atunci agentul transportor, cu tot ceea ce transportă, avansează spre coloana principală de separare (cazul a). În caz contrar (cazul b), agentul va trece, prin conducta A, spre detectorul ante-coloanei, ocolind coloana principală, deoarece este deja separat.
a) b)
Fig.5.21: Cuplajul T-live:
A, B Conducte,
a) Situație în care gazul curge din coloana 1 înspre coloana 2,
b) Situație în care gazul curge din coloana 1 înspre primul detector.
Cromatograful cu spectrometru de masă
În [0] se prezintă schema unui detector, denumit spectrometru magnetic, ce separă componentele după masele lor moleculare.
Fig.5.22: Principiul spectrometrului magnetic de masă:
1 Admisia probei gazoase, 2 Sursă de ioni, 3 Accelerator, 4 Lentilă electrostatică, 5 Blendă, 6 Condensator cilindric, 7 Câmp magnetic, 8 Detector ,M1+, M2+, M3+ – ioni având mase crescătoare
Acest detector este cuplat în spatele coloanei de separare a cromatografului, ca și detector, pentru situațiile speciale când puterea de separare a cromatografului este insuficientă. Prin dubla separare, în urma proprietăților diferențiate de absobție respectiv funcție de masa moleculară diferită a diverselor componente, se obțin rezultate excelente, chiar pentru componente foarte asemănătoare. Substanțele, selectate (înșiruite) inițial de cromatograf, pătrund, la intervale diferite de timp, în câmpul magnetic al spectrometrului. Inițial ele se ionizează de la o sursă de ioni și suferă o deviere spațială în câmpul electric al unui condensator cilindric.
În situația prezentată în [0], ionii M1+, M2+, M3+ accelerați prin bombardare cu electroni, vor fi deviați diferențiat, și anume, ionul M1+ fiind cel mai ușor, va forma o orbită interioară, iar M3+ (cel mai greu), una exterioară.
Pentru situații deosebite, când se dorește determinarea exactă a unor urme de impurități gazoase, de exemplu din atmosferă, se poate realiza, înainte de analiza cromatografică cu detectare spectrografică, o îmbogățire a probei analizate. În acest sens se poate folosi cărbune activ sau alt absorbant. Ulterior se recaptează proba îmbogățită din absorbant, cu ajutorul unui lichid, ca de exemplu CS2. Soluția formată este în final supusă analizei multiple într-un cromatograf cu spectrometru de masă.
Determinarea unor compuși organici foarte toxici
În această categorie intră hidrocarburile aromatice, dioxinele, furanii și difenolii. Aceste substanțe foarte toxice sunt prezente în gazele de ardere evacuate în special de motoarele termice, mai rar de instalații de ardere staționare speciale, cum ar fi cuptoarele de incinerare a gunoaielor.
Problema determinării compușilor organici este legată de faptul ca ei sunt gazoși la temperaturi relativ înalte de până la 400 °C, dar condensează la scăderea temperaturii. În urma condensării, toate aceste substanțe toxice se vor depune pe particulele solide existente în curentul de gaze (funingine, cenușă). De aceea trebuie concepută o schema specială de captare, prin intermediul unor filtre [0].
Inițial se răcește proba de gaz constituită din întregul debit de gaze de ardere sau o parte din el, funcție de mărimea instalației. Prelevarea probelor trebuie să se facă uniform în timp, corelat cu viteza cu care sunt evacuate gazele de ardere. Urmează prelucrarea lor, prin valorificarea celor trei mostre în care s-a despărțit fiecare probă: partea depusă în condens, partea depusă pe căptușeala răcitorului și partea depusă în filtre.
Filtrele conțin de obicei cele mai multe substanțe toxice. Cele trei mostre prelevate diferit sunt apoi multiplu curățite și analizate cromatografic, de obicei în cromatografe cu două coloane, ce prezintă o mare putere de separare.
Fig.5.23: Schema de prelevare a probei de gaze de ardere în vederea determinării unor substanțe toxice, deosebit de periculoase:
1 Instalație de ardere, 2 Arzător, 3 Regulator și indicator de presiune, 4 Filtre speciale,
5 Inregistrator de temperatură, 6 Indicator de presiune, 7 Indicator de temperatură,
8 Evacuarea gazului, 9 Contor de gaz, 10 Răcitor, 11 Condens, 12 Aparate pentru măsurarea concentrațiilor diferitelor componente: CmHn, CO, CO2, O2, etc.
m) Olfactometria
Substanțele mirositoare se întâlnesc în cantități reduse în gazele de ardere. Totuși ele exercită o acțiune neplăcută asupra ființei umane.
S-a dezvoltat deci o tehnică (mai mult o experiență) de determinare a substanțelor mirositoare, bazată pe simțul olfactiv al omului. Detectorul este omul, și anume se folosesc mai multe persoane.
În [0]se prezintă un olfactometru.
Proba în cauză este diluată cu aer, până când nu se mai "simte" nimic. Apoi se slăbește diluția, până la înregistrarea unui miros de către 50 % din detectorii umani. Astfel se definește pragul de miros.
Prin raportarea sumei debitelor probei și de aer (de diluție) la debitul probei se poate calcula o mărime adimensională, denumită caracteristică olfactivă.
Fig.5.24: Olfactometrul:
1 Admisia gazelor mirositoare, 2 Pompă, 3 Ventile de reglare, 4 Debitmetre, 5 Amestecător, 6 Cărbune activ, 7 Pompă, 8 Aer de diluție.
Procedee de analiză a conținutului de praf
Pentru analizarea impurităților sub formă de praf (în imisii și emisii) se impune determinarea următoarelor caracteristici:
concentrația globală a prafului;
concentrația prafului fin;
distribuția granulometrică a particulelor și
compoziția particulelor.
În acest scop, s-au dezvoltat mai multe tehnici de prelevare și analiză a prafului rezultat în urma unor procedee de ardere.
Determinarea gravimetrică a conținutului de praf
Cea mai simplă metodă constă în aspirația (corectă) unui debit parțial, cunoscut și reprezentativ din curentul de gaze de ardere și trecerea sa peste un filtru.
Creșterea în greutate a filtrului este o măsură ce poate permite calcularea cantității globale de praf conținute de gazele de ardere. Această tehnică este o metodă manuală și discontinuă.
În [0] se exemplifică importanța prelevării corecte a probei pentru analiză.
a b
Fig.5.25: Influența vitezei de aspirație asupra modalității de prelevare a probei pentru determinarea conținutului de praf:
1 Particule de praf, 2 Sondă de prelevare, 3 Mostră prelevată, 4 Canal de gaze.
În [0] se prezintă principial un analizor gravimetric de praf.
Fig.5.26: Analizator gravimetric de praf:
1 Gaze de ardere, 2 Tub Prandtl de aspirație, 3 Termometru, 4 Duză, 5 Cap de aspirație cu filtru, 6 Diuză Venturi, 7 Conductă de aspirație, 8, 11 Manometru tub U, 9 Micromanometru, 10 Anemometru, 12 Rezervor condens, 13 Pompă de aspirație, 14 Contor de gaz.
Vitezele de aspirație prea reduse sau prea mari pot determina erori în evaluarea conținutului de praf și anume concentrația măsurată rezultă prea mare (față de realitate) în primul caz și prea mic în cel de-al doilea caz. Aspirația trebuie efectuată în strictă corelație cu viteza de scurgere a gazelor de ardere prin canalul de prelevare și anume cu aceeași valoare, deci în condiții izocinetice.
Se observă că proba se prelevează pe două canale. Unul servește la determinarea vitezei curentului de gaze de ardere cu tubul Prandtl, în baza presiunii dinamice măsurate și a densității gazelor de ardere, calculate în funcție de compoziție. Celălalt canal conține un tub Venturi și permite determinarea vitezei și a debitului probei aspirate. Aceste informații se transmit la pompa de aspirație pentru un reglaj corespunzător.
În figura 5.32 se prezintă schema diuzei de aspirație. Diuzele sunt executate fie din oțel inoxidabil, fie din sticlă. Ele conțin un filtru, de obicei din vată de sticlă. Având în vedere că diuzele sunt încălzite de gazele de ardere nu trebuie să se prevadă un sistem separat de încălzire. Se impune însă ca tubul de prelevare, deci legătura dintre sondă și bateria de reținere (spălare) să fie încălzită. Această condiție este absolut necesară în scopul evitării condensării vaporilor de apă și a eronării grosolane a rezultatelor.
Fig.5.27: Schema diuzei de aspirație pentru un analizor de praf:
1 Cap demontabil, 2 Racord, 3 Piuliță, 4 Garnitură, 5 Cămașă din oțel inoxidabil, 6 Sită, 7 Vată de sticlă, 8 Carcasa filtrului.
Determinarea continuă a conținutului de praf
Pentru respectarea normelor de emisie și verificarea bunei funcționări a cicloanelor și separatoarelor de praf se impune determinarea continuă a concentrației prafului în gazele de ardere. S-au impus două metode: una se bazează pe atenuarea intensității unui flux de radiații ß la trecerea lor prin canalul de gaze de ardere încărcate cu praf, cealalată se bazează pe metode optice (fotometrice).
Metoda cu radiații ß analizează o mostră (debit parțial) din gazele de ardere, metoda optică însă, prezintă marele avantaj că utilizează drept probă întreaga cantitate de gaze de ardere.
În cazul aplicării metodelor optice nu mai apar problemele uzuale legate de prelucrarea statistică a rezultatelor, de corelare a vitezei de prelevare a probei prelevate cu cea a gazelor de ardere și de înfundare a filtrelor utilizate.
Determinarea conținutului de praf cu radiații ß
Principiul metodei de determinare a conținutului de praf cu ajutorul radiațiilor ß este schițat în Figura 5.33.
Fig.5.28: Principiul determinării conținutului de praf în gazele de ardere, utilizând raze ß:
1 Bandă de hârtie de filtru, 2 Pată de praf, 3 Mostră de gaze, 4 Detector, 5 Amplificator, 6 Aparat indicator, 7 Emițător de raze.
Hârtia de filtru este impregnată de impuritățile de praf și, trecând prin fața unui jet de radiații ß, determină slăbirea intensității lor. Operația se repetă după necesități, de fiecare dată urmând să se deplaseze (rotească) hârtia de filtru, pentru a cuprinde o zonă curată. Este vorba deci de un procedeu cvasicontinuu. Calibrarea aparatului se face prin metode gravimetrice.
Determinarea conținutului de praf prin metode optice
Aparatele ce folosesc metode optice (fotometrice), indiferent dacă sunt în variantă simplă sau necesită calibrare, se montează direct în canalul de gaze. Un jet luminos (de obicei lumină naturală) străbate canalul și va fi slăbit în intensitate, în funcție de concentrația de praf din gazele de ardere.
La baza determinărilor cantitative stă legea Lambert-Beer, deci se va determina extincția luminii.
În [0] se prezintă schema aparatului ce permite determinări cantitative, atât pentru conținutul de praf cât și pentru concentrația de SO2 din gazele de ardere evacuate la coș.
Sursa luminoasă este o lampă cu Hg de joasă presiune. Unitatea emitentă și receptoare se găsesc de aceeași parte a canalului de gaze, într-o aceeași carcasă. În partea opusă se află o prismă cu reflexie totală.
Fig.5.29: Schema aparatului ce măsoară continuu concentrația de dioxid de sulf și conținutul de praf din gazele de ardere:
1 Gaze de ardere, 2 Coș de fum, 3 Blendă deplasabilă pentru calibrarea de zero, 4 Lentilă plană, 5 Blendă reglabilă, 6 Filtru de control, 7 Distribuitor, 8 Lentilă convergentă, 9 Arzător cu Hg, 10 Amplificator, 12 Disc cu trei filtre, 13 Motor, 14 Filtru de 546 nm, 15 Filtru de 313 nm, 16 Filtru de 436 nm, 17 Tablou de comandă, 18 Unitate de prelucrare de date, 19 Prismă cu reflexie totală, 20 Blendă reglabilă, 21 Calculator, 22 Inregistrator continuu de praf, 23 Inregistrator de SO2.
Discul rotitor conține trei filtre, pentru următoarele trei lungimi de undă:
313 nm (lungime de undă sensibilă la praf și SO2),
436 nm (semnal auxiliar de referință pentru eliminarea influenței SO2),
546 nm (lungime de undă sensibilă la praf).
Din 15 în 15 minute se deschid automat blendele, permițând efectuarea măsurătorii. La 120 minute se realizează automat o calibrare a aparatului, prin luarea în considerare a murdăririi înregistrate. Se trasează astfel linia de referință (de nul).
Se accentuează însă că, în afară de acest tip de calibrare, se impune și o calibrare funcție de natura (mărimea, calitatea) prafului.
În cazul în care gazele vor conține forme de praf neluate în considerare prin calibrare, măsuratorile pot fi eronate.
Determinarea funinginii din gazele de ardere
Supravegherea bunei funcționări a instalațiilor de ardere se face și prin urmărirea conținutului de funingine în gazele de ardere.
Se aspiră o cantitate cunoscută de gaze de ardere și se lasă să se scurgă peste un filtru de hârtie specială. Aceasta se va înnegri. Prin comparația gradului de negreală înregistrat practic cu o scară de etalon, ce conține zece cifre caracteristice (de la 0 pentru alb la 9 pentru negru) se determină așa numita cifră Bacherach.
În caz că se observă pe hârtia de filtru urme galbene, ele sunt dovada prezenței în gazele de ardere și a unor derivate uleioase. Derivatele uleioase se pot determina prin spălarea filtrului în acetonă și compararea coloritului obținut cu o scară etalon mai complexă. În prezent, s-a eleborat o scară cu 80 de poziții (10 pentru funingine a câte 8 scări pentru uleiuri), care permite prin comparație, determinarea simultană a conținutului de funingine și de derivați uleioși din gazele de ardere.
Determinarea distribuției granulometrice a particulelor de praf
Praful este aspirat de plămânii ființelor și animalelor și contribuie la formarea smogului și absorbția de gaze. Având în vedere acțiunea deosebit de periculoasă a prafului fin asupra omului și în general asupra formelor de viață pe de o parte și a fenomenelor speciale pe care le poate provoca, deteriorând mediul ambiant pe de altă parte, trebuie să se realizeze determinări cantitative ale acestuia, prin așa numite analize de distribuție granulometrică (după mărimea particulelor).
Pentru a evita erorile ce se instalează la colectarea de mostre de analiză, se preferă analize on-line, prin așa numitul procedeu cu impact în cascadă.
În figura 5.35 se prezintă constructiv o schemă a acestui procedeu. Cascada este realizată de site din ce în ce mai fine.
Treapta întâi
Treapta a doua
Treapta a n-a
Ultima filtrare
Fig.5.30: Principiul analizorului cu impact în cascadă:
1 Admisia probei de gaz, 2 Spre pompa de vid, 3 Filtru, 4 Duză, 5 Placă de separare.
Sub ele se găsesc suprafețe de recul pentru particulele mai mici, care vor suferi o întoarcere și vor fi purtate de curentul de gaze, spre site mai fine.
Pe măsură ce se îngustează dimensiunile sitelor, crește viteza curentului. Suprafețele de recul sunt realizate de obicei din sticlă. Depunerile se culeg de pe ele. Prin cântărire (cu mare exactitate) se poate construi curba de repartiție granulometrică.
Condițiile din timpul determinării (temperatură, umiditate, precizia cântăririi) influențează calitatea măsurătorii.
Determinarea compoziției particulelor de praf
În cele ce urmează se indică câteva metode care s-ar putea aplica în vederea determinării compoziției particulelor de praf.
Funcție de scop, se pot utiliza:
microscopia (pentru incluziuni de funingine, vapori);
incinerarea (pentru componentele combustibile);
spectrometria atomică cu absorbție (pentru metale);
razele Röntgen (pentru elemente mai grele decât Na);
spectrometria de masă (pentru compuși organici și anorganici);
colorimetria (pentru ioni ca Cl-, NH+4, SO-4, NO-3, etc.);
cromatografia cu ioni (pentru sulfați, nitrați, cloriți, etc.).
Instalarea aparaturii de măsură și control
Locul și modalitatea de prelevare a probelor de gaz sunt de o deosebită importanță asupra corectitudinii determinării concentrațiilor în imisie sau emisie.
Pentru o instalație de ardere complexă, se alege și concepe o schemă corespunzătoare pentru amplasarea aparatelor de măsurare a concentrațiilor ce interesează.
Astfel, în [0], se exemplifică locul în care se recomandă să se instaleze aparatura pentru a investiga continuu emisiile dintr-o centrală modernă, prevăzută cu instalații complexe de curățire a gazelor de ardere.
Este practic necesară o instalație complexă, separată, din care, pe lângă aparatele efective, vor mai face parte sisteme de încălzire, conducte și rezervoare de alimentare cu gaze de referință și calibrare, diferite ventile, schimbătoare de căldură, furtune speciale de prelevare (izocinetică) a probelor.
Fig.5.31: Exemplu de localizare a aparaturii de măsură într-o centrală termică modernă:
1 Generator de abur, 2 Focar, 3 Aer proaspăt, 4 Schimbătoare de căldură, 5 Preîncălzitor rotativ de aer, 6 Electrofiltre, 7 Instalație REA de desulfurare, 8 Schimbător de căldură, 9 Admisie amoniac, 10 Instalație SCR de denoxare, 11 Preîncălzitor de gaze de ardere, 12 Emisii, 13 Coș de fum.
Având în vedere formarea sulfatului de amoniu la răcirea gazelor ce conțin NH3, SO2 și vapori de apă, se indică, fie să se evite răcirea acestora înaintea analizei (temperatura gazelor să rămână superioară valorii de 300350C), fie să se separe curentul de gaze în două canale, unul fără SO2, celălalt fără NH3, cu ajutorul unei sonde Denox, ce conține doi absorbanți specifici acestor gaze.
Este foarte important ca să se procedeze și la analiza compoziției particulelor de praf reținute în filtre și a gradului de filtrare, deoarece praful reține o serie de compuși, pe de altă parte el poate determina înfundarea canalelor de circulație.
În [0] se exemplifică schematic modul de concepție al instalației de determinare a concentrației gazelor SO2, NO (NOx), O2, CmHn respectiv a prafului (grosier și fin) din gazele de ardere emise de o instalație staționară de ardere.
Se practică o răcire a gazelor înainte de a fi analizate (pentru determinarea compușilor NO, NO2, SO2, CO2, O2, nicidecum NH3,, CmHn sau SO3). Cu cât răcirea se produce la o temperatură mai mare, cu atât se dizolvă mai puțin SO2 în condens, dar, pe de altă parte separarea condensului decurge mai greoi și ineficient.
Vaporii de apă rămași constituie factori perturbatori pentru aparatele de măsură, în special pentru cele ce lucrează în IR. Dacă concentrațiile de SO2 în gazele de ardere sunt reduse, temperaturi de răcire cuprinse între 2 și 5 C, se instalează erori de până la 10 % în determinarea concentrației de SO2 în gazele de ardere.
Vaporii de apă constituie principalii perturbatori ai determinărilor corecte de SO2. De aceea, unele firme producătoare de aparatură recomandă calibrarea aparatelor ce măsoară concentrația de SO2 cu ajutorul unor gaze de etalonare umidificate cu același conținut de umezeală ca și proba de analizat. Astfel se compensează erorile făcute de aparatele ce lucrează în IR sau UV.
În [0] se exemplifică o altă instalație complexă ce măsoară simultan și continuu concentrațiile componentelor CO/NO, SO2 și O2 din gazele de ardere. Dacă este amplasat un convertor NO2/NO se poate determina și concentrația NO+NOx. Ventilele magnetice cu patru căi permit racordarea aparatelor la buteliile ce conțin gazele etalon respective, în scopul calibrării lor automate.
Prezența H2O, CO2 perturbă măsurarea corectă a concentrației de SO2. Perturbațiile provocate de astfel de componente auxiliare sunt, de obicei, echilibrate prin concepția aparatelor de măsură, care înglobează cuplaje optice variabile, filtre optice, detectoare intermediare și chiuvete umplute cu gaze de referință.
Indicațiile aparatelor sunt digitale, semnalele sunt de 020 mA (sau 420 mA), iar valorile sunt memorate pentru prelucrări ulterioare.
Debitele de gaz prelevat variază, conform reglajelor, între 0,5 până la 2 l/min.
Fig.5.32: Schema instalației de determinare continuă a concentrației componentelor CO/NO, SO2 și O2 din gazele de ardere, având calibrare automată înglobată:
1 Sondă încălzită de prelevare, 2 Furtun încălzit de racord (25 m), 3 Separator pentru presepararea condensului, 4 Vas de condens, 5 Pompă de condens, 6 Robinet de închidere, 7 Indicator de nivel, 8 Pompă pentru gaz, 9 Regulator de debit, 10 Ventil magnetic, 11 Răcitor, 12 Sistem automat de evacuare a condensului, 13 Filtru cu senzor de umezeală, 14 Debitmetru cu regulator, 15 Supraveghetor de presiune, 16 Aparat pentru determinarea CO/NO, 17 Aparat pentru determinarea SO2, 18 Aparat pentru determinarea O2.
În [0] se prezintă schematic sistemul de supraveghere continuă a emisiilor dintr-o centrală termică de putere mare.
Supravegherea continuă este necesară pentru a menține controlul asupra acelor regimuri generatoare de emisii peste nivelul admis. Datele culese sunt prelucrate pentru editarea jurnalului zilnic și anual de date.
În jurnalele de date sunt cuprinse valori medii la jumătate de oră, medii zilnice și medii lunare. De asemenea se înregistrează și funcția de repartiție a probabilității.
Fig.5.33: Unitate de supraveghere a emisiilor:
1 Instalație staționară de ardere, 2 Instalație de desulfurare, 3 Canal de gaze, 4 Coș de fum.
Orice centrală termică trebuie să dispună de o unitate de măsurare și înregistrare a emisiilor, aflată sub controlul direct al organismelor ce veghează la protecția mediului ambiant.
În țări foarte dezvoltate se mai practică o veghe de la distanță asupra activității poluante a agenților. În cazul constatării unor depășiri, se procedează la oprirea și penalizarea agentului care s-a făcut răspunzător de nerespectarea legislației ce limitează valoarea concentrațiilor limită admise în gazele de ardere.
Pe scurt se amintesc și erorile ce se pot face, voluntar sau involuntar, în timpul măsurătorilor.
Cea mai grosolană eroare poate proveni din neasigurarea etanșeității în timpul prelevării probei. Pătrunderile de aer fals în locul de prelevare a probei determină eronarea grosolană a valorilor reale ale concentrațiilor.
Se menționează că mărimile de referință (concentrația de oxigen, temperatura, presiunea) se vor măsura în același loc de unde se prelevează și proba de gaze pentru determinarea concentrațiilor componentelor ce intră sub jurisdicția legilor de protejare a mediului ambiant, funcție de specificul unității industriale.
Stabilirea locului de prelevare și modul în care decurge aceasta sunt elemente hotărâtoare pentru corectitudinea măsurătorilor.
O altă sursă de erori este neluarea în considerație a faptului că particulele de praf pot reține unele componente, de asemenea intervin pierderile din condens.
În cazul analizei gazelor uscate, se poate întâmpla, în situația unei amplasări incorecte a separatorului de umiditate, ca, în condensul format înainte ca amestecul să intre la analiză, să se dizolve o serie de componente interesante, în special NH3, HONO, SO2, dar și CO2, NO, etc. De aceea, aparatele trebuie să dispună de o așa numită stație de preparare a gazelor înainte de analiză, care să permită răcirea bruscă a probei de gaz și separarea condensului, fără a-i da ocazia de a dizolva cantități mari din diferite componente din gazele de ardere.
Lipsa calibrării aparaturii de măsură poate genera o sursă suplimetară de erori. Calibrarea aparatelor, la intervale standardizate de timp, trebuie să se realizeze cu deosebită rigurozitate. Se deosebește calibrarea de bază, cea de rutină și cea de control. Gazele etalon utilizate trebuie să corespundă ca și grad de puritate.
Pentru aparatele nepretențioase (ieftine) se practică și calibrarea cu aer.
Valorile măsurate trebuie să se găsească în interiorul domeniul de măsură specific aparatului, de preferat la mijloc, dar nicidecum în afară sau la extreme.
Pentru fiecare tip de aparat este valabilă o clasă de precizie, indicată de fabricantul lor.
Se impune cunoașterea legii (lineare de preferință) pentru calibrare și stabilirea sensibilității aparatului, în condițiile concrete de funcționare.
De mare importanță este și controlul fenomenelor de interdependență perturbatoare și influență reciprocă între diferite componente, ce generează semnale false. De exemplu, prezența și concentrația diferită de CO2 poate constitui un factor perturbator la determinarea CO în IR. Vaporii de apă și CO2 sunt factori perturbatori la stabilirea concentrației de SO2 prin IR sau UV.
Corectitudinea și fiabilitatea încercărilor și/sau etalonărilor efectuate de un laborator sunt determinate de mulți factori. Acești factori includ contribuțiile:
factorilor umani;
condițiilor de acomodare și de mediu;
metodelor de încercare și etalonare și validarea acestora;
echipamentelor;
trasabilității măsurării;
eșantionării;
manipulării obiectelor de încercat și etalonat.
Măsura în care acești factori contribuie la incertitudinea totală de măsurare diferă considerabil între (tipurile de) încercări și (tipurile de) etalonări. Laboratorul trebuie să țină seama de acești factori în dezvoltarea metodelor și procedurilor de încercare și etalonare, în instruirea și calificarea personalului și în alegerea și etalonarea echipamentelor pe care le utilizează.
6. Ce soluȚii de ÎmbunĂtĂȚire a calitĂȚii aerului sunt iminente?
6.1. Soluții legislative ce impun măsuri tehnice în România
România dispune de o rezervă minoră de gaze naturale și petrol, ceea ce face să fie și ea dependentă de import pentru satisfacerea nevoilor interne. În ceea ce privește cărbunele, România dispune de o rezervă industrială de circa 2,7 miliarde tone, ceea ce asigură o durată medie de exploatare de peste 90 de ani. Rezervele exploatabile în carieră sunt de circa 1,4 miliarde tone și asigură o durată de exploatare de 4050 ani. Rezervele exploatabile în subteran sunt de circa 1,3 miliarde tone și asigură o durată de exploatare de peste 200 de ani. Rezervele geologice omologate sunt de 9,2 miliarde tone, astfel încât se poate afirma cu certitudine că perpectiva favorabilă utilizării cărbunilor în domeniul energetic este justificată.
În momentul de față, din resursele energetice interne se pot asigura:
– o productie în creștere de țiței, prin exploatarea de către Societatea Naționala a Petrolului "Petrom" – S.A. a zăcămintelor interne;
– o producție anuală constantă de gaze naturale realizată de producătorii interni Societatea Naționala de Gaze Naturale "Romgaz" S.A. și Societatea Națională a Petrolului "Petrom" S.A., prin exploatarea zăcămintelor interne;
– o producție anuală de huilă în ușoara creștere, realizată de Compania Naționala a Huilei S.A. prin exploatarea zăcămintelor de huilă (aflate în proporție de peste 95 % în Valea Jiului);
– o producție anuală de lignit la un nivel de 25-30 milioane tone, realizată de Compania Națională a Lignitului Oltenia S.A. prin exploatarea zăcămintelor de lignit (aflate în proporție de peste 80 % în bazinul carbonifer Oltenia);
– o producție anuală constantă de cărbune brun, realizată de cei 2 producători, Societatea Naționala a Cărbunelui Ploiești S.A. și Societatea Comercială "Banat" Anina S.A., prin exploatarea zăcămintelor aflate în subteran și cariere;
– o producție anuală de uraniu prin exploatarea zăcămintelor existente de uraniu și prin deschiderea, dezvoltarea și exploatarea unor noi zăcăminte;
– un potențial hidroenergetic amenajat pentru o producție anuală de energie electrică de peste 40 % din potențialul total amenajabil din România.
Puterea disponibilă reprezintă în prezent circa 88 % din capacitatea instalată.
Societatea Comercială de Producere a Energiei Electrice și Termice "Termoelectrica" S.A. este principalul producător de energie electrică, care are în administrare sucursale. Producerea energiei electrice se face în centrale termoelectrice cu grupuri pe cărbune și hidrocarburi și în centrale de cogenerare, care produc în plus și energie termică.
Al doilea mare producător este Societatea Comercială de Producere a Energiei Electrice "Hidroelectrica" S.A. care are în administrare 10 sucursale. Producerea energiei electrice se face în centrale hidroelectrice cu acumulare și pe firul apei.
Al treilea producător important este Societatea Națională "Nuclearelectrica" S.A., care dispune de unități de tip CANDU (Canada) cu puterea instalată de 705 MW, funcționând pe bază de uraniu natural și apă grea.
În cadrul sectorului energetic majoritatea capacităților de producție și infrastructurile de transport și distribuție necesită măsuri urgente de modernizare vizând creșterea eficienței și reducerea impactului asupra mediului. Capacitatea productivă a fost limitată de disponibilitatea scăzută a instalațiilor și de calitatea slabă a unor echipamente, gradul de utilizare a capacității totale fiind de 41,53 %.
Modernizarea infrastructurii existente la nivelul Sistemului electroenergetic național va permite realizarea pe termen scurt a cerințelor tehnice și a standardelor de performanță, conform directivelor Uniunii Europene. Se impun reabilitarea grupurilor și a rețelelor de termoficare, introducerea cogenerării de mică putere și promovarea unor echipamente performante. A fost emisă legislația primară pentru sectorul energetic. Ministerul Industriei și Resurselor a elaborat versiuni modificate ale Legii petrolului, Legii minelor, precum și Legii energiei electrice și termice. Siguranța energetică a Romaniei a fost direct afectată de lipsa capabilității financiare a agenților economici din sector. Tariful mediu la energia electrică a fluctuat între 40 si 52,8 dolari S.U.A./MWh, atingând un prag minim de 19 dolari S.U.A./MWh; subvențiile încrucișate la energia electrică fiind eliminate.
Principalele obiective ale Strategiei energetice naționale este dezvoltarea durabilă a sectorului energetic, ceea ce înseamnă în mod esențial satisfacerea necesarului de energie la un preț competitiv, în condiții de calitate, de siguranță în alimentare și de utilizare eficientă a resurselor, cu limitarea impactului asupra mediului.
Obiectivul principal al Strategiei naționale de dezvoltare energetică pe termen mediu îl constituie crearea unor piețe eficiente de energie, a căror dezvoltare să fie realizată în mod durabil, în condiții de înaltă calitate și siguranță a alimentării cu energie, cu respectarea standardelor Uniunii Europene referitoare la utilizarea eficientă a energiei și la protecția mediului. Introducerea graduală a mecanismelor de piață în sector va fi corelată cu reforma generală a sistemului instituțional și cu restructurarea economiei naționale în ansamblu.
Din obiectivul principal decurg următoarele obiective derivate:
a) încadrarea evoluției sectorului energetic în dezvoltarea durabilă a economiei României, folosirea coerentă și optim direcționată a mecanismelor specifice economiei de piață în curs de structurare și consolidare;
b) interconectarea Sistemului electroenergetic național cu Sistemul Uniunii Europene pentru coordonarea transportatorilor de electricitate (UCTE);
c) asigurarea unor surse stabile și diversificate de aprovizionare cu resurse energetice și formarea stocurilor necesare pentru funcționarea în deplina securitate a sistemului energetic;
d) diminuarea influenței negative a proceselor energetice asupra mediului;
e) corelarea (prin legi, reglementări și măsuri administrative) a sectorului hidroenergetic cu cel al gospodăririi apelor și apărării impotriva inundațiilor;
f) dezvoltarea tehnologică a întregului lanț energetic: resurse naturale-producție-transport-distribuție-consum;
g) completarea și perfecționarea cadrului instituțional, inclusiv legislativ;
h) promovarea neechivocă a mecanismelor concurențiale pe piața energiei.
Strategia energetică este concepută în 3 direcții:
deblocarea financiară a sectorului energetic;
privatizarea în subsectorul de distribuție și apoi de producere a energiei electrice;
asigurarea funcționării și dezvoltării stabile pe termen mediu a sectorului energetic, prin stimularea investițiilor noi.
Figura 6.1 prezintă statistic, la nivelul anului 2001, consumul de energie (tone cc) la nivelul întregului glob. În general mileniul actual va fi caracterizat în perioada imediat următoare prin completarea echipamentelor energetice, care, la nivel mondial sunt îmbătrânite (Figura 6.2). Această expansiune este fortuită de creșterea tot mai accentuată a populației, cu precădere din țările sărace din Asia și Africa. Proporțional și emisiile de poluanți vor spori, dacă nu se adoptă tehnologii cu care să se controleze emisiile. În Figura 6.3 se prezintă rata de creștere a consumului, care este superioară creșterii numărului populației pe glob, ceea ce denotă faptul că sporirea necesarului de energie este determinat și de aspecte legate de nivelul de trai, bunăstare, civilizație exagerată, consum nesăbuit, așa cum se petrece în țările puternic industrializate (SUA, Japonia, UE). Comparativ datele statistice arată că față de un consum de circa 1,65 tone cc/cap de locuitor ce reprezintă valoarea de referință medie, SUA consumă de 4 ori mai mult, celelate tări dezvoltate (CE, Japonia, Rusia) de două ori mai mult, iar țările cu populație numeroasă (China, India, întrega Africă) jumătate din această medie. Cu alte cuvinte peste 75 % din populația globului nu are acces la nivelul mediu energetic de consum.
Figura 6.1: Consumul de energie la nivelul întregului glob, 2001.
Față de această inechitate în consum, se impune o echitate în reducerea emisiilor. Prin Protocolul de la Kyoto (1997), la care și România a aderat garantând ferm în 2001 o participare cu un procent global de 1,2 % la reducerea emisiei totale pe mapamond comparativ cu efortul UE de circa 24,2 %., se speră că, dacă și Rusia îl va ratifica, se va întruni majoritatea și SUA va fi nevoită să își respecte atribuțiile de cel mai mare poluator al omenirii, punându-l în practică.
Figura 6.2: Raportul dintre necesar și ofertă în perspectivă, în UE
Figura 6.3: Creșterea populației și a consumului de energie primară, față de necesarul zilnic
Poluarea aerului datorită instalațiilor termoenergetice
Este cunoscut faptul că în procesul de ardere a combustibililor, simultan cu degajarea energiei termice are loc producerea unor noxe dintre care, în principal, se amintesc: oxizii de carbon COx, oxizii de sulf SOx, oxizii de azot NOx și cenușă, la care se mai adaugă, după caz, hidrocarburi CmHn, oxizi ai metalelor grele, etc.
În Figura 6.4 se prezintă situația emisiilor de NOx si SO2 la nivel european pentru anul 1990, extrasă din date statistice pentru 20 de țări (nu și România), iar în Figura 6.5 se explică care este proporția principalilor poluanți emiși antropic în Europa, față de totalul general emis pe terra. În afară de poluanții clasici, se prezintă și VOC (denumiți și COV), adică compușii organici volatili (volatile organic compound) și HC – FC ceea ce semnifică un poluant foarte toxic determinând distrugerea stratului de ozon, pe bază de hidrocarburi cu flor halogenate parțial (hydrochlorofluorocarbon sau H FCKW). Se observă că nu continentul european are emisiile preponderente, deși se cunoaște că are un standard de viață superior, peste media globală.
Figura 6.4: Emisia de SO2 și NOx la nivelul Europei, în 1990
Fig. 6.5: Cantitățile de poluanți emiși de Europa, în 1990, și procentul din totalul emis pe mapamont
Reducerea impactului proceselor energetice asupra mediului și apropierea României de normele prevăzute în acest domeniu de reglementările Uniunii Europene urmează să se realizeze prin lucrările de reabilitare și modernizare menționate anterior, dar și prin alte măsuri specifice ca de ex. ecologizarea haldelor de zgură și cenușă, monitorizarea continuă a calității mediului în zona marilor obiective energetice, reabilitarea solurilor poluate și redarea terenurilor în circuitul agricol, reducerea emisiilor de noxe la rafinării și minimizarea pierderilor, refacerea ecologica a unor zone petrolifere și prin reducerea riscului în operare. Lărgirea capacității la Centrala Nuclearoelectrică Cernavodă va contribui semnificativ la procesul de reducere a impactului sectorului energetic asupra mediului. De asemenea, în domeniul petrolier urmează să se producă tot mai mult benzine și motorine ecologice. Sectorul energetic va beneficia de oportunitatea creată de potențialul de reducere a emisiilor de gaze cu efect de seră, prin mecanismele flexibile promovate de Convenția-cadru a Națiunilor Unite asupra schimbărilor climatice, ratificat de România prin Legea nr. 3/2001. Valorificarea acestui potențial prin proiecte "implementate în comun" sau "comerț cu emisii" este o importantă sursă de finanțare a procesului de eficientizare și dezvoltare durabilă a sectorului energetic. Compatibilitatea cu mediul pentru produsele și tehnologiile energetice este parte integrantă a competitivității acestora.
O evaluare a impactului asupra mediului pe termen lung, în diverse opțiuni de dezvoltare a capacității de producere a energiei electrice și termice în România, a condus la concluzia că se poate realiza un plan național de reducere a emisiilor de SO2 și NOx similar celor din țările UE și că există premisele ca și țara noastră să se încadreze în prevederile Protocolului de la Kyoto.
Metodologia CORINAIR constă în calculul emisiilor de poluanți atmosferici de la diferite surse/activități antropice și naturale pe baza factorilor de emisie specifici acestora, pornind de la o baza de date privind valorile de consum/producție ale diferitelor surse sau activități poluatoare. A fost implementată și la nivelul țării noastre.
Astfel, emisiile de poluanți în atmosfera în perioada 1990-2001 raportate la emisiile din 1989, considerat an de referință, sunt mult reduse, în principal datorită regresului activităților economice înregistrat în acestă perioadă. Comparativ cu anul 2000, emisiile rezultate în anul 2001 din procesele de ardere au inregistrat o ușoară creștere. Sporirea emisiilor de SOx, NOx, CO2 și Hg poate fi corelată cu creșterea consumului final energetic în anul 2001 față de anul 2000 cu 1,2 % datorită creșterilor înregistrate în majoritatea activităților economiei naționale. În prezent, producția principalilor purtători de energie primară totalizează cca. 28 mil. tep (tone petrol echivalent) din care gazele naturale reprezintă cca. 39 %, țițeiul cca. 22 %, cărbunele cca. 20 %, iar energia hidrolectrică, biomasa, energia nucleară, etc. contribuie cu cca. 19 %. Producția internă acoperă cca. 75 % din necesarul de resurse energetice ale țării, restul de 25 % fiind importate. Importul de energie este constituit în proporție de 60 % din țiței și produse petroliere (în general păcură), cca. 25 % gaze naturale, iar restul de 15 % îl reprezintă importul de cărbune, cocs și energie electrică. În anul 2001, producția netă de energie electrică a fost de 48,61 TWh, din care cca. 60 % a fost realizată în termocentrale, cca. 30 % în hidrocentrale și 10 % in centrala nuclearoelectrică. Pentru producerea energiei electrice în termocentrale s-au consumat cca. 7,3 mil. tep, din care cca. 28 % gaze naturale și cca. 62 % cărbune. Conform prevederilor Romania va trebui să respecte pentru 2010 plafoane de emisii redate în Tabelul 6.1.
Tabelul 6.1: Plafoane de emisii pentru 2010.
În România se apreciază că furnizorii de energie au contribuit pe ansamblu cu 40 % la emisiile poluante, iar separat pe emisii cu 78 % la oxizii de sulf, cu 43 % la oxizii de azot, cu 68 % la emisiile de praf și cu 44 % la dioxidul de carbon
Prin oxidarea sulfului în focarele industriale acesta se transformă în proporție de peste 95 % în SO2 și restul în SO3, în funcție de temperatură, excesul de aer și prezența sau absența anumitor catalizatori ca de exemplu oxizi de vanadiu și chiar de fier. Dioxidul de sulf are asupra organismului uman efecte biologice cu un spectru larg de acțiune, începând cu simpla iritare a căilor respiratorii, până la provocarea unor boli cronice (emfizem, astm), iar la concentrația în aer de 1g/m3 provoacă moartea. Efectele nocive, atât la expunerea pe termen scurt (10 30 minute), cât și la expunerea pe termen mediu (24 ore) și lung (1 an) sunt legate de alterarea funcției respiratorii. Există o mare variabilitate a sensibilității la SO2 a subiecților umani. Expunerea repetată la concentrații mari pe termen scurt, combinată cu expunerea pe termen lung la concentrații mai mici crește riscul apariției bronșitelor cronice în special la fumători. Expunerea pe termen lung la concentrații mici conduce la efecte mai accentuate în special asupra subiecților sensibili: asmatici, copii, oameni în vârstă. La copii care trăiesc în zone industrializate s-a remarcat scăderea capacității vitale.
Dioxidul de sulf și particulele în suspensie, ca de exemplu praful de cenușă, au efect sinergetic. Asocierea acestor poluanți conduce la creșterea mortalității prin afecțiuni cardiorespiratorii și a deficiențelor funcției pulmonare. În funcție de concentrația dioxidului de sulf în aer, la care sunt supuse plantele, apar efecte biochimice și fioziologice: degradarea clorofilei, reducerea fotosintezei, creșterea ratei respiratorii, schimbări în metabolismul proteinelor, în bilanțul lipidelor și al apei, în activitatea enzimatică. Aceste efecte conduc în final la necroze, la reducerea creșterii plantelor, la mărirea sensibilității la agenți patogeni, la diminuarea cantității de fructe și a calității acestora.
Împreună cu industria chimică, metalurgia și celelalte domenii ale activității economice din țările dezvoltate, centralele termoelectrice sunt responsabile de aproximativ 50 % din emisia de NOx, celelalte 50 % revenind transportului auto.
Formarea oxizilor de azot în timpul arderii industriale are loc pe baza azotului din aer (pentru NO-ul termic și NO-ul prompt sau timpuriu) și a azotului conținut de combustibil. Prin emisie de NOx se înțelege totalul oxizilor de azot formați cu precădere, în timpul arderii combustibililor, adică monoxidul de azot NO care reprezintă peste 90 % și bioxidul de azot NO2 care reprezintă sub 5 %. În cazuri speciale pot să apară și alți oxizi ai azotului, ca de exemplu protoxidul de azot (N2O) și foarte rar trioxidul de diazot (N2O3) și pentaoxidul de diazot (N2O5). Se menționează că la evacuarea gazelor de ardere în mediul ambiant (care are un conținut ridicat de oxigen), se produce trecerea rapidă a NO în NO2.
Expunerile pe termen scurt la oxizi de azot conduc la schimbări în funcția respiratorie atât la subiecți normali, cât și la cei cu bronșită. În amestec cu ozonul oxizii de azot au efecte sinergetice, ca și în prezența pulberilor în suspensie. Expuneri pe termen lung într-un mediu cu oxizi de azot conduc la apariția emfizemelor, alterarea celulelor pulmonare și creșterea susceptibilității la infecții bacteriologice ale plămânului.
Până la anumite concentrații, oxizii de azot au efect benefic asupra plantelor, contribuind la creșterea mai rapidă a acestora. Totuși s-a constatat că în aceste cazuri crește și sensibilitatea acestora la atacul insectelor și la condițiile de mediu. Peste pragurile toxice, oxizii de azot au acțiune fitotoxică foarte clară. Mărimea daunelor suferite de plante este în funcție de concentrația poluantului, timpul de expunere, vârsta plantei etc. Oxizii de azot contribuie la efectul de seră și la distrugerea păturii protectoare de ozon din stratosferă.
Emisiile de oxizi de azot și de sulf cauzează apariția ploilor acide, ploi care cauzează distrugerea pădurilor pe suprafețe din ce în ce mai mari. Impactul ploilor acide depinde de condițiile climatice (care determină regimul pluviometric), biologice și de capacitatea solului de a atenua aciditatea. Modificările în compoziția apei și a solului au ca rezultat tulburări în dezvoltarea plantelor, o scădere a producției de masă lemnoasă, respectiv a producției și calității fructelor, cu întreg cortegiu de consecințe economice și de altă natură, ultimele manifestate în lanțul trofic plantă-animal-om.
Alături de autovehiculele rutiere, care în marile orașe au cea mai mare contribuție la impurificarea aerului cu oxizi de azot și monoxid de carbon, termocentralelor și în general instalațiile de ardere își aduc o contribuție importantă.
Prin arderea imperfectă a combustibililor se produce monoxid de carbon al cărui efect nociv asupra omului se manifestă imediat datorită faptului că, odată inhalat, acesta reacționează cu hemoglobina din sânge formând carboxihemoglobina, responsabilă de intoxicații grave, ale cărei prime semne sunt cefaleea, oboseala și amețeala, urmate chiar de deces, dacă concentrația CO-ului este mare și timpul de expunere este relativ lung. Instalațiile staționare de ardere, moderne, folosite în prezent, dacă sunt bine reglate și monitorizate permanent, produc cantități mici de monoxid de carbon, mai ales în cazul folosirii combustibililor gazoși.
Bioxidul de carbon rezultă din oxidarea carbonului existent în combustibilii folosiți, dar și din anumite surse naturale. Specia CO2 nu constituie o noxă în sine deoarece este unul dintre constituienții naturali ai aerului, iar prezența sa este strâns legată de materia organică și de viața pe pământ. Dacă bioxidul de carbon, produs din surse antropice și naturale, depășește cantitatea ce poate fi dizolvată în oceane și absorbită de plantele verzi în timpul fotosintezei, concentrația sa în aerul atmosferic crește. Bioxidul de carbon – în variantă antropică – influențează clima prin efectul de seră creat asupra pământului. Denumirea de efect de seră se leagă de situația care se întâlnește într-o seră, pe timp de iarnă (afară fiind îngheț), unde în zilele cu soare termometrele instalate în interior înregistreză temperaturi și de 30 – 40 C.
În Figura 6.6 se schematizează generarea efectului de seră, datorat nu numai prezenței gazelor cu efect de seră, dar și particulelor și altor condiții specifice.
Figura 6.6: Efectul de seră.
De la Soare razele incidente, prpeonderente din domeniul ultraviolet (UV cu lungimea de undă între 290 și 340) sunt refelctate și dispersate la ieșirea din stratosferă și tropopauză, datorită prezenței metanului, dioxidului de carbon, CH-FC și respectiv a particulelor. Odată cu reflextarea la sol, energia luminoasă ce o poartă se transformă cu precădere în căldură, iar razele reflectate își schimbă lungimea de undă (devin IR adică infraroșii). Gazele cu efect de seră au proprietatea de a împiedica radiația înapoi spre stratosferă deoarece absorb cu precădere aceste raze IR, și astfel se produce un dezechilibru în bilanțul energetic, în favoarea reținerii în troposferă, între cantitatea de energie sub formă de căldură ce pătrunde respectiv părăsește troposfera. Ca urmare, datorită sporirii cantităților antropice de gaze cu efect de seră, temperatura medie la sol de 15 C (față de – 20 C în cazul lipsei acestor gaze) este în continuă creștere.
Figura 6.7: Prognoză asupra modificărilor climatice față de prezent
Pe baza datelor statistice și a faptului de netăgăduit că din 1870 până în 1989 concentrația globală de CO2 pe pământ a sporit de la 290 la peste 350 ppm (circa 19 – 21 %), s-a întocmit o hartă probabilă a lumii, care va avea o climă ciudată și probleme deosebite. Clima va deveni fie mai umedă, fie mai uscată față de prezent (Figura 6.7). Nu întâmplător, după 1980, au fost înregistrați cinci dintre cei mai călduroși ani din secolul nostru. Schimbările climatice vor determina ca generațiile viitoare să moștenească o planetă cu un ecosistem mult modificat față de prezent, și ireversibil distrus.
Funcție de modelele de calcul existente, se estimează că în condițiile de astăzi, în care prin ansamblul activității umane se evacuează anual în atmosferă o cantitate de circa (20 – 22) miliarde tone CO2, dacă se menține creșterea consumului de energie conform tendințelor din trecut, concomitent cu mărirea populației globului de la 6 miliarde locuitori la (9 10) miliarde peste 50 de ani, creșterea temperaturii medii pe pământ va fi de 2,5 0C 1.4] față de valoarea actuală. Sunt prognoze și mai sumbre care prevăd și posibilitatea creșterii cu până la 5 0C, atunci când în calcul se ia în considerare și efectul aerosolilor. Dacă aceste tendințe s-ar menține pe durata unui secol, creșterea concentrației de CO2 ar putea atinge praguri ireversibile și dezastruoase, care ar modifica structura vieții pe pământ, îndeosebi echilibrul dintre suprafața uscatului și cea a oceanului planetar. 17 % din uscat s-ar acoperi de ape, datorită topirii calotei glaciare și a ridicării nivelului mărilor și oceanelor cu circa 50 – 100 cm. Foarte afectate vor fi în special țările unde orezul – plantă a cărei dezvoltare este indisolubil legată de apă – este principala hrană, adică tările sărace.
Emisia de CO2 se datorează în principal arderii combustibililor fosili în termocentrale (circa 22 %), în motoarele cu ardere internă (circa 14 %), dar și în instalații mici din casele (blocurile) cu încălzire individuală (circa 12 %), restul fiind de proveniență industrială sau alte surse mai minore cum ar fi sectorul meșteșugăresc.
Statistic, cu toate măsurile de reducere și angajamentele asumate, se observă că perspectiva emisie de CO2 nu este deloc ușor de stăpânit. Figura 6.8 arată că emisiile din tîrile foste socialiste se mențin căt de căt la un același nivel. Pericolul îl reprezintă emisiile din țările în curs de dezvoltare, unde încă nu se dispune de metode de reducere. În 30 de ani practic participarea lor la emisia totală se va mări de 2,5 ori. Aceeași concluzie se desprinde și din Figura 6.9
Din Tabelul 6.3, în care sunt înscrise gazele care produc efectul de seră și contribuția fiecăruia, rezultă că bioxidului de carbon îi revine rolul principal.
La aceeași concentație, potențialul gazelor este însă diferit. Pentru CO2 se admite valoarea de 1, iar comparativ CH4 are 21, N2O 310, hidrocarburile cu F și Cl câteva mii. Aceste cifre caracterizează așa numitul echivalent în CO2.
Figura 6.8: Emisia de CO2 pe stucturi de țări (industralizate, din grupul celor foste socialiste respective în curs de dezvoltare).
Figura 6.9: Cantitatea de CO2 preconizată a fi eliminată de diferite țări.
Tabelul 6.2: Gaze care produc efectul de seră.
Modificarea temperaturii la suprafața pământului ar conduce la creșterea nivelului mării cu până la 1 m, ceea ce ar avea ca urmare modificarea geografiei lumii prin acoperirea cu apă a teritoriilor cu relief scăzut și micșorarea suprafețelor acoperite cu gheață. Regimul pluviometric și eolian s-ar modifica esențial, fapt ce ar conduce la schimbări în harta zonelor de vegetație și deșertice.
În menținerea echilibrului în circuitul bioxidului de carbon în natură un rol esențial îl are fotosinteza, funcțiunea fiziologică proprie plantelor verzi, datorită căreia planta sintetizează substanțe organice din bioxidul de carbon și apă cu ajutorul luminii solare absorbită de clorofilă. Ecuația chimică sumară după care se produce sinteza glucozei este:
(6.1)
Fotosinteza este un fenomen de foarte mare importanță, deoarece prin intermediul său substanțe minerale simple (CO2 și apa) sunt transformate în substanțe organice (glucoza), din care ulterior se formează hidrați de carbon, aminoacizi, proteine și lipide, care intră în constituția corpului plantei, iar energia solară este transformată în energie chimică înmagazinată în moleculele produșilor sintetizați. Captând energia solară, absorbind bioxidul de carbon, sintetizând anual miliarde de tone de substanțe organice și eliberând în atmosferă cantități uriașe de oxigen, plantele verzi asigură hrana, energia și oxigenul necesar respirației regnului animal și oamenilor. Viața pe pământ se datorează plantelor verzi, iar omenirea trebuie să aibă înțelepciunea de a face totul pentru conservarea lor, pe de o parte punând capăt defrișărilor nesăbuite a pădurilor, iar pe de altă parte, micșorând pe cât este posibil emisiile de CO2 și în general a noxelor în mediul ambiant. Pe bună dreptate ecuația (6.1) a fost supranumită drept „ecuația vieții” 1.6]. Ei i se opune reacția inversă a respirației celulare (6.2):
(6.2)
În procesul de transport și de preparare a cărbunilor, dar mai ales în urma arderii acestora și depozitării cenușii, precum și la arderea unor combustibili lichizi grei rezultă cantități importante de praf. Particulele mici plutesc în aer și sunt purtate de curenți la distanțe foarte mari de sursă. Particulele mai mari, se desprind mai repede din curenții de aer și se depun pe sol murdărind și degradând plantele, casele, construcțiile industriale, vehiculele etc. Unele particule pot produce o iritație a mucoasei oculare și/sau a căilor respiratorii. Aerosolii formați de cenușă contribuie la vehicularea gazelor nocive, purtându-le la distanțe mari de locul de emisie. Având în vedere că emisia specifică de CO2 depinde atât de calitatea combustibilului (putere calorifică), dar și de eficiența cu care acesta își transformă energia chimică în energie electrică, a reduce emisia înseamnă să se prevadă cu precădere:
1. utilizarea conversiilor cu randament ridicat,
2. introducerea de combustibili cu emisie redusă de CO2 (gaz natural),
3. exploatarea unor surse energetice neutre pentru generarea de CO2 (surse regenerative, nucleare).
În Figura 6.10 se indică efectul randamentului și al calității combustibilului asupra emisie specifice de CO2. Comparând între ei diferiți combustibili, factorul de emisie cel mai redus îl are metanul (0,52 kg CO2/kWh), urmează gazul natural (0,53 kg CO2/kWh), combustibilul lichid (0,7 kg CO2/kWh), cărbunele de calitate superioară (0,88 kg CO2/kWh) iar la urmă, cu cel mai mare factor, se găsește cărbunele inferior (lignitul) cu circa 1,1 kg CO2/kWh. Corelarea valorilor s-a obținut pentru un randamnet efectiv l centralelor termoelectrice uzual.
Figura 6.10: Influența randamentului și a caracteristicilor combustibilului asupra factorului specific de emisie CO2.
Măsuri legislative pentru protecția mediului
Termocentralele românești au fost proiectate într-o perioadă când impactul funcționării lor asupra mediului era subestimat, iar constrângerile referitoare la protecția mediului erau relativ puține. Amplasamentul lor a fost ales de cele mai multe ori după alte criterii (surse de răcire, combustibil, consumatori de energie) și nici o dată după cel al impactului minim asupra mediului. Înălțimea coșului de fum era considerată unicul mijloc eficient de evitare a poluării aerului din zona învecinată, chiar în situațiile cele mai defavorabile ale dispersiei penei de fum.
Ca urmare, înălțimea coșurilor termocentralelor era foarte mare pentru a asigura răspândirea noxelor pe o arie foarte largă, astfel încât concentrația noxelor la nivelul solului să fie mai mică decât valoarea limită admisă de normativele în vigoare pe atunci. În Tabelul 6.3 sunt prezentate normele admisibile pentru substanțele poluante specifice centralelor termoelectrice așa cum sunt redate de ORDIN Nr. 592 din 25 iunie 2002 pentru aprobarea Normativului privind stabilirea valorilor limită, a valorilor de prag și a criteriilor și metodelor de evaluare a dioxidului de sulf, dioxidului de azot și oxizilor de azot, pulberilor în suspensie (PM10 și PM2,5), plumbului, benzenului, monoxidului de carbon și ozonului în aerul înconjurător. Monoxidul de carbon,dioxidul de azot, ozonul, plumbul, particulele și dioxidul de sulf se consideră a fi cei șase poluanți criteriali, adică cu posibilitatea evidentă de a influența negativ calitatea sănătății publice și a mediului ambiant. Acest Ordin a înlocuit parțial prevederile din STAS 12574/1987 privind condițiile de calitate ale aerului din zonele protejate, care era depășit și aliniază normativele României la prevederile din UE, la acest criteriu. Astfel se precizează că obiectivul normativului este de a preveni, a elimina, a limita deteriorarea, precum și de a îmbunătăți calitatea aerului în vederea evitării efectelor negative asupra sănătății omului și mediului în general, asigurând astfel corespondența cu normele internaționale și reglementările Uniunii Europene.
Tabelul 6.3: Extras din Ordinul 592 referitor la valorile limită (imisii) admisibile pentru substanțele poluante specifice centralelor termoelectrice.
* Marja de toleranță este 150 µg/m3 (43 %) la data intrării în vigoare a prezentului normativ, redusă la 1 ianuarie 2004 și apoi din 12 în 12 luni cu procente anuale egale pentru a ajunge la 0 % la 1 ianuarie 2007,
** Marja de toleranță este 100 µg/m3 (50 %) la intrarea în vigoare a prezentului normativ, redusă la 1 ianuarie 2005 și apoi din 12 în 12 luni cu procente anuale egale pentru a ajunge la 0 % la 1 ianuarie 2010,
*** Marja de toleranță este 20 µg/m3 (50 %) la intrarea în vigoare a prezentului normativ, redusă la 1 ianuarie 2005 și apoi din 12 în 12 luni cu procente anuale egale pentru a ajunge la 0 % la 1 ianuarie 2010,
****Marja de toleranță este 25 µg/m3 (50 %) la intrarea în vigoare a prezentului normativ, redusă la 1 ianuarie 2005 și apoi din 12 în 12 luni cu procente anuale egale pentru a ajunge la 0 % la 1 ianuarie 2007,
***** Marja de toleranță este 6 mg/m3 (60 %) la 1 ianuarie 2004, redusă la 1 ianuarie 2005 și apoi din 12 în 12 luni cu 2 mg/m3, pentru a ajunge la 0 % la 1 ianuarie 2007.
Valoarea maximă zilnică a mediilor pe 8 ore se alege prin examinarea mediilor curente pe 8 ore, calculate din datele orare și actualizate din oră în oră. Fiecare medie pe 8 ore astfel calculată este atribuită zilei în care se termină, respectiv: prima perioadă de calcul pentru oricare zi este perioada care începe la ora 17.00 din ziua precedentă și se termină la ora 1,00 în ziua respectivă. Ultima perioadă de calcul pentru o zi este perioada de la ora 16.00 la ora 24.00 din ziua respectivă.
Dacă se compară aceste limite cu cele mai recent propuse de EPA (US Environmental Protection Agency) se constată că sunt la același nivel. EPA a impus însă două limite, una principală pentru protejarea omului și alta secundară pentru protejarea mediului și a tot ce face parte din el. De exemplu pentru CO limita mediei la 8 h este 10 mg/m3N (circa 9 ppm) și la 1 h de 40 mg/m3N (35 ppm). Pentru NO2 media anuală nu trebuie să depășească 100 g/m3N (0,053 ppm), pentru SO2 la 24 h se limitează imisia la 365 g/m3N (0,14 ppm), anual la 80 g/m3N (0,03 ppm) și la 3h (limitare secundară) la 1300 g/m3N (0,5 ppm). Pentru PM10 limita la 24 h este de 150 g/m3N și media anuală este 50 g/m3N (considerente primare și secundare).
Întrucât instalațiile de ardere din centrale termoelectrice (CTE) se situează pe un loc fruntaș în ceea ce privește emisia de noxe în mediul ambiant, s-a considerat normal ca să se fixeze pentru acestea valori limită ale concentrației noxelor în gazele de ardere uscate, evacuate prin coșul de fum. Asemenea norme au fost elaborate în toate țările industrializate din lume, ele fiind mai severe sau mai puțin severe, în funcție de specificul fiecărei țări, de combustibilii utilizați, de puterea termică unitară, de durata de viață restantă a instalației, de nivelul de dezvoltare a tehnologiei de ardere și de curățire a gazelor, etc.
Istoricește vorbind, în România s-a elaborat Ordinul 462 – 93 al Ministerului Apelor, Pădurilor și Protecției Mediului, care a fixat „Norme de limitare a emisiilor de poluanți pentru instalațiile de ardere”, încorporat ulterior în Legea Protecției Mediului nr. 137 din 1995, al căror conținut a fost prezentat în lucrarea 1.6]. Ținându-se seama de necesitatea alinierii țării noastre cu legislația Comunității Europene, în care se prevede ca România să fie admisă începând cu anul 2007, s-a elaborat Hotărârea privind stabilirea unor măsuri pentru limitarea emisiilor anumitor poluanți în aer, proveniți din instalații mari de ardere, aprobată prin Legea nr. 645 – 2002. Prevederile acestei hotărâri se aplică instalațiilor de ardere a căror putere termică nominală este egală sau mai mare decât 50 MW, denumite în continuare instalații mari de ardere (IMA), indiferent de tipul de combustibil utilizat. Prin definiție se denumesc:
a) Instalație mare de ardere de tip I – orice instalație mare de ardere pentru care a fost acordată autorizație de construcție sau, în lipsa unei astfel de proceduri, o autorizație de exploatare înaintea datei de 1 iulie 1987;
b) Instalație mare de ardere de tip II – orice instalație de ardere pentru care a fost acordată o autorizație de construcție sau o autorizație de exploatare, sau care a fost autorizată sau supusă procedurii de autorizare de către autoritatea publică competentă pentru protecția mediului în perioada 1 iulie 1987 și până la data intrării în vigoare a prezentei hotărâri, cu condiția ca această instalație să fi fost pusă în funcțiune până la 27 noiembrie 2003;
c) Instalație mare de ardere de tip III – orice instalație mare de ardere supusă procedurii complete de autorizare integrală de către autoritatea competentă pentru protecția mediului, începând cu data intrării în vigoare a prezentei hotărâri.
Se definește valoarea limită de emisie drept cantitatea admisibilă a unei substanțe conținută în gazele de ardere reziduale provenite din instalația de ardere, care pot fi evacuate în aer într-o perioadă de timp dată; se calculează ca masa de substanță raportată la volumul de gaze reziduale, considerând conținutul volumic de oxigen în gazul rezidual de 3 % în cazul combustibililor gazoși și lichizi, de 6 % în cazul combustibililor solizi și de 15 % în cazul turbinelor cu gaze, 10 % în cazul arderii deșeurilor. Valoarea limitată de emisie se exprimă în mg/m3N.
. Astfel, Agenția de mediu poate autoriza funcționarea instalațiilor mari de ardere tip II care utilizează drept combustibil lignit indigen, în condițiile depășirii valorilor limită ale emisiilor de SO2, NOx și pulberi prevăzute de lege, dacă, în pofida aplicării celei mai bune tehnologii disponibile care nu necesită costuri excesive, titularul activității demonstrează că apar dificultăți majore, în respectarea acestor valori limită de emisie, datorate caracteristicilor lignitului și se face dovada că lignitul indigen este o sursă esențială de combustibil pentru aceste instalații.
6.2. Cuantificarea emisiilor de noxe
Debitul noxelor emise de o instalație staționară de ardere poate fi stabilit folosind una din următoarele căi:
a) apelarea la relații empirice
b) metoda de evaluare rapidă a emisiilor elaborată de Divizia de Strategie și Dezvoltare Economică (DSDE) a fostului RENEL (Regia Națională de Electricitate din România);
c) măsurători in situ a concentrației noxelor în gazele de ardere reziduale (evacuate pe coșul de fum).
Metodologiile enumerate la punctele a) și b) au un grad de probitate scăzut și se recomandă a fi aplicate doar în calculele aproximative, când se dorește o evaluare rapidă a emisiilor de noxe de către o instalație de ardere existentă sau chiar în faza de studiu și proiectare a acesteia.
Determinarea debitului de noxe emisie de o instalație de ardere aflată în funcțiune folosind metoda măsurătorilor in situ a concentrației noxelor este mult mai precisă și poate oferi posibilitatea unei mai bune evaluări a influenței nefaste a acestora asupra mediului ambiant, cât și posibilitatea plecării de la date inițiale mult mai exacte pentru dimensionarea instalațiilor de epurare a gazelor de ardere înainte de a fi expulzate în atmosferă. Aplicarea acestei metode necesită îndeplinirea anumitor condiții sine qua non, dintre care se amintesc principalele două:
1) existența aparaturii corespunzătoare și a unui personal specializat pentru deservirea acesteia și prelucrarea datelor experimentale;
2) respectarea metodologiei de măsurare a emisiilor de SO2, NOx și pulberi, prevăzute în Anexa 2 a Hotărârii privind stabilirea unor măsuri pentru limitarea emisiilor anumitor poluanți în aer, proveniți din instalații mari de ardere.
Pentru exemplificare se fac câteva precizări extrase din hotărâre menționată mai înainte. Până la data de 27 noiembrie 2004 pentru IMA de tip II având o putere termică P>300 MWt se prevede monitorizarea în flux continuu a concentrației de SO2, NOx și pulberi. Dacă acest lucru nu este posibil, Agenția de mediu poate aproba efectuarea unor măsurători discontinue sau alte proceduri adecvate pentru determinarea concentrației de SO2 și pulberi. Pentru IMA cu 50 P 300 MWt. Agenția de mediu decide dacă se impun măsurători continue sau discontinue, stabilind în ultimul caz și frecvența acestora. De la data de 27 noiembrie 2004, pentru IMA de tip II și III este obligatorie efectuare de măsurători în flux continuu pentru SO2, NOx și pulberi.
Legea Protecției mediului în România face referiri și la concentrația limită a monoxidului de carbon în gazele de ardere uscate. Monoxidul de carbon apare, așa după cum se știe, în cazul arderii imperfecte a combustibililor și reprezintă o noxă foarte periculoasă pentru viețuitoare, dar în același timp și o cauză a micșorării randamentului arderii, respectiv a instalației termice. Din aceste motive se iau toate măsurile necesare pentru micșorarea pe cât posibil a concentrației acestei noxe în gazele de ardere uscate, situație întâlnită adesea în instalațiile de ardere moderne. Concentrația limită a monoxidului de carbon în gazele de ardere uscate depinde mai ales de tipul combustibilului și are valorile: 250 mg/m3N pentru combustibilii solizi, 170 mg/m3N pentru combustibilii lichizi și 100 mg/m3N pentru combustibilii gazoși.
Debitul masic de noxe emis împreună cu gazele de ardere eliminate prin coșul de fum al unei instalații termice se stabilește cu relația:
(6.3)
în care: B este consumul de combustibil în kg/s, respectiv m3N/s,
– cantitatea de gaze uscate rezultă din arderea, cu un coeficient al excesului de aer , a 1 kg combustibil solid sau lichid, respectiv a 1 m3N gaz combustibil și se măsoară în m3N/kg respectiv m3N/m3N combustibil,
Cnoxa – concentrația maximă a noxei respective în gazele de ardere uscate cu un conținut de oxigen O2ref = 6 % pentru cărbune, respectiv O2ref = 3 % pentru combustibilii lichizi și gazoși, în mg/m3N gaze de ardere.
6.3. Soluții tehnice ce se impun
Cele mai simple și mai la îndemână soluții pe care știința le poate adopta sunt cele prin care se utilizează ca resurse de energie, resursele regenerabile.
6.3.1. Energia solară
De departe cea mai importantă resursă de energie o reprezintă soarele. Anual aproximativ 1,08 x 1018kWh de energie solară atinge suprafața Pământului. Aceasta reprezintă aproximativ echivalentul a de zece mii de ori mai mult decât cererea anuală de energie și cu mult mai mult decât în rezervele disponibile de energie ale Pământului.
Există o distincție între energia solară directă și indirectă. Sistemele tehnice care folosesc energia solară directă convertesc radiația solară direct în energie utilizabilă, de exemplu curent electric sau căldură. Vântul, apele râurilor și creșterea plantelor sunt forme indirecte de energie solară. În acest caz procesele naturale convertesc energia solară în alte tipuri de energie. Sistemele tehnice pot folosi aceste tipuri indirecte de energie solară de asemenea.
Utilizarea energiei solare directe
Următoarele tehnologii pot utiliza energia solară directă :
instalațiile de putere pentru căldura solară,
sisteme de fotoliză pentru producerea de combustibil,
colectori solari pentru încălzirea apei,
sisteme de încălzire solară pasive,
celule fotovoltaice pentru generarea de electricitate.
Energia termică solară poate fi folosită pentru a produce electricitate sau abur la temperatură ridicată. În cazul acestor tipuri de instalații sute sau chiar mii de oglinzi pe două axe sunt instalate în jurul unui turn. Aceste oglinzi ușor curbate sunt numite heliostate. Un calculator este folosit pentru a calcula poziția ideală pentru fiecare din aceste oglinzi iar motoare de poziționare asigură focalizarea precisă în vârful turnului. Absorberul este localizat în zona focalizată de oglinzi în vârful turnului. Acesta va fii încălzit la temperaturi de peste 100 ºC. Aerul cald transportă căldura de la absorber de la un generator de aburi unde se va produce abur supra încălzit. Aburul acționează o turbină și un generator electric.
Energia solară nu este folosită doar pentru producerea aburului la temperatură ridicată și a electricității dar și pentru a acoperi cererea de căldură la temperaturi mai joase pentru încălzirea încăperilor sau a apei menajere. În prezent sunt folosiți colectori solar pentru încălzirea apei menajere dar și a piscinelor dar aceștia au fost rar folosiți pentru încălzirea camerelor.
Pe lângă utilizarea sistemelor de colectare ce folosesc energia solară în mod activ mai este posibilă folosirea așa zis pasivă a energiei solare. Clădiri bine orientate având fațade inteligent proiectate sau izolații transparente sunt folosite în acest scop. Folosind combinații de utilizare activă și pasivă a energiei solare este posibil să se construiască case de tip 0 energie mai ales în zonele cu o climă temperată cum ar fi Europa Centrală. Întreaga cerere de energie a acestor clădiri este acoperită de energia solară.
O altă tehnologie pentru folosirea energiei solare în scopul generării de electricitate o reprezintă celulele fotovoltaice. Celule solare convertesc lumina soarelui direct în energie electrică potențialul pentru sisteme fotovoltaice este uriaș. Chiar și în țări cu un grad de radiație solară relativ scăzut la nivel anual cum ar fi Germania, în mod teoretic celulele fotovoltaice pot oferii mai mult decât cererea de electricitate necesară. În orice caz o sursă de electricitate bazată în întregime pe sisteme fotovoltaice nu este fezabilă deoarece ar genera un surplus de energie în timpul verii ce ar trebui stocat utilizând costuri considerabile.
Energia solara este una din sursele de baza ale dezvoltarii acestui mileniu, incadrandu-se in conceptul de energie regenerabila si ecologica, fiind oferita Pamantului de catre Soare in cantitati uriase, comparativ cu potentialul energetic ce ar putea fi folosit, economisind astfel resursele conventionale (petrol, gaze naturale, carbuni, etc), in plus fiind chiar prietenoase cu mediul inconjurator, fiind nepoluante. Energia solara este consecventa si continua, ea actionand tot timpul anului si se distinge prin capacitatea sa de a fi rapis utilizata de o mare parte a populatiei rurale sau chiar urbane.
Utilizarea energiei solare presupune o investitie recuperabila, avand preturi de cost relativ scazute comparativ cu eficienta aportului energetic si- chiar mai mult – daca ne gandim la faptul ca energia solara este complet gratuita, adica in afara de investitia initiala nu vor aparea costuri ulterioare de intretinere, sistemele avnd in componenta panouri solare ale caror randamente sunt in mod obisnuit garantate 10 ani pentru mai mult de 85%.
Figura 6.11.Potentialul energetic si radiatia solara primita pe teritoriul Romaniei comparativ cu celelalte tari din Uniunea Europeana
Figura 6.12. Sursa oficiala a hartilor energiei si radiatiei solare: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/countries/europe.htm
Dupa o simpla consultare a hartilor de mai sus, constatam ca avand o medie anuala cuprinsa intre 1300 – 1700 KWh/ m2 Romania se situeaza intr-o zona cu un potential energetic ridicat. Si totusi nu profitam decat foarte putin de acest avantaj oferit de Dumnezeu noua. Paradoxal, tari precum Germania sau Danemarca au un procentaj ridicat la utilizarea energiei solare, cu toate ca cerul ce le acopera este putin insorit, chiar innorat de multe ori. Sistemele pentru folosirea energiei solare sunt usor de montat si intretinut, au o fiabilitatea ridicata, cu atat mai mult cu cat acum eficienta lor s-a dublat fata de cea masurata in urma cu cinci ani. Are un domeniu larg de utilizari, incepand cu producerea curentului electric, pana la incalzirea locuintei, producerea de apa calda curenta, alimentarea pompelor cu apa potabila, in agricultura pentru pompele de irigat sau uscarea produselor agricole, pentru automatizari diverse si in prepararea hranei, asigurandu-va astfel o independenta energetica ce va permite utilizarea acestei energii gratuite ! In vremuri de criza, fiecare dintre noi ne gandim cum sa ne achizitionam lucruri pe care e mai avantajos sa le luam tocmai acum, pentru pretul lor mic datorat acestei conjuncturi economice. Printre cele mai importante achizitii personale in aceasta perioada sunt cele care vizeaza in mod direct confortul si bunastarea familiei si caminului nostru.
Energia solara reprezinta o investitie sigura deoarece se bazeaza pe o sursa inepuizabila – Soarele – care a fost dintotdeauna cea mai impresionanta si cea mai sigura sursa pentru planeta noastra (incalzire, iluminat). S-a determinat de catre specialisti faptul ca primim de la Soare – in aproximativ o ora – consumul energetic pe an de zile al intregii planete, deci radiatia solara care ajunge la suprafata Pamntului este cateva mii de ori mai mare decat necesitatile energetice mondiale.
Pe teritoriul Romaniei, pe o suprafata orizontala de 1m2, putem capta anual – in medie – o cantitate de energie cuprinsa intre 900 si 1500 kWh, dependenta de anotimp si de forma de relief corespunzatoare zonei respective, dar si de momentul zilei (de exemplu: pentru unghiurile solare ce se apropie de orizont intensitatea radiatie scade, avand mai multa atmosfera prin care trebuie sa patrunda; intensitatea va creste atunci cand razele soarelui cad perpendicular pe suprafata terestra).
Pentru latitudinile geografice specifice Romaniei, repartizarea orelor de stralucire a soarelui pe parcursul unui an calendaristic se poate face in functie de anotimp astfel:
Radiatia medie zilnica poate fi si de 5 ori mai intensa vara decat toamna, dar si pe timp de iarna, in decursul unei zile senine, se pot capta 3.5-5 kWh zilnic pe un metru patrat, radiatia solara captata fiind independenta de temperatura mediului ambiant, aceasta depinzand doar de intensitatea luminoasa.
Avantajele utilizarii energiei solare
Utilizarea energiei solare in Romania are perspective deosebite, avand deja o amploare ce creste de la o zi la alta.
– Fiind o sursa de energie primara, are nenumarate aplicatii (producere energie electrica si termala, irigatii, zone defavorizate, departate de surse clasice-retea electrica sau sistemede incalzire, dar insorite, etc)
– Reduce poluarea mediului- Contribuie la economisirea resurselor energetice conventionale- Permite reducerea cheltuielilor legate de obtinerea energiei
– Asigura partial sau total independenta energetica a utilizatorului
– Instalatiile de producere a energiei termice si electrice au putine componente mobile si – comparativ cu alte tehnologii – functioneaza la temperaturi joase, fapt ce le asigura o durata de exploatare de 20-30 ani, fara interventii de depanare si fara sa necesite intretinere
– Panourile fotovoltaice au temperaturi de functionare de la cele de inghet pana la cele caniculare, sunt rezistente la vant si grindina.
6.3.2 Hidroenergia
Când se rostește cuvântul hidroenergie există tendința să ne gândim la un sistem cu expansiune mare. Însă și un pârâu mic poate fi utilizat pentru generarea de electricitate.
Hidroenergia poate de asemenea apărea în trei forme mai puțin folosite: puterea mareelor, puterea valurilor și conversia energiei termice oceanice. Hidroenergia căderilor de apă este direct proporțională cu debitul și înălțimea geodezică. Conversia acesteia în energie electrică se face în hidrocentrale înzestrate după caz cu turbine Kaplan, Francis sau Pelton. În lungul cursurilor de apă puterea și energia hidraulică variază în spațiu și timp, mărimi care se stabilesc prin măsurători sistematice efectuate pe principalele cursuri de apă, de-a lungul mai multor ani.
Energia mareelor combină principiile de bază ale generării hidroelectrice pe râuri și mareele imense ce au loc în anumite părți ale lumii. Porți masive se închid imediat după ce mareea a atins punctul culminant formând un golf temporar. Chiar înainte de minimul mareei, când căderea este maximă, apă este eliberată prin niște turbine. Odată ce aceasta s-a scurs, porțile se redeschid iar ciclul începe din nou. Cea mai veche și cea mare dintre aceste centrale este una de 240 MW de la LaRance în nordvestul Franței.
Energia valurilor captează mișcarea neîncetată de sus-jos a apei mării și o transformă în electricitate. Funcționează destul de bine pentru alimentarea geamandurilor și farurilor de navigație. S-au propus sisteme mai mari și unele au fost testate, dar nici unul nu are aplicabilitate în prezent.
Conversia energiei termale oceanice folosește colectoare de căldură în stratul superior al apei oceanice pentru a fierbe o substanță cu vaporizare ușoară, precum amoniacul. Vaporii rezultați pun în mișcare o turbină. Centrale pe baza de energie termală au fost puse în funcțiune de două ori, prima dată în 1929 în Cuba iar după aceea în Hawaii la începutul anilor 1980. A face această tehnologie realizabilă este însă dificil.
Energia hidrotehnică reprezintă o sursă curată de electricitate, una care este aproape de gratis odată ce costurile echipamentelor de captare este recuperat. De asemenea, deoarece majoritatea hidrocentralelor au încorporată capacitatea de stocare – apa dinainte de baraj – devin bun companioni ai energiei solare și a celei eoliene, care sunt limitate de perioade de inactivitate. Sistemele energetice hidrotehnice sunt de diferite mărimi, de la module de 10 kW, numai bune pentru o casă la malul unui pârâu, până la sisteme de câteva sute de kW, suficiente pentru alimentarea unor firme, și până la proiecte de mai mulți MW care produc destulă energie pentru a alimenta o țară mică.
Principalele constrângeri în dezvoltarea energiei hidrotehnice sunt impactul asupra peștilor, vieții sălbatice și asupra comunităților locale. Deși centralele hidrotehnice generează electricitate fără poluarea aerului, barajele inunda arii mari, acoperind mult mai mult teren decât centralele solare care produc aceeași cantitate de energie. Transformarea unei zone înguste de apă curgătoare într-un heleșteu sau lac larg schimbă complet ecosistemul, deranjând fauna și flora locală deja stabilită.
În România potențialul hidroenergetic este în bună parte amenajat. Astfel, împreună cu Serbia deținem părți egale ale hidrocentralei Porțile de Fier I, cu puterea instalată de 2200 MWe, cea mai mare din Europa. La aceasta se adaugă salba de hidrocentrale de pe râul Bistrița, Argeș, Olt, Lotru, Someș, etc. Potențialul hidroenergetic al principalelor râuri din România este de circa 40000 GWh/an, care se poate obține în amenajările hidroenergetice de mare putere (> 10 MW/unitate) în proporție de 85%, respectiv 15% de mică putere (<10 MW/unitate).
6.3.3.Energia eoliană
Energia eoliană este o „energie curată” pentru că are un impact minim asupra mediului înconjurător în comparație cu alte forme de energie. Instalațiile eoliene folosesc energia cinetică a maselor de aer aflate în mișcare.
Cu mai bine de 100 de ani în urmă energia eoliană a avut un rol dominant în furnizarea de energie în cazul mai multor țări. Diverse instalații avansate de tip mori de vânt au fost folosite pentru pomparea apei sau obținerea făinii de porumb. Generatoare de vânt ce generau electricitate au început să intre pe piață în prima pare a anilor 80 în Danemarca și SUA. În Germania energia eoliană a avut o explozie neașteptată în anii 90 făcând din Germania cea mai mare piață de energie eoliană din lume. Recent, Spania a început o explorare similară a potențialului său de energie eoliană.
În Marea Britanie energia eoliană ar putea produce peste 1000TWh/an, ceea ce reprezintă mult mai mult decât necesarul de electricitate al țării. De asemenea și Statele Unite ar putea să acopere întregul necesar de electricitate folosind energie solară.
Energia eoliană s-a dovedit a fi relativ ieftină ajungând în cazul amplasamentelor pe țărmul mării să poată suplimenta energia combustibililor fosili fără a avea nevoie de subvenții. Totuși, nu se poate spera la o dezvoltare fără limite în Europa din cauză că reclamă mari suprafețe de teren pentru amplasarea agregatelor, turmele de animale și turbinele eoliene pot cu greu coexista, iar funcționarea morilor de vânt nu este lipsită de o oarecare poluare sonoră și vizuală. Se explorează în prezent posibilitatea amplasării morilor de vânt în largul mărilor, unde ar beneficia de viteze medii ale vântului mai mari decât pe teren plat sau pe țărm, iar mecanismele nu trebuie proiectate pentru reducerea zgomotului.
În România s-au identificat cinci zone eoliene distincte (I – V), în funcție de potențialul energetic existent, de condițiile de mediu și de cele topo-geografice.Din rezultatele înregistrate reiese că România se află într-un climat temperat continental, cu potențial energetic ridicat în zona litoralului Mării Negre, podișurile din Moldova și Dobrogea (climat blând) sau în zonele montane (climat sever). Pe baza evaluării și interpretării datelor înregistrate rezultă că în România se pot amplasa instalații eoliene cu o putere totală de până la 14000 MW, ceea ce înseamnă un aport de energie electrică de aproape 23000 GWh/an.
6.3.4. Energia geotermală
Pe lângă energia solară și energia rezultată din acțiunea reciprocă a gravitației și mișcării planetelor, căldura conservată în interiorul Terrei reprezintă de asemenea o sursă de energie.
Localizarea resurselor geotermale se face prin explorări geologice, geochimice și geofizice.
Unitățile de putere geotermală pot utiliza căldura geotermală și o pot converti în electricitate sau o pot introduce în sistemele de încălzire zonale. În interiorul Pământului, temperaturile sunt între 3000-10000 ºC. Fluxul de căldură în scoarța terestră este relativ scăzut și creste cu adâncime. Opțiunea utilizării geotermale este demonstrată în Islanda și Filipine unde aceasta oferă peste 20% din rezerva de electricitate. În prezent energia geotermală este exploatată doar în zone cu anomalii geotermale. Aceste zone înregistrează temperaturi ridicate la adâncimi scăzute.
Pompele de căldură geotermale nu necesită diferențe mari de temperatură cu toate că aceste diferențe le ajută să fie mai economice. Pompele de căldură electrice pot fi folosite pentru a ridica diferențele de căldură iar acestea au atins un grad ridicat de maturitate tehnică. Cu toate acestea beneficiile ecologice ale acestor pompe de căldură sunt scăzute. Pe altă parte dacă sursele regenerabile asigură energia necesară pentru a pune în funcțiune pompa de căldură sistemul va deveni un cadru potrivit pentru a oferi un sistem de încălzire cu 0 emisii de carbon.
În cazul țării noastre cele mai importante resurse de ape geotermale cu temperaturi cuprinse între 40-130°C, se află în Câmpia de Vest, resurse care au fost și sunt utilizate pentru diferite scopuri, asigurându-se astfel economii importante de combustibil convențional.
Exploatarea intensă a apelor geotermale impune o cunoaștere cât mai exactă a zăcămintelor din punct de vedere cantitativ, calitativ și hidrodinamic, iar gradul de eficiență fiind determinat de mărimea debitului, a temperaturii precum și de compoziția chimică a apei.
Energia geotermală reprezintă în ansamblu o sursă neconvențională de energie care contribuie la economisirea unor cantități importante de combustibili convenționali, fiind necesară o studiere detaliată a întregului ansamblu de factori calitativi, cantitativi, sociali, ecologici și economici în vederea găsirii soluțiilor optime.
În momentul de față există la nivel global centrale electrice geotermale cu o putere electrică totală de circa 8000 MWe, putere obținută prin exploatarea unor zăcăminte de apă geotermală fierbinte și abur cu temperatura de peste 150 °C, randamentele obținute ajungând la peste 12%.
6.3.5. Catalizatorul si filtrele –sisteme eficiente de reducerea noxelor la motoarele cu ardere interna
Totuși, odată cu utilizarea resurselor regenerabile de energie, trebuie să se găsească și soluții pentru combaterea poluării, deoarece se știe că, în țările dezvoltate poluarea mediului ambiant a atins limite înspăimântătoare. Trebuie arătat că substanțele toxice migrează prin aer dintr-o țară în alta și chiar de pe un continent pe altul, lucru care determină poluări ireversibile ale apelor, aerului și solului, care nu au numai un caracter local.
În decusrsul timpului au crescut cheltuielile investite pentru combaterea consecințelor impactului ecologic. Rolul principal în poluarea atmosferei îl au emisiile provenite din traficul rutier, termocentrale și intreprinderi. În majoritatea țărilor dezvoltate aportul la conținutul total de poluanți atmosferici constituie în sfera transpotului auto aproximativ 60%, în industrie 17%, în industria energetică 14%, la arderea deșeurilor 9%. În orașele mari automobilele sunt principala sursă de poluare cu monoxid de carbon, hidrocarburi, oxizi de azot, aldehide, funingine și un șir de substanțe alergene.
Efecte asupra mediului:
formarea ozonului troposferic , care este foarte toxic pentru organisme;
afectarea florei, în special a speciilor de conifere și pomi fructiferi;
Efecte supra sănătății populației :
boli respiratorii și cardiace datorită CO;
iritații ale căilor respiratorii datorită NOx ;
iritații ale ochilor și efecte cancerigene cauzate de hidrocarburi;
anemie, boli ale sistemului nervos datorită compușilor de plumb;
depresii nervoase datorită compușilor benzenici
Standardele de emisie pentru autoturisme și vehicule utilitare ușoare sunt rezumate în tabelele de mai jos. Motoarele diesel au mai stricte standardele de CO, dar sunt permise emisii mai mari de NOx. Vehiculele alimentate cu benzină sunt exceptate de la pulberi în suspensie (PM), prin standardele Euro 4, dar vehiculele cu motoare cu injecție directă vor fi supuse la limita maximă de 0.005 g/km pentru Euro 5 și Euro 6. Pentru autoturisme standardele sunt definite în funcție de distanța pe care o parcurg și anume g/km, la camioane (autocamioane) sunt definite prin puterea energetică a motorului și anume g/kwh .
În Europa, legislația limitează emisiile de diferite gaze poluante produse de autovehicule conform valorilor prezentate mai sus. Toate vehiculele sunt construite conform cu această legislație și au în structura lor un sistem de control al emisiilor care elimină sau reduc considerabil aceste emisii. Subansamblele auto care filtrează noxele din gazele de evacuare sunt catalizatoarele și filtrele de particule, acțiunea lor fiind controlată totodată de ECU.
Emisiile puternice de gaze de eșapament apar atunci când carburantul este ars incomplet, motorul este reglat defectuos, în momentul în care se pornește sau se oprește motorul, la deplasarea cu viteză redusă. În lipsa catalizatorului, la funcționarea motoarelor în regim staționar, conținutul de CO în gazele de eșapament nu trebuie să depășească 5%.
CATALIZATÓR, catalizatori, s. m. Substanță care grăbește sau încetinește o reacție chimică, fără ca ea însăși să fie modificată. DEX
Catalizatorul (convertizor catalitic) este o componentă a sistemului de evacuare a gazelor rezultate ca urmare a arderii combustibilului care “tratează” gazele de eșapament înainte ca acestea să fie evacuate. Funcționarea în condiții normale a unui convertor catalitic conduce la o transformarea gazelor de ardere în gaze cvasiinofensive eliminând în acest fel o parte importantă a elementelor poluante din gazele arse. Catalizatorul are forma unui amortizor de sunet clasic, eliptic sau rotund, în interiorul căruia se află o structură ceramică sau metalică pe care este depusă o cantitate de metale nobile care favorizează conversia gazelor poluante în gaze nepoluante. În catalizator (convertorul catalitic) au loc procese de transformare a hidrocarburilor în dioxid de carbon (CO2) și vapori de apă, a monoxidului de carbon (CO) în dioxid de carbon (CO2) și a oxidului de azot (NO) în azot molecular (N2) și oxigen (O2).
Catalizatoarele au un "mic" inconvenient: sunt eficiente pentru o foarte mică plajă de dozaje (0.99-1.01), de aici și necesitatea sondei lamda. Folosirea motoarelor în regimuri urbane (unde predomină regimurile tranzitorii la care e imposibilă obținerea dozajului optim pentru catalizator) duce la colmatarea prematură a acesuia. La motoarele uzate cu consum exagerat de ulei e inevitabilă înfundarea catalizatorului. Dacă motorul se află într-o stare tehnică bună și este folosit corespunzător (turații și sarcini corecte) atunci se poate presupune că avem o durată de viață a catalizatorului de minim 100.000 km.
Convertorul catalitic a fost inventat de Eugene Houdry. El a fost un inginer mecanic francez care a trăit în Statele Unite. În jurul anului 1950, atunci când rezultatele studiilor preliminare asupra smogului din Los Angeles au fost publicate, Houdry a devenit îngrijorat în privința rolului pe care îl are sistemul de evacuare al automobilelor asupra poluării aerului și a fondat o companie specială, Oxy-Catalyst, pentru a dezvolta convertoare catalitice, pentru motoarele pe benzină – o idee foarte inovativă pe care a și patentat-o. Problema catalizatoarelor timpurii era că bezina utilizată conținea tetraetil de plumb, un compus antidetonant puternic care din păcate aproape anula efectul catalizatoarelor și le distrugea.
Sistemul de eșapament și acțiunea asupra mediului
Ca și componente din cadrul sistemului de eșapament, rolul de bază al catalizatorului este acela de reducere a emisiilor de noxe (la motorizările pe benzină) și filtrele de particule (la motoarele diesel). Practic la controlul RAR sau la verificarea ITP în privința noxelor, testul analizorului de gaze arată emisiile motorului în urma arderii și eficiența catalizatorului asupra procesului de filtrare. De restul compontentelor (tubulatură, tobe, racorduri) depinde nivelul de zgomot și etanseitatea acestuia.
Nivelul noxelor și eficiența catalizatorilor este masurată de către ECU prin intermediul sondelor lambda iar în funcție de valorile primite de la acești senzori se face reglajul amestecului pentru o ardere cât mai completă. La filtrele de particule ECU gestionează efectiv funcționarea acestora prin controlul temperaturii de evacuare și a injecției.
FILTRUL DE PARTICULE – avantaje, probleme și soluții de înlocuire
Motoarele diesel sunt preferate de mulți automobiliști în primul rând pentru performanțele și economicitatea lor, acestea rămân cele mai poluante motoare prin noxele eliberate în atmosferă, producând de 3-6 ori mai mulți oxizi de azot (NOx) și de peste 100 de ori mai multe particule nearse (fumul negru) față de cele pe benzină.
Deși ultimele tehnologii aplicate la motoarele diesel (injecția common rail-ul și sistemul EGR) au permis reducerea multor poluanți totuși oxizii de azot și particulele nearse rămân principalii poluanți care trebuie eliminați potrivit normelor Euro 5. În motorul diesel amestecul aer-motorină atinge o temperatură de autoaprindere de circa 450 grade C, inferioară temperaturii la care are loc arderea în motoarele pe benzină (900 grade C). Din acest motiv noxele care rezultă în motoarele diesel, deși sunt de același fel cu cele din motoarele pe benzină, sunt mult mai multe și mai importante calitativ.
Temperatura mai mică din camera de ardere a motorului diesel nu pemite arderea completă a particulelor și ele au aspect de granule microscopice. Acestea dau aspectul negru al gazelor de eșapament, așa numitul fum negru atât de cunoscut participanților la traficul rutier, dar și pietonilor care îl trag zilnic în piept. Particulele de fum emise de motoarele diesel sunt foarte toxice. Fiind de dimensiuni foarte mici ele afectează căile respiratorii depunându-se în plămâni și favorizând astmul și cancerul pulmonar.
Realizarea tratării și colectării particulelor este relativ simplă ca procedeu. Acest tip de filtru este compus dintr-un miez ceramic realizat din carbură de siliciu, având canale microscopice străpunse. Gazul de esapament trece prin această rețea de canale și particulele se depun în ea. Aceste particule trebuie periodic să fie arse pentru a se evita colmatarea filtrului și depășirea unei valori la contrapresiunea de evacuare. Problema principală este curățarea elementului filtrant care după cca 500-1000 km se încarcă și blochează circulația gazelor de evacuare. Pentru aceasta s-a impus necesitatea regenerării filtrelor, operație care este gestionată de ECU, în baza semnalelor primite de la sondele de temperatură și presiune montate pe DPF.
Practic regenerarea filtrelor poate fi activă sau pasivă.
La regenerarea pasivă, pentru creșterea temperaturii de ardere se utilizează aditivi speciali care se introduc în combustibil sau într-un rezervor dedicat, acesta fiind alimentat de ECU la momentul stabilit pentru regenerare.
Catalizatorul asigură producerea a trei reacții simultane:
o reducere a oxidului de azot și a monoxidului de carbon în azot molecular și bioxid de carbon 2NO + 2CO → N2 + 2CO2
o oxidare a monoxidului de carbon în bioxid de carbon 2CO + O2 → 2CO2
oxidare a hidrocarburilor în apă și bioxid de carbon 4CxHy + (4x+y)O2 → 4xCO2 + 2yH2O
Din punctul de vedere al eficienței sistemului de filtrare acesta nu este eficient decât de la 400 °C, ceea ce permite explicarea ineficienței acestuia în cazul motoarelor reci.
Reacția de oxidare necesită o cantitate mare de oxigen, iar cea de reducere necesită o cantitate redusă de oxigen ceea ce determină o contradicție între cele două procese. Pentru ca acestea să se producă simultan este necesar ca să avem în interiorul recipientului catalizatorului o cantitate de aer optimă. Aceasta este asigurată de sondele lamda care dau informație calculatorului de comandă al motorului pentru dozarea amestecului aer carburant pentru atingerea punctului optim de producere a celor două procese.
Sonda lambda: Modelele recente de catalizator sunt echipate cu două sonde care sunt legate cu calculatorul de gestionare a cantității de carburant în motor pentru obținerea unui raport ideal aer carburant care este de aproximatix 14,7 la 1. Dacă proporția de carburant crește, evacuarea de monoxid de carbon CO și hidrocarburi crește deoarece procesul de oxidare scade. Dacă aceasta se diminuează crește cantitatea de oxid de azot deoarece reducerea scade.
Componente tampon: Acestea sunt componente de tipul rodiului, oxidului de cesiu împreună cu alumina ca material suport, ele având rolul de a limita impactul variației concentrației de oxigen când acesta este în exces, pentru a îl ceda mediului când acesta este în lipsă, având în acest fel un rol de atenuator de variazie de debit de oxigen care se realizează pe cale chimică.
TOBA INTERMEDIARĂ:
Toba intermediară este elementul metalic atașat la galeria de evacuare a motorului, fiind parte a Sistemului de Evacuare.
Caracteristici:
micșorează sensibil cantitatea de noxe sonore emise de motorul în funcționare;
Constructiv, amortizorul de sunet (zgomot) este format dintr-un cilindru de obicei metalic având în interior un ansamblu de site (metalice, ceramice, textile). Gazele arse care traversează sistemul de evacuare sunt dirijate prin acest ansamblu, sitele respective reținând oscilațiile sonore până la nivele acceptabile stabilite prin normele de mediu.
TOBA FINALĂ:
Toba finală este un dispozitiv utilizat pentru a reduce cantitatea de zgomot emisă de un automobil.
Caracteristici:
micșorează sensibil cantitatea de noxe sonore emise de motorul în funcționare;
Constructiv, amortizorul de sunet (zgomot) este format dintr-un cilindru de obicei metalic având in interior un ansamblu de site (metalice, ceramice, textile). Gazele arse care traversează sistemul de evacuare sunt dirijate prin acest ansamblu, sitele respective reținand oscilațiile sonore până la nivele acceptabile stabilite prin normele de mediu.
Convertorul catalitic este format din mai multe componente:
Nucleul sau miezul. Nucleul este adesea un fagure ceramic în convertoarele catalitice moderne, dar sunt utilizați și faguri din oțel inoxidabil. Fagurele crește cantitatea de suprafață disponibilă pentru a sprijini reacțiile catalizatorul și prin urmare, este adesea numit un suport de "catalizator".
Strat auxiliar. Stratul auxiliar este utilizat pentru a face reacția chimică mai eficiente, de multe ori ca un amestec de siliciu și alumină. Stratul, atunci când este adăugat nucleului, formează o suprafață neregulată, dură, care are o arie mult mai mare decât suprafața de bază plană, care apoi permite existența a mult mai multor locuri pentru depunerea subsțantelor catalizatoare.
Catalizatorul în sine este cel mai adesea un metal prețios. Platinum este catalizatorul cel mai activ și este utilizat pe scară largă. Acesta nu este potrivit pentru toate aplicațiile, din cauza unor reacții nedorite suplimentare și/sau a costurilor. Paladiu și rodiu sunt două de alte metale prețioase utilizate. Platină și rodiu sunt folosite ca un catalizator de reducere, în timp ce platină și paladiu sunt folosite ca un catalizator de oxidare. Ceriul, fierul, manganul și nichelul sunt de asemenea folosite, cu toate că fiecare are propriile sale limitări. De exemplu, nichelul nu este legal pentru a fi utilizat în cadrul Uniunii Europene (din cauza reacției cu monoxidul de carbon), în timp ce cuprul poate fi folosit, dar utilizarea sa este ilegală în America de Nord ca urmare a formării de dioxină.
Tipurile de catalizatoare
Două căi
Convertorul catalitic cu două căi are două sarcini simultane:
Oxidarea monoxidului de carbon ce se transforma in dioxid de carbon:
2CO + O2 → 2CO2
Oxidarea hidrocarburilor nearse (combustibil nears sau parțial nears) ce se transformă în dioxid de carbon și apă: CxH2x +2 + 2xO2 → xCO2 + 2xH2O (o reacție de ardere)
Acest tip de convertizor catalitic este utilizat pe scară largă la motoarele diesel pentru a reduce emisiile de hidrocarburi și monoxid de carbon. Ele au fost, de asemenea, folosite la motoarele cu aprindere prin scânteie de pe piața de automobile din SUA, în anii 1980, atunci când incapacitatea catalizatoarelor pe doua căi de a controla NOx a dus la dezvoltarea convertoarelor catalitice pe trei cai.
Trei căi
Începând din 1981, convertoarele catalitice pe 3 căi au fost folosite în sistemele de control al emisiilor autovehiculelor în America de Nord, Europa și Asia. Convertor catalitic pe 3 căi are 3 sarcini simultane:
Reducerea de oxizilor de azot ce se transforma in azot și oxigen:
2NOx → xO2 + N2
Oxidarea de monoxid de carbon ce se transforma in dioxid de carbon:
2CO + O2 → 2CO2
Oxidarea hidrocarburilor nearse (combustibil nears sau partial nears) ce se transforma in dioxid de carbon și apă: CxH2x +2 + 2xO2 → xCO2 + 2xH2O
Aceste trei reacții se produc cel mai eficient atunci când catalizatorul primește gaze de evacuare de la un motor care rulează ușor deasupra punctului stoichiometric. Acest este între 14.6 și 14.8 părți de masă de aer raportate la 1 parte masă de combustibil, pentru benzină. Raportul pentru GPL, gaze naturale și etanol este puțin diferit, sistemele necesitând setări de combustibil speciale atunci când se utilizează acești carburanți. În general, motoarele echipate cu convertoare catalitice pe 3 cai sunt echipate cu un sistem de injecție de combustibil computerizat cu feed back în buclă închisă care utilizează unul sau mai mulți senzori de oxigen. În apropierea benzii înguste ce delimitează raportul stoechiometric între aer și combustibil, rata de conversie a celor trei compuși poluanți este aproape completă. Cu toate acestea, în afara acestei benzi, eficiența conversiie scade foarte rapid. Atunci când în sistem există mai mult oxigen decât necesar, sistemul funcționează cu amestec sărac și este în stare de oxidare. În acest caz, cele două reacții de oxidare (de oxidare a CO și a hidrocarburilor) sunt favorizate, în detrimentul reacției de reducere. Atunci când în sistem există mai mult combustibil decât necesar, atunci sistemul funcționează cu amestec bogat, iar cele două reacții de oxidare (de oxidare a CO și a hidrocarburilor) sunt trecute în plan secundar , favorizandu-se reacția de reducere.
Primii care au introdus senzorii de oxigen au fost cercetătorii de la Volvo în 1976 pe modelul 240. În 1980 statul California a impus noi norme de emisii poluante și toate vehiculele comercializate au trebuit echipate cu el. Din 1981 legile federale americane au adoptat și ele noile norme și de atunci toate vehiculele au un astfel de sistem. Europenii au reacționat și ei astfel apărând normele euro.
Începând cu 1996 majoritatea ECU au 2 senzori, unul înainte de catalizator și unul după. Al doilea este montat pentru a monitorizarea eficiența catalizatorului. Senzorii au încălzire (4 fire) pentru a ajunge mai repede la temperatura de lucru. Incepind cu 1990 majoritatea masinilor se folosesc de acest sensor pentru controlul combustiei. De ce control? Știm că o ardere perfectă are nevoie de un amestec constând în 14,7/1 părți aer/combustibil. Realizarea optimă a amestecului asigură o eficiență și o durată de viață maxime ale catalizatorului.
Vom distinge astfel două tipuri de amestec:
1. Sarac (lean), puțin carburant, tensiunea generată de senzor va fi mică. Un amestec sărac produce mai mult NOx, performanțe scăzute ale motorului și uzura lui. Valorile de ieșire ale senzorului variază între 0,2 V și 0,3 V la un astfel de amestec.
2. Bogat (rich), prea mult carburant, tensiunea generată de senzor va fi mare. Un amestec bogat produce mai multe noxe HC si consum marit, uzura catalizator. Valorile de ieșire ale senzorului variază între 0,8 V și 0,9 V la un astfel de amestec.
Așa după cum sugerează și denumirea lui acest senzor măsoară cantitatea de oxigen din evacuare. El generează la ieșire o tensiune continuă DC care fluctuează între 0 și 1 V printr-o reacție chimică între oxigenul din evacuare (aprox 2%) și oxigenul atmosferic (aprox 21%). De ce mai este botezat și lambda? Datorită fluctuației tensiunii de ieșire, în forma literii grecești. Ea seamana cu o sinusoidă dar timpii de creștere și cădere sunt diferiți.
Senzorul este bazat pe o ceramică din oxid de zirconiu ZrO2 care devine conductivă numai la temperaturi de peste 300 ºC sub acțiunea ionilor de oxigen. Un amestec corect și un producător bun dau la ieșire 450 mV. Cu cât vom avea mai multe treceri prin zero (adica 450 mV) cu atât ECU va interpreta mai corect și mai repede arderea, deci senzorul trebuie sa fie cu răspuns rapid. Datorita faptului ca această sondă nu are mari șanse de a putea fi curățată și să o reânviem, putem spune că una murdară care nu raspunde repede face cât una defectă total deci singura soluție este schimbarea acesteia. O încercare de curățare se poate face cu flacără dar rezultatele de obicei nu prea sunt bune. De aceea trebuie să o consideram material consumabil. Constructorii recomanda verificarea sondei la fiecare 30.000 de kilometri sau la fiecare doi-trei ani de funcționare a mașsinii și schimbarea sondei în cazul când apar probleme în funcționarea acesteia. Senzorii de oxigen de pe autoturismele moderne sunt cu încalzire, au 4 fire și de obicei ajung la 500 ºC în 8 secunde. Fiind de generație nouă timpul lor de viață este de 100.000 – 150.000 km dar acesta este scurtat de anumiți factori care vor fi detaliați ulterior. De asemenea pot ține și mai mult în cazul mașinilor cu motor perfect funcțional, îngrijit și care face drumuri lungi.
Daca sonda detectează prea mult oxigen în gazul evacuat, înseamnă că motorul merge cu un amestec prea sarac (în combustibil), prin urmare, este marită cantitatea de benzină. Dacă, dimpotrivă, este prea puțin oxigen în evacuare, înseamnă că amestecul este prea bogat și ECU reduce cantitatea de benzină din admisie. Defectarea sondei duce la funcționarea anormală a motorului. La fel și defecțiunile de etanșare a admisiei de aer/circuitelor de reglaj vacuumatic – așa-numita admisie de „aer fals“ – duce în eroare sonda Lambda care da informația că amestecul este prea sărac. Prin urmare, electronica (ECU) va „pompa“ mai multă benzină în cilindri (corespunzător cantității de aer aspirat în mod normal + cel fals) și motorul va funcționa cu detonații în evacuare, eventual se „îneacă“. După reglajul amestecului aer-combustibil necesar unei arderi cât mai bune, gazele evacuate ajung în așa-numitul „catalizator“ unde, într-adevăar, gazele se oxidează la contactul cu platina și celelalte materiale de reacție. Funcționarea defecoasă a unui motor cu o sonda de O2 (Lambda) defectă determina utilizarea de amestecuri bogate, rezultând un consum mărit de benzină, deteriorarea în scurt timp a catalizatorului și uzura prematură a motorului, provocatăa de excesul de benzina care ajunge în baia de ulei. Prin folosirea unui astfel de echipament se poate ajunge la o reducere a emisiilor de până la 90%.
Există mai multe tipuri de sonde lambda fundamental diferite. În cazul fiecărui tip, sonda variază în ceea ce privește designul elementului din ceramică, elementului de încălzire și tubului de protecție, toate acestea afectând funcționarea sondei.
Sonda lambda neîncălzită. Acesta a fost primul tip de sondă lambda, Bosch producându-l din anul 1976. La ea se utilizează un element ceramic cu bioxid de zirconiu pentru a genera tensiune într-un mediu cu un conținut ridicat de gaz (oxigen insuficient).
Sonda lambda încălzită. Aceasta a fost lansată de Bosch în anul 1982 și funcționează în același mod ca sonda neîncălzită, însă în interiorul manșonului se află un element de încălzire special, care aduce senzorul la temperatura de funcționare în aproximativ 30-60 de secunde.
Sonda Planară. A fost lansată de Bosch în anul 1997 și utilizează tehnologie senzorială din ceramică cu bioxid de zirconiu, însă este amplasat într-o formă mai compactă și mai plată (de aici și denumirea).
Sonda planară de bandă largă este cel mai nou design de senzor de oxigen și oferă exactitatea sporită necesară pentru a întruni cele mai recente cerințe privind emisiile. Se utilizează un element ceramic planar cu bioxid de zirconiu, astfel încât se încălzesc mult mai rapid decât alte tipuri de senzori, reducând emisiile în cazul pornirii la rece. Suplimentar, senzorii sunt utilizați la motoarele recent dezvoltate cu injecție directă de carburant.
Sonda lambda cu titan. Acest tip de senzori utilizează un tip diferit de tehnologie pentru detectarea oxigenului și în loc de a genera un semnal de tensiune care se modifică odată cu raportul aer/carburant, se modifică rezistența senzorului. Acești senzori sunt utilizați pe mai puțin de 0,5 % din autovehiculele dotate cu sonda lambda.
O clasificare a concentrațiilor în funcție de tensiune și o reprezentare a valorii lambda se poate observa și din tabelul următor:
POZITIONARE:
Primul este montat pe galeria de evacuare, cum vă uitați la motor în față, jos.
Sonda lambda se poate defecta prematur dacă este contaminată cu fosfor rezultat din consumul excesiv de ulei, silicon din scurgerile sistemului de răcire, utilizarea produselor de etanșare din silicon în motor și unii aditivi pentru carburant. Chiar și o cantitate redusă de benzină slab rafinată poate defecta o sondă lambda. Factorii de mediu, precum stropii de pe șosea, sarea, uleiul și murdăria pot cauza defectarea senzorului, ca și șocurile termice, tensiunea mecanică sau manevrarea incorectă.
MANIFESTARE SONDA MURDARĂ:
Consum mărit
Ezitări/bilbiieli la accelerare ca și cum ar da în nas
Noxe mari CO și HC
Catalizator înfundat
Ralanti mic și/sau instabil
CAUZE SONDA MURDARA/DEFECTA :
Aprindere proasta, sonda este contaminata cu amestec nears
Motorul papa ulei excesiv, segmenti, simeringuri supape….
Valva EGR blocata inchis sau raspunde greu, temperaturi ridicate la evacuare
Termostat care scapa sau este blocat pe deschis, motorul merge rece
Combustibil cu plumb
Folosirea de aditivi carburant care contin plumb
Prezenta lichidului de racire in camera de ardere, garnitura chiulasa cuipita
Siliconul care este folosit la garnituri sau ca adaos la ele
Scurtcirciut cu +12V crapa instantaneu sanse mici sa scape
Scurtcircuit cu masa, unele sonde rezista la asa tratament
Masina face numai drumuri scurte, nu apuca nici macar sa se incalzeasca, botezata de unii ca boala "wife car"
VERIFICARE/MĂSURĂTORI :
Testarea nu este complicată dar se face obligatoriu în service și de către personal calificat. O sondă defectă poate fi detectată rapid și ușor cu un volt-ohm-metru digital, dar una lentă poate fi diagnosticată numai cu un osciloscop sau un scopmetru profesional. Se măsoară între pinii 1 și 2 (fire albe spre senzor) dacă avem 12V pentru încălzire, cu contactul pus fără motor. De obicei avem că altfel nu ar funcțtiona multe elemente din sistem. Se taie contactul și declupăm mufa. Măsurăm circuitul de încălzire unde trebuie să avem 5-20 ohm tipic 9.2 ohm. De ce este așa o plaja mare. Simplu, rezistența variază cu temperatura, la fel și curentul care este citit de ECU și taie alimentarea circuitului de încălzire când sonda ajunge la temperatura de lucru. La ralanti trebuie la senzorul de noxe să fie: CO = max 0.5%, CO2 = 14.5-16%, O2 = 0.1-0.5%
VARIANTA MULTIMETRU :
Nu este foarte concludentă dar va dă o idee cât de cât despre starea senzorului. Un multimetru de curent continuu măsoară tensiunea continuă printr-o integrare de timp de 0.2-0.8 s, în acest timp tensiunea noastră fluctuează noi citind de fapt o valoare din interval. Datorită acestei întirzieri (nu putem măsura valori instantanee) însă această valoare citită este influențată și de inerția senzorului. Se așteaptă să fie cald motorul. Se conectează un multimetru cu o impedanță mare de intrare între pinii 3 (gri) și 4 (negru). Ar trebui să avem o tensiune fluctuantă între 0.35 și 0.55V, în caz contrar senzorul poate fi considerat prost dar rămâne acel poate datorat celorlalte componente ale sistemului (MAF, EGR, injectoare, pompa benzina…). Aducem motorul la aprox. 2500 ture. Îmbogățim artificial amestecul cu propan (adică îl punem să aspire prin admisie) astfel încât să coboare turația lui cu 200 ture și trebuie să avem o creștere bruscă de tensiune la 0.9V. Dacă nu crește repede mai mult ca sigur este murdar și are raspuns lent deci trebuie schimbat. Dacă nu este propan la îndemâna se dă cu spray de încărcat brichete. Se repetă operațiunea de câteva ori pentru acuratețe. Facem acum și testul invers, de amestec sărac. Facem motorul să traga aer fals, ori pe sus pe la intarea în throttle body desfacem putin ori cu ajutorul furtunului de cauciuc care pleacă de la capacul colbutori (carter superior) spre throttle. Imediat ce am desfacut turația scade, trebuie să avem și o scadere bruscă a tensiunii spre 0.2V. La fel se repetă operațiunea ca să fie o sigurnță a rezultatelor.
VARIANTA OSCILOSCOP :
Este cea mai bună și mai sigură metodă de a diagnoza senzorul deoarece putem vedea răspunsul fără dubii, în plus și domeniul tensiunilor în care lucrează. Timp de creștere (tr) de la amestec sarac la bogat, tensiunea crește în 75-150 ms. Timp de cădere (tf) de la amestec bogat la sarac, tensiunea scăde în 50-100 ms. Valoarea lambda se măsoară între firul negru și masăa. Cele două fire albe sunt de la rezistența de încălzire a sondei.
7. Ce este bio – energia? Producerea de biogaz – resursă regenerabilă
Scurt istoric al evoluției utilizării biogazului
Surse foarte vechi indică faptul că folosirea apei reziduale și așa numitele resurse regenerabile pentru furnizarea energiei nu sunt noi, ci au fost deja cunoscute înainte de nașterea lui Hristos.
Chiar și în jurul anului 3000 î.Hr. sumerienii au practicat curățarea anaerobă a deșeurilor.
Învățatul roman Plinius cel Bătrân a descris în jurul anilor 50 î.Hr. niște lumini ce licăreau sub suprafețele bălților.
În 1776 Alessandro Volta personal a colectat gaz din lacul Como pentru a-l examina. Cercetările lui au arătat că formarea gazului depinde de un proces de fermentare și poate forma un mixt exploziv împreună cu aerul.
Fizicianul englez Faraday, de asemenea, a făcut experimente cu gazul de mlaștină și a identificat hidrocarbura ca parte componentă. Puțin mai târziu, în jurul anilor 1800, Dalton, Henry și Davy au descris pentru prima dată structură chimică a metanului. Structura chimică finală a metanului a fost elucidată în final de Avogadro în 1821.
În a doua jumătate a secolului XIX, s-a pornit în Franța o cercetare sistematică și științifică pentru a înțelege mai bine procesul fermentării anaerobe. Obiectivul a fost de a suprima mirosul urât emanat de apa reziduală. În timpul investigațiilor, cercetătorii au detectat unele microorganisme care astăzi sunt cunoscute ca fiind esențiale pentru procesul de fermentare. Bechamp a indentificat în 1868 că o populație mixtă de microorganisme este necesară pentru a converti etanolul în metan, din moment ce mai multe produse finale au fost formate prin procesul de fermentare, depinzând de substrat.
În 1876, Herter a raportat ca acetatul găsit în apa reziduală, stoichiometric formează metanul și dioxidul de carbon în cantități egale. Louis Pasteur a încercat în 1884 să producă biogaz din dejecții de cal colectate de pe străzile Parisului;împreună cu studentul sau Gavon a reușit să producă 100 l metan din 1 m3 de dejecții fermentate la 35 º C. Pasteur a susținut că această rată de producție este suficientă să acopere necesarul de energie pentru luminarea stradală în Paris, astfel aplicarea energiei din resurse regenerabile a început din acel moment.
În 1904, Travis a încercat să implementeze un proces în 2 pași care a combinat purificarea apei reziduale cu producția de metan.
Apoi, în 1906, Sohngen a acumulat acetat printr-un proces tot în 2 pași. A descoperit că metanul s-a format din 3 materiale de bază: CHOO- + H + CO2.
În 1906, tehnicianul Imhoff a început să construiască unități de tratament anaerobic pentru apele reziduale în zona Ruhr, Germania. A instalat așa numitele „rezervoare Imhoff” cu spații separate pentru sedimentare și digestie. Timpul de staționare a deșeurilor biodegradabile a fost de 60 de zile.
În Germania gazul metan a fost pentru prima dată vândut pentru lucrările publice cu gaz în anul 1923.
În jurul anilor 1930 s-a încercat pentru prima dată înlăturarea apei, dioxidului de carbon și sulfidelor din biogaz pentru a putea fi comprimat în sticle de gaz și a fi folosit sub forma de combustibil pentru automobile. Pentru o maximizare eficientă a unui asemenea procedeu, așa numiții co-fermenți (deșeuri solid-organice) au fost adăugați.
Pe măsură ce s-a dezvoltat numărul de uzine de biogaz, cercetătorii de pe mapamond își adâncesc cunoștințele despre contribuția chimicalelor și a proceselor microbiene la fermentație. Făcând cercetări fundamentale în biochimie, în 1950, Barker a detectat bacteria care formează metanul: Methanosarcina și Formicicum methanobacterium. Foarte importantă a fost și descoperirea lui Bryant care arăta că, culturile microbiene care formează metanul erau formate din cel puțin două tipuri de bacterii. Un tip era responsabil de conversia etanolului în acetat și hidrogen iar celălalt de formarea metanului via reacției chimice a dioxidului de carbon și hidrogenul liber. Astăzi se cunoaște faptul că 4 tipuri de bacterii diferite trebuie să lucreze în sinergie pentru a produce biogaz.
În jurul anului 1955, importanța biogazului a fost semnificativ redusă, pentru că nu a mai fost profitabil din cauza excesului de țiței. Prețul combustibilului a fost foarte scăzut. În același timp, s-a folosit mult mai mult fertilizator mineral, astfel că aproape toate uzinele de biogaz au fost închise.
În 1970 necesarul de biogaz a crescut datorită crizei țițeiului. Mai târziu, în 1990, tehnologia biogazului a fost stimulată din două motive:
-profitabilitatea folosirii energiei derivate din biogaz,
-managementul reciclării și actul de evitare și management al deșeurilor din 1994 precum și costurile ridicate de deșertare a deșeurilor solide.
Sectorul agricol a sesizat tendința și a acceptat-o condiționat din moment ce unitățile de biogaz nu lucrau în manieră profitabilă în mare parte din cauza costurilor ridicate în construirea instalațiilor.
Nu doar în Germania, dar și în alte țări europene, s-a aplicat aceeași tehnologie a distrugerii deșeurilor. De exemplu, în Danemarca multe fabrici de biogaz au fost construite pentru a procesa dejecțiile lichide și reziduurile din industria alimentară.
Conex cu cele prezentate mai sus, sectorul agricol este văzut ca fiind bogat în surse de biomasă. Acest lucru va permite fermierilor să devină mai independenți față de comerțul cu alimente și să beneficieze de venituri substanțiale lucrând ca “fermieri energetici”.
De exemplu, în Ungaria, în Decembrie 2005 a fost inaugurată o instalație de producere a biogazului cu o capacitate de 2.5 MW. Aceasta este alimentată cu dejecții lichide de la mai multe ferme de bovine și deșeuri de la ferme de păsări.
În țările bogate, industrializate, biomasa reprezintă în medie cam 3% din cantitatea totală de energie.
În Statele Unite, procentul de biomasă raportat la consumul total de energie este de aproximativ 4%, În Finlanda este de 2%, în Suedia este de 15%, iar în Austria este de 13 – 15%. În contrast, Nepalul, care este o țară în curs de dezvoltare, are 145 000 instalații de producere a biogazului pentru o populație de aproximativ 20 Mil., cca. 9 milioane de vaci și 7 milioane de alte animale folositoare. Este considerată țara cu cele mai multe instalații de producere a biogazului pe cap de locuitor. Numărul este de așteptat să crească cu alte 83 500 instalații, finanțate cu ajutorul băncii mondiale. În Vietnam există cca. 18000 instalații de producere a biogazului care au fost construite până în anul 2005 iar alte 150 000 au fost construite până în 2010. Astfel de proiecții sunt valabile și în India sau China.
În țările din America Latină, de exemplu Argentina, Peru, Brazilia, Chile și Mexic, implementarea uzinelor de biogaz este abia la început. Construcțiile simple sunt asemănătoare cu cele din Asia, cu un volum de 2-10 m3.
Ca o sinteză a informațiilor prezentate până acum, în țările dezvoltate este dificil pentru un agricultor să decidă cum să utilizeze optim pământul său.
Dacă obiectivul este să utilizeze pământul într-un mod cât mai ecologic cu putință, o degradare înceată a biomasei este recomandată de la început. Nu trebuie uitat și luat în calcul nici ajutorul financiar oferit de instituțiile guvernamentale. În funcție de programul instituțiilor, cel mai profitabil poate fi cultivarea de plante pentru producerea de biodiesel sau etanol.
Dacă obiectivul este maximizarea producției de energie regenerabilă, o combinație de diferite tehnologii este cea mai eficientă, de exemplu turbine de vânt instalate pentru a genera electricitate combinate cu utilizarea de celule fotovoltaice, respectiv cultivarea de iarbă sau plante energetice.
Dacă producția de combustibil se dorește a fi maximizată, este recomandat ca plantele pe bază de amidon să fie cultivate mai mult decât plantele ce conțin grăsimi și astfel se minimizează pierderea de energie în timpul proceselor de transformare.
Biomasa va atinge în general nivele ridicate de importanță ca principal furnizor de energie în viitor. Acest lucru va duce la modificări majore în obiceiurile oamenilor și în aplicarea metodelor de cultivare.
Altfel spus, umanitatea este de multe ori forțată să se confrunte cu modificări date de faptul că resursele fosile se împuținează, existând scenarii ce iau în considerare faptul că în viitorul mai mult sau mai puțin îndepărtat, biomasa să fie utilizată pentru acoperirea întregii cereri de energie la nivel global.
Energia Verde
"Energie verde" este un termen care se referă la surse de energie regenerabilă și nepoluantă. Electricitatea generată din surse regenerabile devine din ce în mai disponibilă. Prin alegerea unor astfel de surse de energie regenerabilă consumatorii pot susține dezvoltarea unor energii curate care va reduce impactul asupra mediului asociat generării energiei convenționale și vor crește independența energetică.
Mai mult, când aceste tehnologii pot sa vină în ajutorul consumatorului prin reducerea facturilor pentru diferite utilități (apă, încălzire) și printr-un timp de amortizare scurt în cazul sistemelor de încălzire a apei menajere, instalarea unor panouri solare devine o investiție extrem de rentabilă în cazul consumatorilor casnici, a hotelurilor, spitalelor etc.
Energia fotovoltaică și eoliană reprezintă o soluție viabilă pentru locațiile care nu beneficiază în prezent de racordare la rețeaua națională de electricitate. În viitor, printr-o legislație corespunzătoare, aceste sisteme pot deveni rentabile și pentru consumatorii conectați la rețeaua națională prin eliminarea necesității folosirii unor acumulatori si livrării energiei direct în rețeaua națională.
Energia verde – energie curată
Câteva motive pentru a utiliza energia din surse regenerabile:
1. Schimbările climei produse la scară planetară în ultimii ani și consecințele dezastruoase ale acestora – marea provocare a următoarelor decenii pentru omenire.
Datorită pe de-o parte înmulțirii populației globului, adică creșterii numărului de locuințe, clădiri, industrii, mijloace de transport, toate producătoare de emisii de dioxid de carbon și alte gaze nocive și pe de altă parte creșterii continue a necesarului de energie, problema unor surse de energie nepoluante a devenit presantă iar în unele zone chiar urgentă.
2. Un nou mod de viata – situatia confortabila de a fi partial sau total independent din punct de vedere energetic, sau chiar de a furniza energie vecinilor sau retelei publice de electricitate.
3. Departarea fata de orice retea de electricitate sau chiar lipsa ei.
4. Mobilitatea si diversitatea solutiilor.
5. Continua crestere a preturilor la energie electrica si combustibili.
6. Aceste energii se gasesc peste tot in natura si chiar in orase si sunt gratis, ele trebuiesc doar captate si transformate. Sunt cu oferta continua (Bioenergia)sau discontinua!!!
Investitiile in echipamentele necesare captarii, transformarii si stocarii se amortizeaza repede relativ la durata de functionare a acestora, dupa care energia va fi practic gratis si inepuizabila. Costul de intretinere al echipamentelor este minim sau chiar nul in unele cazuri iar durata de functionare lunga. Pretul este inca prohibit, dar pe termen lung si bazat pe un calcul se poate aplica deci valorifica sustenabil, aducand avanataje mediului, dar si dn punct d evedere economic.
Instalații realizate în Germania
În cele ce urmează vor fi prezentate câteva exemple de instalații industriale realizate în Germania, instalații ce folosesc diverse tipuri de substrat în vederea obținerii de biogaz.
Primul exemplu de instalație se află în Sachsen-Anhalt și este parte a unei crescătorii de porci care constă dintr-un stoc de circa 6.000 de capete și 320 ha de teren arabil. Pentru instalația de biogaz se folosesc circa 150 ha 49].
Instalația, cu o treaptă de fermentare a fost pusă în funcție în Febr. 2006 și constă dintr-un fermentator (2.650 m3 volum de lucru) din beton armat. Ca depozit pentru fermenți se folosesc două rezervoare rotunde, deschise (fiecare de câte 4.200 m3), și un bazin de pământ cu volum de circa 6.000 m3 (Fig. 4.5), tot neacoperit.
Substraturile sunt amestecate într-un rezervor de amestec (6 m3) din inox, dotat cu un agitator central, o dată pe oră, cu recirculat din fermentator, care la rândul său este adus la fermentator cu ajutorul unei pompe cu piston rotativ cu o unitate de mărunțire. Ca substrat se folosesc bălegar lichid de porc (56,7 %), dejecții de pui uscate (1,5 %), silaj de porumb (40,4 %) și șrot de orez (1,5 %).
Materialele solide sunt stocate în dozatorul cu capacitate de circa 60 m3 și livrate o dată pe oră către rezervorul de amestec cu ajutorul unui piston hidraulic și a unui transportor elicoidal înclinat.
Adăugarea dejecțiilor de porc se face dintr-o groapă de colectare (circa 400 m3) printr-o pompă cu piston rotativ.
Fig. 7.1 – Schema constructivă a instalației
Amestecarea în fermentator se face prin 4 agitatoare mecanice cu pompă submersibilă, care funcționează împreună, o dată pe oră, câte 14 minute.
Biogazul este stocat sub acoperișul fermentatorului cu un volum de circa 800 m3. Desulfurarea se face prin introducerea de aer în partea superioară a fermentatorului. Gazul este trimis către o centrală de cogenerare cu o putere electrică instalată de 526 kW. Căldura produsă se folosește la încălzirea fermentatorului dar este trimisă și la un schimbător de căldură pentru încălzirea grajdurilor și a clădirilor.
Energia electrică este trimisă către rețeaua electrică publică.
Al doilea exemplu de instalație utilizată pentru producerea de biogaz este atașată unei crescătorii de porci (circa 2750 capete) din Brandenburg (fig. 7.2).
Suprafața totală constă din 1860 ha teren arabil și 249 ha pașune. Pe 110 ha din acestea se cresc substraturile necesare instalației de biogaz.
Instalația cu o treaptă a fost pusă în funcție în Decembrie 2004 și constă dintr-un rezervor de inox (903 m3 volum de lucru). La acel moment erau deja în folosință două depozite de dejecții lichide (de câte 2073 m3), deschise, dreptunghiulare, din beton armat. Acum acestea sunt folosite ca depozite pentru resturile de fermenți.
Fig. 7.2 – Schema constructivă a instalației
Amestecul de substrat constă din dejecții lichide de porc (73,0 %), silaj de porumb (11,8 %), un amestec de coceni de porumb și frunze (9,1 %) precum și șrot de secară (6,1 %). Materialul solid este cântărit într-un dozator cu volum util de circa 10 m3. Amestecul de substrat este livrat, către fermentator de 6 ori pe zi, cu ajutorul unui transportator eliciodal vertical și a unui șnec. Dejecțiile de porc sunt pompate din groapa cu bălegar în fermentator, de două ori pe zi, cu ajutorul unei pompe centrifuge submersibile.
Amestecarea în fermentator se face cu ajutorul unui agitator cu ax lung precum și cu un agitator cu motor submersibil.
Biogazul rezultat este depozitat temporar sub o folie dublă de tip balon din fermentator, cu un volum de 290 m3. Desulfurarea se face biologic prin introducerea de aer în capul fermentatorului. Înainte de livrarea către centrala de cogenerare gazul este uscat activ prin răcire cu metoda contracurent.
Pentru producerea curentului se folosește un motor pilot cu injecție de gaz. Energia electrică produsă este livrată către rețeaua publică. Căldura produsă este folosită la pregătirea energiei de proces pentru fermentator iar parte din ea este livrată în rețeaua de încălzire a orașului.
Ce-a de-a treia instalație utilizată pentru producerea de biogaz se află în Niedersachsen. Are în folosință 480 ha teren agricol și 30 ha pășune și este atașată unei ferme de vite. Pentru cultivarea de produse regenerabile se folosesc 210 ha. Instalația pe două trepte constă din două fermentatoare (de câte 1730 m3) și dintr-un depozit pentru fermenți etanș (2073 m3) (fig. 7.3) din beton armat.
Materiile prime regenerabile sunt livrate în fermentator de opt ori pe zi printr-o cuvă de alimentare cu piston, cu un volum de circa 40 m3, cu ajutorul unui șnec. Dejecțiile lichide de la grajduri, sunt pompate în fermentator cu ajutorul unei pompe. După o perioadă corespunzătoare de depozitare substratul este trimis către al doilea fermentator (treapta 2) cu ajutorul unei scurgeri. Treapta a două este de asemenea legată cu o scurgere de depozitul pentru fermenți unde are loc depozitarea până la preluare. Este de asemenea posibilă și folosirea fermentului ca recirculat prin pomparea în fermentatorul 1 cu ajutorul unei pompe cu piston rotativ.
Fig. 7.3 – Schema constructivă a instalației
Depozitarea biogazului (circa 1400 m3) se face în toate cele trei rezervoare sub un acoperiș din folie etanșă (EPDM).
Biogazul produs este desulfurat biologic prin introducere de aer în capătul superior al fermentatorului. Pentru producerea de electricitate și căldură se folosesc două motoare pilot cu injecție de gaz și o centrală pe gaz cu 180 kWel.
Curentul rezultat este livrat în rețeaua publică. Căldura rezultată din procesul de producere a electricității se folosește la pregătirea căldurii de proces și pentru încălzirea locuinței.
Al patrulea exemplu îl reprezintă o instalație de biogaz aflată în Niedersachsen și exploatată de 2 ferme care au împreună 730 ha teren agricol și 12 ha pășune. Pentru culturi regenerabile se folosesc 220 ha.
Instalația de biogaz cu 2 trepte constă dintr-un fermentator (2000 m3 volum de lucru) cu acoperiș din beton armat, un postfermentator etanș (1000 m3 volum de lucru) cu acoperiș de folie precum și un depozit de fermenți (4950 m3) și o cisternă pentru apă pluvială și infiltrată (100 m3 volum de lucru). Toate rezervoarele sunt realizate din beton armat. Instalația a fost pusă în funcție în Noiembrie 2005.
Materialele regenerabile sunt introduse în fermentator prin cuva de alimentare cu celulă de cântărire și cu capacitate de circa 50 m3. Alimentare se face de 20 ori/zi cu ajutorul unui melc orizontal și a unei prese cu piston. Buncărul pentru substrat este dotat cu un element de împingere care transportă materialul către melc. Melcul transportă materialul către o presă care îl comprimă și îl trimite în fermentator.
După o perioadă corespunzătoare de așteptare fermentul este trimis către fermentatorul 2 cu ajutorul unei scurgeri. Treapta a doua este de asemenea legată cu o scurgere de rezervorul pentru fermenți unde se depozitează resturile fermenților până la preluare/evacuare. Este posibilă și pomparea fermentului ca și recirculat cu ajutorul unei pompe cu piston.
Fig. 7.4 – Schema constructivă a instalației
Pentru amestecarea fermentului, prima treaptă conține un agitator central ancorat în podea.
Treapta a două este dotată cu două agitatoare cu ax lung. Intervalele de agitare la treapta a două sunt de aproximativ 18 min/h. În rezervorul de fermenți amestecarea se face la nevoie cu ajutorul a două agitatoare cu motor submersibil. Depozitarea biogazului (ca. 240 m3) se face exclusiv la treapta a două sub un acoperiș de folie etanșă (EPDM) și într-un acoperiș balon din folie specială (PVC), montat deasupra.
Biogazul produs este desulfurat prin introducerea de aer în partea superioară a fermentatorului din treapta a doua iar apoi este trimis către un motor pe gaz cu 500 kWel pentru producerea de electricitate și căldură. Electricitatea produsă este livrată în rețeaua publică.
Căldura produsă este folosită la pregătirea căldurii de proces și la încălzirea clădirilor publice din zonă.
ltimul exemplu prezentat în acest capitol îl reprezintă o instalație de producere a biogazului situată în Niedersachsen. Ferma care utilizează această instalație întreține 125 ha teren agricol și 10 ha pășune. Pentru culturile regenerabile se folosesc 95 ha. Instalația cu fermenți uscați folosită intermitent, este compusă din 7 fermentatori cu un volum de lucru de câte circa 550 m3, sub forma unor rezervoare dreptunghiulare (30*7*4 = 840 m3) cu pereți și acoperiș din beton armat (fig. 7.5). Fermentatoarele sunt dotate cu încălzire prin podea și funcționează la o temperatură de circa 40 °C.
Pentru schimbarea substratului fermentat, se introduce în fermentator aer până când nivelul O2 ajunge la 21% iar subpresiunea este de 4-5 mbar. După aceea, bolțurile de siguranță pentru porți sunt activate prin comandă. Așa numitul gaz slab este trecut cu ajutorul unei suflante printr-un biofiltru (așchii de lemn).
Cantitatea de ferment introdus în amestecul de substrat este ≥60 %. Exploatarea biogazului din ferment are loc la o concentrație de CH4 de 16 – 25 % și o presiune de 5 mbar.
Biogazul produs înainte de acest punct este trecut printr-un biofiltru. Materialul pentru fermentare este acoperit cu percolat pentru a distribui bacteriile uniform în masa de material solid și pentru a grăbi procesul de fermentare. Prin preluarea de biogaz și o perioadă medie de așteptare de 24 zile, fermentul este scos.
Fig. 7.5 – Schema constructivă a instalației
Fermentul ce nu se refolosește la încărcătura este depozitat liber pe o perioadă de până la 10 zile pe platformă după care este îndepărtat. Depozitarea biogazului (circa 570 m3) se face în doi saci pentru gaz din EPDM, unde unul din saci (70 m3) se folosește ca sac de egalizare pentru rezervorul de percolat.
Biogazul produs este trimis către un motor pe gas cu 536 kWel pentru producerea de electricitate și căldură. Electricitatea produsă este livrată către rețeaua publică. Căldura produsă este folosită ca și căldură de proces și pentru încălzirea satului din vecinătate. În cazul avariilor sau în perioada de întreținere se poate folosi un cazan pe gaz pentru încălzire.
8. Avantajele bioenergiei versus energia din combustibili fosili
Generalități
Biomasa este singura sursă de energie regenerabilă (deci BIOENERGIE) ce poate fi convertită în gaz, lichid sau combustibil solid prin tehnologii de conversie foarte bine cunoscute. Astfel, acest purtător de energie universală regenerabilă poate fi folosit într-o gamă largă de aplicații din sectorul energiei. Deja în prezent este posibilă furnizarea de energie regenerabilă pentru întreaga gamă de aplicații ce necesită energie, de la stații de încălzire și de asigurare a curentului electric până la aplicațiile mobile pentru transport și trafic. În medie, în țările industrializate, biomasa contribuie la totalul surselor de energie folosite în proporție de 9 – 13%, în timp ce în țările în curs de dezvoltare ea contribuie într-un procent ce variază de la 5% la 30% 18].
În mod obișnuit, după ce biomasa a fost tratată, ea este transformată într-una din formele majore de energie de mai jos:
– electricitate,
– căldură.
Producerea, adică generarea prin transformare în ambele se cheamă cogenerare. Din punct de vedere termodinamic este soluția cea mai eficientă.
Gama de aplicații și de dispunere de biomasă sunt doar două dintre importantele avantaje ale biomasei. Un alt argument major pentru folosirea acestei resurse de energie își are originile în posibilitatea de protejare a mediului înconjurător și a climei. Când se folosește energia stocată în biomasă, gazele de seră precum dioxidul de carbon, sunt emise, dar cantitatea este asemenea ca cea produsă de procesele de descompunere naturală. Astfel transportorii de bioenergie pot fi considerați neutri din punctul de vedere al daunelor climatice.
Ca o privire de ansamblu, biomasa poate fi divizată în 4 categorii din punct de vedere al originii ei:
– culturi de plante energetice. Plantele energetice, așa cum se implică din denumirea lor, sunt cultivate în principal pentru generarea de energie. Funcția lor, analoagă unei celule solare, este să capteze radiația solară și să o stocheze în biomasă pentru utilizare ulterioară. Exemplu de plante energetice sunt: trestie energetică, iarbă energetică, floarea soarelui, rapița și porumbul.
– reziduuri post-recoltare. Reziduurile care rămân după recoltarea cerealelor și a copacilor tăiați sunt deșeuri naturale. Acest grup de produse din natură este potrivit pentru reciclarea energiei pentru că ajută la reducerea costurilor de producție pentru principalele produse sau poate crește producerea lanțului cultivării.
– produse secundare organice. Procesarea biomasei de către oameni pentru a crea produse formează un grup de produse secundare. Acestea includ îngrășămintele naturale rezultate de la creșterea animalelor precum și reziduuri de la procesarea industrială a lemnului și a fibrelor vegetale. Și aici reciclarea energiei poate duce la creșterea profitabilității în paralel cu protecția mediului de către producători.
– deșeuri organice. Deșeurile organice sunt compuse din produse care includ deșeul biologic, excrementele și reziduurile de la producția de alimente (de exemplu de la abatoare), etc. Deșeul organic este subiectul general al legislației deșeurilor. În consecință, o gamă largă de cereri legislative trebuie să fie îndeplinite, de la legislația de proveniență până la cea a controlului epidemic.
Biomasa vegetală este în general găsită sub formă de agregate solide, având conținut de apă, și în majoritatea cazurilor, din motive tehnice, sunt eliminate din utilizarea în scopuri de producere a energiei. Este posibilă schimbarea stării de agregare pentru a permite aplicații precum folosirea ca și combustibil în procesul convențional. Pentru folosirea lor ca și combustibil, sursele de bioenergie sunt tot timpul clasificate în funcție de starea de agregare: solidă, lichidă sau gazoasă. Starea de agregare existentă determină în esență posibilitatea folosirii ulterioare a sursei de bioenergie în facilitățile de conversie a energiei precum motoare sau instalații de ardere. Deși motoarele cu combustie și celulele de combustibil – care în mod curent sunt în stagiul de cercetare – sunt incapabile să folosească surse solide de bioenergie, radiatoarele sau sistemele combinate pentru producerea de căldură și curent electric pot folosi combustibili solizi.
Forma și starea de agregare a produselor bioenergetice procesate sunt determinate de tehnologiile de conversie existente. Fiecare echipament de utilizare, precum un motor, are o metodă de operare care e optimizată pentru stări și calități particulare ale surselor de bioenergie. Pentru operări permanente cu succes, aceste stări și calități trebuie să fie menținute între anumite limite.
Sursele solide de bioenergie
Cel mai mare grup de surse solide de bioenergie cuprinde produsele realizate din lemn. Acestea sunt obținute în urma procesării industriale a lemnului, în urma căreia deșeurile rezultate sunt utilizate. În multe zone produsele secundare din agricultură, cum ar fi paiele, sunt de asemenea utilizate pentru generarea energiei din biomasă.
Fig. 8.1. – Paie din cereale 57]
Paiele de pe un hectar de cereale (fig.8.1.) au un conținut de energie de 73 GJ. Aceasta este aproximativ echivalentul a 200 litri de petrol. Totuși, paiele și alte produse din această categorie au caracteristici de combustie diferite de cele ale combustibililor lemnoși. Punctul de transformare în cenușă și comportamentul de emisie a biomasei de tip paie înseamnă că sunt necesare abordări tehnice diferite.
Fig. 8.2. – Reziduuri din material lemnos 57]
O altă categorie importantă de reziduuri care nu e neapărat parte a sectorului lemnului vechi reprezintă reziduurile lemnoase rezultate din administrarea mediului. În fig. 8.2. sunt evidențiate diverse reziduuri din material lemnos. Acestea apar în timpul lucrărilor de întreținere la drumuri și canale, și la îngrijirea parcurilor. Reziduurile lemnoase rezultate din administrarea mediului sunt de obicei un amestec de lemn, frunze și produse de tip paie. Doar foarte rar se ia în considerare utilizarea acestui amestec într-un nou produs.
Surse lichide de bioenergie
Mobilitatea este esențială în societatea atât de industrializată. Cu câteva excepții, transportul de persoane și al mărfurilor este bazat pe combustibilul lichid. Astăzi, există câteva alternative de biocombustibili pentru îndeplinirea acestor sarcini. Etanolul, din fermentațiile alcoolice și metanolul rezultat din celuloză pot fi considerate ca și mase biologice. De departe, cele mai cunoscute sunt rapița și floarea-soarelui (fig.8.3.). Uleiurile rezultate din acestea două sunt folosite fie în mod natural, fie ca și biocombustibili.
Fig. 8.3. – Plantă de floarea soarelui 57]
De-asemenea, fiind CO2 neutri, carburanții proveniți din surse de bioenergie lichidă au proprietăți mai bune de emisie, iar potențialul de poluare este mai scăzut. Faptul că ei sunt situați mai jos față de combustibilii fosili ca și performanță a fost demonstrat în nenumărate rânduri în sporturile cu motoare.
Surse gazoase de bioenergie
Sursele de bioenergie de tip gazos sunt rezultatul conversiei biomasei naturale. Acestea pot fi produse cu ajutorul proceselor microbiologice, precum fermentarea anaerobă a metanului dar și cu ajutorul conversiei termochimice de biomasă solidă din timpul procesului de gazificare.
Biogazul este creat fără acțiunea oxigenului în timpul fermentației materialului biologic de tip animal și vegetal. În acest caz, simbioza unor bacterii va duce la ruperea legăturilor de carbon și va rezulta metanul gazos și dioxid de carbon. În practică, acest fapt are loc la instalațiile de biogaz agricole. Conversia termochimică în combustibili gazoși a surselor solide de bioenergie are loc în timpul gazificării. Din lanțurile de carbon, se vor crea gaze combustibile de monoxid de carbon, hidrogen și metan.
Utilizarea biomasei in scopuri energetice
Viața pe pământ este posibilă doar datorită energiei solare din care o cantitate considerabilă este utilizată de plante. O comparare legată de producerea biomasei cu alte procese de conversie a energiei este bazată pe eficiențele estimative ale diferitelor plante. Aceste eficiențe descriu procentajul de energie solară care este convertit în biomasă. Utilizarea biomasei poate fii clasificată în utilizarea deșeurilor organice sau agricole și cultivarea plantelor energetice. Biomasa poate fii folosită în motoare cu ardere internă, în special în instalații de căldură și electricitate (CHP-engleza, cogenerare). Aceste instalații sunt mai mici decât cele care folosesc cărbune sau gaz deoarece este important să se minimizeze distanțele de transport ale biomasei. Din această cauză aceste instalații au de obicei o capacitate de câțiva MW.
Ca și termen general, biomasa cuprinde toate materialele vegetale – pomi, paie, iarbă, chiar și coji de arahide. Include de asemenea dejecții umane și animale precum și gunoi municipal. Unele companii generează electricitate prin arderea așchiilor de lemn sau resturi vegetale. “Resturile” de lemn furnizează acum industriei lemnului și hârtiei mare parte din necesarul de căldură și electricitate. Lemnul, iarba și alte așa-numite culturi energetice ne-ar putea de asemenea furniza etanol pe post de combustibil pentru transporturi, sau combustibil pentru centrale electrice. Gazul emanat de gunoiul în descompunere poate fi captat și utilizat în procese de ardere, respectiv pentru producerea de energie termică sau electrică.
Biomasa este o resursă locală versatilă de energie. Cei ce locuiesc în zone înpădurite pot folosi lemn sau așchii de lemn, în zone agricole, resturile agricole precum cocenii de porumb sau cojile de arahide, în apropierea orașelor, deșeurile peletizate sunt surse de energie utilizabile. Biomasa poate de asemenea fi transformată în combustibil de transport. Cerealele și chiar lemnul pot fi fermentate producând alcool pentru combustibil, în timp ce anumite semințe precum cele de soia și rapiță produc biodiesel. Creșterea utilizării biomasei pentru energie ar produce locuri de muncă noi și continue pentru fermieri, pădurari și tăietori de lemne.
Însă biomasa poate fi cea mai complicată energie regenerabilă, dacă resursa nu este administrată corect. Familiarizarea noastră cu ea, combinat cu versatiltatea sa, fac biomasa ușor de vândut și de utilizat. Dacă însă nu este administrată corect, creșterea contribuției biomasei la amestecul energetic ar putea distruge păduri, eroda teren agrar și ar ajuta cu prea puțin la reducerea poluării.
Arderea lemnului, alcoolului sau nămolului uscat generează același set de poluanți care provin și de la arderea cărbunelui sau gazului natural. Orașe cu un număr mare de case ce utilizează lemnul au trebuit să recurgă la interzicerea arderii lemnului în anumite zile de iarnă pentru a reduce ceața de funingine ce acoperea orașul. Toate cazanele noi trebuie să respecte reguli mai stricte ale emisiilor, propuse de EPA, în privința emisiilor de funingine sau alți poluanți.
Folosirea responsabilă a terenului este o altă problemă complicată. Utilizarea în creștere a lemnului ca sursă de energie va crește și mai mult cererea de pomi și ar putea avea un impact devastator asupra pădurilor noastre deja fragile.
Utilzarea in scopuri energetice a biomasei reprezinta de cativa ani un “punct dificil” al masurilor luate de autoritatile nationale si internationale. Biomasa reprezinta un combustibil regenerabil, prin arderea caruia nu se emite CO2.Potentialul tehnic de folosire a biomasei insumeaza cca 8-10% din energiile primare in Germania si in Europa.2].Biomasa se preteaza a inlocui combustibilii fosili (huila, lignitul), putand astfel sa contribuie la reducerea emisiilor de CO2.
Un avantaj pe care biomasa il are in comparatie cu energia solara si eoliana, consta in continutul sau energetic, care nu depinde de orientarea in spatiu si nu trebuie inmagazinat.Un alt avantaj al biomasei este ca, unele tari cum ar fi China si India au un potential mare pe care-l pot folosi concurential.
Din figura 1.1 rezulta ca biomasa este “ neutra” si “ libera” in raport cu CO2, deoarece cantitatea de CO2 emisa in atmosfera prin arderea ei, poate fi asimilata de catre plante si ajuta la cresterea lor.
In opozitie cu procesul de “inrosire naturala “ a biomasei si cu resturile biogene din paduri sau din depozitari, in cazul folosirii biomasei se evita formarea in cantitati suplimentare a CH4 (gaz cu efect de sera). La cultivarea “plantelor energetice”, de exemplu prin folosirea ingrasamintelor artificiale, se emite indirect CO2, de aceea este redusa cultivarea extensiva a acestora, pentru a fi valorificate in scopuri energetice. Din acest motiv, se prefera utilizarea energetica a resturilor biogene de la plantele energetice care cresc repede, cum ar fi miscanthus si triticale.
Utilizarea bomasei si bilantul de CO2
Insusirile energetice ale biomasei
In vederea folosirii biomasei, in scopuri energetice, stau la dispozitie aceleasi procedee care, in principiu, se folosesc si la arderea combustibililor conventionali.Cea mai importanta deosebire este ca biomasa, in comparatie cu carbunele, are o putere calorifica mai redusa. Puterea calorifica a combustibililor proaspat recoltati /extrasi sau a celor umezi, este mai mica decat a huilei si a carbunelui brun.
O semnificatie importanta in utilizarea energetica a resturilor biogene o reprezinta economicitatea care se realizeaza tinand cont de densitatea energetica sau densitatea de energie (kg/m3). La combustibilii uscati, puterea calorifica are valori mari: 16000-18000 kJ/kg. Datorita densitatii reduse a biomasei, cresc de exemplu, cheltuielile logistice de transport- in cazul peletilor (brichetelor) din lemn sunt de zece ori mai mari decat la transportul huilei. Pentru transportul balotilor de paie este necesara o capacitate de transport de 30 ori mai mare decat la transportul pacurii, care are acelasi continut energetic. Situatia se prezinta in tabelul 1 si in figura 8.4.
Tab.1 Densitatile de energie (puteri calorifice volumetrice) a combustubililor solizi
* umiditatea 15%
Fig.8.4.Influenta continutului de apa asupra densitatii si a densitatii de energie a
combustibililor biogeni2]; 1=boabe de cereale; 2=peleti din lemn; 3=rumegus presat;
4=scoarta; 5=baloti de paie; 6=rumegus (rindea); 7=paie macinate.
Folosirea biomasei in centralele energetice este limitata datorita cheltuielilor ridicate cu transportul. Combustibilii biogeni (biomasa) se preteaza a fi folositi in unitatile energetice mici, decentralizate.
A doua caracteristica a biomasei este neomogenitatea mare, atat la combustibilii mono cat si la cei amestecati .De exemplu, la arderea peletilor din deseuri de lemn (combustibil mono) umiditatea si dimensiunile lor variaza asa de mult, astfel incat procesul de ardere poate fi eficient si ecologic, doar cu costuri tehnice ridicate.
In ultimul rand, continutul ridicat de componente “zburatoare” precum si componentele combustibile impun tehnologii de ardere cu cerinte ridicate. In principiu, se deosebesc urmatoarele categorii de combustibili biogeni ( biomasa):cu continut lemons,
cu continut de paie (fire de iarba)
plantele oleaginoase
microorganismele
biomasa animala.
In timp ce biomasa cu continut de paie are o compozitie celulozica (C6 H10 O5), biomasa lemnoasa are o compozitie cu un continut de carbon usor crescut (CH1,23O0,38). Biomasa cu continut proteic si oleaginos are un continut redus de carbon, dar are N si S in continut destul de ridicat. Figura 8.5
Doua dintre insusirile biomasei, cer o atentie speciala in procesul de ardere a acesteia. Prima, o reprezinta continutul ridicat de clor al combustibilului, care este problematic, deoarece duce la coroziunea suprafetelor de condensare si supraincalzire, la temperature inalte.A doua caracteristica problematica o reprezinta temperaturile reduse de plastifiere a cenusii, aflate sub 8000 C, care produc calirea suprafetei de incalzire si a peretilor focarului.
In cazul focarelor cu curenti ascendenti in straturi, temperaturile reduse de plastifiere a cenusii produc aglomerarea particulelor din stratul de baza, iar la focarele cu gratar produc o zgurificare a gratarului.
In prezent, diferite institutii nationale si internationale se ocupa de standardizarea combustibililor biogeni. Cele mai importante criterii sunt: insusirile combustibilului care influenteaza procesul de ardere, umiditatea, consistenta in particule combustibile si puterea calorifica.
Fig.8.5.Diagrama triunghiulara a combustibililor fosili si a combustibililor biogeni
Capitolul 9. EMISII POLUANTE ȘI EFECTELE NOCIVE ALE ACESTORA
9.1. Generalități privind emisiile poluante și efectele acestora
În cazul motoarelor cu ardere prin comprimare (m.a.c) poluanții chimici sunt determinați de procesul oxidării combustibililor care este un proces complex, ce generează, pe lângă CO2, H2O, N2 și O2 în exces, o serie de substanțe chimice – produși ai arderii incomplete – care se află în cantități mici (urme) în gazele de evacuare (2% de volum) (Figura 9.1). Aceste substanțe sunt foarte toxice. La scară mondială produc efecte nocive importante asupra mediului înconjurător în general, și asupra sănătății oamenilor, faunei și florei în special.
Figura 9.1. Emisii provenite de la vehicule feroviare
Dintre cele aproximativ 1000 de substanțe chimice distincte identificate în gazele de ardere ale m.a.c, datorită efectului lor nociv dovedit, s-au limitat prin reglementări speciale, următoarele specii poluante:
hidrocarburi – HC;
monoxid de carbon – CO;
oxizi de azot – Nox ( NO, NO2 );
particule – PT (numai pentru motoarele cu aprindere prin comprimare);
fum, măsură a efectului legat de vizibilitatea produsă de gazele de ardere.
Și alte substanțe produc efecte nocive incontestabile, pentru care sunt în discuții unele propuneri de limitări [79]:
bioxidul de carbon;
oxizii sulfului;
plumbul și compușii săi.
Dioxidul de carbon, CO2, nu este o substanță toxică. Este considerată totuși o emisie periculoasă pentru că se elimină în atmosferă, acesta fiind procesat de vegetație. Se apreciază că jumătate din cantitatea de CO2 eliberată prin ardere între anii 1900 – 1970 se găsește încă în atmosfera liberă. Concentrația de CO2 a crescut de la 290 ppm în anul 1900, la 322 ppm în anul 1970 și la 368 ppm în anul 2000. Creșterea concentrației de CO2 are ca efect o mărire a temperaturii aerului, ceea ce produce mai târziu o schimbare a climei, generând un lanț de alte efecte dezastruoase [43,44].
Oxizii sulfului SOx (SO2, SO3) sunt considerați nocivi ca substanțe secundare, producând smogul umed. Combustibilii lichizi pentru motoare au un conținut redus de sulf (câteva procente în motorină, nul în benzină). Combustibilii industriali (cărbunele și păcura) sunt sursă majoră pentru dioxidul de sulf din atmosferă.
Plumbul și compușii săi prezintă nocivitate foarte mare. Pentru reducerea poluării cu aceste substanțe se impune evitarea folosirii tetraetilului de plumb ca aditiv antidetonant în combustibilul folosit în m.a.i și găsirea unor înlocuitori nepoluanți.
9.2. Efectele nocive ale noxelor
Orice substanță sau produs care, folosit în cantități, concentrații sau condiții aparent nepericuloase, prezintă risc semnificativ pentru om, mediu sau pentru bunurile materiale (pot fi explozive, oxidante, inflamabile, toxice, nocive, corosive, iritante, mutagene, radioactive) se numește substanță periculoasă. Prin STAS 12574-87 [1] se stabilesc concentrațiile maxime (medie lunară sau anuală) admise ale unor substanțe poluante în aerul din zonele protejate.
Din punct de vedere ecologic, există deosebiri importante între diverse categorii de poluanți. Se deosebesc [77]:
noxe care dăunează direct organismului uman, ca de exemplu oxizii de azot (NOx), oxizii de sulf (SOx), monoxidul de carbon (CO), precum și unele materiale grele;
noxe care acționează direct asupra vegetației, ca de exemplu dioxidul de sulf (SO2) și combinații dintre Cl și H2;
noxe care stau la baza formării de acizi, ca de exemplu SO2, SO3, NO și NO2, ce determină formarea ploilor acide și distrugerea pădurilor (Figura 9.2);
Figura 9.2. Pădure afectată de ploi acide [80]
noxe persistente în soluri, care, în cadrul lanțului biologic plantă-animal-om, se acumulează și devin astfel nocive organismului uman, cum de altfel este cazul materialelor grele;
noxe care devin factor de influență ai climei, ca de exemplu CO2 și N2O, precum și factori importanți în declanșarea efectului de seră al pământului sau contribuie la distrugerea stratului natural de ozon.
Efectele nocive ale oxizilor de carbon
Oxidul de carbon (CO) este unul dintre toxicii cu răspândirea cea mai mare, atât în mediul industrial cât și în mediul urban. Acesta pătrunde ajutat de următoarele proprietăți fizico-chimice: densitate apropiată de cea a aerului, difuzibilitate mare și afinitate ridicată a hemoglobinei pentru CO (de 210 ori mai mare comparativ cu O2) rezultând carboxihemoglobina. Efectul principal este intoxicația, primele senzații ce apar fiind cefaleea, oboseala și amețeala, precum și alte simptome cum ar fi: anorexia, greața, apatia, insomnia, tulburări de memorie și personalitate, și chiar moarte.
Monoxidul de carbon este un gaz incolor, inodor și insipid emis în procesele de ardere, care este mai puțin dens decât aerul. La nivel național și, în special în zonele urbane, majoritatea emisiilor de CO din aerul înconjurător provin din surse mobile. CO poate provoca efecte nocive asupra sănătății prin reducerea livrării de oxigen către organele corpului (cum ar fi inima și creierul) și țesuturi. La niveluri extrem de ridicate CO poate provoca moartea. Este un compus relativ stabil și participă la reacțiile chimice atmosferice. CO este un produs intermediar, prin care trec toți compușii conținând C când sunt oxidați. În prezența unei cantități suficiente de O2 în timpul arderii se produce CO care apoi este oxidat, obținându-se CO2. Acest lucru nu se întâmplă în cazul funcționării motorului în regim de mers în gol sau de decelerare. Totuși se cunoaște că în condițiile obișnuite de funcționare, motoarele diesel produc cantități mai mici de CO, comparativ cu motoarele cu benzină. 67% din CO provine de la vehicule, arderea nefiind completă decât dacă motoarele merg în plină viteză [14].
CO participă ca substanță secundară la o serie de reacții atmosferice incluzând și formarea ozonului, în mod indirect, prin reacția cu radicalii hidroxili (OH), pe care îi consumă și care ar fi contribuit, în caz contrar, la neutralizarea unor gaze cu potențial mai mare de producere a efectului de seră, cum ar fi metanul.
Dioxidul de carbon (CO2) este toxic numai în concentrații foarte mari (peste 5000 ppm). Dioxidul de carbon influențează clima prin efectul de seră creat asupra pământului, contribuția care-i revine fiind de aproximativ 50%. Soluțiile tehnico-economice pentru combaterea emisiilor de CO2 nu sunt foarte dezvoltate, singura soluție fezabilă fiind accentuarea creșterii eficienței la producerea, transformarea și utilizarea energiei termice.
Folositor pentru mediu și sănătatea umană este faptul că CO2-ul expirat de ființele vii, eliminat de industrie sau vehicule este folosit în procesul de fotosinteză al plantelor, dând naștere la glucide și oxigen:
(9.1)
Dioxidul de carbon întâlnit în atmosferă în proporție de 0,03% nu produce tulburări manifestate decât în situațiile în care este împiedicată trecerea gazului din sângele venos în alveola pulmonară și eliminarea lui prin aerul expirat. De fapt, fenomenele toxice apar în momentul în care presiunea parțială a CO2 din aer crește atât de mult încât împiedică eliminarea acestui catabolit. Inițial apare o creștere a CO2 din sânge (hipercapnie) mai puțin datorită pătrunderii lui din aerul exterior, cât datorită autointoxicării organismului [41].
Primele tulburări apar în jurul concentrației de 3% și se manifestă prin tulburări respiratorii (accelerarea respirației), apare apoi cianoza, urmată de tulburări respiratorii și circulatorii însoțite de fenomene legate de dezechilibrul acido-bazic [41].
Monoxid de carbon (CO) este un gaz inodor și incolor format atunci când carbonul din combustibil nu este ars complet. Autovehiculele contribuie cu circa 60 la sută din totalul emisiilor de CO la nivel național. Alte motoare non-rutiere și vehicule (cum ar fi utilaje de construcții și bărci) contribuie cu aproximativ 22 la sută din totalul emisiilor de CO la nivel național (figura 9.3). Niveluri mai ridicate de CO, în general, apar în zone cu trafic intens și congestie a acestuia.
În orașe 95 % din totalul emisiilor de CO pot proveni de la vehiculele cu motor aflate în circulație. Cele mai ridicate niveluri de CO în aerul liber apar de obicei în lunile reci ale anului când emisiile de CO provenite de la autovehicule sunt mai mari și condițiile de inversiune pe timp de noapte sunt mai frecvente.
Figura 9.3. Ponderea emisiilor de CO de la diferite surse [78]
Efectele nocive ale oxizilor de azot
Oxizii de azot se formează prin reacția oxigenului atmosferic cu azotul la temperaturi și presiuni mari, specifice camerei de ardere, în atmosfera bogată de oxigen și la variații de timpi de staționare mai mari. Azotul provine fie din combustibil fie din aerul introdus pentru ardere. Pe măsură ce crește temperatura, crește și ponderea mecanismului de geneză a NOx și implicit concentrația în gazele de evacuare [81].
Printre oxizii din gazele de evacuare este prezentă și o anumită cantitate de dioxid de azot (NO2), cantitate ce sporește la ieșirea gazelor în atmosferă, prin oxidarea suplimentară a monoxidului de azot(NO).
Oxizii de azot și acidul azotic sunt foarte periculoși pentru organismul uman datorită agresivității și toxicității lor. NO2 este considerat, în general, ca cel mai nociv oxid de azot pentru sănătatea omului. Astfel statisticile atrag atenția asupra riscurilor de îmbolnăvire în corelație cu concentrațiile ambientale. Limitele admisibile și standardele sunt exprimate adesea cu referință directă la NO2 și mai generală la NOx. Aceștia afectează căile respiratorii, mucoasele, transformă exihemoglobina în metahemoglobină, ceea cea poate duce la paralizii. Expunerea mai îndelungată la acțiunea oxizilor de azot, chiar și la concentrații foarte mici de numai 0,5 ppm, slăbește organismul uman făcându-l în același timp foarte sensibil la infecțiile bacteriene (în special la copii) [35, 56]. Dioxidul de azot este considerat dăunător, generând efecte toxice în urma inhalării și producând disfuncții pulmonare, afecțiuni respiratorii acute, iritarea ochilor și în general a mucoaselor.
NO2 produce și efecte dăunătoare asupra mediului. Se menționează, ploile acide, cu consecințe nefaste asupra vegetației. NOx sunt esențiali în formarea ozonului la sol. Atunci când NO2 este supus radiației ultravioletelor solare, un atom de oxigen se separă de molecula oxidului, combinându-se cu o moleculă de oxigen formând ozonul (O3).
N2O (protoxidul de azot) este un oxid care este încriminat ca și gaz cu efect de seră, dar și cu contribuții în distrugerea stratului de ozon. Acest oxid are o durată de viață extrem de lungă.
Datorită găurilor generate în stratul de ozon, la mare altitudine, și care din păcate se extind, nu mai este filtrată radiația ultravioletă, ceea ce conduce la creșterea incidenței cancerului de piele în ultimul timp [53].
Emisiile de NO2 constituie al doilea component ca pondere care contribuie la producerea efectului de seră, după CO2 și de asemenea au o contribuție importantă la formarea smogului fotochimic.
Peste 95% din cantitatea totală de NOx este reprezentată de monoxidul de azot (NO) și doar restul sub formă de dioxid de azot (NO2). Monoxidul de azot eliberat în atmosferă, în prezența oxigenului din aer și sub acțiunea razelor ultraviolete, transformandu-se relativ repede în NO2 care este foarte toxic. În anumite condiții, NO2 împreună cu H2O formează acidul azotic, HNO3 [43].
Pe de altă parte, oxizii de azot au și efect coroziv. Acidul azotic atacă construcțiile metalice, provocând distrugerea lor. Acesta formează azotați cu diferiți cationi din atmosferă. Au o acțiune corozivă asupra cuprului, alamei, aluminiului, nichelului, etc. distrugând rețelele electrice, telefonice etc.
Oxizi de azot (NOx) reprezintă un termen generic folosit pentru a descrie suma de NO, NO2 și alți oxizi de azot. NOx este un grup de gaze foarte reactive care joacă un rol major în formarea ozonului. Mulți dintre oxizii de azot sunt gaze incolore și inodore. Cu toate acestea, un poluant comun, dioxidul de azot (NO2), împreună cu alte particule din aer poate fi adesea văzut ca un strat de culoare brun-roșcat peste multe zone urbane. Oxizii de azot se formează atunci când combustibilul este ars la temperaturi ridicate, ca într-un proces de combustie. Sursele primare de NOx sunt autovehiculele, distribuția energiei electrice și alte surse industriale, comerciale, rezidențiale care ard combustibili.
Efectele nocive ale hidrocarburilor
În această categorie intră produsele gazoase ale arderii incomplete și imperfecte. S-au identificat circa 400 de compuși individuali, care reprezintă majoritatea claselor de compuși organici, incluzând hidrocarburi alifatice saturate și nesaturate, hidrocarburi aromatice și compuși policiclici, compuși oxigenați cum sunt aldehidele, cetonele, alcoolii, eterii, acizii și esterii, precum și compușii azotați, sulfați și organometalici. S-a descoperit că benzpripenul, care este o hidrocarbură ciclică extrasă din gudron, exercită o puternică acțiune cancerigenă. Sunt nocive îndeosebi ca substanțe secundare, deoarece sunt o componentă principală în reacțiile de formare a smogului fotochimic [15, 65].
Cercetările biologice privind nocivitatea hidrocarburilor în special și a altor substanțe poluante în general se desfășoară în cadrul a doua categorii de studii biologice [81]:
studiul în vitro pe lame de laborator, care se bazează pe corelația dintre efectul cancerigen și mutațiile genetice provocate de bacterii.
studiul în vivo, care urmărește identificarea capacității de a provoca tumori canceroase pentru substanțele considerate cancerigene, introduse prin piele subcutanat sau prin sistemul respirator al animalelor de testare.
Transferarea acestor rezultate asupra oamenilor prezintă un grad vizibil de incertitudine. Totuși, există studii epidemiologice care arată o frecvență mai înaltă a cancerului pulmonar la
categoriile profesionale expuse inhalării gazelor de ardere de la m.a.i..
Efectele nocive ale compușii organici volatili (COV)
Compușii organici volatili cuprind o gamă largă de substanțe:
hidrocarburi (alcani, alchene, compuși aromatici);
halocarburi (tricloretilena);
compuși oxigenați (alcooli, aldehide, cetone).
Toți aceștia sunt compuși organici carbonați, suficient de volatili pentru a exista sub formă de vapori în atmosferă. Majoritatea măsurătorilor de determinare a COV se realizează în funcție de conținutul global (total) de carbon, fără analiza componentelor individuale. Nu se pot face generalizări ale efectelor asupra sănătății produse de aceste substanțe, cu certitudine însă unele sunt toxice și chiar suspectate de a fi cancerigene. Mulți dintre COV contribuie la formarea secundară a poluanților și la reducerea stratului de ozon stratosferic.
Aldehidele reprezintă substanțele cu contribuția cea mai mare la formarea ozonului. Formaldehida și acetaldehida sunt prezente în gazele de evacuare din m.a.c. Ele sunt toxice și posibil cancerigene.
Olefinele sunt compuși nesaturați foarte reactivi, cu mulți atomi de carbon în moleculă și care pot accepta atomi de hidrogen sau de clor. Acești compuși au tendința de a forma ozon și sunt foarte toxici. Una din olefinele cele mai periculoase este 1,3-butadiena [66].
Compușii aromatici sunt compuși ai carbonului în care atomii de carbon formează inele ciclice hexagonale. Compușii prezintă două sau mai multe inele. Hidrocarburile aromatice policiclice (PAH) se formează ca rezultat al pirolizei, în timpul arderii. Benzenul este incontestabil substanța cu efectul cancerigen cel mai agresiv asupra oamenilor, conform aprecierii făcute de IARC (Agenția Internațională de Cercetare a Cancerului), încadrându-se în grupa 1 de risc (conform tabelului 9.1) [65].
Tabel 9.1. Grupele substanțelor cu efect cancerigen [69]
Efectele nocive ale pulberilor in suspensie
Particulele reprezintă un amestec de substanțe organice și anorganice prezente în atmosferă, prezentând atât formă lichidă, cât și solidă. Majoritatea provin din gazele de ardere.
Definirea particulelor se face implicit prin procedeul de măsurare a acestora, fiind în cazul m.a.c. materia colectată pe un filtru special la trecerea gazelor arse emise de un motor cu aprindere prin comprimare, gazele fiind diluate cu aer curat până la obținerea temperaturii acestora de maximum 52°C [46].
După mărime, se consideră particule mari acele particule care au un diametru mai mare de 2,5 μm. Particulele mici sunt cele sub 2,5 μm. Emisia de particule din m.a.c. este mult mai mare decât de la m.a.s., chiar dacă acesta din urmă utilizează benzine etilate. Raportul acestor emisii variază între 6 și 22 g/l, iar dacă raportarea se face în g/km, valoarea emisiei de particule m.a.c./m.a.s. este 500:1 [46].
Există o îngrijorare crescândă cu referire la efectele pe care le produc particulele asupra sănătății. S-au făcut cercetări asupra fracțiunii de carbon din particule. Carbonul nu este toxic ca atare, dar proprietățile sale fizice particulare afectează funcția celulară a plămânilor. Particulele de carbon emise de motoarele diesel sunt foarte mici și penetrează adânc în plămân, unde se acumulează. În timp, acumularea carbonului determină întârzierea mecanismului de împrospătare pulmonară.
Astfel, lucrătorii expuși la concentrații mari de gaze de eșapament emise de un motor diesel au raportat simptome ce le-au afectat starea de sănătate pe termen scurt, simptome ca: iritații ale ochilor, ale nasului și gâtului, arsuri la stomac, dureri de cap, slăbiciune, amorțeli, furnicături la nivelul extremităților, respirație șuierătoare și vărsături. Pe lângă aceste simptome, la o expunere îndelungată la gazele de eșapament ale unui motor diesel, apare tusea persistentă și mucus, bronșită și capacitatea pulmonară redusă [70].
Pulberi în suspensie este termenul general utilizat pentru un amestec eterogen de particule solide și picături de lichid ce se găsește în aer, inclusiv praf, mizerie, funingine, fum, și picături de lichid. Poluarea de particule este formată dintr-un număr de componente, inclusiv acizii (cum ar fi nitrații și sulfați), produse chimice organice, metale și particulele de sol sau de praf. Particulele pot fi suspendate în aer pentru perioade lungi de timp. Unele particule sunt mari sau întunecate suficient pentru a fi văzute ca funingine sau fum, altele sunt atât de mici încât, individual, acestea pot fi detectate numai cu un microscop electronic. Pulberile în suspensie pot fi:
poluant primar;
poluant secundar.
Poluantul primar reprezintă situația când particulele, cum ar fi praf sau negru de fum (funingine), sunt emise direct în aer. Acestea vin dintr-o varietate de surse, cum ar fi automobile, camioane, autobuze, fabrici, șantiere de construcții, drumuri neasfaltate, concasoare de piatră și arderea lemnului.
Poluantul secundar reprezintă situația când particulele sunt formate din aer, din schimbările chimice ale emisiilor de gaze primare. Ele se formează în mod indirect atunci când gazele din arderea combustibililor reacționează cu lumina soarelui și cu vaporii de apă. Acestea pot rezulta din arderea combustibililor în autovehicule, de la centrale electrice și în alte procese industriale.
Standardele fac referire directă la particulele a căror dimensiune este foarte mică, de ordinul micronilor, deoarece acestea sunt, în general, particulele care trec prin gât și nas și intră în plămâni. Odată inhalate, aceste particule pot afecta inima și plămânii și provoacă efecte negative asupra stării de sănătate.
Particulele în suspensie sunt grupate în două categorii [8]:
particule grosiere inhalabile – cele care se găsesc lângă drumurile prăfuite și industrii: sunt mai mari de 2,5 microni și mai mici de 10 micrometrii in diametru (PM10).
particulele fine – cele găsite în fum și ceață: sunt de cel mult 2,5 micrometrii în diametru. Aceste particule pot fi emise direct de la surse cum ar fi incendiile forestiere, sau se pot forma atunci când gazele emise de la centralele electrice, industrii și automobile reacționează în aer (PM2,5).
Formarea și efectele ozonului
Ozonul (O3) este o formă triatomică a oxigenului molecular. Acesta nu este, de obicei, emis direct în aer, dar la nivelul solului este creat de o reacție chimică între oxizi de azot (NOx) și compuși organici volatili (COV), în prezența luminii solare. Ozonul are aceeași structură chimică, indiferent dacă acesta se produce la distanță de mile deasupra pământului sau la nivelul solului și poate fi „bun” sau „rău”, în funcție de localizarea sa în atmosferă.
În atmosfera Pământului la nivele joase, ozonul este considerat „rău”. Gazele de evacuare ale autovehiculelor și emisiile industriale, vaporii de benzină și de solvenți chimici, precum și din surse naturale care emit NOx și COV favorizează formarea ozonului. Ozonul de la nivelul solului este constituentul principal al smogului. Lumina soarelui și vremea caldă determină formarea acestuia în concentrații periculoase, lucru care îi conferă numele de poluant de vară.
La aceste altitudini joase, ozonul și ceilalți oxidanți produc o serie de efecte cum ar fi iritații ale mucoaselor și ale ochilor, insuficiențe respiratorii, tuse, dureri de cap etc.
Ozonul „bun” apare în mod natural în stratosferă la aproximativ 10 – deasupra suprafeței pământului și formează un strat care protejează viața pe pământ de razele dăunătoare ale soarelui.
Efectele nocive ale compușilor cu sulf
Petrolul nerafinat (țițeiul) conține o fracțiune de compuși cu sulf. Aceștia sunt concentrați în fracțiunile grele și astfel se regăsesc în cantități mai mari în motorină decât în benzină. Cantitatea de sulf din motorină depinde de țițeiul din care este extrasă motorina și de măsura în care aceasta este tratată pentru reducerea sulfului. Când combustibilul este ars, majoritatea sulfului se transformă în dioxid de sulf, iar o cantitate mică (2 %) este oxidată până la trioxid de sulf, care se combină cu apa și cu alți compuși ai gazelor de evacuare, formând acidul sulfuric și sulfați. Astfel contribuie la creșterea emisiei totale de particule, dar și la coroziunea acidă a părților finale ale instalațiilor [82].
Dioxidul de sulf este o substanță toxică, remarcată prin mirosul și acțiunea iritantă asupra mucoaselor, provocând spasm și contracția mușchilor căilor respiratorii superioare. În concentrații ridicate provoacă iritație și senzație de arsură asupra mucoaselor respiratorii și conjuctivale, tuse, tulburări ale respirației, spasm glotic, senzație de sufocare.
Oxizii de sulf (SOx) sunt gaze incolore formate din sulf de ardere. Emisiile de SOx se formează atunci când carburantul care conține sulf, cum ar fi cărbunele și petrolul, este ars și atunci când benzina este extrasă din petrol sau metalele sunt extrase din minereu. Dioxidul de sulf (SO2) este poluant fiind un indicator al concentrațiilor de oxid de sulf în aerul înconjurător.
SO2 se dizolvă în vapori de apă pentru a forma acid și interacționează cu alte gaze și particule în aer pentru a forma sulfați și alte produse care pot fi dăunătoare pentru oameni și mediul lor.
Peste 67% din SO2 eliberat în aer (figura 9.4), sau mai mult de 13 milioane de tone pe an, vine de la distribuția energiei electrice, în special de la unitățile care ard cărbune [78].
Figura 9.4. Distribuția emisiilor de SO2 de la diferite surse [78]
De asemenea, locomotivele, navele mari și unele echipamente diesel non-rutiere ard în prezent combustibil cu conținut ridicat de sulf, iar cantitățile emisiilor de SO2 în aer sunt mari. SO2 este legat cu o serie de efecte adverse asupra sistemului respirator.
Efectele nocive ale smogului fotochimic
Dintre toate substanțele poluante secundare care rezultă prin interacțiunea substanțelor primare sau dintre acestea și aer, în anumite condiții de umiditate, temperatură și radiație solară, cele mai active sunt HC (hidrocarburile). Ele contribuie la formarea smogului fotochimic. Smogul fotochimic, specific unor zone cu circulație verticală redusă a aerului și insolație puternică (Tokio, California), se produce în urma unui lanț de reacții la care participă peste 200 compuși. Mecanismul acestor reacții nu se cunoaște. Reproducerea în laborator nu a fost încă posibilă. Smogul (uscat) se instalează brusc, reducând vizibilitatea la zero și este dăunător, mai ales pentru persoanele cu suferințe cardio-respiratorii.
Oxizii de sulf contribuie major la formarea smogului (umed). În mediul încărcat cu vapori de apă, oxizii de sulf și oxizii de carbon generează o atmosferă sufocantă, reducând vizibilitatea până la zero. Prima situație catastrofală s-a înregistrat la Londra în 1954, când au decedat 3500 de persoane. Pericolul de producere a smogului umed este frecvent activat și în condițiile din bazinul Ruhr din Germania, zonă industrială cu o densitate foarte mare de populație [53].
Efectele nocive ale plumbului
Plumbul (Pb) este un metal ce se găsește în mod natural în mediu, precum și în produsele fabricate. Datorită proprietăților fizice unice care îi permit să fie ușor de format și turnat, plumbul a fost folosit în multe aplicații.
Surse majore de emisii de plumb au provenit din industria autovehiculelor (cum ar fi autoturisme și camioane) și sursele industriale (figura 9.5 a și b) datorită emisiilor provenite din arderea combustibililor cu Pb și din industria de prelucrare a metalelor. Cele mai ridicate niveluri de plumb în aer sunt în general găsite lângă topitoriile de Pb [78].
Figura 9.5. Distribuția emisiilor de Pb de la diferite surse de emisie [78]
Efectele nocive ale diferiților poluanți în aer, la diferite concentrații sunt prezentate în tabelul 9.2.
Tabelul 9.2. Efectele unor poluanți asupra omului [45]
Capitolul 10. Probleme generate de traficul urban și de calea ferată. Aplicații specific României și zonelor urbane cu precădere
Generalități
În prezent, companiile feroviare europene dezvoltă intermodalitatea și interoperabilitatea, două aspecte cheie ale programului de Transporturi al Comisiei Europene.
În toată Europa sistemul feroviar se dezvoltă numai pe baza unor programe atent documentate și discutate, care au la bază previziuni ale evoluției generale a transporturilor pe o perioadă de 10-15 ani.
Preocupările Comunității Europene pentru dezvoltarea transportului intermodal s-au materializat recent într-un program intitulat Marco Polo. 10 organizații feroviare internaționale – Comunitatea Căilor Ferate Europene (CER), European Barge Union (EBU), European Federation of Inland Ports (EFIP), Asociația Europeană de Transport Intermodal (EIA), Asociația Managerilor de Infrastructură Feroviară (EIM), Asociația Europeană de Transport de Marfă (ERFA), Inland Navigation Europe (INE), Centrul de Promovare a Navigației de Scurt Parcurs Flandra (SSS), Uniunea Internațională a Proprietarilor de Vagoane (UIP) și Uniunea Internațională a Companiilor de Transport Intermodal Șosea-Cale Ferată (UIRR) – au prezentat o inițiativă comună de susținere a acestui proiect.
Este cunoscut faptul că în prezent pe continentul european sectorul rutier deține rolul principal pe piața transporturilor, fiind preconizată o continuă evoluție ascendentă. Ori, creșterea aglomerării căilor rutiere de circulație reprezintă un real pericol, atât prin gradul înalt de poluare, cât și prin efectele sociale pe care le produce. În plus, cu ocazia Protocolului de la Kyoto a fost adusă în discuție și teama că Europa nu va reuși să transfere transportul de mărfuri către acele moduri de transport care protejează mediul – cel feroviar, cel fluvial sau cel maritim.
Programul Marco Polo a fost creat tocmai pentru a înlesni acest transfer, având menirea să asigure un cadru propice pentru dezvoltarea transportului intermodal ale cărui efecte urmează să fie identificate și analizate din punct de vedere științific. De aceea, Marco Polo nu se limitează la acordarea unor ajutoare financiare doar pentru îmbunătățirea și înțelegerea rolului transportului intermodal ci și pentru crearea unor structuri durabile de transport, într-un mediu acceptabil din punct de vedere social și al protejării mediului ambiant.
De asemenea, a fost semnat într-un cadru oficial în prezența reprezentanților Comisiei Europene, memorandumul de înțelegere pentru crearea celui de-al VIII-lea coridor paneuropean de transport intermodal. Documentul a fost semnat de miniștrii de resort din Albania, Bulgaria, Macedonia, Grecia, Italia și Turcia, țări pe teritoriul cărora trece acest coridor.
Conform prevederilor Conferinței de la Helsinky din 1997, traseul coridorului VIII este următorul: Durres – Tirana – Skopje – Sofia – Varna, de unde se ramifică alte legături. Urmând această rută, coridorul face legătura între Italia și Turcia, iar prin dezvoltarea sa va contribui la stabilizarea situației din Balcani, la strângerea relațiilor dintre Uniunea Europeană și țările din zonă, precum și la înlesnirea procesului de aderare la UE a țărilor din sud-estul Europei.
O dată semnat acest memorandum, fiecare țară urmează să facă eforturi susținute pentru realizarea coridorului care va fi extrem de important și din punctul de vedere al protecției mediului. De asemenea, memorandumul prevede ca statele interesate să colaboreze intens pentru armonizarea lucrărilor ce urmează a se desfășura pentru punerea în operă a acestei importante artere feroviare.
Prin semnarea documentului menționat mai sus a fost “lansat la apă” și ultimul dintre cele 10 coridoare pan-europene de transport feroviar configurate la Helsinky.
Strategia CNCF “CFR” SA cuprinde multe proiecte referitoare la dezvoltarea și modernizarea infrastructurii feroviare din Romania în concordanță cu standardele europene, în scopul asigurării compatibilității și a interoperabilității acesteia cu sistemul de transport feroviar european.
La momentul actual există o preocupare crescândă în ceea ce privește poluarea mediului ambiant prin emisiile poluante generate de activitățile de transport. În Europa, transportul pe șosea generează aproximativ 25% din emisiile de CO2. Calea ferată contribuie la acestea cu 0,6% pentru emisiile nocive ale motoarelor diesel și mai puțin de 2% prin producerea electricității necesare locomotivelor electrice de tracțiune aflate în exploatare. Experții de la Grupul Interguvernamental privind schimbările climatice consideră că creșterea concentrației de CO2 în atmosferă va duce la amplificarea efectului de seră, ceea ce la rândul său va duce inevitabil la încălzirea globală a planetei. România s-a angajat să-și reducă emisiile de gaze cu efect de seră cu 8% față de nivelul anului 1989 în timpul primei perioade de angajament a Protocolului de la Kyoto, cuprinsă între anii 2008-2012.
Preocupările oamenilor de știință legate de poluarea mediului înconjurător se concentrează în continuare doar asupra emisiilor de poluanți atmosferici și respectiv zgomot.
Conform celor mai recente date, transportul bunurilor și a persoanelor pe calea ferată este considerat ca fiind unul dintre mijloacele de transport cele mai ecologice. Cu toate acestea și în domeniul transportului feroviar se fac cercetări pentru reducerea poluării.
Ca principală sursă de emisie sunt considerate a fi gazele de eșapament provenite de la motoarele diesel ale locomotivelor aflate în exploatare, în principal oxizi de azot (NOx), particule în suspensie (PM10, PM2.5) și gaze cu efect de seră care sunt și cele mai critice, afectând în mod deosebit starea de sănătate a populației. Dacă în Europa anului 2003, limita maximă a emisiilor de particule provenite de la locomotivele operatorilor de transport pe calea ferată era stabilită ca fiind 0,25g/kWh, în anul 2012, când Faza III B va ajunge la final, limita maximă a emisiilor de particule nocive în mediul înconjurător va fi stabilită la o valoare de 10 ori mai mică decât cea stabilită inițial și anume 0,025 g/kWh (Tabelul 1).
Tabel 1. Extras din Directiva UE 2004/26/EC [79]
Pentru aceasta, locomotivele diesel vor fi obligatoriu dotate cu două module: unul de putere POM (power output module) și unul de control avansat al motorului diesel ADEC (advance diesel engine control), acestea având rolul de a controla procesul de injecție al combustibilului pentru obținerea unor emisii scăzute și a unui consum specific redus de combustibil.
În anul 2007, cercetătorii elvețieni Michael Burkhardta, Luca Rossia și Markus Bollera au studiat pentru prima dată pulberile în suspensie emise de transportul feroviar în mediul înconjurător. La noi în țară nu s-au făcut cercetări în acest sens. Pentru cercetarea amănunțită, atât teoretică cât și experimentală, a emisiei de particule generate de transportul feroviar, mai ales la frânarea în curbe sau în aliniament a materialului rulant, trebuie să se urmărească următoarele obiective:
simularea numerică a procesului de emisie de particule în suspensie (PM10, PM2.5,) în mediul ambiant cu ajutorul programelor CFD (de ex: FLUENT);
studiul teoretic al procesului de emisie de particule în suspensie în mediul ambiant;
studiul experimental al determinării concentrației particulelor nocive în suspensie (PM10, PM2.5) emise de trenurile aflate în circulație;
comparare de rezultate: Numeric-Teoretic-Experimental.
reducerea concentrației particulelor nocive în suspensie (PM10, PM2.5) prin adoptarea pe scară largă a unor sisteme de frânare modernă (magnetică, electrică sau electro-magnetică) la vehiculele feroviare.
Prin lipsa de date esențiale privind emisiile de particule nocive în atmosferă, devine clar că o evaluare a impactului asupra mediului nu poate fi în prezent pe deplin stabilită. Pentru un studiu teoretic se poate determina o relație matematică între concentrația de particule în suspensie, factorii atmosferici și caracteristicile liniei de cale ferată, apoi cu această relație se poate simula acest proces pentru mai multe situații, implicit pentru mai multe tipuri de trenuri. La scrierea relației matematice trebuie să se țină seama de faptul că va exista o corespondență clară în ceea ce privește concentrația de particule în suspensie și caracteristicile liniei de cale ferată datorate în primul rând fenomenului de frecare care apare între roată-șină, bandaj roată-sabot frână, disc de frână roată monobloc-garnitura de frecare și nu în ultimul rând pantograf-linia de contact.
Scopul si necesitatea studiului privind traficul feroviar
Intensificarea activităților antropogene ca urmare a creșterii demografice, mai ales în a doua jumătate a secolului al XX-lea, a antrenat după sine o creștere a capacităților de producție a întreprinderilor de diferite profiluri. Funcționarea acestora, bazată pe volume mai mari de materie primă folosită, a solicitat de la sectorul ”Transporturi” viteze mai mari de deplasare, capacități mai mari de transportare și creșterea numărului mijloacelor de transport, care circulă zilnic pe rutele naționale și internaționale. Această activitate intensă s-a putut realiza datorită unei gestiuni bine puse la punct a fluxurilor de materii și produse. Beneficiul populației a fost evident, însă acesta a atras după sine și unele repercursiuni mai puțin plăcute. Una dintre acestea este poluarea mediului, care în ultimul timp afectează foarte serios populația, astfel încât transporturile au devenind cel mai puternic poluant al mediului [58].
Transporturile influențează mediul în mai multe moduri. Caracteristicile tehnice de exploatare, particularitățile economice și combustibilul consumat au o influență diferită asupra diferitor componente ale mediului. Poluarea atmosferei, a solurilor și a bazinelor acvatice se manifestă în câteva etape, începând de la construcția și exploatarea căilor de comunicații cu eliminarea deșeurilor rezultate și ocuparea diferitelor teritorii pentru crearea infrastructurii și comunicațiilor, urmată de eliminarea în atmosferă și hidrosferă a deșeurilor toxice în timpul transportărilor și, nu în ultimul rând, creșterea nivelului zgomotului (poluarea fonică), mai ales în marile orașe și zone industriale sunt evidente [18].
Apărut odată cu revoluția industrială, datorită creșterii volumului de mărfuri și a intensificării traficului de persoane, transportul feroviar deține la ora actuală cea mai mare pondere în cadrul sistemului unitar al transporturilor, ceea ce face ca, pe plan mondial, să se pună un deosebit accent pe protecția împotriva poluării chimice [16, 17] și fonice [68].
Din punct de vedere tehnic, reducerea emisiilor din gazele de ardere a combustibililor fosili se realizează prin :
(1) reducerea consumului de combustibil,
(2) prin inhibarea mecanismului de producere a poluanților (metode primare) sau
(3) prin metode de epurare a gazelor evacuate (metode secundare), respectiv combinații ale acestor procese.
Este cunoscut faptul că se pot aplica numeroase tehnologii care pot reduce într-o măsură considerabilă aceste emisii. Dintre acestea, doar foarte puține sunt folosite, cu toate că limitele naționale și internaționale impuse de legislația mediului sunt stricte.
Se cunoaște faptul că în prezent, la nivel global, se manifestă o grijă accentuată în ceea ce privește emisiile poluante cu efect de seră care acționează în mod negativ asupra sănătății umane și a mediului înconjurător. Una din cauzele principale ale acestor gaze cu efect de seră este încălzirea globală, fenomen ce determină o creștere continuă a temperaturilor medii înregistrate ale atmosferei în imediata apropiere a solului, precum și a apei oceanelor. În figura 1 este prezentată anomalia variației temperaturii datorată încălzirii globale și o previziune asupra acesteia până în 2100, făcută de diferite instituții de cercetare după diferite modele climatice. Din cele două grafice se poate observa faptul că începând cu anul 1980 temperatura se află pe o pantă continuu ascedentă față de punctul de referință. Dacă se menține acest ritm până în 2100, conform studiilor, în cel mai bun caz aceasta va urca până la +2,2°C, iar în cel mai rău caz aceasta va ajunge până la +4,8°C [23].
Figura 1. Anomalia temperaturii datorate încălzirii globale [67]
Acest lucru va avea consecințe negative în mai multe domenii:
transporturi – căile ferate, drumurile, pistele de aterizare, conductele pot fi afectate de variațiile de temperatură mai mari, pot avea o durată de serviciu mai mică și pot necesita întreținere sporită;
economie – topirea ghețurilor arctice ar putea face exploatabile resurse naturale ca pescuitul sau zăcămintele de gaze naturale și petrol, blocate momentan, dar care ar duce la apariția unor divergențe între anumite state/țări cum ar fi: Rusia, Statele Unite, Canada, Norvegia și Danemarca [7];
agricultură – benefică în anumite zone datorită creșterii conținutului de CO2 asimilat prin fotosinteză, dar cu efecte dezastroase prin deplasarea zonelor de pescuit spre nord, lăsând fără hrana de baza zonele centrale dar și extinderea zonelor deșertice;
sănătate – creșterea temperaturii crește riscul afecțiunilor cardiovasculare și mărește concentrațiile de ozon troposferic, ozonul fiind un poluant ce poate produce astm bronșic [55];
De asemenea, tot pe seama încălzirii globale sunt puse și fenomenele meteorologice cum ar fi uraganele și furtunile tropicale care s-au dublat în ultimii 100 de ani, sau ninsori în anumite regiuni în care acest lucru nu s-a înregistrat niciodată.
În categoria gazelor cu efect de seră se includ alături de CO2 și alte gaze (triatomice) precum NO2, H2O, dar și metanul și gaze pe bază de Fl și Cl.
Scopul principal al acestei lucrări este studiul tuturor surselor de poluanți din transportul feroviar și anume :
motorul diesel de pe locomotivele aflate în exploatare ;
aparatul de rulare
ansamblul linie de contact – pantograf
La motoarele diesel se necesită determinarea nivelului emisiilor de NOx produse de
– (i) locomotivele diesel hidraulice,
– (ii) locomotivele diesel electrice, (locomotivă rezultată din modernizarea locomotivei diesel hidraulice de 919 kW).
Determinarea emisiilor de NOx este necesară pentru stabilirea gradului de poluare în vederea îmbunățățirii caracteristicilor funcționale ale locomotivelor (randamentul acestor motoare să crească) și reducerii consumului de combustibil, a costurilor de întreținere/mentenanță și nu în ultimul rând, a nivelul emisiilor de NOx.
Datorită costurilor foarte mari de proiectare/asimilare/producție, evidențierea factorilor poluanți va permite reproiectarea (sau dotarea cu anumite componente/subansamble) motorului diesel și/sau sistemului de evacuare, astfel încât, în exploatarea feroviară, locomotivele amintite să poată fi utilizate în conformitate cu normele europene de poluare.
La aparatul de rulare se necesită determinarea compoziției chimice a materialului din care sunt confecționate discurile de frână și saboții de frână, precum și influența căii de rulare asupra uzurii bandajelor și a roților monobloc. Determinarea compoziției chimice este necesară în vederea îmbunătățirii calității procesului de frânare.
La ansamblul linie de contact – pantograf se necesită determinarea uzurii benzii de frecare deoarece rolul principal al acestui ansamblu este cel al captării curentului electric. Rularea locomotivelor electrice ar trebui să se facă ideal cu forțe de contact slabe pentru a minimiza uzura și distrugerea elementelor de contact și fără pierderi electrice.
Contactul „pantograf – fir de contact” reprezintă o problemă importantă a exploatării vehiculelor de tracțiune electrică. Prin acest contact, o bandă de frecare pe un fir rotund, deci suprafață de contact extrem de redusă, se alimentează motoarele locomotivei care împreună au o putere ce depășește mii de kilowați. Calitatea contactului este o problemă studiată în literatura de specialitate întrucât priza de curent trebuie să fie neîntreruptă în condiții de exploatare diferite.
Pe măsură ce vitezele de deplasare cresc mersul devine din ce în ce mai neuniform, producându-se desprinderi care duc la apariția arcurilor electrice și care măresc rezistența de contact. În estimarea uzurii firului de contact și a benzii de frecare a pantografului trebuie luată în considerare și dependența rezistenței electrice de contact de forța de apăsare. O analiză termică a contactului “pantograf – fir de contact” poate ajuta la îmbunătățirea operațiilor de mentenanță legate de supraîncălzirea ansamblului. Deteriorarea benzii de frecare duce la agățarea firului de contact cu consecințe negative asupra traficului din sistemele de tracțiune electrică.
Un alt scop este al prezentei lucrări este de a determina experimental emisiile poluante în ariile specifice căii ferate.
Un obiectiv important care trebuie urmărit în cercetarea viitoare îl constituie diminuarea impactului negativ asupra mediului înconjurător al emisiei de NOx, prin adoptarea unor măsuri concrete de stabilizare la un nivel scăzut al emisiilor poluante și prin aplicarea celor mai noi soluții tehnice pe mijloacele de transport, caracterizate de randamente sporite și grad de poluare redus, în conformitate cu fluxul actual al cunoașterii.
Stadiul actual privind emisiile poluante datorate traficului feroviar
Recent, mai multă atenție a fost acordată influenței particulelor în suspensie din mediu asupra sănătății umane. Este recunoscut faptul că în prezent sectorul transporturilor reprezintă o sursă majoră de particule în suspensie din aer. Pe lângă emisiile atmosferice provenite de la motoare, suprafețele supuse unei frecări de contact prin glisare sunt, de asemenea, o sursă semnificativă de particule în suspensie, denumite generic în continuare particule non-evacuare. Prin urmare, o analiză a literaturii de specialitate a fost efectuată pentru a rezuma cunoștințele actuale în ceea ce privește concentrația și distribuția de particule nocive în suspensie din mediul înconjurător.
Emisiile de particule sunt un dezavantaj al transportului feroviar. Atât emisiile de noxe cât și de particule care nu au nici o legătură cu cele provenite din evacuarea gazelor de eșapament de la motorul diesel al vehiculului de tracțiune sunt luate în considerare atunci când se analizează caracteristicile particulelor (de exemplu, dimensiune, morfologie, compozitie, PM10 și PM2.5), efecte adverse asupra sănătății, legislația în vigoare respectiv soluții disponibile și propuneri pentru reducerea emisiilor de astfel de particule în suspensie.
Din studiul literaturii de specialitate a rezultat că doar câteva dintre acestea au examinat efectele adverse asupra sănătății ale emisiilor de particule non-evacuare și că nu există o legislație relevantă, fapt ce justifică continuarea cercetărilor în acest domeniu.
Prima linie comercială de transport feroviar a apărut în Marea Britanie între 1804 și 1812, transportul efectuându-se prin intermediul unor locomotive cu abur care rulau pe șine din fier turnat.
London Underground, cel mai vechi metrou din lume a fost dat în folosință în 1863, cu 10 ani înainte de a inventa Carl Benz primele motoare pe benzină în patru timpi pentru vehicule comerciale utilizate în transportul rutier.
În prezent, ambele moduri de transport (tren și metrou) sunt recunoscute ca fiind surse de emisie de particule în suspensie. Cu toate acestea, cercetarea în domeniu precum și legislația în vigoare pentru limitarea emisiilor de particule generate de transportul feroviar este semnificativ redusă, iar măsuri eficiente privind acest aspect încă nu au putut fi luate din cauza lipsei de cunoștințe relevante din acest domeniu.
Transportul feroviar implică diverse surse de emisie de particule, vehiculele feroviare fiind una dintre principalele surse de particule din aerul pe care îl respirăm în permanență.
Emisiile de noxe din gazele de evacuare precum și emisiile de particule non-evacuare sunt două categorii de emisii de particule de la vehiculele feroviare iar cercetările privind acestea au fost demarate doar în ultimii ani.
Scopul prezentării stadiului actual al cercetării este de a lămuri câteva aspecte ale problemelor evidențiate și anume:
legislația în vigoare și standardele impuse;
efecte adverse ale particulelor asupra sănătății populației ;
caracteristicile particulelor (de exemplu: dimensiunea, morfologia, concentrația masică și compoziția) ;
strategiile actuale de reducere a emisiilor acestor particule.
În lucrările selectate pentru revizuire sunt luate în considerare atât emisiile de noxe din gazele de evacuare precum și emisiile de particule non-evacuare.
Se poate remarca faptul că cele mai multe studii legate de emisiile de particule non-evacuare au examinat căile ferate care utilizează cu precădere ramele electrice sau locomotivele de tracțiune electrice respectiv rame de metrou, în timp ce cele mai multe studii ale emisiilor de noxe din gazele de evacuare au examinat acele sisteme de căi ferate care utilizează cu precădere locomotivele diesel, unitațile diesel multiple (DMU) sau alte vehicule diesel.
Pentru o revizuire integrală a literaturii de specialitate, Cooper (1989) a sugerat următoarele cinci etape și anume:
definirea problemei și a ipotezelor;
stabilirea strategiei de colectare a datelor și selectarea canalelor multiple;
evaluarea datelor preluate pentru stabilirea acelora care vor fi utilizate în revizuire;
analiza literaturii de specialitate revizuite;
raportarea rezultatelor.
Căutarea computerizată după cuvinte cheie a fost utilizată ca tehnică rapidă și eficientă pentru examinarea cu precădere a literaturii de specialitate. Pentru a compensa această acoperire limitată s-au trecut în revistă atât reviste tehnice cât și rapoarte, dizertații sau teze de doctorat.
Cuvintele cheie utilizate pentru căutare au fost: subteran, metrou, cale ferată, tren, locomotivă, peron, navetă, compartiment, particule, ventilație, PM10, PM2.5, frână, sabot de frână, plăcuțe de frână, disc de frână și pantograf.
De asemenea, a fost examinată o parte importantă atât din din legislația europeană cât și internațională legată de acest aspect. Atât SUA cât și UE au emis directive clare care stabilesc standarde pentru emisiile de gaze de la locomotivele și automotoarele diesel.
Aceste standarde se concentrează în mod special pe controlul masei de hidrocarburi emise, NOx, CO și PM [g] raportate pe unitatea de putere [kWh].
În SUA, agenția pentru protecția mediului EPA utilizează trei abordări distincte pentru controlul și reducerea emisiilor de noxe generate de traficul feroviar și anume:
înăsprirea standardelor de emisie pentru locomotivele existente;
specificarea pe termen scurt a emisiilor motoarelor de la locomotivele nou construite;
determinarea standardelor pe termen lung în aplicarea unui tratament eficient de tratare a gazelor de evacuare începând din anul 2015.
În UE, legislația care reglementează emisiile de gaze de evacuare de la locomotive a intrat în vigoare în 2004. În aprilie 2004 Directiva 97/68/CE a fost revizuită iar Directiva 2004/26/CE a fost introdusă.
Acest standard stabilește valorile limită pentru utilajele de cale ferată, inclusiv unități diesel multiple DMU și respectiv locomotive, ținând cont de puterea dezvoltată de către acestea.
În ceea ce privește efectele adverse asupra sănătății oamenilor, doar în ultimii ani aceste aspecte au fost luate în considerare în detaliu. Astfel, expunerea la emisiile de gaze de evacuare a fost considerată ca fiind unul din factorii cu efect cancerigen asupra oamenilor atât de către EPA, OMS respectiv IARC.
De asemenea, conform EPA, expunerea pe termen scurt la emisiile de gaze de evacuare de la motoarele diesel a fost asociată cu: iritații ale ochilor, gâtului și respectiv nasului, simptome respiratorii (tuse și flegmă) sau simptome neurofiziologice(dureri de cap, amețeală, greață, vărsături și amorțeală sau furnicături la nivelul extremităților).
Un alt studiu a raportat o incidență mai mare de boli pulmonare obstructive cronice, mortalitate în rândul mecanicilor de locomotivă și a conductorilor expuși la gazele de eșapament.
Un alt factor important atunci când se analizează emisiile de gaze de evacuare de la motoarele diesel este funinginea, care este recunoscută ca un element cancerigen de către IARC. Funinginea, de asemenea, afectează climatul atât local cât și global (IARC, 2010).
În prezent, nici o legislație nu reglementează emisiile de particule non-evacuare și în cele mai multe cercetări din acest domeniu s-au comparat nivelurile măsurate cu valorile limită pentru calitatea aerului în atmosferă sau a standardelor expunerii ocupaționale (Tabelul 10.1), standarde ce ajută la protejarea sănătății oamenilor în timpul expunerii la substanțe nocive naturale sau produse chiar de către aceștia.
Tabel 10.1. Standardul expunerii ocupaționale conform ACGIH
* Fracțiunea inhalabilă de particule din aerul înconjurător care pot penetra sistemul respirator prin gură sau nas a fost numită fracțiune inhalabilă.
** O parte din particulele inhalabile care ar putea ajunge profund în plămâni și alveole reprezintă fracțiunea respirabilă.
Emisiile de gaze de evacuare de la motoarele diesel sunt dependente de sarcina motorului, viteză și grad de tehnologizare, precum și de tipul și compoziția elementară a combustibililor și a lubrifianților utilizați. În emisiile de particule non-evacuare, factorii operaționali (de exemplu: sarcina pe osie, viteza trenului, etc.), specificațiile tehnice ale vehiculelor feroviare (de exemplu: tipul boghiului, sistemul de frânare, etc.) precum și specificațiile tehnice ale infrastructurii (de exemplu: tipul de cale ferată, structurile de zidărie, etc.) influențează caracteristicile particulelor în cauză.
Conform lui Kittelson, carbonul reprezintă componenta principală în gazele de evacuare de la motoarele diesel. Alte componente sunt: SO2, SO3, și H2O. Fe, Mg, Ca, Cu, Zn, Pt, Pd, și Rh sunt elemente comune detectabile în funinginea rezultată din emisiile de gaze de evacuare de la motoarele diesel (Figura 10.1).
Figura 10.1.Compoziția tipică a particulelor în suspensie emise de un motor diesel în exploatare
Aditivii lubrefianți pentru uleiuri reprezintă sursa principală de Mg, Ca, Cu și Zn (Lombaret, 2004). Compoziția de bază a particulelor non-evacuare emise de transportul feroviar a fost unul dintre aspectele inițiale luate în considerare de către cercetători.
În ultimii ani, câteva investigații mai detaliate au fost efectuate pentru a determina compoziția elementară a emisiilor de particule non-evacuare generate de traficul feroviar.
SURSE DE EMISII POLUANTE SPECIFICE TRAFICULUI FEROVIAR
Motorul diesel de pe locomotivele diesel hidraulice și diesel electrice aflate în exploatarea feroviară in România
Locomotive diesel hidraulice
Locomotiva diesel hidraulică LDH 125
Locomotiva diesel hidraulică de 1250 CP (figura 10.2), produs al tehnicii din România, este un mijloc de transport feroviar destinat prestării serviciului de manevră grea dar și remorcării trenurilor de marfă și călători pe liniile secundare.
Figura 10.2. Locomotiva LDH 125: 1- capota mare a locomotivei unde se află motorul diesel 6 LDA 28 B; 2 – capota mică a locomotivei unde se află agregatul de încălzire al trenului remorcat; 3 – cabina mecanicului și ajutorului de mecanic al locomotivei în care se găsesc două pupitre de comandă ale locomotivei; 4 – compresorul locomotivei; 5 – lonjeronul locomotivei care susține partea superioară a locomotivei și care face legătura cu aparatul de rulare; 6 – aparatele de ciocnire și legare ale locomotivei; 7 – rezervorul principal al locomotivei; 8 – aparatul de rulare al locomotivei.
Caracteristicile generale și constructive ale locomotivei diesel hidraulice de 1250 CP (DHC sau LDH 125) sunt prezentate în tabelul 10.2.
Tabelul 10.2.Caracteristicile locomotivei diesel hidraulice de 1250 CP
Principalele componente sunt:
motorul diesel (figura 10.3);
turbosuflanta VTR 250;
instalația de răcire a motorului diesel;
instalația de combustibil.
Figura 10.3. Motor diesel tip 6 LDA 28 B [24]
Energia mecanică produsă de motorul diesel este transformată în turbotransmisia hidraulică în energie cinetică, în partea primară, și din nou în energie mecanică, în partea secundară. Elementele utilizate sunt două convertizoare de cuplu de tip Föttinger, turbotransmisia hidraulică fiind considerată, în acest caz, ca o cutie de viteză cu o infinitate de trepte [24].
Transmiterea energiei (puterii) mecanice de la motorul diesel la periferia roții este realizată de agregatele care se găsesc montate în lanțul cinematic prezentat în figura 10.4.
Turbotransmisia hidraulică preia peste 80% din puterea nominală a motorului diesel, restul fiind prevăzut pentru serviciile auxiliare și pierderile de putere. Cuplul de ieșire din turbotransmisia hidraulică este preluat de reductorul inversor de mers, de unde este transmis mai departe, prin axele cardanice, la atacurile de osie, cu sensul și turația corespunzătoare. Reductorul inversor de mers cuprinde o transmisie mecanică cu două trepte (regimuri de mers) și cu inversarea sensului de mers [24].
Figura 10.4. Schema cinematică a transmisiei hidraulice pentru LDH 125: 1- motor diesel 6 LDA 28 B; 2 – x de legătură; 3 – turbo transmisia hidraulică tip TH 2, 4 – reductor inversor tip NG 1200/2; 5 – ax cardanic 367/6 1/2 ; 6 – atac dublu de osie A 35 SK; 7 – ax cardanic 367/7; 8 – atac simplu de osie A 35 [24]
Pornirea motorului diesel se face cu un dynastarter de 32 kW (cu un dinam de 24 kW), alimentat cu o tensiune de 96 V, luată de la un set de baterii de acumulatoare (8 baterii a 12 V și 320 Ah). Dintre locomotivele diesel hidraulice fabricate în țara noastră, LDH 1250 CP este singurul tip înzestrat cu un agregat pentru încălzirea trenului.
Locomotiva diesel hidraulică de 1360 CP
Locomotiva diesel hidraulică de 1360 CP (figura 10.5) este un mijloc de transport feroviar, produs al tehnicii din România în colaborare cu firme specializate în domeniul motorizării vehiculelor feroviare, în acest caz fiind vorba despre renumita firmă Caterpillar.
Transmiterea energiei (puterii) mecanice de la motorul diesel la obada roții este realizată de agregatele care se găsesc montate în lanțul cinematic (figura 10.6). Energia mecanică produsă de motorul diesel este transformată în turbotransmisia hidraulică în energie cinetică, în partea primară, și din nou în energie mecanică în partea secundară. Cuplul de ieșire din turbotransmisia hidraulică este preluat de reductorul inversor care îl transmite apoi mai departe, prin axele cardanice, la atacurile de osie, având sensul și turațiile corespunzătoare. Locomotiva diesel hidraulică de 1000 kW este destinată prestării serviciului de manevră grea și pentru remorcarea trenurilor de călători.
Figura 10.5. Locomotiva LDH de 1360 CP: 1- capota mare a locomotivei unde se află motorul diesel Caterpillar 3508 B; 2 – capota mică a locomotivei unde se află grupul electrogen de încălzire al trenului remorcat; 3 – cabina mecanicului și ajutorului de mecanic al locomotivei în care se găsesc două pupitre de comandă ale locomotivei; 4 – lonjeronul locomotivei care susține partea superioară a locomotivei și care face legătura cu aparatul de rulare; 5 – aparatele de ciocnire și legare a locomotivei; 6 – rezervorul principal al locomotivei; 7 – aparatul de rulare al locomotivei.
Figura 10.6 Schema cinematică a transmisiei hidraulice pentru LDH 1360 CP: 1- motor diesel Caterpillar 3508 B; 2 – ax de legătură; 3 – turbo transmisia hidraulică tip TH, 4 – reductor inversor tip NG 1200/2; 5 – ax cardanic 367/6 1/2 ; 6 – atac dublu de osie F 35 SP; 7 – ax cardanic 367/7; 8 – atac simplu de osie F 35 P
Reductorul inversor cuprinde o transmisie mecanică cu două trepte (regimuri de mers) și cu inversarea sensului de mers.
Caracteristicile generale și constructive ale locomotivei diesel hidraulice 1360 CP sunt prezentate în tabelul 10.3.
Tabelul 10.3. Caracteristicile locomotivei diesel hidraulice de 1360 CP [51]
Locomotiva diesel electrică
Locomotova LDE de 2100 CP a fost fabricată în România de SC ELECTROPUTERE SA Craiova, în cooperare cu UCM Reșița pentru motorul diesel și SC CAROMET SA Caransebeș pentru partea de rulare, sub licența SLM-SULZER-BROWN BOVERI (figura 10.7).
Figura 10.7 Locomotiva LDE de 2100 CP [83]
Caracteristicile generale și constructive ale locomotivei diesel electrice de 2100 CP sunt prezentate în tabelul 10.4.
Tabelul 10.4. Caracteristicile locomotivei diesel electrice de 2100 CP [83]
Puterea de tracțiune a locomotivei este dată de un motor diesel în patru timpi, tip 12 LDA 28, licența SULZER, supraalimentat de o turbosuflantă tip TS 4. Motorul este cuplat la un generator electric principal cu rol de transmitere a puterii la osiile motoare dai și pentru pornirea motorului diesel și la un generator auxiliar cu rolul de alimentare a serviciilor auxiliare.
Aparatul de rulare. Procesul de franare
Pentru a reduce energia cinetică a unui vehicul feroviar sau pentru a o anula avem nevoie să introducem în sistem un element care să poată consuma această energie în condiții de siguranță a circulației și fără a afecta negativ mediul înconjurător. Acest element numit sistem de frânare al vehiculului feroviar micșorează sau anulează viteza de deplasare prin frecarea sabotului (din fontă sau din material compozit) aplicat pe roată sau garnitura de frecare aplicată pe discul de frână.
Frâna cu saboți [18] este cea mai folosită la materialul rulant. Roata este solicitată pe de o parte de forțele necesare conducerii vehiculului și pe de altă parte de forțele de frânare. Pentru cea de a doua categorie de solicitare a fost necesară stabilirea limitelor de temperatură și uzură.
La frânele automate cu saboți forța care se manifestă la tija pistonului cilindrului de frână este amplificată de elementele timoneriei de frână și transmisă saboților de frână care apasă pe suprafața de rulare a roților.
Sabotul de frână este organul principal de care depinde în mare măsură efectul frânării. La căile ferate membre ale Uniunii Internaționale de Căi Ferate (UIC) saboții de frână sunt unificați din punct de vedere dimensional și al materialului (figura 10.8) Sabotul de frână este supus uzurii și se schimbă când grosimea acestuia este la limită.
Figura 10.8. Sabot de frână [18]
Calitatea frânării, caracterizată prin lungimea drumului de frânare, depinde printre altele și de forma, dimensiunile și calitatea materialului din care este fabricat sabotul. Influența acestor factori este cuprinsă într-o oarecare măsură în valoarea coeficientului de frecare dintre sabot și roată.
Pe baze experimentale s-a stabilit că lungimile optime ale saboților sunt 320 mm în cazul montării în portsaboți simpli și de 250 mm în cazul montării în portsaboți dubli. Lățimea saboților în toate cazurile este de 80 mm (figura 10.9).
Figura 10.9. Sabot de frână
În figura 10.10 este prezentată schema unui echipament de frână cu saboți de frână.
Figura 10.10. Schema unui echipament de frână cu saboți de frână [18]
În figura 10.11 este prezentată schema unui echipament de frână cu disc pe care s-au făcut următoarele notații:
1 – discul de frână;
2 – garnitura de frecare;
3 – cilindru de frână;
4 – timoneria de frână;
5 – osia vehiculului;
6 – traversa de capăt a ramei boghiului;
7 – suport al atârnătorilor de timonerie.
Figura 10.11. Schema echipamentului de frână cu disc [16]
În figura 10.12 este prezentată garnitura de frânare utilizată la vagoanele de călători nou construite.
Figura 10.12. Garnitură de frecare
La frâna cu disc forța activă necesară frânării dezvoltată de cilindrul de frână cu regulator automat de timonerie incorporat transmite forța de la piston la timoneria de frână, menținând constantă cursa pistonului, compensând automat uzura articulațiilor, a discului de frână și a garniturii de frecare și transmisă garniturilor de frână care apasă pe discul de frână.
Garnitura de frecare are o formă specială (figura 10.13) suprafața de frecare este plană iar prinderea de port-garnitură se realizează de obicei prin împănare în coadă de rândunică.
Figura 10.13. Garnitura de frecare [37]
De regulă, în exploatare se utilizează garnituri de frână din material plastic al căror coeficient de frecare are în medie valoarea de 0,35 care este mult mai mare decât valoarea obținută în cazul utilizării materialului compozit al sabotului de frână.
În consecință pentru cazul momentelor de frânare egale pentru frâna cu disc forța de apăsare a garniturii de frână pe discul de frână vor fi mai mici deci vom avea o timonerie de frână mai simplă care evident va fi mai ușoară.
Garniturile de frecare ale frânei cu disc, având funcții similare saboților, se realizează în general din materiale plastice fără azbest sau din materiale sinterizate.
Garniturile de frecare din materiale sinterizate sunt mai puțin sensibile la umezeală, dar solicită termic mai mult discul de frână și au un preț mai ridicat.
Suprafața activă a garniturilor de frecare a fost unificată la valorile:
300 cm2 pentru tramvaie și metrouri;
350 și 400 cm2 pentru vagoane;
500 cm2 pentru locomotive.
De obicei, cilindrii de frână sunt amplasați câte doi pe fiecare boghiu.
În figura 10.14 se prezintă pentru comparație variația coeficientului de frecare cu viteza pentru frâna cu saboți și frâna cu disc.
Figura 10.14. Variația coeficientului de frecare cu viteza [37]
Se observă variația mai mare cu viteza (o scădere) a coeficientului de frecare în cazul frânei cu saboți în timp ce la frâna cu disc, la aceeași presiune specifică (6 daN/cm2) coeficientul de frecare este constant cu viteza.
Procesul de frânare.
În figura 10.15 este prezentat schematic procesul de formare al forței de frânare la acțiunea frânei cu sabot și a celei cu disc în care PS și Pd reprezintă forța de apăsare pe sabot respectiv pe discul de frână, Q fiind sarcina pe roată, forța de apăsare normală pe șina notată Fa în punctul de contact (aderență), µs și µd reprezentând coeficienții de frecare pentru cazul saboților de frână pe roată și respectiv a garniturii de frecare pe discul de frână iar cu „r” s-a notat raza discului de frână și R raza roții.
Figura 10.15. Procesul de formare al forței de frânare la acțiunea frânei cu sabot și a celei cu disc [38]
(3.1)
(3.2)
Nu se poate afirma sigur că valoarea coeficientului de aderență luat în considerare la proiectarea sistemelor de frânare ale vehiculelor feroviare elimină complet fenomenul de alunecare al roții pe șine (al blocării roților la frânare).
Pentru a îmbunătăți valoarea coeficientului de aderență diverse administrații de cale ferată utilizează în principal dispozitive contra blocării roții.
Sisteme de frânare utilizate în circulația trenurilor
În circulația trenurilor sunt admise următoarele sisteme de frânare:
frânarea automată, când procentul de masă frânată se realizează cu frâna cu aer comprimat;
frânarea mixtă, când pe lângă frânarea automată se folosesc și frâne de mână, trenul având conductă generală de aer pe toată lungimea sa, în această situație vagoanele fiind însoțite de agenți;
frânarea combinată, când pe lângă frâna automată se folosește suplimentar și frâna electrică a vehiculelor feroviare motoare;
frânarea electromagnetică a vehiculelor feroviare motoare;
frânarea hidrodinamică a vehiculelor feroviare motoare.
Frânarea automată este obligatorie la toate trenurile.
Frânarea mixtă se admite numai când nu se realizează procentul de masă frânată cu frâne automate, la trenurile la care frâna automată s-a defectat parțial în parcurs.
Frânarea combinată se folosește la trenurile remorcate cu vehicule feroviare motoare prevăzute cu frână electrică.
Frânarea electromagnetică se folosește suplimentar în situații de urgență, în care se impune reducerea drumului de frânare.
Frânarea hidrodinamică se folosește numai pentru reducerea vitezei trenului, independent sau concomitent cu alte tipuri de frâne.
În compunerea trenurilor de călători sunt admise numai vagoane cu frână cu acțiune rapidă și vagoane cu frână echipate cu schimbător de regim „marfă – persoane” (G-P), „marfă – persoane – rapid” (G-P-R), „persoane – rapid” (P-R), „marfă – persoane – rapid – magnetică” (G-P-R-Mg) sau „persoane – rapid – magnetică” (P-R-Mg), iar mânerul schimbătorului de regim trebuie să fie așezat în poziție corespunzătoare trenului remorcat.
Când în compunerea trenului de călători intră și vagoane cu frână cu acțiune înceată, fără schimbător de regim „G-P”, frânele automate ale acestora se izolează, aceste vehicule rămânând numai cu conductă generală de trecere.
La manevră sunt utilizate următoarele sisteme de frânare:
frânarea manuală, folosindu-se frâne de mână;
frânarea mixtă, folosindu-se frâne de mână și frâne automate, când nu se asigură procentul de masă frânată cu frânele active de mână;
frânarea automată, la manevrarea trenurilor sau a grupelor de vagoane la care s-a făcut proba frânei sau numai verificarea funcționării frânelor automate la vagoanele care trebuie să asigure procentul de masă frânată necesar;
frânarea cu frâna de cale;
frânarea cu saboți de mână.
Se verifică funcționarea frânelor automate în acțiune, printr-o frânare de serviciu urmată de verificarea strângerii și slăbirii acestor frâne de către conducătorul manevrei sau un agent autorizat din partida de manevră; frânele de mână active trebuie să asigure frânarea vagoanelor care nu se vor frâna automat.
Probele de frână ce se execută la trenuri sunt:
– proba completă;
– proba parțială;
– proba de continuitate.
Probele de frână la trenuri se execută:
în stațiile cu revizori tehnici de vagoane, de către aceștia;
în stațiile unde nu sunt revizori tehnici de vagoane, de către agenți autorizați pentru efectuarea probelor de frână, aparținând OTF.
Probele frânelor la automotoarele care circulă fără călători, cu sau fără remorci, se execută de către mecanicii respectivi, exceptând cazul când circulă în regim simplificat, iar la trenurile formate din convoaie de locomotive în stare de serviciu, de către mecanicul celei de a doua locomotive.
La trenurile compuse din convoaie de locomotive care nu sunt în acțiune, probele frânelor se execută de cel de al doilea agent autorizat de pe locomotiva care remorcă trenul.
În timpul executării probelor de frână se interzice mecanicului de locomotivă să părăsească postul de conducere și să aibă alte preocupări în afara celor legate de urmărirea pe aparatele de bord ale locomotivei a operațiilor legate de proba frânei.
Probele de frână la automotoare și remorci de automotor din seria 790 și DESIRO, se execută conform reglementărilor specifice în vigoare.
Solicitarea termică a bandajelor la frânarea cu saboți în cazul frânării vehiculelor feroviare
Creșterea continuă a vitezei de circulație pe calea ferată a impus în mod obligatoriu abordarea specială a problemelor de siguranță a ghidării respectiv a siguranței feroviare în general.
Una din problemele care apar în exploatarea vehiculelor feroviare dotate cu roți cu bandaje și frână pe saboți o constituie apariția rotirii bandajelor pe disc și a discurilor pe osie fără să existe deplasări axiale sau șpan și fără sunete dubioase la ciocănire [1].
Pentru determinarea cauzelor care duc la apariția acestor rotiri s-a analizat aspectul încălzirii discului și al bandajului și prin calculul termic al bandajelor în cazul frânărilor de oprire.
Instalația de frânare deține rolul cel mai important în asigurarea circulației vehiculelor feroviare pe cale în condiții de siguranță a circulației. Ea este necesară pentru:
oprirea trenului (vehiculului feroviar) în limitele stabilite ale spațiului de frânare;
reducerea parțială a vitezei;
menținerea vitezei trenului la coborârea pantelor;
imobilizarea trenului (vehiculului feroviar) după oprirea lui.
În primele două cazuri, în procesul de frânare se disipează energia cinetică a trenului înmagazinată la accelerarea lui. În cazul al treilea se disipează energia potențială, înmagazinată la urcarea unei rampe iar în ultimul caz rolul frânei constă în împiedicarea mișcării din loc care ar putea fi provocată de factori externi.
Asigurarea spațiului necesar de frânare devine o problemă tot mai grea odată cu creșterea vitezelor de mers, fapt care se explică prin aceea că la creșterea turației osiei, coeficientul de frecare a saboților de frână din fontă se micșorează brusc, iar forța de apăsare a saboților este limitată de pericolul blocării roților. De asemenea, la creșterea forței normale de apăsare, se mărește uzura saboților și crește pericolul de rotire a bandajelor pe centrul de roată.
Ținându-se cont de rolul sistemului de frânare, s-a considerat necesară găsirea unor cuple de frecare ale cărei elemente să aibă un contact mai bun, un coeficient de frecare de valoare mare și cu o mică (sau chiar nulă) variație cu viteza.
O cuplă de frecare care întrunește condițiile de mai sus este: garnitura de frecare – discul de frână.
Forța de frânare a unui vehicul de cale ferată depinde de forța de frecare (forța de adeziune) între roată și șină.
Astfel, limita superioară a forței de frânare este limitată de forța de aderență. În cazul unui vehicul de cale ferată, forța de aderență este determinată de frecarea dintre suprafața de rulare a roții și șina de metal, și prin urmare, este de departe mai mică decât în cazul unui automobil cu anvelope de cauciuc ce rulează pe șosea.
Este rezonabil să se presupună că utilizarea acestor materiale poate reduce costurile ciclului de viață, datorită ratelor de uzură redusă și poate oferi economii semnificative de combustibil datorită greutății reduse (statice, prin rotație și nesuspendată). Din fericire, această clasă de materiale va fi supusă în continuare la dezvoltarea aplicațiilor de frânare.
Ansamblul Pantograf – Fir de contact
Catenara trebuie să asigure o priză neîntreruptă de curent la vitezele maxime de circulație ale trenurilor și în orice condiții atmosferice, adică la orice variație a temperaturii, la depuneri mari de chiciură pe fire și la viteza maximă a vântului în regiunea respectivă. În cazul avarierii ei circulația trenurilor pe linia respectivă este organizată special provocând perturbații în circulația trenurilor [54]. Aproximativ o treime din avariile și deranjamentele apărute la catenară și la pantograf se datorează desprinderii pantografului de fir. Suspensia catenară este o structură de conductoare care împreună cu calea de rulare constituie modul de transmitere a energiei electrice pentru locomotive (fig. 10.16).
Figura 10.16 Reprezentare simplificată a suspensiei catenare și a căii de rulare
Firul aflat la înălțimea cea mai mică ce vine în contact electric cu pantograful se numește fir de contact, realizat din cupru prin tragere la rece (figura 10.17).
Figura 10.17. Caracteristicile firului de contact din cupru, TF 100
Secțiunea circulară a firului de contact cuprinde două caneluri pentru prinderea de suspensia carenară și poate fi cilindrică sau puțin plată pentru a crește dimensiunea contactului cu banda de frecare a captatorului de curent [28]. Actualmente se extinde utilizarea firului de contact din cupru electrolitic aliat cu argint 0,1 % pentru un curent de durată de 760 A, înlocuind astfel firul de contact aliat cu cadmium, din motive de protecția muncii și mediului, alte țări utilizând cupru cositorit.
La unele administrații de cale ferată care au un program de realizare a mai multor linii noi de mare viteză (300-350 km/h) se mai extinde și utilizarea firului de contact din cupru aliat cu magneziu 0,3-0,7%, cu secțiune de 120 mm2.
Alte fire intermediare pot fi folosite pentru îmbunătățirea proprietăților mecanice (elasticitatea) sau pentru creșterea secțiunii generale de conducție a suspensiei catenare. Conectorii metalici care asigură legătura între firele intermediare și firul de contact poartă denumirea de pendule.
În alegerea tipului de suspensie catenară în vederea utilizării ei în mod corect trebuie să se țină cont de mai mulți factori [28]. Astfel, pentru viteze de circulație de până la 100 km/h se folosesc suspensii catenare semicompensate care asigură o calitate bună de captare a curentului.
Pentru viteze de circulație de 100-160 km/h se utilizează suspensii catenare complet compensate, iar pentru viteze de 160-250 km/h se utilizează suspensii catenare de tip Re160, Re200, Re250. Pentru circulația vehiculelor cu viteze foarte mari (250-300 km/h) se utilizează suspensii catenare compound [61].
Odată cu dezvoltarea tehnologiei în sistemele de tracțiune electrică și creșterea vitezei de deplasare, se pune din ce în ce mai mult accent pe reducerea costurilor de mentenanță. Pantograful este unul din factorii care are o influență deosebit de mare asupra vitezei de deplasare și asupra costurilor de mentenanță [72]. Banda de frecare a pantografului poate fi o bară din oțel, cupru, aluminiu sau din grafit. Banda din oțel admite curenți mari și în mers și în repaus însă uzează mai mult firul de contact. Banda de grafit uzează mai puțin firul de contact, însă din cauza rezistenței electrice mari nu admite curenți de valoare ridicată. Carbonul/grafitul este din ce în ce mai mult utilizat în sistemele de tracțiune electrică, în construcția captatoarelor de curent, având următoarele avantaje:
durată de viață mare a benzii de frecare și firului de contact;
reducerea masei pantografului pentru o mai bună captare a curentului;
posibilitatea utilizării la viteze de circulație mari (peste 300 km/h).
Benzile de frecare realizate din grafit prezintă dezavantajul unei rezistențe de contact crescute care ridică probleme în special în perioadele de staționare când se face încălzirea trenului.
Alegerea unui captator de curent bun se face conform cerințelor tehnice specifice și a valorilor standard corespunzătoare sarcinilor captate.
Contactul „pantograf – fir de contact” este studiat în literatura de specialitate și reprezintă o problemă importantă a exploatării vehiculelor de tracțiune electrică. Prin acest contact, o bandă de frecare pe un fir rotund, deci suprafață de contact extrem de redusă, se alimentează motoarele locomotivei care împreună au o putere ce depășește mii de kilowați. Calitatea contactului este o problemă studiată întrucât priza de curent trebuie să fie neîntreruptă în condiții de exploatare și atmosferice diferite [28].
Când suprafețele reale sunt apăsate cu o anumită forță ele intră în contact prin numeroase puncte care se deformează elastic, plastic sau elastoplastic pentru a suporta o anumită sarcină. Așa cum se unoaște din literatura de specialitate când două suprafețe se află în contact aria reală de contact este mult mai mică decât aria aparentă de contact. Toate suprafețele solide sunt rugoase și este necesar să se considere efectul rugozităților ambelor suprafețe aflate în contact.
Instrumente de monitorizare si evaluare a emisiilor poluante
Pentru investigarea emisiilor poluante in zone specifice traficului feroviar s-a utilizat un aparat de ultima generatie cu performante ridicate in ceea ce priveste determinarea emisiilor poluante.
SANOA (figura 10.18) este un instrument dedicat măsurării simultane a unor compuși minori cum ar fi: SO2, NO2 și O3, COV și alți potentiali compuși absorbanți [63].
Figura 10.18. Instrumentul SANOA [63]
Masuratorile se efectueaza prin metoda DOAS utilizând raze laser cu lungimea de undă cuprinsă în interiorul domeniului de spectre UV-vizibil (200 to 375 nm) [1].
Echipamentul mentionat anterior este alcatuit dintr-un proiector prevazut cu o lampa cu vapori de Xenon ce trimite o raza de lumina catre receptor ce este prevazut cu un spectrometru. Spectrul luminii primite de catre acesta este masurata si respectiv digitizata de o foto-dioda detector si un convertor de 14 biti D/A[63].
Rata de masurare poate fi de pana la 1(unu) in 3(trei) minute si nu depinde de numarul de compusi ce urmeaza a fi determinati.
Prin utilizarea metodei DOAS nu mai este necesara masurarea intensitatii luminii inainte de absorbtie I0(), ci doar studierea spectrului fin de absorbtie structurala, specific fiecarei molecule.
Aceasta se realizeaza doar dupa atenuarea benzii largi prin metode matematice adecvate.
In principiu, metoda DOAS poate fi aplicata daca variatia I0() este suficient de lenta in comparativ cu (). In acest caz, pentru 2(doua) lungimi de unda suficient de apropiate una de cealalta, 1 si 2, se considera valabila relatia: I0(1) = I0(2).
Se poate extrage astfel valoarea lui N (concentratia compusilor determinati) in functie de L-lungimea caii optice, () – coeficient de absorbtie, I() – intensitatea luminii in centrul unui fascicol de absorbtie.
Rezultatul este [63]:
La amplasarea instrumentului SANOA (figura 10.19) pentru realizarea măsurătorilor [63]s-a tinut cont de urmatoarele reguli de baza:
Calea de monitorizare trebuie să fie liberă de orice obstacol;
Distanța față de obstacol (receptor): 90% din calea de monitorizare trebuie să fie la o înălțime mai mare de 1 metru de la sol și / sau de orice obstacol și 80% din calea de monitorizare trebuie să fie la o înălțime cuprinsă între 3 și 15 de metri de la sol și / sau de orice obstacol;
Distanța de la un obstacol izolat: în cazul în care ar fi un obstacol în apropierea căii de monitorizare, distanța dintre obstacol și fasciculul de lumină (b) trebuie să fie de cel puțin două ori mai mare decât înălțimea cu care obstacolul iese deasupra traiectoriei de monitorizare (o).
Figura 10.19. Modul de amplasare a instrumentului SANOA [63]
Măsurători efectuate în zone adiacente căii ferate – Statia CF Timisoara Nord
Tabelul 10.1. Caracteristicile locației de măsurare
Figura 10. 20. Harta Timișoarei cu indicarea zonei în care s-au făcut măsurători
Concentratia de substante acidifiante( in special NOX si SOX) si substante care deterioreaza stratul de ozon generate de traficul feroviar sunt prezentate in urmatoarele grafice:
Figura 10.21. Rezultatele măsurătorilor din Stația CF Timișoara Nord din 29.04.2013
Figura 10.22. Rezultatele măsurătorilor din Stația CF Timișoara Nord din 30.04.2013
Asa cum se poate observa din Figurile 10.21 si 10.22, O3 prezinta valori ridicate, datorita cantitatii de radiatii generate de soare in zilele de 29.04 respectiv 30.04, zile foarte insorite.
De asemenea, se poate observa din Figura 10.22 ca intre O3, benzen, P-xylen si toluen exista o stransa corelatie, si anume cand P-xylenul si benzenul au valori ridicate, ozonul are valori ridicate iar toluenul are valori scazute. Acest lucru se datoreaza reactivitatii ridicate ale compusilor organici volatili.
In ambele zile in care s-au efectuat masuratorile, toluenul a inregistrat valori inalte si o evolutie certa, acest lucru constituind o adevarata problema datorita efectului nociv asupra oamenilor. Toti compusii organici volatili sunt cancerigeni. Dupa inspectarea in detaliu a locului in care s-au facut masuratorile, s-a constatat ca in apropierea statie de cale ferata se afla o statie de alimentare cu gaz GPL. Dupa cum se stie, gazul GPL este o sursa importanta de toluen si benzen. Valorile crescute ale SO2 se datoreaza activitatii intense ale locomotivelor diesel si automotoarelor(DMU), care opereaza in statia de cale ferata Timisoara Nord.
Pentru aceia care doresc sa faca o predictie in ceea ce priveste nivelul de poluare a aerului, si in special Agentia Nationala de Protectie a Mediului, aceste valori trebuie luate in considerare.
Figura 10.23. Poze din timpul realizării măsurătorilor
Studiul s-a concentrat spre argumentarea teoretică și dovedirea pe cale experimentală a avantajelor utilizării sistemului de transport feroviar, mai puțin poluant, în contextul acutizării problemelor legate de poluarea mediului înconjurător. Acesta a scos în evidență următoarele:
Echipamentele dedicate măsurării gradului de poluare a mediului –”un rău necesar”- datorită diversității surselor de poluare;
Răspunsul la întrebarea: “Ce legătură există între concentrația particulelor în suspensie, condiții atmosferice și caracteristicile căii ferate?” necesită determinarea acelor posibile corelări existente între curbura căii ferate și concentrația de particule în suspensie
În prezent, datorită lipsei de date certe privitoare la emisia de particule nocive în atmosferă, devine clară ideea că evaluarea impactului asupra mediului nu poate fi stabilită pe deplin. Pentru o mai bună evaluare a impactului surselor de poluare se necesită realizarea de măsurători comparative simultane, dar și realizarea unei modelări a dispersiei;
11. Calculul/determinarea consumului de combustibil. Metode de reducere si efectele asupra poluarii
Motoarele cu ardere internă transformă energia chimică a combustibilului în energie mecanică, disponibilă la arborele cotit. Procesul de transformare a energiei nu este ideal, energia de ieșire fiind afectată de pierderi. În cazul motoarelor termice pentru automobile, pierderile sunt considerabile, randamentul total fiind undeva în jurul a 20%.
Foto: Bilanțul energetic al motorului cu ardere internă
Sursa: e-automobile.ro
Considerând energia disponibilă în amestecul aer-combustibil ca fiind 100%, numai 20% din acesta ajunge să fie utilizată pentru propulsia automobilului. Restul, de aproximativ 80%, se pierde prin transfer termic, frecare mecanică și antrenarea echipamentelor auxiliare.
Caracterizarea performanțelor dinamice și de consum ale unui motor termic se poate face cu ajutorul curbelor de cuplu, putere și consum specific efectiv, la regim de sarcină maximă.
Foto: Caracteristicile de ieșire ale unui motor termic pe benzină (PME, putere, CSE), la sarcină maximă
PME – Presiune Medie Efectivă
CSE – Consum Specific Efectiv
Puterea unui motor cu ardere internă cu piston se măsoară în kW sau CP și reprezintă produsul dintre turația motorului și cuplul motor.
Cuplul motor este direct proporțional cu presiunea medie efectivă (PME) din cilindri. Variația cuplului și a PME pentru un motor dat, în funcție de turație, este identică.
Consumul specific efectiv (CSE) reprezintă consumul orar de combustibil al motorului raportat la puterea acestuia. Unitatea de măsură a CSE este g/kWh (gram/kiloWatt oră) sau g/CPh (gram/CalPutere oră):
Ch – consumul orar de combustibil g/h]Pm – puterea motorului CP]
În cazul în care dorim să evaluăm sau să comparăm eficiența unui motor cu ardere internă utilizam reprezentarea grafica a consumului specific efectiv.
Din analiza graficului de mai sus reiese ca CSE are valoarea minimă, aproximativ 265 g/kWh, în jurul turației de 2000 rot/min. În general, motoarele cu ardere internă sunt concepute să funcționeze cu randament maxim în jurul turațiilor medii, de 2000 – 3000 rot/min.
La turații mai mari, datorită creșterii pierderilor prin frecare, crește și consumul specific de combustibil. Similar, la turații mici, sub 1400 rot/min, timpul între două cicluri de ardere este mai mare, ceea ce determină creșterea CSE, deoarece timpul în care se realizează transferul de căldură către pereții cilindrilor este mai mare.
Pentru a avea o imagine completă a randamentului motorului, deci a consumului specific de combustibil, analizăm CSE în funcție de cuplul motor (sau PME) și de turația motorului. Acesta „hartă” este specifică fiecărui motor și se ridică ca urmare a măsurătorilor efectuate pe stand.
Foto: CSE pentru motorul 1.9 TDI de la VW
Sursa: B. Georgi, s.a, SAE 972686, 1997
Pe axa orizonatală este reprezentată turația motorului iar pe axa verticală presiunea medie efectivă (PME). Curba de PME este imaginea cuplului motor maxim în funcție de turația motorului. Zonele colorate reprezintă zonele de consum specific efectiv constant. De exemplu, zona colorată în verde corespunde CSE de 200 g/kWh. Astfel, dacă punctul de funcționare al motorului (cuplu/PME, turație motor) se află în acesta zonă, consumul de combustibil efectiv va fi apropiat de cel minim posibil.
Punctul de consum specific efectiv minim este de 197 g/kWh și se obține la o turație a motorului în jur de 1500 rot/min și la o presiune medie efectivă de aproximativ 13 bari (~ cuplul maxim).
Peste „harta” de consum specific efectiv de combustibil s-au suprapus și curbele de putere motor constantă. Aceste curbe sunt deosebit de utile deoarece ne ajută să determinăm consumul minim de combustibil, pentru aceeași putere a motorului, dar în puncte diferite de funcționare ale acestuia.
În exemplul de mai sus dacă analizam curba de 40 CP putem observa că acesta putere a motorului se poate obține atât la 3500 rot/min cât și la 2000 rot/min (punctele marcate cu pătrățele roșii). Diferența este dată de presiunea medie în cilindru, adică de cuplul motor.
Foto: Exemplu de „hartă” a consumului specific efectiv de combustibil
Raportul treptei din cutia de viteze poate fi utilizat ca un mod de a reduce consumul de combustibil, deoarece schimbă punctul de funcționare al motorului. De exemplu, în graficul de mai sus, putem observa că aceeași putere a motorului (110 CP) se poate obține la valori diferite ale turației și a cuplului motor.
Observație: Valorile sunt date ca exemplu, orientativ, nu sunt valori reale.
Astfel, aceeași putere a motorului o putem obține cu consum de combustibil mai mic sau mai mare. Diferența constă în punctul de funcționare al motorului (turatie, cuplu) care poate fi modificat schimbând treapta cutiei de viteze.
Pentru a obține un consum mai mic de combustibil se recomandă utilizarea motorului în zona de turații medii, evitându-se pe cât posibil funcționarea la turații înalte. În majoritatea cazurilor, în funcție de tipul motorului (benzină sau diesel) consumul minim de combustibil se obține la turații relativ mai mici decât turația de cuplu maxim. Utilizând optim rapoartele cutie de viteze se poate reduce semnificativ consumul de combustibil al motorului, ținând cont în același timp de constrângerile legate de zgomot, vibrații și capacitatea de demarare a automobilului.
http://www.ziare.com/auto/masini/cum-sa-faci-economie-la-combustibil-si-sa-reduci-costurile-1267413
Publicatia USA Today a realizat o lista de sfaturi pentru cei care nu vor sa consume ineficient carburantii
Mentinerea unei presiuni corecte a pneurilor: Daca ai cauciucurile bine umflate, atunci vei consuma cu 3,3% mai putin combustibil. De aceea este indicat sa verifici presiunea pneurilor inainte de a porni la drum. Iar valoarea optima este inscrisa in manualul masinii
Impacheteaza putine lucruri: Atunci cand faci un drum mai lung trebuie sa iei doar strictul necesar, deoarece daca renunti la bagaje de 45 kg, atunci consumi cu 2% mai putin combustibil.
Evita sa folosesti portbagajul de plafon: Din punct de vedere aerodinamic, nu ajuta deloc sa iti pui lucruri pe plafonul masinii. Din contra, daca eviti acest lucru, atunci vei economisi 5% din consumul de combustibil.
Nu apasa prea tare pedala de acceleratie: Daca depasesti viteza de 88 km/h, atunci vei plati mai mult cu 25 de centi la fiecare aproape 4 litri de combustibil consumat.
Trebuie sa iti monitorizezi stilul de condus: Consumi mai mult atunci cand apesi prea tare pe pedala de acceleratie si daca faci opriri rapide.
Cum gasesti cele mai mici preturi pentru benzina si motorina: Exista multe aplicatii cu care poti compara preturile practicate de mai multe benzinarii, pe care le poti folosi pentru a gasi cele mai bune oferte.
Poti folosi punctele acordate de companiile petroliere: De cele mai multe ori, companiile ofera puncte de fidelitate pentru cei care isi fac plinul de mai multe ori in statiile respective.
Cel mai bine este sa stai in centru: Atunci cand planuiesti o vacanta, cel mai bine este sa iti rezervi o camera in centrul orasului, la un hotel sau pensiune care sa iti ofere acces si la mijloace de transport in comun
Trebuie sa folosesti cele mai eficiente mijloace de transport: Cel mai bine este sa uiti de SUV-ul vechi si sa conduci o masina care economiseste combustibil.
http://www.volvotrucks.com/trucks/romanian-market/ro-ro/trucks/environment/pages/fuel_consumption.aspx
Consumul de combustibil
Reducerea consumului de combustibil reprezintă un obiectiv important pentru economia unei companii. Raportându-ne la protecția mediului, acest obiectiv capătă un rol primordial. Volvo crede în avantajele aduse de tehnologiile curate. Este o misiune căreia îi acordăm o importanță deosebită. Iată doar un singur exemplu: comparativ cu un autocamion care efectua activitatea respectivă de transport în 1980, consumul de combustibil al motoarelor diesel a scăzut cu aproximativ 30%.
Cu toate acestea, pe lângă de tehnologiile folosite pentru proiectarea vehiculului și a motorului, consumul de combustibil al vehiculelor de transport de bunuri mai depinde și de alți factori; cum ar fi gradul de încărcare, stilul de condus, echipamentele și condițiile meteo.
Șoferul și proprietarul
Deși rezistența aerodinamică și la înaintare, precum și tipul de transmisie vor avea o influență, consumul de carburant va fi afectat cel mai mult de factorul de încărcare – per tonă kilometru. Pentru o companie de transport, planificarea traseului și factorul de încărcare reprezintă cei mai importanți parametri, în vederea reducerii consumului de combustibil.
Configurația și echipamentele
Greutatea ansamblului și condițiile de rulare determină alegerea celui mai potrivit model pentru o anumită activitate de transport. Motoarele mai puternice și greutatea mai mare a ansamblului reprezintă un alt factor care conduce la creșterea consumului de combustibil. Dar dacă se face calculul per tonă kilometru, consumul de combustibil este mai redus.
Diferitele echipamente și designul afectează și ele rezistența aerodinamică și implicit consumul de combustibil. Prin configurarea corectă chiar de la început, consumul de combustibil poate fi redus cu peste 10%.
sursahttp://www.volvotrucks.com/trucks/romanian-market/ro ro/trucks/environment/pages/fuel_consumption.aspx#sthash.mabiulbV.dpuf
http://www.testatinromania.ro/calculator-consum-combustibil-benzina-motorina/
Cu ajutorul acestui calculator vă puteți calcula consumul de carburant/combustibil al automobilului dvs. pentru 100 km. Indiferent că automobilul/mașina dvs. are motor pe benzină sau motorină calculatorul de mai jos vă poate calcula consumul de carburant pentru 100 km parcurși. Pentru a obține un rezultat precis, faceți plinul la punctul de plecare, și din nou faceți plinul la punctul de sosire. Numărul de litri adăugați la punctul de sosire sunt numărul de litri consumați de automobilul dvs. pe distanța parcursă de la punctul A la B!
1.Introduceți distanța parcursă
2.Introduceți consumul total de carburant
3.Aflați cât consumă mașina dvs. pentru 100 km
Top of Form
Calculator consum carburant
1.Introduceti distanta parcursa (km)*
2.Introduceti consumul de carburant (litri benzina sau motorina)*
Consum L/100km
REZULTAT (litri consumati pentru 100 km parcursi)
Costul pentru 100 km parcursi
Introduceti pretul combustibilului pentru un litru*
Costul pentru 100 km parcursi:
Costul pentru distanta parcursa de la punctul 1:
Bottom of Form
Read more at http://www.testatinromania.ro/calculator-consum-combustibil-benzina-motorina/#mYuDvhFOqhky25fU.99
http://eu-simplu.blogspot.ro/2011/01/calculator-consum-combustibil-pe-google.html
Incepand de cateva zile cei de la Goole au introdus in Google Maps o noua facilitate care calculeaza automat costul combustibilului consumat de autovehiculul dvs. pe distanta intre doua localitati.
http://www.euload.com/subscription.select.php?page=5
Calcul FAZ
Programul calculeaza, pe baza Fisei autovehiculului si a Foilor de parcurs introduse de d-voastra , consumul de combustibil (motorina), asa-numita Fisa activitatii zilnice (FAZ) pentru autovehiculul respectiv.
De ce este util, necesar chiar, calculul consumului de combustibil? Exista sau nu o prevedere legala care sa reglementeze modul de calcul al FAZ-ul? Care sunt implicatiile sau practicile contabile in aceasta chestiune?
Calculul consumului de carburant pentru autovehicul, pe fiecare foaie de parcurs, si urmarirea evolutiei lui in timp, precum si compararea acestui consum intre autovehicule de acelasi tip, preintampina si semnaleaza in acelasi timp eventualele furturi de motorina. Nu este o noutate pentru nimeni, cred, ca furtul de combustibil, atunci cand nu exista nici o evidenta condusa a consumului de carburant, este foarte tentant pentru sofer, si se intampla in foarte multe cazuri. Avand in vedere costul extrem de ridicat al carburantilor, prejudiciile inregistrate de firmele de transport pot fi insemnate.
De altfel, marea majoritate a firmelor de transport conduc deja aceasta evidenta. Ea se bazeaza pe un model mai vechi, din timpurile comunismului, in care calculul consumului de carburanti era extrem de reglementat, si de-a dreptul complicat si stufos. (vezi aici reglementarea calculului FAZ-ului din perioada comunista). Desi aceasta reglementare este de mult abrogata, modalitatea de calcul a consumului de carburant, asa cum e ea consemnata, se mai practica inca, mai mult sau mai putin apropiata de cea specificata in reglementare. Se calculeaza insa FAZ-ul, in mare parte manual, iar personal calificat in evidenta FAZ-ului este din ce in ce mai greu de gasit. Este necesar in aceasta situatie un mare volum de munca, iar rezultatul nu este intotdeauna concludent.
Tocmai de aceea, pornind de la solicitarile mai multor membri, am conceput si implementat un program de Calcul FAZ, modern, eficient si usor de folosit.
El foloseste din vechiul model partile care sunt utile si practice si care se folosesc si in prezent in multe din firmele de transport, in maniera de prelucrare manuala. Este evident simplificat, eliminand partile care nu fac decat sa complice inutil modelul si sa ingreuneze obtinerea si citirea rezultatelor.
Desi, in locul acestei reglementari de origine comunista, nu a fost stabilita nici o alta reglementare contabila sau fiscala, in practica contabila a firmelor de transport trecerea pe cheltuieli a consumului de carburanti se face in baza Consumului normat in litri , obtinut in urma calcului FAZ. Evident este nevoie ca pentru toate alimentarile efectuate sa existe documente justificative valabile, asa cum sunt ele definite in Codul fiscal.
http://calculare.ro/reducerea-consumului-de-combustibil/
Calculator consum carburant
Daca scopul dumnevoastra este sa obtineti reducerea consumui de combustibil acest calculator va calculeaza consumul de carburant intr-un mod simplu si eficient.
http://www.contoaremotorina.ro/
Aici puteti achizitiona un sistem de monitorizare a consumului de combustibil. Este cea mai sigura metoda prin care va puteti reduce consumul de motorina sau benzina cu pana la 30%. Evitati furtul de combustibil…
Aquametro VZO 4 pentru Motorina
Navman Fuel 2100 pnetru benzina
Solutii complete pentru:
– monitorizarea consumului de combustibil – motorina sau benzina
– sisteme impotriva furtului de combustibil
– monitorizare consum flota navala, parc auto pentru reducerea costurilor de exploatare
– monitorizare flota prin GPS
Sistemele sunt instalate în întreaga lume pe nave comerciale și de agrement, motoare industriale, camioane grele, automobile, avioane de aviație generală și … peste tot unde sunt utilizate motoarele cu ardere internă. Companii ca Ford, Chrysler, Renault, General Motors, Cessna, Piper, Beechcraft, Navistar, Freightliner, Kenworth, Peterbilt, Fountain, Proline și-au instalat peste o jumătate de milion de senzori de debit pentru combustibil. Firma noastra vinde modele pentru motoare de la 25hp la 4000hp. Indiferent de cerinta noi va garantam cel mai mic pret de pe piata romaneasca pentru sistemele de monitorizare consum.
ECONOMIE DE COMBUSTIBIL DE PANA LA 30%
Un sistem de monitorizare a combustibilului (diesel sau benzina) se amortizeaza in mai putin de un an, aducand chiar si profit daca este utilizat inteligent. Puteți ușor să vă stabiliți viteza cea mai economica prin obesrvarea instrumentelor de bord ce indica consumul exact la o anumita turatie a motorului.
Prevenirea furtului de combustibili – motorina – benzina
Prin montarea unui sistem de monitorizare a consumului impiedicati sustragerea de combustibil de catre angajati. Numai prevenind acest lucru multi dintre clientii nostri au fost surprinsi sa constate o economie de 10 – 15 % la consumul de combustibil.
Monitorizare completa a flotei – nave – camioane
Prin implementarea unui sistem complet de monitorizare a consumului de combustibili (motorina – benzina) pentru intreaga flota, puteti sa controlati partea cea mai dificila a afacerii. In acest fel veti obtine economii substantiale ce vor amortiza investitia initiala in mai putin de un an.
Primul sistem economic de monitorizare a motoarelor DIESEL
Prin noi puteti achizitiona singurul sistem de monitorizare a consumului de motorina pentru motoarele diesel la un pret rezonabil. Nu orice tip de contor de fluide poate masura cu precizie consumul la un motor diesel, deoarece motoarele diesel au un retur considerabil de motorina din pompa de injectie catre rezervor. Astfel alti distribuitori instaleaza doua ceasuri de masurare la un motor iar consumul se deduce prin diferenta intre admisie si retur combustibil. Daca doriti o monitorizare reala atunci alegeti sistemul nostru.
Monitorizarea flotei prin GPS – GSM – nave – camioane
Sistemele noastre de monitorizare prin GPS – GSM nu sunt pe baza de abonament, plata se face la livrare iar singurul cost pe care il aveti este acela al unei cartele GSM pre-pay pe care o incarcati in aparat. Se poate monitoriza locatia unui vehicul sau utilaj prin interogare (se trimite un SMS) sau in mod live prin monitorizare de pe calculator prin intermediul Google Earth. Astfel veti sti cu exactitate unde este un vehicul, cu ce viteza se deplaseaza, cat a stat parcat, cat combustibil are in rezervor, ce consum are pe moment etc.
http://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_diesel
Istorie motor Diesel
Numele motorului a fost dat după inginerul german Rudolf Diesel la sugestia soției sale, Martha Diesel, care în 1895 îl sfătuiește cu: Nenn ihn doch einfach Dieselmotor! („numește-l pur și simplu motor Diesel!”),1] ușurînd astfel lui Diesel căutarea după denumirea motorului, pe care l-a inventat în 1892 și l-a patentat pe 23 februarie 1893. Intenția lui Diesel a fost ca motorul său să utilizeze o gamă largă de combustibili, inclusiv praful de cărbune. Diesel și-a prezentat invenția funcționând în 1900 la Expoziția Universală (World's Fair) având drept combustibil ulei de alune (vezi biodiesel).
Scurtă cronologie
1862 – Nicolaus Otto dezvoltă motorul pe bază de gaz de cărbune, similar unui motor pe benzină modern.
1891 – Herbert Akroyd-Stuart îmbunatățește motorul său pe bază de ulei și cedează drepturile către Hornsby din Anglia pentru construcția motoarelor. Aceștia au construit primul motor cu aprindere prin comprimare cu start rece.
1892 – Motorul Hornsby cu numărul 101 este construit și instalat într-o casă de apă. Acesta se află în muzeul camioanelor MAN din nordul Angliei.
1892 – Rudolf Diesel dezvoltă versiunea sa de motor având la bază principiile motorului Carnot alimentat cu praf de carbune. În data de 10 august 1893 în Maschinenfabrik Augsburg pornește pentru prima dată motorul inventat de el. Aprinderea carburantului în cilindru produsese o bubuitură atât de puternică, incât a spart niște geamuri și aparate de măsurat, motorul însă rămânând intact. A mai durat însă încă patru ani, pînă motorul a funcționat. El avea o putere de 20 CP.1] El este angajat de Carl von Linde, apoi de producătorul de fier MAN AG din München și mai tărziu de Sulzer, companie de motoare din Elveția. Diesel împrumută idei de la fiecare și lasă o moștenire bogată firmelor.
1892 – John Froelich construiește un tractor cu motor având drept combustibil petrolul.
1894 – Witte, Reid, and Fairbanks încep construcția de motoare pe bază de petrol cu diverse sisteme de aprindere.
1896 – Hornsby construiește tractoare cu motor diesel și motoare pentru locomotive.
1897 – Winton produce și conduce primul automobil pe benzină din Statele Unite; mai târziu construiește fabrici de motoare diesel.
1897 – Mirrlees, Watson & Yaryan construiesc primul motor diesel englez cu licență Rudolf Diesel. Acesta este expus în Science Museum din South Kensington, Londra.
Cum funcționează motorul diesel
Cei patru timpi ai motorului Diesel a. Aspirația b. Compresia c. Detenta d. Evacuarea
Comprimarea unui gaz conduce la creșterea temperaturii sale, aceasta fiind metoda prin care se aprinde combustibilul în motoarele diesel. Aerul este aspirat în cilindri și este comprimat de către piston până la un raport de 25:1, mai ridicat decât cel al motoarelor cu aprindere prin scânteie. Spre sfârșitul cursei de comprimare motorina (combustibilul) este pulverizată în camera de ardere cu ajutorul unui injector. Motorina se aprinde la contactul cu aerul deja încălzit prin comprimare până la o temperatura de circa 700-900 °C. Arderea combustibilului duce la creșterea temperaturii și presiunii, care acționează pistonul. În continuare, ca la motoarele obișnuite, biela transmite forța pistonului către arborele cotit, transformând mișcarea liniară în mișcare de rotație. Aspirarea aerului în cilindri se face prin intermediul supapelor, dispuse la capul cilindrilor. Pentru mărirea puterii, majoritatea motoarelor diesel moderne sunt supraalimentate cu scopul de a mări cantitatea de aer introdusă în cilindri. Folosirea unui răcitor intermediar pentru aerul introdus în cilindri crește densitatea aerului și conduce la un randament mai bun.
În timpul iernii, când afară este frig, motoarele diesel pornesc mai greu deoarece masa metalică masivă a blocului motor {format din cilindri și chiulasă) absoarbe o mare parte din căldura produsă prin comprimare, reducând temperatura și împiedicând aprinderea. Unele motoare diesel folosesc dispozitive electrice de încălzire, de exemplu bujii cu incandescență, ajutând la aprinderea motorinei la pornirea motorului diesel. Alte motoare folosesc rezistențe electrice dispuse în galeria de admisie, pentru a încălzi aerul. Sunt folosite și rezistențe electrice montate în blocul motor, tot pentru a ușura pornirea și a micșora uzura. Motorina are un grad mare de vîscozitate, mai ales la temperaturi scăzute, ducând la formarea de cristale în combustibil, în special în filtre, împiedicând astfel alimentarea corectă a motorului. Montarea de mici dispozitive electrice care să încălzească motorina, mai ales în zona rezervorului și a filtrelor a rezolvat această problemă. De asemenea, sistemul de injecție al multor motoare trimite înapoi în rezervor motorina deja încălzită, care nu a fost injectată, prevenind astfel cristalizarea combustibilului din rezervor. În prezent, folosirea aditivilor moderni a rezolvat și această problemă.
O componentă vitală a motoarelor diesel este regulatorul de turație, mecanic sau electronic, care reglează turația motorului prin dozarea corectă a motorinei injectate. Spre deosebire de motoarele cu aprindere prin scânteie (Otto), cantitatea de aer aspirată nu este controlată, fapt ce duce la supraturarea motorului. Regulatoarele mecanice se folosesc de diferite mecanisme în funcție de sarcină și viteză. Regulatoarele motoarelor moderne, controlate electronic, comandă injecția de combustibil și limitează turația motorului prin intermediul unei unități centrale de control care primește permanent semnale de la senzori, dozând corect cantitatea de motorină injectată.
Controlul precis al timpilor de injecție este secretul reducerii consumului și al emisiilor poluante. Timpii de injecție sunt măsurați în unghiuri de rotație ai arborelui cotit înainte de punctul mort superior. De exemplu, dacă unitatea centrală de control inițiază injecția cu 10 grade înainte de punctul mort superior, vorbim despre un avans la injecție de 10 grade. Avansul la injecție optim este dat de construcția, turația și sarcina motorului respectiv.
Avansând momentul injecției (injecția are loc înainte ca pistonul să ajungă la punctul mort interior) arderea este completă, la presiune și temperatură mare, dar cresc și emisiile de oxizi de azot. La cealalată extremă, o injecție întârziată conduce la ardere incompletă și emisii vizibile de particule de fum.
Injecția combustibilului la motoarele diesel
Motorul diesel modern este o îmbinare a creațiilor a doi inventatori. În mare, rămâne fidel conceptului original al lui Rudolf Diesel, adică combustibilul este aprins prin comprimarea aerului din cilindru. Însă, aproape toate motoarele diesel de azi folosesc așa-numitul sistem de injecție solidă, inventat de Herbert Akroyd Stuart, pentru motorul său cu cap incandescent (un motor cu aprindere prin comprimare care precedase motorul diesel, dar funcționează oarecum diferit). În cazul injecției solide, combustibilul este adus la o presiune extremă cu ajutorul unor pompe și introdus în camera de ardere prin intermediul unor injectoare și a aerului comprimat, într-o stare aproape solidă. La început, combustibilul era injectat în motorul diesel cu ajutorul aerului comprimat care îl pulveriza în cilindru. Mărimea compresorului de aer era atât de mare, încât primele motoare diesel erau foarte grele și voluminoase în raport cu puterea produsă, mai ales datorită antrenării unor astfel de compresoare. Primele motoare montate pe nave aveau un motor auxiliar dedicat antrenării compresorului de injecție. Sistemul era prea mare și greoi pentru a fi folosit în industria auto.
Injecția controlată mecanic și electronic
Motoarele din vechile generații utilizau o pompă mecanică și un mecanism cu supape antrenate de arborele cotit, de obicei prin intermediul unui lanț sau curea dințată. Aceste motoare foloseau injectoare simple, cu supapă și arc, care se deschideau/închideau la o anumită presiune a combustibilului. Pompa consta dintr-un cilindru care comprima motorina și o supapă sub formă de disc care se rotea la jumătate din turația arborelui cotit. Supapa avea o singură deschidere pe o parte, pentru combustibilul sub presiune și o alta pentru fiecare injector. Pe măsură ce se rotea, discul supapei distribuia fiecărui injector o cantitate precisă de combustibil la mare presiune. Supapa injectorului era acționată de presiunea motorinei injectate atât timp cât discul debita combustibil cilindrului respectiv. Regimul motorului era controlat de un al treilea disc care se rotea doar câteva grade și era acționat de o pârghie. Acest disc controla deschiderea prin care trecea combustibilul, dozînd astfel cantitatea de motorină injectată.
Vechile motoare diesel puteau fi pornite, din greșeală, și în sens invers, deși funcționau ineficient datorită ordinii de aprindere dereglate. Aceasta era de obicei consecința pornirii mașinii într-o treaptă de viteză greșită.
Motoarele moderne au o pompă de injecție care asigură presiunea necesară injecției. Fiecare injector este acționat electromagnetic prin intermediul unei unități centrale de control, fapt ce permite controlul precis al injecției în funcție de turație și sarcină, având ca rezultat performanțe mărite și un consum scăzut. Soluția tehnică mai simplă a ansamblului pompă-injector a condus la construcția de motoare mai fiabile și mai silențioase.
Injecția indirectă În cazul motorului diesel cu injecție indirectă, motorina nu este injectată direct în camera de ardere, ci într-o antecameră unde arderea este inițiată și se extinde apoi în camera de ardere principală, antrenată de turbulența creată. Sistemul permite o funcționare liniștită, și, deoarece arderea este favorizată de turbulență, presiunea de injecție poate fi mai scăzută, deci sunt permise viteze de rotație mari (până la 4000 rpm), mult mai potrivite autoturismelor. Antecamera avea dezavantajul pierderilor mari de căldură, ce trebuiau suportate de către sistemul de răcire și a unei eficiențe scăzute a arderii, cu până la 5-10% mai scăzută față de motoarele cu injecție directă. Aproape toate motoarele trebuiau să aibă un sistem de pornire la rece, ca de exemplu bujii incandescente. Motoarele cu injecție indirectă au fost folosite pe scară mare în industria auto și navală începând din anii timpurii 1950 până în anii 1980, când injecția directă a progresat semnificativ. Motoarele cu injecție indirectă sunt mai ieftine și mai ușor de construit pentru domeniile de activitate unde emisiile poluante nu sunt o prioritate. Chiar și în cazul noilor sisteme de injecție controlate electronic, motoarele cu injecție indirectă sunt încet înlocuite de cele dotate cu injecție directă, care sunt mult mai eficiente.
În perioada de dezvoltare a motoarelor diesel din anii 1930, diferiți constructori au pus la punct propriile tipuri de antecamere de ardere. Unii constructori, precum Mercedes-Benz, aveau forme complexe. Alții, precum Lanova, utilizau un sistem mecanic de modificare a formei antecamerei, în funcție de condițiile de funcționare. Însă, cea mai folosită metodă a fost cea în formă de spirală, concepută de Harry Ricardo ce folosea un design special pentru a crea turbulențe. Majoritatea producătorilor europeni au folosit acest tip de antecamere sau și-au dezvoltat propriile modele (Mercedes Benz și-a menținut propriul design mulți ani).
Injecția directă
Motoarele moderne folosesc una din următoarele metode de injecție directă.
Injecția directă cu pompă-distribuitor
Primele motoare diesel cu injecție directă au folosit o pompă de injecție rotativă, cu injectoarele montate în partea superioara a camerei de ardere și nu într-o antecameră. Exemple de vehicule dotate cu astfel de motoare sunt Ford Transit sau Rover Maestro, având ambele motoare fabricate de Perkins. Problema acestor motoare era zgomotul excesiv și emisiile de fum. Din această cauză aceste motoare au fost la început montate doar pe vehicule comerciale – excepția notabilă fiind autoturismul Fiat Croma. Consumul era cu 15 – 20 % mai scăzut decât la un motor diesel cu injecție indirectă, îndeajuns să compenseze, pentru unii, zgomotul produs.
Primul motor cu injecție directă de mică capacitate, produs în serie a fost conceput de grupul Rover. Motorul cu 4 cilindri, cu o capacitate de 2500 cmc, a fost folosit de Land Rover pe vehiculele sale din 1989, având chiulasa din aluminiu, injecție Bosch în 2 trepte, bujii incandescente pentru pornire ușoară și un mers lin și economic.
Controlul electronic al pompei de injecție a transformat radical acest tip de motor. Pionierul a fost grupul Volkswagen-Audi cu modelul Audi 100 TDI apărut în 1989. Presiunea de injecție era de circa 300 bar, dar momentul injecției, cantitatea de motorină injectată și turbocompresorul erau controlate electronic. Acest lucru a permis un nivel aceptabil de zgomot și emisii poluante. Destul de rapid tehnologia a penetrat și la vehiculele de masă precum Golf TDI. Aceste autovehicule erau mai economice și mai puternice decât competitorii pe injecție indirectă.
Injecția directă cu rampă comună ]
La vechile motoare diesel o pompă-distribuitor asigura presiunea necesară la injectoare care erau simple duze prin care motorina era pulverizată în camera de ardere.
La sistemele cu rampă comună, distribuitorul este eliminat. O pompă de înaltă presiune menține motorina la o presiune constantă de 1800 bari într-o rampă comună, o conductă unică care alimenteză fiecare injector comandat electromagnetic de mare precizie sau chiar injectoare piezoelectrice (utilizate de Mercedes la motorul diesel cu 6 cilindri în V de 3 L).
Injecția directă cu pompă-injector
Acest tip de sistem injectează, de asemenea, motorina direct în cilindru. Injectorul și pompa formează un corp comun plasat în capătul cilindrului. Fiecare cilindru are propria pompă care alimentează injectorul propriu, fapt ce exclude fluctuațiile de presiune și asigură o injecție consistentă. Acest tip de injecție, dezvoltat de Bosch, este folosit de către autoturismele grupului Volkswagen AG – denumit sistemul pompă-injector – și de către Mercedes Benz și majoritatea fabricanților de motoare diesel mari (CAT, Cummins, Detroit Diesel). Ultimele realizări asigură o presiune de injecție crescută, de până la 2050 bar.
Tipuri de motoare diesel
Intenția lui Rudolph Diesel a fost aceea de a înlocui motorul cu abur ca sursă primară de energie pentru industrie. Motoarele diesel de la sfârșitul secolului XIX și începutul secolului XX foloseau aceeași formă și dispunere ca motoarele cu abur industriale: cilindri cu cursă mare, fără carter, supape exterioare, chiulase pentru fiecare cilindru și arbore cotit cuplat la un volant enorm. Curând, vor apărea motoare mai mici, cu cilindri verticali, în timp ce majoritatea motoarelor industriale de mărime mare și medie aveau tot cilindri orizontali, și întocmai ca motoarele cu abur, aveau mai mulți cilindri. Cele mai mari motoare diesel timpurii erau replici ale celor cu abur, cu lungimi impresionante, de câțiva metri. Acestea funcționau cu viteze foarte mici, în special datorită motorinei injectate cu ajutorul aerului comprimat, dar și pentru că trebuiau să corespundă majorității utilajelor industriale construite pentru motoarele cu abur, unde vitezele normale de operare se încadrau între 100 și 300 rpm. Motoarele erau pornite cu ajutorul aerului comprimat, care era introdus în cilindri și rotea motorul, deși cele mai mici puteau fi pornite și manual.
În primele decenii ale secolului al XX-lea, când marile motoare diesel erau montate pe nave, acestea aveau forma motoarelor cu abur, pistonul împingea o tijă cuplată la o bielă ce rotea arborele motor. Urmând modelul motoarelor cu abur, s-au construit motoare cu dublă acțiune, unde arderea avea loc în ambele părți ale pistonului pentru a mări puterea. Acestea aveau doua rânduri de supape și două sisteme de injecție. Sistemul permitea, de asemenea, modificarea sensului de rotație, prin modificarea timpilor de injecție. Prin urmare, motorul putea fi cuplat direct la axul elicei, fără a mai fi nevoie de o cutie de viteze. Deși aveau o putere mare și erau foarte eficiente, marea problemă a motoarelor cu dublă acțiune era etanșietatea camerelor de ardere. În anii 1930 s-a descoperit că montarea turbocompresoarelor era o soluție mai ușoară și eficientă.
Motoarele diesel moderne
Motoarele diesel sau cu aprindere prin comprimare sunt în doi sau în patru timpi. Majoritatea motoarelor sunt în patru timpi, dar unele motoare mari funcționează în doi timpi, de exemplu cele de pe nave. Majoritatea locomotivelor moderne folosesc motoare diesel în doi timpi, cuplate la generatoare electrice ce acționează motoare electrice, eliminând nevoia transmisiei. Pentru creșterea presiunii în cilindri s-a folosit supraalimentarea, mai ales la motoarele diesel în doi timpi care au câte o cursă utilă la fiecare rotație a arborelui cotit.
În mod normal, cilindrii sunt multiplu de doi, dar se poate folosi orice număr de cilindri, atât timp cât sunt eliminate vibrațiile excesive. Cea mai folosită configurație este cea de 6 cilindri în linie, dar sunt folosiți și 8 cilindri în V sau 4 în linie. Motoarele de mică capacitate (în special cele sub 5000 cmc) au de obicei 4 (majoritatea lor) sau 6 cilindri, fiind folosite la autoturisme. Există și motoare cu 5 cilindri, un bun compromis între funcționarea lină a unuia de 6 cilindri și dimensiunile reduse ale unuia de 4 cilindri. Motoarele diesel pentru întrebuințări curente (bărci, generatoare, pompe) au 4, 3, 2 sau chiar un singur cilindru pentru capacități mici.
În dorința de a îmbunătății raportul greutate/putere s-au adus inovații privind dispunerea cilindrilor pentru a obține mai multă putere per cilindree. Cel mai cunoscut este motorul Napier Deltic, cu trei cilindri dispuși sub formă de triunghi, fiecare cilindru având 2 pistoane cu acțiune opusă, întregul motor având 3 arbori cotiți. Compania de camioane Commer din Marea Britanie a folosit un motor asemănător pentru vehiculele sale, proiectat de Tillings-Stevens, membru al Grupului Rootes, numit TS3. Motorul TS3 avea 3 cilindri în linie, dispuși orizontal, fiecare cu 2 pistoane cu acțiune opusă conectate la arborele cotit printr-un mecanism de tip culbutor. Deși ambele soluții tehnice produceau o putere mare pentru cilindreea lor, motoarele erau complexe, scumpe de produs și întreținut, iar când tehnica supraalimentarii s-a îmbunătățit în anii 1960, aceasta a rămas o soluție marginală pentru creșterea puterii.
Înainte de 1949, Sulzer a construit, experimental, motoare în doi timpi supraalimentate la 6 bar, presiune obținută cu ajutorul unor turbine acționate de gazele de evacuare.
Legislația privind emisiile poluante
Cunoașterea efectelor nocive ale emisiilor poluante emise de motoarele cu ardere internă a impus limitarea lor treptată. Această acțiune a început în anul 1959 în statul american California când s-au stabilit primele standarde de reducere a emisiilor poluante pentru concentrațiile de CO și hidrocarburi. Acțiunea a continuat și în anii următori cu emisiile de evaporare din carburator și rezervorul de combustibil, apoi densitatea fumului și așa mai departe pentru toate gazele ce fac parte din emisiile poluante.
Nocivitatea emisiilor
HC – hidrocarburi. Aceste substanțe nu au un efect direct asupra sănătății, cu excepția hidrocarburilor policiclice aromate, despre care este stabilit caracterul lor cancerigen. S-a stabilit că aceste hidrocarburi nearse care sunt evacuate de motoarele cu ardere internă au un rol important în formarea smogului fotochimic. Smogul fotochimic reprezintă o ceață, caracteristică unor regiuni geografice (California, Tokyo). Denumirea provine de la combinarea cuvintelor de origine engleză smoke + fog și este produs în atmosferă sub acțiunea razelor solare, în special datorită hidrocarburilor și oxizilor de azot. Smogul este iritant pentru ochi și mucoase, reduce mult vizibilitatea și este un pericol pentru traficul rutier. Mecanismul de formare este generat de 13 reacții chimice catalizate de prezența razelor solare. Aldehidele Substanțe organice prezente în gazele de evacuare în proporție relativ scăzută pentru combustibili clasici de natură petrolieră, dar cu o pondere mult mai mare pentru combustibilii proveniți din alcooli. Sunt substanțe iritante pentru organism, iar dintre acestea formaldehida are un important potențial cancerigen. CO (oxidul de carbon) – are unefect toxic generat de fixarea hemoglobinei în sânge prin care se împiedică alimentarea cu oxigen a creierului. O mare influență o are la persoanele cardiace, care pot avea crize cardiace cu o frecvență mult mai mare.
Oxizii de azot NO și NO2 Oxizii de azot au efecte dăunătoare prin contribuția adusă la formarea smogului, precum și prin efect direct asupra omului. Principalele efecte sunt legate de fixarea hemoglobinei și prin efecte mai ales la bolnavii pulmonari. De asenenea, oxizii de azot împreună cu oxizii de sulf contribuie la formarea ploilor acide. Particulele nemetalice Aceste particule, în special cele de funingine, sunt emise mai ales de motoarele diesel. Aceste particule pot fi inhalate în plămâni, unele din ele putând avea și efect cancerigen. Efectul particulelor se poate manifesta și asupra clădirilor. Particulele de plumb Acțiunea plumbului este foarte dăunătoare asupra omului și este bine cunoscută încă din antichitate. Concentrații scăzute de plumb provoacă tulburarea albuminelor și glucidelor, atacă rinichii și sistemele nervos și central. Intoxicația cronică de Pb se numește saturnism și provoacă colită, insuficiență renală,etc. Plumbul se găsește în combustibilii etilați pentru motoarele cu aprindere prin scânteie. Bioxidul de carbon este prezent în aerul atmosferic, iar la concentrații de până la 3-4 la mie este util în procesul de fotosinteză. Aspectul îngrijorător al creșterii concentrației de bioxid de carbon este dat de apariția efectului de seră (reducerea cantității de energie radiate de pământ către spațiul cosmic, datotorită reținerii căldurii în unele gaze). Acest efect de seră poate conduce la creșterea temperaturii medii la nivelul solului, iar motoarele cu ardere internă au o mare pondere în creșterea concentrației de dioxid de carbon.
Măsurarea produșilor poluanți
La motoarele cu ardere internă măsurarea produșilor poluanți se poate face în mai multe moduri:
Concentrația gazelor poluante în gazele de evacuare (exprimat în părți pe milion ppm sau procentual)
Concentrația de emisie poluantă a unui motor care echipează un autovehicul raportat la unitatea de distanță parcursă (g/km sau g-milă) pentru a determina mai exact efectul produs de autovehicolul respectiv.
Pentru motoarele diesel staționare de putere mare se poate utiliza o unitate de măsură raportată la energia produsă (g/(CPh) sau g/(kWh))
Legătura care există între cantitatea de emisii evacuată în atmosferă și regimul de funcționare al motorului a impus elaborarea unor norme de definire a ciclurilor funcționale considerate reprezentative pentru condițiile obișnuite de funcționare. De asemenea sunt standardizate tehnica de măsurare experimentală, metodele de prelevare a probelor de gaz și prelucrarea rezultatelor.
Cicluri standard de funcționare. În Uniunea Europeană se aplică ciclul standard ECE + EUDC pentru autovehiculele și autoutilitarele de până la 3,5 tone. Acest ciclu este definit prin variația vitezei vehiculului în intervalul de probă.
Putere și moment cinetic
Pentru uzul comercial, cum ar fi tractarea, transportul mărfurilor grele sau a altor sarcini care necesita cuplu mare, motoarele diesel au un cuplu mai mare decât cele pe benzină echivalente. Motoarele diesel au, de obicei plaja de cuplu între 1600-2000 de RPM pentru o un motor de capacitate mică( și mai joasă pentru un motor mare, cum ar fi unul de camion). Acesta furnizează un control mai bun pentru încărcăturile mai grele, la demaraj, astfel în mod crucial, dă voie motoarelor diesel să suporte încărcături mai grele la plecare decât un motor pe benzină, iar asta îl face mai economic pentru astfel de sarcini. Această caracteristică nu este dorită la mașini private, astfel, motoarele diesel folosite în mașinile moderne folosesc control electronic, turbine cu geometrie variabile și bătăi mai scurte ale cilindrilor pentru a avea plaje de cuplu mai largi, de obicei atingând cuplul motor cel mai mare, între 2500-3000 de RPM. Deși motoarele diesel au mai mult cuplu motor la turație mai mică de cât cele pe benzină, motoarele diesel aspirate au mai puțini cai-putere de cât echivalentul lor pe benzină. Această plajă de cuplu motor îngustă, este motivul pentru care camioanele au transmisii de aproximativ 18 viteze, pentru a putea valorifica cuplul motor cât mai bine. Turbinele îmbunătățesc cuplu la turații înalte, în timp ce compresoarele mecanice ajută la îmbunătățirea performanțelor motorului la turații joase. Turbinele cu geometrie variabilă îmbunătățește cuplul motor pe întreagă plajă de cuplu, fie la turație mică sau mare.
Siguranță în exploatare
Flamabilitatea combustibilului
Motorina are o flamabilitate scăzută, cauzând un risc minor de incendiu datorat unui vehicul care este echipat cu un motor diesel. Pe iahturi, motorul diesel este folosit, pentru că cele pe benzină generează vapori ușori inflamabili, care se pot acumula în partea de jos a navei, încât, câteodată cauzează explozii la bordul lor.Astfel sistemele de ventilare pentru navele care au motoare pe benzină, sunt necesare. Armata Statelor Unite ale Americi și NATO folosesc numai motoare diesel sau pe turbine pe gaze pentru a limita pericolul de incendiu. Deși nici benzina, nici motorina nu sunt explozive în stare lichidă, ambele pot crea un amestec de vapori și aer explosiv, sub condițiile corecte. Astfel, motorina este mai puțin susceptibilă în a crea aceste amestecuri explozibile, din cauza ratei de emanare a vaporilor, care este o indicare a ratei evaporării. Tancurile armatei americane din timpul celui de al 2-lea război mondial, dotate cu motoare pe benzină erau poreclite Ronson (firmă producătoare de brichete), din cauza probabilității de a exploda mai ușor, atunci când erau lovite de inamic (deși atunci când erau lovite, incendiile de tancuri erau cauzate mai de grabă de exploziile munițiilor, decât de cele de combustibili).
Metode pentru micșorarea concentrației noxelor la emisie
Tehnica actuală pune la dispoziția celor interesați numeroase metode și mijloace menite să conducă la micșorarea concentrației noxelor în gazele de ardere evacuate prin coșul de fum al grupurilor energetice. Aplicarea acestora reclamă cheltuieli de investiție și exploatare care se pot ridica la circa (20 – 45) % din cel al grupurilor energetice pe care le deservesc. Din această cauză IMA de tip I, care au fost construite în România înainte de 1987, sunt dotate parțial sau deloc cu echipamente pentru micșorarea concentrației noxelor în gazele de ardere evacuate în mediul ambiant. Astfel se poate constata că IMA, care funcționează pe cărbune, sunt dotate doar cu instalații pentru desprăfuirea gazelor de ardere, uneori și acestea insuficient de performante pentru a satisface condițiile impuse în prezent de legislația românească.
Reducerea concentrației prafului de cenușă din gazele de ardere se poate obține folosind separatoare de praf prevăzute în Tabelul 1.21, în care se menționează mărimea particulelor separate și gradul de separare realizabil. Din acest tabel rezultă că pentru instalațiile mari de ardere numai electrofiltrele, separatoarele cu medii filtrante și cele umede ar putea satisface exigențele legislației în vigoare.
Tabelul 1.21: Mărimea particulelor de praf și gradul de separare pentru diferite tipuri de separatoare de praf.
Dintre acestea, electrofiltrele au cea mai mare răspândire deoarece, față de celelalte echipamente pentru descenușare, prezintă următoarele facilități:
– consum specific redus de energie electrică (0,05 – 0,5) kWh pentru 1000 m3/h de gaz epurat;
– rezistență gazodinamică foarte mică, cuprinsă între 20 și 250 Pa];
– grad înalt de desprăfuire, indiferent de mărimea debitului de gaze, de concentrația prafului și de mărimea particulelor, randamentul de separare atingând valori de până la 99,5 % sau chiar puțin peste;
– posibilitatea automatizării complete,
Din aceste motive, electrofiltrele sunt folosite aproape în exclusivitate pentru descenușarea gazelor provenite din arderea cărbunilor, deși spațiul necesar pentru amplasarea lor de circa (11 – 12) m3/1000 m3/h este mai mult decât dublu în comparație de exemplu cu cel necesar filtrelor tip sac 1.38].
Separatoarele cu medii filtrante utilizează pentru reținerea particulelor de praf un mediu poros: țesături din fibre sintetice sau naturale, umpluturi din material fibros, grăunțos sau ceramic. Filtrele ceramice sunt folosite în ultimul timp drept treapta a II-a de filtrare a gazelor fierbinți încărcate cu praf, așa cum este cazul ciclurilor combinate gaze-abur care folosesc cărbune ars în focare cu strat fluidizat circulant sub presiune sau a gazelor de gazogen utilizate în ciclu combinat gaze-abur cu gazeificarea integrată a cărbunelui (vezi cap.7).
Separatoarele tip ciclon sunt folosite doar ca treapta I-a de desprăfuire, având în vedere gradul mic de reținere a prafului. Ele pot funcționa independent așa cum este cazul instalațiilor de ardere în strat fluidizat circulant când gradul de separare a cenușii reintroduse în focar este mic, dar cel mai adesea separatoare tip ciclon preced electrofiltrele sau filtrele ceramice.
Reducerea concentrației bioxidului de sulf în gazele de ardere evacuate din IMA se poate obține prin:
1. epurarea combustibilului în faza de precombustie cu scopul de a i se reduce conținutul de sulf 1.27];
2. măsuri primare care constau în reținerea unei părți din SO2-ul format în urma oxidării sulfului din cărbune prin dozarea unor cantități corespunzătoare de calcar sau dolomită în focarele cameră pentru praf de cărbune sau cel mai potrivit în focarele cu ardere în strat fluidizat circulant.
Reacțiile care au loc la introducerea calcarului în focar sunt:
– descompunerea carbonului de calciu la temperaturi de 800-900 0C]
CaCO3CaO+CO2 (1.29)
– formarea sulfatului de calciu, la temperaturi de 900-1080 0C:
SO2+CaO+0,5O2CaSO4 (1.30)
Reținerea pulberii de gips (sulfat de calciu) se realizează fie în electrofiltru, fie în filtru cu saci, instalații dispuse de regulă în drumul gazelor de ardere în aval de PAR (preîncălzitorul de aer regenerativ). Încercările experimentale au dovedit posibilitatea atingerii unui grad de desulfurare de maxim 50 %, care nu este satisfăcător pentru exigențele actuale ale legislației, dar procedeul fiind ieftin și simplu de realizat se recomandă a fi aplicat ca primă etapă a programului amplu privind reducerea emisiilor de SO2, mai ales la IMA tip I, care mai au o speranță de viața limitată.
Procedeul dozării carbonatului de calciu în focarele cazanelor care funcționează cu cărbune ars în strat fluidizat circulant s-a dovedit mult mai eficient decât în alte cazuri (strat fluidizat staționar, arderea în cameră a prafului) datorită timpului de staționare mult mai mare a combustibilului în focar.
3. Măsurile secundare constau în desulfurarea post combustie a gazelor de ardere prin diverse procedee (fizice dar mai ales chimice), care permit reținerea SO2-ului din gaze, înainte de eliminarea acestora în atmosferă.
Clasificarea procedeelor de desulfurare a gazelor de ardere este prezentată în Figura 1.24. Este o exemplificare, fără a avea pretenția că s-au epuizat toate posibilitățile practice, care de obicei sunt bazate pe licențe.
Filtrarea gazelor de ardere, în prealabil desprăfuite, printr-un strat de cocs sau de oxid de cupru, permite absorbția SO2-ului fără răcirea gazelor. Aplicat la scară industrială, acest procedeu este scump deoarece stratul filtrant trebuie înlocuit frecvent, iar regenerarea acestuia este relativ dificilă și costisitoare.
Procedeul semiuscat se caracterizează prin faptul că aditivul (hidroxidul de calciu Ca(OH)2 sau carbonatul de sodiu Na2CO3) sub forma unor suspensii sau soluții în apă, este pulverizat în curentul de gaze calde care circulă prin reactor. Apa din soluția folosită este în permanență vaporizată pe baza căldurii cedate de gaze, care astfel se răcesc, iar materiile solide (gipsul CaSO4 sau sulfatul de sodiu Na2SO4), rezultate în urma reacțiilor chimice dintre aditiv și SO2, părăsesc reactorul sub forma unor săruri uscate și sunt reținute în filtre sac. Gradul de desulfurare obținut în mod curent este de circa 80 %, Se poate obține astfel o scădere a concentrației de SO2, în gazele de ardere uscate cu un conținut de oxigen O2,ref = 6 %, în jur de 1000 ppm, ceea ce nu este suficient pentru IMA în condițiile legislației actuale. Procedeul poate fi aplicat în cazul IMA tip I sau II cu durată de viață limitată, cărora Agenția de mediu le acordă autorizație de funcționare dacă realizează o rată a desulfurării prevăzută în 1.16] (vezi Tabelul 1.17).
Figura 1.24: Sistematizarea procedeelor de desulfurare secundară.
Procedeul de desulfurare umedă se bazează pe legarea chimică (absorbția) a SO2-ului într-o soluție apoasă care conține absorbant alcalin (NaOH, Na2SO3, NaHSO3), alcalino-pământos (MgOH), sau amoniac (NH3). În urma reacțiilor chimice, care au loc în reactor între absorbant și oxizii de sulf, se obține un grad de desulfurare de (90-95) %, deci superior celorlalte procedee amintite mai înainte, Trebuie însă reținut că într-o astfel de instalație gazele de ardere se răcesc până la circa 60 0C și ele trebuie încălzite până la minim (100-105) 0C în vederea realizării unei dispersii acceptabile după ieșirea lor din coșul de fum. De asemenea, nu trebuie scăpat din vedere că apele uzate nu pot fi evacuate în emisar fără să fie curățite într-o stație de epurare. Ca urmare, procedeul de desulfurare umedă este întradevăr cel mai performant, dar și cel mai costisitor, necesitând cheltuieli mari de investiție și exploatare.
Alături de cele trei procedee clasice de desulfurare a gazelor, semnalate mai înainte, în ultimul timp au apărut și proliferat procedeele hibride de desulfurare ca de exemplu procedeul LIFAC, dezvoltat de firma Tampella Oy din Finlanda 1.6], 1.28], 1.31], 1.32] sau ARA, de activare a cenușii bogate în aditiv neconsumat. În principiu procedeul hibrid constă din două faze:
– injecția carbonatului de calciu (CaCO3) sub formă de pudră fină în focar pentru legarea unei părți din bioxidul de sulf imediat după formare, gradul de desulfurare atins fiind de circa (40-50) %;
– injecția de apă sau abur într-un reactor de activare, dispus între PAR (preîncălzitorul de aer regenerativ) și electrofiltru, unde oxidul de calciu (CaO) în exces (rămas nereacționat în focar) se transformă în hidroxid de calciu (Ca(OH)2), care leagă o parte din bioxidul de sulf remanent în gazele de ardere, rezultând în final sulfat de calciu (CaSO4). Randamentul de desulfurare ajunge peste 80 %, chiar la un raport molar Ca/S=1,72. Dozarea injecției de apă este astfel făcută încât picăturile formate să se evapore, iar sulfatul de calciu, eliberat sub formă de praf, se reține în electrofiltru sau, mai bine chiar, în filtre tip sac.
Întrucât la aplicarea procedeului LIFAC sau ARA gazele de ardere se răcesc, trebuie prevăzut un schimbător de căldură tip GAVO, plasat în amonte de reactor, în care gazele de ardere epurate să fie încălzite la circa (100-105) 0C pe baza căldurii cedate de gazele de ardere neepurate încă.
În final trebuie menționat ca IMA din România, care funcționează pe cărbune sau păcură sulfuroasă, trebuie înzestrate cu instalații pentru desulfurarea umedă a gazelor. Tehnologia de desulfurare cea mai frecvent întâlnită în străinătate folosește drept reactiv calcarul. Costul specific al investiției se ridică la circa (150-170) €/MWe respectiv la circa 27 €/m3/h gaze de ardere, la care se mai adaugă cheltuielile de exploatare (personal, întreținere reparații) de circa 3 % din investiție, cu apa de circa 0,12 €/tonă, cu calcarul (6-8) €/t, cu aburul pentru reîncălzire 9 €/t, energie electrică consumată suplimentar (1,5-2) % din puterea brută.
Se subliniază că este mai ieftin să se construiască o singură stație de desulfurare pentru IMA aflate într-o centrală termoelectrică, decât pentru fiecare grup energetic în parte. De asemenea, cheltuielile de investiție sunt mai mici dacă stația de desulfurare este prevăzut să fie construită în același timp cu întreaga centrală termoelectrică decât dacă aceasta este implementată ulterior, când foarte greu se poate găsi spațiul necesar amplasării sale,
Reducerea emisiilor de oxizi de azot (NOx) se realizează pe de o parte prin așa numitele metode primare, care în principiu frânează producția de NOx prin scăderea atât a temperaturii cât și a valorii coeficientului excesului de aer în zona de ardere, iar pe de altă parte, prin măsuri secundare, care vizează reținerea oxizilor de azot din gazele de ardere folosind diverse procedee catalitice sau non-cotalitice.
Pentru un combustibil dat, cu o anumită compoziție și putere calorifică, mijlocul cel mai folosit în scopul reducerii temperaturii în zona de ardere, consta în introducerea unui exces de aer foarte mare. Un exemplu elocvent în acest sens îl constituie camerele de ardere ale instalațiilor turbinelor cu gaze (ITG) când coeficientul excesului de aer atinge valori = 2,5 – 4,5, deci mult mai ridicate decât f = 1,1 – 1,25 cât ar fi normal în cazul arderii hidrocarburilor (gaze naturale, combustibil lichid). Desigur, această măsură a fost impusă în primul rând din motive de siguranță în funcționare a turbinei, cunoscut fiind faptul că, temperatura gazelor la intrare în aceasta este dependentă de calitate oțelului din care sunt confecționate în special paletele și nu depășește de regulă (1100-1200) 0C, cu excepția folosirii materialelor ceramice (compozite) pentru confecționarea acestora sau luarea unor măsuri speciale de răcire a lor. Ca urmare a acestei situații, mecanismul termic de producere a oxizilor de azot, care este foarte productiv la t > 1300 0C, este practic frânat, iar geneza NOx-ului este datorată aproape în exclusivitate mecanismului promt și prezenței azotului în compoziția combustibilului 1.6] 1.7]. Dacă micșorarea temperaturii gazelor de ardere la intrarea acestora în turbină are o influență benefică privind producerea de NOx, nu trebuie omis faptul că aceasta conduce la scăderea randamentului ITG prin creșterea pierderilor cu căldura fizică a gazelor eliminate din turbină. Procedeul de a se injecta abur sau apă în camera de ardere a turbinelor cu gaze, folosit în cazul ciclurilor combinate gaze-abur cu amestec de fluide (vezi cap. 8) în scopul creșterii puterii turbinei cu gaze prin mărirea debitului fluidului de lucru, contribuie implicit la scăderea temperaturii în camera de ardere și deci la eliminarea producției de NOx. Acest procedeu modern are largi perspective de dezvoltare în viitor.
Dintre măsurile primare, folosite pe scară largă în scopul minimizării producției de NOx, se înscrie la loc de frunte metoda de ardere în trepte, aplicată atât la nivelul arzătorului (fie pentru combustibil, fie pentru aer), cât și al focarului. Aplicarea acestei metode de ardere în trepte la nivelul arzătorului a condus la apariția unei game speciale de arzătoare, cunoscute sub denumirea de arzătoare sărace în NOx 1.33], 1.34], 1.35], a căror producție este semnalată și în România 1.36], 1.46], 1.5]. Variantele cele mai răspândite ale metodei de organizare a arderii în trepte la nivelul focarului, folosesc unul din principiile prezentate schematic în Figura 1.25, care pot fi aplicate atât pentru concepția și realizarea IMA noi, cât și pentru retehnologizarea celor existente în funcțiune.
a) b) c)
Figura 1.2: Principii de organizare a arderii în trepte la nivelul focarului
a) principiul Over fire air, b) principiul Burners out of service,
c) principiul In furnance reduction.
Legenda:
Arzător cu puțin aer ( < 1) combustibil
Arzător cu mult aer ( > 1 ) aer
Măsurile secundare pentru reținerea (legarea) oxizilor de azot din gaze se bazează pe procedeele prezentate în Tabelul 1.21 dar cel mai adesea pe injecția de amoniac (NH3) în prezența unui catalizator. Reacțiile de reducere a oxizilor de azot sunt destul de complexe, dar global, pot fi exprimate astfel:
(1.31)
(1.32)
Rezultă că în urma interacțiunii dintre amoniac și oxizii de azot se obțin în final două substanțe naturale apă și azot molecular, care nu sunt poluante.
Tabelul 1.21: Procedee de eliminare a oxizilor de azot din gazele de ardere.
Energia de activare fiind mare, procedeele de reducere selectivă necatalitică (SNCR) se pot desfășura doar la temperaturi ridicate, existând pentru fiecare caz în parte un anume interval de temperaturi și raport molar agent reducător/oxizi azot pentru care viteza de desfășurare a reacțiilor chimice este maximă 1.39], 1.42].
Dacă se folosesc procedee de reducere selectivă catalitică (SCR) reacțiile chimice de reducere a oxizilor de azot se desfășoară la temperaturi mult mai mici decât în cazul precedent. Așa de exemplu, în cazul folosirii amoniacului, în prezența unui catalizator pe bază de TiO2 combinat cu V2O5 sau WO3, intervalul de temperaturi pentru care viteza de reacție este maximă se plasează între 280 0C și 420 0C 1.6], 1.40], 1.41].
Acest procedeu este foarte răspândit în Japonia, Germania și SUA, țări care dețin și licența de fabricație a catalizatorului sub formă de module tip fagure sau plăci, dispuse în mai multe straturi, Pentru a minimiza efectul de murdărire cu cenușă a catalizatorului în cazul arderii cărbunilor se prevede un separator grosier de cenușă, dispus în amonte de catalizator,
Dacă gazele de ardere conțin oxizi de sulf, atunci se produce așa numitul fenomen de „otrăvire” a catalizatorului datorat formării sulfatului hidrogenat de amoniu:
(1.33)
care, la temperaturi sub 250 0C se lichefiază și se depune sub forma unor pelicule lipicioase, care reține praful de cenușă și înfundă interstițiile catalizatorului.
În asemenea cazuri suflătoarele de funingine nu mai sunt eficiente, iar catalizatorul este scos din funcțiune în mod fortuit. De aceea se recomandă ca instalația pentru denoxarea gazelor de ardere după principiul SCR să fie plasate în aval față de instalațiile de desulfurare pe cale umedă, cunoscute și sub denumirea prescurtată de REA.
În urma numeroaselor măsurători, efectuate de autorii prezentei lucrări, s-a constatat că în cazul arderii lignitului indigen sub formă de praf în IMA, concentrația oxizilor de azot în gazele de ardere uscate cu un conținut de oxigen O2ref = 6 % s-a situat întotdeauna sub valoarea limită admisă de legislația românească. Această situație se explică prin valorile mici ale temperaturii gazelor în focar ca urmare pe de o parte puterii calorifice scăzute a ligniților folosiți (Hi = 5500-8000 kJ/kg), iar pe de altă parte prin valorile ridicate ale coeficientului excesului de aer (f = 1,6 – 1,8 și chiar mai mult) 1.24].
Reducerea emisiilor de monoxid de carbon se realizează prin monitorizarea permanentă a compoziției gazelor de ardere, extrase din partea finală a focarului, în scopul determinării conținutului de CO și luării măsurilor de modificare a debitului de aer astfel încât coeficientul excesului de aer f să fie egal cu opt. Se precizează că prin opt se înțelege valoarea coeficientului excesului de aer pentru care randamentul cazanului este maxim. Această valoare se precizează în urma măsurătorilor termotehnice efectuate cu ocazia omologării cazanului respectiv. Valoarea coeficientului opt depinde de mulți factori dintre care un rol principal îl au calitatea combustibilului tehnologia sa de ardere, tipul focarului și cazanului, temperatura de preîncălzire, modul de introducere a aerului în focar, etc.
Reducerea emisiilor de bioxid de carbon la arderea combsutibililor fosili se poate obține numai prin măsurile de creștere a randamentului efectiv al centralelor termoelectrice, deziderat ce poate fi atins în primul rând prin creșterea randamentului termic al ciclului (ciclurilor) care stă la baza transformării energiei primare a combustibililor în energie termică și electrică. Această ideie este prezentă și subliniată de-a lungul acestei cărți. Reținerea bioxidului de carbon rezultat din procesele de ardere industrială, folosind procedeul absorbției în monoetanolamine, respectiv procedeul separării, lichefierii și injecției în zăcămintele de țiței 1.45] sau utilizării în alt scop 1.47], se apreciază a fi deocamdată inaplicabile din diverse motive, dintre care cel economic este principal. Suluția valorificării energiilor curate este o alternativă (complementară), care însă nu poate acoperi setea de energie a populației terrei, cu precăedere a celei din țările dezvoltate. Baza va rămâne tot în eficientizarea lanțului de tansformare a a energiei chimice în electrică, prin cicurile termodinamice, cu tehnologii de ardere, clasice sau avansate, încă în curs de cercetare.
Listă bibliografică
LID
Listă bibliografică
LID
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Ridicarea Standardului de Civilizatie (ID: 129675)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.