Aceasta lucrare ofera o imagine de ansamblu a si – [624065]

Aceasta lucrare ofera o imagine de ansamblu a si –
tuatiei curente a bioenergiei in Europa. Sunt pre –
zentate avantajele folosirii biomasei in scopuri ener –
getice si nivelul tehnologic atins de procesele de con –
versie a biomasei in energie si produse energetice. Lu –
crarea este impartita in trei capitole ce acopera resur –
sele de biomasa, procesele de conversie si produsele
energetice si ceea ce Uniunea Europeana intreprinde
pentru a stimula bioenergia (legislatie, standardizare).
1. Introducere
Biomasa, ca energie solara acumulata sub forma
chimica in materia de origina vegetala sau anima –
la este una dintre cele mai pretioase si diversificata
resursa de pe pamant. Ea ofera nu numai hrana ci si
energie, materiale de constructie, hartie, medicamen –
te si chimicale. Biomasa a fost folosita in scopuri ener –
getice de cand a fost descoperit focul. Termenul de bi –
omasa acopera un domeniu larg de produse, subpro –
duse si deseuri provenite din domeniul forestier, agri –
cultura inclusiv cele provenite de la cresterea anima –
lelor, precum si deseurile municipale si cele industria –
le. Conform legislatiei Uniunii europene, “biomasa re –
prezinta fractia biodegradabila a produselor deseurilor
si reziduurilor din agricultura (inclusiv substantele ve –
getale si cele animale), domeniul forestier si industriile
conexe acestuia, precum si fractia biodegradabila din
deseurile municipale si cele industriale” [1].
Biomasa este considerata una dintre resursele re –
generabile de baza ale viitorului ce poate fi folosi –
ta la scara mica si mare. Ea contribuie in prezent cu
14% la consumul mondial de energie primara. Pentru
3/4 din populatia globului ce traieste in tarile in curs
de dezvoltare, biomasa reprezinta cea mai importan –
ta sursa de energie. In cele 25 de state ale Uniunii
europene, sursele regenerabile de energie au contri –
buit cu 6% la productia totala de energie din 2002 [1].
tinta Comisiei Uniunii Europene este ca pana in 2010,
energia regenerabila sa aibe o contributie de 12%.
Circa doua treimi din energia din sursele regenerabi –
le folosite in Europa revin biomasei (fig. 1).
Intreaga viata de pe pamant se bazeaza pe plantele
verzi, care transforma dioxidul de carbon si apa din at –
mosfera in materie organica si oxigen folosind energia
oferita de soare. Acest proces se numeste fotosinteza.
Dioxidul de carbon din atmosfera si apa de pe pamant
sunt combinate prin procesul de fotosinteza rezultand
carbohidratii care formeaza elementele constitutive
ale biomasei. Energia solara este acumulata prin foto –
sinteza in legaturile chimice ale componentelor struc –
turale ale biomasei. Cand biomasa este arsa, oxige –
nul din atmosfera se combina cu carbonul din plante
producand dioxid de carbon si apa. Procesul este ciclic
pentru ca dioxidul de carbon ajuns in atmosfera este
absorbit din nou de plante (fig. 2).
In ultimele cateva sute de ani, omul a exploatat bio –
masa fosilizata sub forma de carbune. Acest combusti –
bil fosil este rezultatul unei transformari chimice foar -te lente, ce converteste fractia polimerilor de glucide
intr-o compozitie chimica ce seamana cu fractia ligni –
na. Astfel, legaturile chimice suplimentare din carbu –
ne fac din el ca si combustibil o sursa mai concentrata
de energie. Toti combustibilii fosili-carbunele, pacura
si gazul natural reprezinta o biomasa foarte veche. De-
a lungul milioanelor de ani, pamantul a ingropat plan –
tele si le-a transformat in acesti combustibili valorosi.
Dar desi combustibilii fosili contin aceeasi constituen –
ti-hidrogenul si carbonul ca si biomasa proaspata ei nu
sunt considerati regenerabili pentru ca ei necesita un
timp foarte indelungat ca sa se formeze.
O alta diferenta intre biomasa si combustibilii fo –
sili este facuta de impacturile pe care le au asupra
mediului. Cand o planta moare ea elibereaza cea mai
mare parte din materia ei chimica inapoi in atmosfe –
ra. Combustibilii fosili sunt inmagazinati in adancul
pamantului si nu afecteaza atmosfera pamantului nu –
mai daca ei sunt arsi.
Compozitia chimica a biomasei difera multa in
functie de specie, insa se poate spune ca plante –
le contin (15-30% in stare uscata) lignina (C40H44O6)
si carbohidrati (zaharuri sau glucide). Fractia de car –
bohidrati consta din mai multe molecule de glucide
legate impreuna in lanturi lungi sau polimeri. Cele
doua categorii de carbohidrati reprezentative sunt
(40-45%) celuloza (C6H10O5) si (20-35%) hemi-celulo –
za. Fractia de lignina consta din molecule diferite de
cele ale glucidelor. Polimerii celulozei lungi sunt folo –
siti de catre natura pentru a construi fibrele care con -fera plantei soliditate. Fractia de lignina actioneaza
ca un liant ce tine fibrele de celuloza legate.
Biomasa prezinta multe avantaje ca sursa de ener –
gie. Ea poate fi folosita atat pentru producerea de
electricitate si caldura cat si pentru producerea unei
game largi de produse: combustibili lichizi pentru
transport, combustibili solizi si gazosi si alte produ –
se. Biomasa ca materie prima se prezinta sub diverse
forme, care se gasesc din abundenta in toate partile
lumii inclusiv Europa. In ultimii ani s-au dezvoltat teh –
nologii avansate de conversie a biomasei in combus –
tibili sau de ardere eficienta. De sigur, nu toate resur –
sele de biomasa pot fi folosite in scopuri energetice.
Biomasa reprezinta in acelasi timp o sursa importan –
ta de alimente, cherestea, hartie si cateva chimicale
valoroase. Din acest motiv, folosirea in scopuri ener –
getice trebuie integrata cu alte aplicatii prioritare.
Utilizarea biomasei in scopuri energetice poate
aduce beneficii semnificative sociale si economice
atat pentru zonele rurale cat si pentru cele urbane.
Lipsa actuala de acces la surse convenabile limitea –
za calitatea vietii a milioane de oameni de pe intreg
globul pamantesc, in special din zonele rurale din ta –
rile in curs de dezvoltare. Cultivarea biomasei este o
activitate rurala, intensa, care poate duce la crearea
de locuri de munca in zonele rurale si poate opri mi –
gratia de la sate la orase oferind in acelasi timp posi –
bilitatea dezvoltarii altor industrii rurale.
Mai jos sunt date costurile viitoare estimate ale unui
kWh produs prin diverse tehnologii inclusiv din biomasa.Energie din Biomasa
Tehnologiacostul in 2020
Euro cent/kWhTendinta costului in 2050
Pile de combustie nedeterminat reducere sustinuta
Producerea combinata a electricitatii si caldurii in unitati mari <3,2 reducere limitata
Producerea combinata a electricitatii si caldurii in unitati mici 4,0-5,6 reducere sustinuta
Fotovoltaica 15,9-25,4 reducere sustinuta
Turbine eoliene situate pe uscat 2,4-4,0 reducere
Turbine eoliene situate pe apa in apropierea tarmului 3,2-4,8 reducere
Energie din biomasa 4,0-6,4 reducere
Energie din combustibili fosili 4,8-7,2 nesigur
Nucleara 4,8-6,4 reducere
Ciclu combinat cu turbine cu gaze (CCGT) 3,2-3,7 reducere limitata
Ciclu combinat cu gazificare integrata a carbunelui (Coal IGCC) 4,8-5,6 reducere
Sursa: Balkan OPET Energy Newsletter, Issue No5, July 2002
Fig.1. Productia de energie in cele 25 de state ale UE in 2002 cu precizarea contributiei biomasei
Fig. 2. Ciclul carbonului in naturaEnergie Consideratii teoretice
14 Nr. 7(38)/2006

2. Resursele de biomasa
Principala sursa de biomasa o reprezinta lemnul.
Alaturi de lemn exista o larga varietate de resurse ca:
culturile cu scopuri energetice:
copaci cu viteza mare de crestere: plopul, sal –
cia, eucaliptul;
culturile agricole: trestia de zahar, rapita, sfe –
cla de zahar;
culturi perene: miscanthus;
plante erbacee cu viteza mare de crestere: Swit –
chgrass sau Panicum virgatum (o planta perena
ce creste in America de Nord), Miscanthus sau
iarba elefant (iarba de Uganda).
reziduuri:
lemnul provenit din toaletarea copacilor si din
constructii;
paiele si tulpinile cerealelor;
alte reziduuri provenite din prelucrarea unor pro –
duse alimentare (trestia de zahar, ceaiul, cafea –
ua, nucile, maslinele).
deseuri si sub-produse:
deseurile de la prelucrarea lemnului: talas, rumegus;
deseurile de hartie;
fractia organica din deseurile municipale;
uleiurile vegetale uzate si grasimile animale.
metanul capturat de la gropile de gunoi, de la sta –
tiile de tratare a apelor uzate si din balegar.
Exista un potential mare de biomasa ce poate fi si
mai mult marit printr-o utilizare mai buna a resurselor
existente si prin cresterea productivitatii culturilor.
2.1. Potential si disponibilitate
In UE, suprafata impadurita acopera 137 milioa –
ne hectare, iar suprafata agricola reprezinta 178 mili –
oane ha. Aceste resurse pot oferi, dupa ce se acope –
ra necesarul de hrana si hartie 11% din totalul anual
de energie ceruta in UE. Pentru atingerea obiective –
lor propuse pentru energia regenerabila pana in 2010
este necesar pe langa exploatarea actualei resurse si
stabilirea altora noi. Noile resurse, sub forma de cul -»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»turi realizate in scop energetic, pot oferi circa 60% ca
biomasa pentru producerea caldurii si electricitatii si
40% ca biocombustibili. Aceasta este posibila prin –
tr-un bun management agricol si utilizare a terenu –
lui. Folosirea de terenuri improprii agriculturii pentru
plantarea de copaci adecvati solului respectiv. Re –
centele reforme agricole ale UE incurajeaza culturi –
le destinate energeticii prin oferirea de subventii (45
euro/ha), asigurandu-se astfel o suprafata de 1,5 mi –
lioane ha. In tabelul 1 sunt prezentate pentru cateva
culturi, productiile la ha, iar in tabelul 2 sunt prezen –
tate productiile de reziduuri agricole.
Lemnul este utilizat atat pentru producerea de
cherestea, hartie si fibre cat si ca sursa de energie.
Ciclul de viata normal a unui copac include o perioa –
da de crestere rapida in inaltime urmata de o peri –
oada de crestere constanta in diametru, inaltime si
volum. Varsta de recoltare depinde de specie, dar in
general atinge 30-80 de ani. Circa (20-45)% din lem –
nul recoltat in fiecare an este sub forma de rezidu –
uri, adica lemnul rezultat din toaletarea copacilor si
caderile din paduri. Pentru cateva specii de copaci
cu viteza mare de crestere se poate reduce ciclul de
viata la 3-15 ani. Aceste specii sunt plopul, salcia si
eucaliptul. Crearea unei scheme economice de pro –
ducere a energiei din biomasa lemnoasa consta in
stabilirea unor sisteme logistic efective de recolta –
re, recuperare, compactare, transport, innobilare si
stocare. Recoltarea si transportul pot avea o influ –
enta semnificativa asupra costului si balantei ener –
getice. Din acest motiv trebuie acordata atentie in
alegerea metodei potrivite de transport si localiza –
rea instalatiei de conversie cat mai aproape de sur –
sa de biomasa.
Culturile cele mai utilizate in scopuri energetice
sunt cele de grau, orz, secara, trestie de zahar, sfe –
cla de zahar, plante leguminoase (lucerna sau trifoi),
plante oleagenoase (rapita), plante erbacee (miscan –
thus, switchgrass). Multe alte specii au fost studia –
te in ceea ce priveste optimizarea productiei, recol -tarea, pastrarea si procesarea. Aceste plante ofe –
ra biomasa ce poate fi arsa direct sau supusa trans –
formarilor termochimice sau biologice. Graul, seca –
ra, orzul, trestia de zahar si sfecla de zahar sunt in
general convertite in etanol. Plantele leguminoase si
plante erbaceele pot fi procesate impreuna cu bale –
garul sau deseurile pentru obtinerea de biogaz. Plan –
tele oleagenoase sunt folosite pentru producerea de
biodiesel. Exista plante care pot fi procesate pentru
obtinerea simultana de material celulozic si bioeta –
nol. Astfel de planta este sorgul dulce. Unele dintre
plantele enumerate sunt perene, iar altele sunt anu –
ale, dar toate sunt potrivite unei agriculturi conven –
tionale. Ambele culturi, cele destinate productiei de
energie si cele destinate alimentatiei trebuie reali –
zate impreuna pentru a maximiza eficienta fermelor
agricole. Avantajul celor destinate energeticii consta
in faptul ca ele nu necesita cele mai bune terenuri si
nici prea multa ingrijire, apa si fertilizatori. Acest lu –
cru se datoreaza faptului ca importanta este cantita –
tea si nu calitatea.
Reziduurile si sub-produsele agricole sunt cele pro –
venite din prelucrarea lemnului (rumegus, talas, pla –
caj, coaja, lesie rezultata din prelucrarea celulozei) si
din recoltarea si procesarea plantelor alimentare (ce –
reale, trestie de zahar, ceai, cafea, orez, bumbac, arbo –
rele de cauciuc, palmierul de cocos). Numai 20% din
productia de paie poate fi folosita in scopuri energeti –
ce, restul de productie utilizata pentru acoperirea ne –
voilor din sectorul agricol si altele. Balegarul este o
alta sursa utila ce provine din sectorul agricol.
O sursa de biomasa care nu a fost exploata –
ta pana acum o reprezinta biomasa marina, forma –
ta din plancton si alge. Avand in vedere volumul ma –
rilor, aceasta sursa poate constitui o sursa majora de
energie pentru viitor.
Deseurile solide municipale rezulta in principal
din activitatea domestica din gospodarii. Fiecare
cetatean al UE produce in medie mai mult de 500 kg
deseuri pe an. Cantitatea totala produsa in UE este
de 225 milioane tone pe an. Puterea calorica a frac –
tiei organice din deseurile solide municipale se ga –
seste in intervalul (8000-12000) kJ/kg, ceea ce in –
seamna circa o treime din puterea calorica a car –
bunelui. Decizia asupra utilizarii acestora ca sursa
de energie este legata de politica de gestiune lo –
cala si nationala a deseurilor si de dispozitia popu –
latiei spre reciclare si incinerare. Alegerea filierei
de tratare a deseurilor intr-o localitate se face ti –
nand cont printre altele de compozitia si proprieta –
tile acestora, de tehnologiile disponibile si de pia –
ta diferitelor materiale reciclabile. Intregul proces
de gestiune trebuie sa fie integrat pentru a se evita
conflictele intre diferitele filiere de tratare. In gene –
ral, deseurile cu putere calorica mare sunt folosite
pentru producerea de caldura si electricitate. Pentru
asta, deseurile sunt fie incinerate, fie transformate
in combustibili solizi, lichizi sau gazosi ce pot fi mai
usor de transportat si folositi pentru producerea de
caldura si electricitate sau pentru alimentarea au –
tovehiculelor (fig. 3). Fractia biodegradabila poate fi
folosita impreuna cu alte deseuri pentru producerea
de biogaz prin compostare sau digestie anaeroba.
Biogazul poate fi recuperat de la haldele de deseuri
sau produs prin fermentatia atat a deseurilor solide
municipale dar si a namolului de la statiile de trata -Tabelul 1. Productivitatea unor culturi.
Productia de materie uscata
t/haCulturaProductia echivalenta de petrol
l/ha
30 miscanthus, sorg, sorg dulce, stuf 12 000
20mazare, floarea-soarelui, canepa, ce –
reale, papura, salcie, plop, eucalipt8 000
10 rapita, hrisca, salcam 4 000
Tabelul 2. Productia de reziduuri agricole.
Planta Reziduul Productia de reziduu tone/tona de cultura
Orez paie 1,1-2,9
Grau paie 1,0-1,8
Porumb tulpina+stiulete 1,2-2,5
Sorg tulpina 0,9-4,9
Mei tulpina 2,0
Orz paie 1,5-1,8
Secara paie 1,8-2,0
Ovaz paie 1,8
Alune de pamant coji 0,5
Alune de pamant tulpina 2,3
Mazare tulpina 5,0
Bumbac tulpina 3,5-5,0
Iuta tulpina 2,0
16 Nr. 7(38)/2006Energie Consideratii teoretice

re a apelor uzate, a balegarului si a efluentilor din
agricultura si industria alimentara. Prin producerea
si recuperarea biogazului, care contine in cea mai
mare parte metan se realizeaza si reducerea emisi –
ei unuia dintre gazele cu puternic efect de sera. In
tabelul 3 este data compozitia masica orientativa a
deseurilor solide municipale din UE.
In Romania exista doua zone de distributie a bi –
omasei (ISPE SA Bucuresti, „Renewable Energy
Country Profile”, 2002). Circa 90% din lemnele de
foc si 55% din deseurile de lemn se gasesc in zona
Carpatilor si a Subcarpatilor. Circa 54% din dese –
urile agricole se gasesc in campiile de sud si Mol -dova. Circa 52% din biogaz se gaseste in campii –
le de sud si campiile de vest. Din suprafata tota –
la a Romaniei, pentru agricultura se foloseste cir –
ca 40%, iar cea impadurita reprezinta 27%. in pre –
zent se foloseste circa 70% din resursele de lemn
de foc. Din intreaga suprafata agricola, pentru cul –
tura cerealelor se foloseste 66%, pentru culturi fu –
rajere 14% si pentru culturi tehnice 13%. Potrivit
Regiei Autonome a Padurilor ROMSILVA produc –
tia anuala de cherestea poate ajunge la 18 000
000 m3 in anul 2020, cea mai mare parte fiind uti –
lizata in constructii si industria hartiei. In tabelul
4 sunt date cele mai importante resurse de bioma –
sa din Romania.
3. Conversia biomasei
Exceptand cazurile in care arderea directa este
potrivita, biomasa bruta necesita transformarea in
combustibili solizi, lichizi sau gazosi care pot fi fo –
lositi pentru producerea de caldura, electricitate
si drept combustibil pentru autovehicule. Aceas –
ta conversie se realizeaza prin procese mecani –
ce, termice sau biologice. Procesele mecanice nu
sunt strict de transformare deoarece ele nu schim –
ba natura biomasei. Exemple de astfel de procese
sunt: sortarea si compactarea deseurilor, procesa –
rea reziduurilor de lemn in baloti, pelete si briche –
te, tocarea paielor si cocenilor, presarea semintelor
oleagenoase. Astfel de procese sunt folosite pen –
tru pretratarea biomasei. Arderea, gazificarea si pi –
roliza sunt exemple de procese termice. Ele produc,
fie caldura, fie un gaz sau lichid. Gazul poate fi folo –
sit pentru alimentarea unui motor sau a unei pile de
combustie. Lichidul poate fi transformat mai depar –
te in combustibili lichizi sau gazosi. Fermentatia si
digestia sunt exemple de procese biologice. Aces –
tea se bazeaza pe activitatea microbiana sau enzi –
matica de transformare a zaharului in etanol, sau
a biomasei in combustibili solizi sau gazosi. In fig.
4 sunt schematizate principalele directii de conver –
sie a biomasei.
Cele mai folosite tehnologii de transformare a bi –
omasei folosesc caldura.
O comparatie intre purtatorii de energie produsi
din biomasa poate fi realizata pe baza abilitatii aces –
tora de a produce caldura, electricitate si combusti –
bili pentru motoare. Un mijloc util de comparare a bi –
omasei si combustibililor fosili se bazeaza pe rapoar –
tele lor O:C si H:C, cunoscut ca diagrama Van Kre –
vlen (fig. 5). Cu cat sunt mai mici rapoartele respec –
tive, cu atat este mai mare continutul de energie al
materiei respective.
Fig. 3. Filierele de tratare si conversie a deseurilor solide municipale.
Tabelul 3. Compozitia masica orientativa a deseurilor solide municipale din UE.
Materiale din hartie si carton 35 % Materiale feroase 6%
Materiale plastice 9 % Materiale neferoase 1%
Textile 2% Materiale combustibile 8%
Sticla 7% Materiale necombustibile 2%
Materiale putrescibile 19% Fractia fina 11%
Tabelul 4. Resursele de biomasa din Romania (FAO, FAOSTAT Database si „Forestry Information System”, 2002, www.fao.org).
Tipul de resursa de biomasaProductia totala
toneProductia medie
tone/1000 ha
Principalele 10 culturi agricole
lucerna pentru furaj 7 846 000 341
porumb 7 777 600 338
leguminoase (amestec pentru furaj) 6 316 667 274
grau 5 364 014 233
plante de nutret 4 678 167 203
cartofi 3 742 300 162
leguminoase pentru boabe 2 949 367 128
trifoi pentru furaj 2 704 367 117
legume si radacinoase 1 244 867 54
struguri 1 170 786 51
Animale numar numar/1000 ha
bovine 3 097 000 134
pasari 69 312 000 3 009
porcine 6 521 000 283
Produse forestiere m3m3/1000 ha
lemn de foc si mangal 3 152 600 137
reziduuri de lemn 243 500 15
19 Nr. 7(38)/2006Consideratii teoretice Energie

3.1. Arderea biomasei
Arderea este cea mai veche si utilizata. Eficienta
de transformare in electricitate este de 20-25%. Bi –
omasa poate fi arsa direct (asa cum este ars lemnul
pentru incalzire sau incinerate deseurile) sau arsa si –
multan cu carbunele (co-ardere). Cazanele moderne
sunt proiectate sa foloseasca co-arderea pentru a re –
duce emisiile de CO2. La proiectarea sistemului de ar –
dere se tine seama de caracteristicile combustibilu –
lui ce urmeaza sa fie folosit, de legislatia de mediu,
costul si performantele echipamentelor disponibile.
In timpul arderii, o particula de biomasa trece prin
mai multe faze, mai mult sau mai putin distincte. Mai
intai are loc uscarea, pana la temperaturi de 100C,
apoi pe masura ce incalzirea continua, are loc piroli –
za si/sau gazificarea, urmata de arderea propriu-zisa
si lichefierea.
Umiditatea limita a biomasei pentru sustinerea ar –
derii nu trebuie sa depaseasca 60% din masa. Umidi –
tatea este o proprietate a biomasei foarte importan –
ta de care depinde proiectarea instalatiei de ardere
si desfasurarea procesului de ardere.
In tabelul 5 sunt prezentate schematizat caracte –
risticile biocombustibilior masici si efectele lor mai
importante.
Biomasa este diferita de carbune in ceea ce pri –
veste continutul de materii organice si anorganice,
puterea calorica si proprietatile fizice. Fata de car –
bune, biomasa are in general mai putin carbon, alu –
miniu si fier si mai mult oxigen, silice si potasiu, are
putere calorica mai mica, continut de apa mai mare,
densitate mai mica si friabilitate redusa. Arderea bi –
omasei implica modificarea procesului de ardere in
orice instalatie, datorita compozitiei biomasei, mai
ales continutului de volatile. Puterea calorica a bio –
masei este mult mai mica decat cea a carbunelui da –
torita continutului ridicat de umiditate si de oxigen.
Este recomandat ca biocombustibili solizi ce vor fi
folositi in instalatiile casnice, comerciale si industri –
ale sa fie supusi unor procese de pretratare cum ar fi:
spalarea, uscarea, reducerea marimii si compactarea
(fig. 6), pentru a se obtine o mai mare uniformitate, a
face mai usoara manipularea si a reduce umiditatea
la un nivel acceptabil.
Lemnul este cel mai folosit biocombustibil solid.
Materialul brut poate avea urmatoarele forme: bus –
teni, butuci, tulpini, frunze si ace din padure, scoar –
ta, rumegus, surcele si talas din industria lemnului si
lemnul recuperat din constructii. Acestea pot fi folosi –
te cand este posibil direct ca un combustibil, sau pot
fi procesate in forme mai usor de transportat, stocat si
ars cum ar fi: peletele, brichetele si praful de lemn.
Lemnul de foc este combustibil forestier in forma
de tulpina tratata sau nu de copac. Pentru manipula –
rea mai usoara, tulpinele sunt facute snopi prin pre –
sarea impreuna a ramurilor in snopi avand marimi
egale, asemanatori unui bustean.
Peletele sunt produse prin maruntirea rumegusu –
lui, aschiilor, surcelelor sau a cojii de copac si presa –
rea prafului obtinut printr-o matrita. Caldura rezultata
in urma frecarii este suficienta pentru inmuierea lig –
ninei. Prin racire, lignina devine rigida si leaga mate –
rialul. Peletele au forma cilindrica sau sferica cu dia –
metrul mai mic de 25 mm.
Brichetele au forma rectangulara sau cilindrica si
sunt obtinute prin presarea impreuna a rumegusului,
Fig. 4. Caile de conversie a biomasei.
Fig. 5. Diagrama Van Krevelen pentru diferiti combustibili fosili.
Tabelul 5. Caracteristicile combustibililor masici obtinuti din biomasa si efectele lor mai importante.
Caracteristica Efectul
Proprietatile fizice
continutul de umiditate durata de stocare, puterea calorica inferioara, autoaprindrea, proiectarea instalatiei
puterea calorica inferioara, puterea
calorica superioarautilizarea combustibilului, proiectarea instalatiei
continutul de volatile comportamentul la descompunerea termica
continutul de cenusaemisia de particule solide, manipularea cenusii, utilizarea/indepartarea cenusii,
tehnologia de ardere
temperatura de topire a cenusii siguranta in functionare, tehnologia de ardere, sistemul de control a procesului
densitatea in vrac stocarea, transportul si manipularea combustibilului
dimensiuni, forma manipulare, tehnologia de ardere
granulatie uscare, formarea prafului
rezistenta la abraziune schimbarea calitatii, segregarea
Proprietati chimice
continutul de C puterea calorica superioara
continutul de H puterea calorica superioara, puterea calorica inferioara
continutul de O puterea calorica superioara
continutul de Cl coroziune, emisii de HCl, dioxine si furani
continutul de N emisia de Nox, N2O, coroziune
continutul de S emisia de Sox, coroziune
continutul de Kcoroziunea schimbatoarelor de caldura, reduce temperatura de topire a cenusii,
formarea aerosolilor, utilizarea cenusii
continutul de Nareduce temperatura de topire a cenusii, coroziunea schimbatoarelor de caldura,
formarea aerosolilor
continutul de Mg mareste temperatura de topire a cenusii, utilizarea cenusii
continutul de Ca mareste temperatura de topire a cenusii, utilizarea cenusii
continutul de metale grele emisii poluante, utilizarea cenusii, formarea aerosolilor
20 Nr. 7(38)/2006Energie Consideratii teoretice

aschiilor, surcelelor sau a cojii de copac intr-o pre –
sa cu piston sau surub. Continutul de energie al pe –
letelor si brichetelor este de circa 17 GJ/tona cu un
continut de umiditate de 10% si o densitate de cir –
ca 600-700kg/m3.
3.1.1. Puterea calorica a biomasei
Exista multe incercari de corelare a puterii calori –
fice cu compozitia. Celuloza are o putere calorica mai
mica decat a ligninei datorita gradului mare de oxi –
dare. Alti compusi, precum sunt hidrocarburile cu un
grad redus de oxidare fac sa creasca puterea calorica
a biomasei. Puterea calorica a biomasei este strans
legata de continutul de lignina. astfel, puterea calori –
ca superioara pentru o proba uscata si lipsita de ce –
nusa se poate calcula cu relatia [7]:
Qs = 88,9 · ( LC) + 16.821,8, kJ/kg
unde ( LC) reprezinta continutul de lignina raportat
la starea uscata si lipsita de cenusa, %.
Puterea calorica superioara a biocombustibililor
poate fi calculata in functie de continutul de carbon
fix, Cf (%) cu formula [7]:
Qs = 196 Cf + 14.119, kJ/kg
In literatura au fost dezvoltate formule de estima –
re a puterii calorifice pentru combustibilii din diferi –
te materiale ligno-celulozice si uleiurile vegetale pe baza analizei lor chimice. Pentru biocombustibilii so –
lizi se poate folosi formula modificata a lui Dulong,
ca functie de continutul de carbon, C (%), hidrogen,
H (%), oxigen O (%) si azot, N (%) [7]:
Qs = 33.500 C + 142.300 H – 15.400 O – 14.500 N, kJ/kg
in literatura de specialitate poate fi gasita si for –
mula [6]:
Qsanh = 349,1· Canh + 1.178,3· Hanh + 100,5· Sanh – 15,1· Nanh
– 103,4· Oanh – 21,1· Aanh, kJ/kg
unde Canh, Hanh, Sanh, Nanh, Oanh, Aanh reprezinta continu –
turile in procente de carbon, hidrogen, sulf, azot, oxi –
gen si respectiv cenusa raportate la starea anhidra.
In tabelul 6 sunt date puterile calorifice superioare
ale celor mai utilizati combustibili solizi.
3.1.2. Probleme ce apar la arderea biomasei in cazane
Tehnologiile de ardere a biomasei prezinta cate –
va probleme. Cele mai importante tin de murdari –
rea si coroziunea suprafetelor de schimb de caldu –
ra. Zgurificarea si murdarirea reduc schimbul de cal –
dura al suprafetelor si cauzeaza coroziunea. Coroziu –
nea si eroziunea duc la scurtarea duratei de viata a
echipamentelor. Depunerile sau murdarirea suprafe –
telor este provocata de materia anorganica prezen –
ta in biomasa ce arde. Sodiul, Na si potasiul, K co-
boara temperatura de topire a cenusii si prin urmare
Fig. 6. Mostre de biomasa compactata.
Tabelul 6. Puterea calorica a unor combustibili solizi
obtinuti din biomasa.
BiomasaPuterea calorica superioara ra –
portata la starea anhidra, kJ/kg
Tulpini de lucerna (trifoi) 18 400
Coji de migdale 19 400
Tulpini de bumbac 15 800
Coji de alune de pamant 15 700-20 00
Samburi de masline 21 400
Coji seminte de floarea
soarelui16 120
Tulpini de floarea soarelui 21 800
Coji de nuci 21 100
balegar 14 800
Mangal 31 800
Deseuri vegetale 12 600
Paie de grau 17 200-18 900
Paie de orez 15 200
Coji seminte de orez 15 500-19 800
Lemn 15 500
Tulpini de porumb 15 700-16 200
Stiuleti de porumb 17 400
Tulpini de tutun 16 400 (7% umiditate)
Coarde de vita de vie 16 500 (7% umiditate)
Ramuri de mar 15 200 (7% umiditate)
21 Nr. 7(38)/2006Consideratii teoretice Energie

este intensificata depunerea de cenusa pe tevile ca –
zanului. Calciul, Ca si magneziul, Mg fac sa creasca
temperatura de topire a cenusii. Siliciul, Si se poate
combina cu K producand silicati cu temperatura redu –
sa de topire in particulele volatile. Acest proces este
important pe de-o parte in evitarea sinterizarii/aglo –
merarii si topirii cenusii pe gratarul de ardere sau in
stratul fluidizat instalatiilor de ardere si pe de alta
parte in impiedicarea zgurificarii cenusii pe suprafa –
ta schimbatoarelor de caldura. Paiele de cereale si
iarba au un continut ridicat de K, Cl si sulfati si re –
dus de Ca. Arderea cojilor de migdale este insotita
de murdarirea si corodarea puternica a suprafetelor
de schimb de caldura. Desi acestea au un continut ri –
dicat de metale alcaline, continutul lor in clor si sulf
este redus fata de alti combustibili. Potasiul si sodiul
combinate cu clorul si sulful au un rol determinant in
mecanismul de corodare. Aceste elemente se evapo –
ra in timpul arderii formand cloruri ce se condensea –
za pe tevile schimbatoarelor de caldura si reactionea –
za formand sulfati si eliberand clorul.
Clorul are o functie catalitica asupra reactiei de oxi –
dare a tevilor schimbatoarelor de caldura, in special la
temperatura redusa (100-150°C). Combustibilii ce pre –
zinta un raport molar S:Cl mai mic de 2 provoaca coro –
ziunea deoarece in acest caz se formeaza clorurile me –
talelor alcaline. Volatilizarea urmata de condensarea
metalelor volatile duce la formarea de cenusa zbura –
toare de dimensiuni mai mici de 1μm (aerosoli) ce este
greu de retinut in instalatiile de filtrare. Depunerea de
cenusa pe suprafetele de schimb de caldura la arde –
rea biomasei poate avea loc intr-o masura mai mare
sau mai mica decat la arderea carbunelui. La arderea
amestecului de biomasa si carbune, depunerea de ce –
nusa are loc intr-o masura mai mica decat la arderea
numai a unuia dintre combustibili. Aderenta si durita –
tea depunerilor la arderea biomasei sunt mai ridicate
decat cele de la arderea carbunelui.
Instalatiile de ardere in strat fluidizat circulant sunt
potrivite pentru rearderea cenusii, pentru ca ele sunt
flexibile la schimbarea combustibilului si produc cenu –
sa fara combustibil nears. Continutul ridicat de carbon
nears in cenusa reduce stabilitatea chimica a cenusii
si mareste foarte mult volumul cenusii, ceea ce face
sa creasca costul de manipulare, transportare si de –
pozitare a cenusii. Pentru a diminua aceste efecte, ce –
nusa trebuie recirculata in vederea rearderii sau tre –
buie imbunatatit procesul de ardere. Rearderea cenu –
sii duce la reducerea emisiei de NOx cu 20%, dar si la
cresterea emisiei de CO la circa 100-140ppm. Cantita –
tea de cenusa recirculata trebuie sa fie redusa pentru
a evita cresterea tendintei de coroziune in cazan. Be –
neficiile economice ale instalatiilor de ardere in start
fluidizat circulant se rezuma la costul redus al combus –
tibilului si manipularii cenusii. Cenusa rezultata poate
fi reciclata si folosita drept nutrient pentru terenurile
impadurite. Cenusa zburatoare de la arderea biomasei
in strat fix are un continut ridicat de carbon nears si de
aceea nu este potrivita reciclarii directe. Instalatiile de
ardere in strat fix produc o cenusa zburatoare cu pes –
te 50% carbon nears.
Coroziunea preincalzitorului de aer este provo –
cata de prezenta speciilor higroscopice in depu –
neri (in particular cloruri ale fierului) ce sunt supu –
se unor variatii largi de temperatura determinate de
functionarea intermitenta a instalatiei. S-a obser –
22 Nr. 7(38)/2006Energie Consideratii teoretice

vat ca metalele alcaline in general si potasiul cu so –
diul in particular au reactivitate mai mare in cenusa
combustibililor obtinuti din biomasa decat in cenu –
sa carbunilor. In comparatie cu depunerile genera –
te in timpul arderii carbunelui, depunerile rezultate
la arderea biocombustibililor sunt mai dense si mai
greu de inlaturat. Coroziunea de inalta temperatu –
ra a suprafetelor de schimb de caldura se datorea –
za prezentei clorului in cenusa depusa. Continutul
in clor al cenusii scade brusc cu cresterea continu –
tului in sulf si de aceea la arderea simultana (co-ar –
derea) biomasei cu continut ridicat de Cl si redus de
S cu carbune ce contine S rezulta depuneri cu con –
tinut redus de Cl, ceea ce faciliteaza controlul N2O.
In concluzie se poate spune ca fenomenul de coro –
dare depinde de continutul de Cl, de metale alcali –
ne si S in combustibil.
In tabelul 16 sunt prezentate schematizat proble –
mele pe care le ridica prezenta unor elemente in bi –
ocombustibilii solizi, precum si posibilitatile tehnolo –
gice de remediere a acestora.
3.1.3. Tehnologii de ardere
Principalele tipuri de instalatii de ardere a bioma –
sei sunt urmatoarele:
Focarele cu gratar, care in general au o pute –
re de 20 MWt sunt folosite pentru arderea bio –
masei cu continut mai mare de umiditate si ce –
nusa si de dimensiuni variabile, dar nu prea mici.
Pot fi arse amestecuri de biocombustibili pe baza
de lemn dar nu si amestecuri ale acestora cu pa –
iele datorita diferentei dintre caracteristicile de
ardere, umiditate si temperatura de topire a ce –
nusii. Arderea se realizeaza in trepte (fig. 7). Tur –
bulenta in camera primara, de ardere a mangalu –
lui, trebuie sa fie mica pentru a asigura un strat
cu material incandescent stabil. Turbulenta in ca –
mera secundara de ardere trebuie sa fie ridicata
pentru a asigura o amestecare corespunzatoare
intre gazele combustibile si aerul secundar. Func –
tioneaza bine si la sarcini reduse de pana la 25%
prin controlarea aerului primar. Gratarul poate fi
racit cu apa.
In fig. 8 este prezentata o instalatie de uz casnic
de incalzire ce foloseste arderea inversa a lemnelor
de foc. Arderea inversa, adica curgerea gazelor de
ardere de sus in jos prin stratul de ardere si cu ali –
mentarea aerului atat deasupra gratarului cat si sub
acesta este tot mai folosita in instalatiile casnice da –
torita avantajelor pe care le prezinta:
reducerea emisiilor de compusi organici vo –
latili;»procesul de ardere este continuu si stationar, spre deo –
sebire de arderea obisnuita, care este nestationara, ci –
clica determinata de alimentarea cu combustibil;
oprirea alimentarii cu aer face ca arderea sa in –
ceteze spre deosebire de arderea obisnuita, unde
dupa intreruperea alimentarii cu aer se continua
degajarea volatilelor cu evacuarea lor din came –
ra de ardere;
exploatarea si controlul sunt mai facile.»
»
»
Fig. 7. Schema arderii in trepte.
23 Nr. 7(38)/2006Consideratii teoretice Energie

Focarele cu alimentare inferioara, ce reprezinta o
tehnologie ieftina si sigura pentru instalatii pana la
6MWt sunt destinate arderii combustibililor cu conti –
nut redus de cenusa si de dimensiuni mici ca: pelete,
rumegus si talas. Alimentarea cu combustibil se face
pe la partea inferioara a camerei de ardere cu ajuto –
rul unui transportor elicoidal.
Instalatiile de ardere in strat fluidizat sunt folosi –
te inca din 1960 pentru arderea deseurilor solide mu –
nicipale si industriale. Camerele de ardere sunt verti –
cale de forma cilindrica cu pereti refractari sau ecra –
nati. Aceste instalatii folosite pentru biocombustibili
pot depasi puteri de 30MWt. Biomasa este arsa intr-
o suspensie formata din gaz si materialul inert gra –
nular al stratului (nisip, alumina, olivina si dolomita)
in care aerul de ardere este insuflat pe la partea in –
ferioara. Sistemele cu strat fluidizat sunt flexibile in
ceea ce priveste combustibilii. Arderea in strat flui –
dizat este tot mai folosita deoarece materialul inert
din stratul fluid, care reprezinta 90-98% din ames –
tecul material inert-combustibil actioneaza ca un re –
gulator termic ce compenseaza variatiile continutu –
lui de umiditate si mentine constant fluxul de caldu –
ra produsa si calitatea gazelor. De asemeni, mediul
ofera avantajul unei bune amestecari si al unui trans –
fer termic intens, ceea ce confera conditii uniforme
de ardere cu un coeficient de exces de aer mic (1,1-
1,2 pentru stratul recirculant si 1,2-1,4 pentru stratul
stationar). In ciuda arderii la temperatura relativ re –
dusa, regula “trei T” (temperatura, timp de rezidenta
si turbulenta) pentru o ardere de inalta calitate este
bine respectata, eficienta arderii fiind de 99-100%.
Temperatura trebuie mentinuta sub 800C pentru a
se evita sinterizarea in strat. Controlul temperaturii
se face prin recircularea gazelor de ardere sau prin
injectie de apa.
Co-arderea biomasei cu carbunele in cazanele
proiectate pentru carbune este tot mai utilizata pen –
tru ca se folosesc investitiile si infrastructura asoci –
ate centralelor termoelectrice cu combustibili fosili
si in acelasi timp se reduc emisiile de poluanti ( SOx,
NOx etc.) si de gaze cu efect de sera ( CO2, CH4, N2O).
Instalatiile existente de ardere a carbunelui pot folo –
si pe langa carbune pana la 10% biomasa fara nici o
modificare. Co-arderea poate fi directa atunci cand
se realizeaza arderea biomasei impreuna cu carbu –
nele intr-o camera de ardere si indirecta atunci cand arderea biomasei se realizeaza intr-un focar separat
iar gazele de ardere rezultate sunt trimise in caza –
nul de abur pe carbune, sau cand biomasa este ga –
zificata separat, iar gazele combustibile alimenteaza
camera de ardere a carbunelui. Eficienta arderii bio –
masei in cazul co-arderii este de 34% ca si la arde –
rea carbunelui. Utilizarea biomasei in ciclurile combi –
nate cu instalatie de gazificare se face cu o eficien –
ta de 35-45%.
Tratarea gazelor de ardere a biomasei este simi –
lara gazelor de ardere a carbunilor. Emisiile de NOx
sunt controlate prin tehnici de ardere. Pentru elimina –
rea SOx nu sunt necesare masuri secundare, deoare –
ce prin arderea biocombustibililor nu se produce asa
mult SOx ca la arderea carbunelui. Deoarece emisii –
le de cenusa si funingine pot duce la formarea aero –
solilor sunt necesare masuri suplimentare de curati –
re a gazelor de ardere.
3.2. Gazificarea biomasei
Procesele de gazificare pot fi privite ca si conver –
sia prin ardere, dar la care participa mai putin oxigen
decat la ardere. In functie de raportul dintre cantita –
tea de oxigen ce intra in reactie si cea necesara arderii
complete, denumit raport echivalent, se poate calcula
compozitia gazului produs (fig. 9). Pentru un raport sub
0,1, procesul se numeste piroliza si numai o mica par –
te din energia chimica a biomasei se regaseste in ga –
zul produs, restul regasindu-se in carbonul si biouleiul
produs. Daca raportul este cuprins intre 0,2 si 0,4, pro –
cesul se numeste gazificare . Aici are loc transferul ma –
xim de energie de la biomasa la gazul produs.
Gazificarea termochimica este procesul de conver –
sie prin oxidare partiala la temperatura ridicata a ma –
teriei ce contine carbon, ca biomasa sau carbunele, cu
formarea unui gaz denumit gaz de gazogen, “gaz cu
putere calorica medie” (MHV gas) sau “gaz de calita –
te medie”. Acest gaz contine CO, CO2, H2, CH4 si can –
titati mici de hidrocarburi mai grele ca etanul si ete –
na, apa, azot (daca se foloseste aerul ca agent de oxi –
dare) si diferiti contaminanti precum particule mici de
cocs, cenusa, gudroane si uleiuri. Oxidarea partiala
poate fi realizata utilizand aer, oxigen, abur sau ames –
tecuri ale acestora. Gazificarea cu aer produce un gaz
cu putere calorica redusa (4000-7000 kJ/m3N, putere
calorica superioara), care este potrivit pentru utiliza –
rea la cazane, motoare si turbine, dar nu este potrivit transportarii prin conducte datorita densitatii energe –
tice scazute. Gazificarea cu oxigen produce un gaz cu
putere calorica mai mare (10000-18000kJ/m3N, pute –
re calorica superioara), care este potrivit pentru o dis –
tributie limitata cu ajutorul conductelor si pentru utili –
zarea ca gaz de sinteza (amestecul format din CO, H2 si
urme de CO2 obtinut prin curatirea gazului de gazogen).
Acest gaz mai poate fi produs si prin gazificare piroli –
tica sau cu abur, caldura necesara procesului fiind asi –
gurata prin arderea produsului auxiliar-carbonul intr-
un reactor secundar.
Gazificarea se poate aplica biomasei cu continut
de umiditate mai mic de 35%.
Gazul de sinteza poate fi convertit in alti combusti –
bili mai valorosi, chimicale sau materiale. Procesul Fis –
cher-Tropsch converteste gazul de sinteza in combus –
tibili lichizi pentru transport. O varietate de procese ca –
talitice pot transforma gazul de sinteza intr-o mare nu –
mar de chimicale sau alti combustibili si produse.
Gazificarea cu aer este tehnologia cea mai utiliza –
ta deoarece sunt evitate costurile si pericolele asoci –
ate producerii si utilizarii oxigenului aferente gazifi –
carii cu oxigen, precum si complexitatea si costul re –
actoarelor multiple de la gazificarea pirolitica sau cu
abur, unde sunt necesare doua reactoare.
Gazul de sinteza poate fi transformat la presiune
ridicata folosind catalizatori (pentru pastrarea rapor –
tului stoechiometric optim dintre reactanti) in biome –
tanol (CH3OH). Eficienta conversiei gazului de sinteza
in biometanol este de circa 85%, iar cea a intregului
proces incluzand conversia biomasei prin gazificare
este de 40-45%. Biometanolul are aceeasi cifra octa –
nica ca si bioetanolul, dar puterea calorica este mai
mica (18.000 kJ/kg). Totusi eficienta motorului func –
tionand cu biometanol este mai mare cu 20% fata de
cel ce functioneaza cu benzina. Biometanolul poate fi
folosit in amestec cu benzina in motoarele Otto nor –
male sau in motoare Otto si Diesel modificate, cum
ar fi motoarele cu aprindere prin scanteie functio –
nand cu biometanol vaporizat, vaporizarea realizan –
du-se cu caldura preluata de la agentul de racire a
motorului. Biometanolul este mai toxic si mai agresiv
pentru materialul motorului fata de bioetanol.
3.3. Piroliza biomasei
Piroliza reprezinta descompunerea termica ce are
loc in absenta oxigenului. Este primul pas in procesele
Fig. 8. Instalatie casnica de ardere cu gratar fix.
Fig. 9. Compozitia calculata a gazului rezultat din reactia
la echilibru dintre biomasa si aer.
24 Nr. 7(38)/2006Energie Consideratii teoretice

de ardere si gazificare. Este cunoscuta de sute de ani
ca tehnologia de producere a mangalului si a unor chi –
micale. Au fost propuse mai multe cai si mecanisme.
In fig. 8 este prezentat un model de piroliza a celulozei
cu caile si posibilitatile de maximizare a produselor.
Produsele obtinute prin diferite procedee de piroli –
za a biomasei sunt date in tabelul 7. Se poate observa
cum temperatura si timpul de rezidenta influenteaza
productia de mangal, produse lichide sau gazoase.
Cea mai folosita metoda este piroliza rapida. Aceas –
ta consta in incalzirea rapida a biomasei la temperatu –
ra bine controlata de circa 500°C urmata de racirea
foarte rapida (<2sec) a volatilelor formate in reactor.
Ofera avantajul unic al producerii unui lichid ce poate
fi acumulat si transportat. Aceasta metoda desi este in
dezvoltare cunoaste deja mai multe configuratii.
Cele mai folosite tipuri de reactoare sunt cu strat
fluidizat stationar sau cu curgere globulara, strat flu –
idizat circulant, con rotativ, strat miscator sub vacu –
um si tip Auger.
Biouleiul produs prin piroliza este miscibil cu apa
si este format din mai multe substante chimice or –
ganice oxigenate. Principalele caracteristici ale bio –
uleiului sunt:
culoare brun inchis
putere calorica 17 000kJ/kg
aciditate pH pH2,5
densitate 1200kg/m3
miros puternic
miscibilitate nemiscibil cu hidrocarburile
viscozitate creste in timp
volatilitate scade in timp
Datorita complexitatii si naturii biouleiului acesta are
unele proprietati mai putin comune (depunerile, creste –
rea viscozitatii, scaderea volatilitatii si separarea faze –
lor in timp). De aici rezulta necesitatea imbunatatirii ca –
litatii biouleiului. Aceasta poate fi facuta prin metode fi –
zice: retinerea mangalului prin filtrare, emulsionarea cu
hidrocarburi, aditie de solvent si metode chimice: reac –
tie cu alcooli si dezoxigenare catalitica.
Costul biouleiului poate fi calculat cu relatia [22]:
»
»
»
»
»
»
»
»Tabelul 7. Produsele pirolizei biomasei.
ProcesulProdusul
% din biomasa uscata
Lichid Mangal Gaz
Piroliza rapida
temperatura moderata
timp de rezidenta mic75 12 13
Carbonizarea
temperatura redusa
timp de rezidenta mare30 35 35
Gazificarea
temperatura inalta
timp de rezidenta mare5 10 85unde: CBU – costul biouleiului, lei/GJ;
Cl – costul lemnului folosit pentru piroliza, lei/(tona
de lemn uscat);
M – cantitatea de lemn uscat folosita pentru pro –
ducerea de bioulei, t/h.
Biouleiul nu este mult utilizat din urmatoarele motive:
costul este mai mare cu 10-100% decat al com –
bustibililor fosili;
disponibilitatea este limitata;
lipsa standardelor si calitatea schimbatoare inhi –
ba utilizarea larga;
nu este compatibil cu combustibilii conventionali;
utilizatorii nu sunt familiarizati cu biouleiul;
necesita manipulare speciala.
Desi cele mai multe procese de piroliza sunt pro –
iectate pentru producerea biocombustibililor, hidro –
genul poate fi produs in mod direct prin piroliza rapi –
da, daca temperatura este ridicata si timpul de rezi –
denta a fazei volatile este suficient.
Uleiul produs prin piroliza poate fi separat in doua frac –
tiuni in functie de solubilitatea in apa. Fractia solubila in
apa poate fi folosita pentru producerea de hidrogen.
3.4. Procese biochimice de conversie a biomasei
Principalele proces e biochimice de conversie a bio –
masei sunt fermentatia si digestia anaeroba.
Fermentatia este folosita pe scara larga in diferite
tari pentru producerea de bioetanol (C2H3OH) din tres –
tie de zahar, sfecla de zahar, grau sau porumb. Fermen –
tatia cuprinde urmatoarele etape: biomasa este zdrobi –
ta si amidonul convertit in zaharuri de catre enzime, apoi
zaharurile sunt convertite in bioetanol de catre drojdie
(un organism ce secreta enzime catalitice) si in final se –
pararea si purificarea bioetanolului prin distilare. Din –
tr-o tona de boabe de porumb uscat se obtin circa 450 l
de bioetanol. Reziduul solid al procesului de fermenta –
tie poate fi folosit ca hrana pentru animale, iar in cazul
trestiei de zahar, reziduul poate fi folosit drept combus –
tibil in cazane, materie prima pentru gazificare sau pen –
tru producerea placilor fibroase.
Conversia prin fermentatie a biomasei ligno-celulo –
zice cum ar fi lemnul si plantele erbacee este un pro –
ces mai complex datorita prezentei polizaharidelor cu
molecula mare si necesita hidroliza acida sau enzima –
tica inainte ca glucidele rezultate sa treaca in bioeta –
nol prin fermentatie.
Motoarele cu aprindere prin scanteie normale pot
functiona cu benzina amestecata cu bioetanol in pro –
portie de 15%. Pentru utilizarea bioetanolului pur este
necesara modificarea acestora. Motoarele modificate
pot functiona cu amestec ce pot atinge 85% bioetanol, »
»
»
»
»
»amestec cunoscut ca E85. Costurile suplimentare ne –
cesare construirii unui astfel de motor flexibil la com –
bustibil reprezinta 150 €. Folosirea de catre autovehi –
cule a bioetanolului duce la reducerea emisiilor polu –
ante. Folosirea amestecului format din 85% bioetanol
si 15% benzina reduce emisia de gaze cu efect de sera
cu 60-80% comparativ cu folosirea numai a benzinei.
Amestecul de 10% bioetanol si 90% benzina duce la
reducerea emisiei cu pana la 8%. Reducerea emisiilor
depinde de materia prima din care a fost realizat bioe –
tanolul. Amestecul cu 10% bioetanol produs din zahar
face sa se reduca emisiile cu numai 4%.
Bio-ETBE (etil-terto-butil-ester) este un combustibil
ce se obtine din bioetanol, are cifra octanica de 112 si
poate fi amestecat cu benzina in proportie de pana la
17%. Bio-MTBE (metil-terto-butil-ester) este un com –
bustibil ce se obtine din biometanol si are proprietati
asemanatoare cu bio-ETBE.
Fermentatia materiei bogate in carbohidrati cu aju –
torul bacteriilor anaerobe sau a algelor verzi la 30-80°C
poate produce hidrogen, in special in lipsa luminii. Prin
procesul ce foloseste fermentatia la intuneric se produce
H2 si CO2 combinat cu alte gaze ca CH4 sau H2S, in functie
de biomasa folosita si de reactiile din proces.
Digestia anaeroba este un proces ce are loc in absen –
ta oxigenului, prin care o populatie mixta de bacterii cata –
lizeaza scindarea polimerilor din materia organica cu for –
marea unui gaz, numit biogaz , continand in principal me –
tan si dioxid de carbon si mici cantitati de amoniac, hidro –
gen sulfurat si mercaptani ce sunt corozivi, otravitori si au
miros pronuntat. Procesul are loc in mai multe etape (fig.
9). Mai intai are loc descompunerea intr-un mediu nu ne –
aparat anaerob a materialului biomasic complex de catre
o populatie eterogena de microorganisme. Aceasta des –
compunere cuprinde hidroliza materialului celulozic la glu –
cide simple (utilizand enzimele produse de catre microor –
ganisme drept catalizator), a proteinelor la aminoacizi, a li –
pidelor la acizi grasi, a amidonului si ligninei la compusi
aromatici. Rezultatul primei etape este o biomasa solubila
in apa, cu o forma chimica mai simpla, potrivita pentru eta –
pa urmatoare. In a doua etapa are loc inlaturarea atomilor
de hidrogen ai materialului biomasic (conversia glucidelor
in acid acetic), inlaturarea gruparii carboxil a aminoacizi –
lor si scindarea acizilor grasi cu masa moleculara mare in
acizi grasi cu masa moleculara mica, obtinandu-se din nou
ca produs final acidul acetic. Aceste reactii sunt reactii de
fermentatie realizate de catre bacteriile acidofile. Pentru
desfasurarea optima este necesar un pH=6-7, dar pentru
ca acizii deja formati reduc pH-ul solutiei este necesara
corectarea pH-ului prin adaugare de CaO. In a treia etapa
are loc formarea biogazului (amestec de metan si dioxid de
carbon) din acid acetic, printr-un set de reactii de fermen –
tare realizate de catre bacteriile metanogene. Aceste bac –
terii necesita un mediu strict anaerob. Toate procesele pot
avea loc intr-un singur container, dar separarea lor pe eta –
pe face sa creasca eficienta. Primele doua etape pot dura
cateva ore sau zile, iar ultima etapa cateva saptamani, in
functie de natura materiei prime.
Tabelul 8. Raportul carbon-azot pentru diferite materiale.
Materialul Raportul C:N Materialul Raportul C:N
Namol de la ape uzate 13:1Reziduuri de trestie de zahar (dupa
extragerea sucului) 150:1
Balegar de vaci 25:1 Plante marine 80:1
Urina de la vaci 0,8:1 Fan de lucerna 18:1
Fecale de porci 20:1 Iarba 12:1
Urina de la porci 6:1 Tulpini de cartofi 25:1
Deseuri de la fermele de gaini 25:1 Sucul de la silozuri 11:1
Resturi menajere 6-10:1 Deseuri de la abatoare 3-4:1
Rumegus 200-500:1 Trifoi 2,7:1
Paie 60-200:1 Lucerna 2:1
26 Nr. 7(38)/2006Energie Consideratii teoretice

Pentru ca digestia sa aiba loc trebuie indeplinite
anumite conditii. Activitatea bacteriilor este inhibata
de prezenta sarurilor ale metalelor, penicilinei, sulfu –
rilor solubile, sau a amoniacului in concentratie mare.
Raportul numarului atomilor de carbon din materialul
ce urmeaza a fi transformat si de azot trebuie sa fie
sub 15. Prea mult azot duce la otravirea bacteriilor cu
amoniac, iar prea putin azot duce la dezvoltarea insu –
ficienta a culturii de bacterii si la productia scazuta
de biogaz. Pentru fiecare tip de biomasa corespunde
un anumit raport C:N (tabelul 8). Amestecarea bioma –
sei poate fi uneori dezavantajoasa din punct de vede –
re al productiei de biogaz. Paiele si rumegusul ar tre –
bui amestecate cu materiale ce au un raport C:N re-
dus, cum ar fi urina provenita de la fermele de anima –
le sau lucerna/trifoiul.
Digestia materialului celulozic necesita o durata de
timp mai mare. La inceput sunt necesare cateva luni
pana cand se atinge compozitia optima a bacteriilor.
Desi viteza de reactie este redusa, recuperarea de
energie este similara digestiei balegarului.
Reziduurile digestiei anaerobe sunt foarte buni fertili –
zatori. Substantele organice insolubile sunt facute solubi –
le, iar azotul este fixat de catre microorganisme.
Prin digestia anaeroba a deseurilor lichide proveni –
te de la fermele de animale, populatiile patogene din
acestea sunt reduse. Din aceste motive, digestia ana –
eroba este aplicata larg in procesul de curatare a na –
molului rezultat la tratarea apelor uzate, fie direct na –
molului, fie dupa cresterea algelor pe namol pentru a
creste potentialul de fermentare.
Biogazul are un continut energetic de circa
22.000 kJ/m3N, deci este un gaz de calitate medie.
Pentru producerea biogazului prin digestie anaero –
ba se poate folosi namolul provenit de la tratarea ape –
lor uzate, iarba si orice cultura agricola, balegar si de –
seuri agricole si alimentare, inclusiv cele de la abatoa –
re, restaurante, magazine alimentare si deseurile din in –
dustria farmaceutica. Biogazul mai poate fi extras de la
rampele de gunoi, unde acesta se formeaza spontan si
daca nu este colectat poate provoca probleme de mediu
pentru ca este un gaz cu puternic efect de sera.
In mod uzual, biogazul este folosit aproape de locul
in care este produs. Principalele utilizari sunt producerea
de caldura, electricitate si combinat caldura si electrici –
tate. Principalul avantaj al biogazului fata de ceilalti bio –
combustibili este ca poate fi ars direct in orice instalatie
de ardere a combustibililor gazosi. El poate fi de asemeni
injectat in conductele retelei de alimentare cu gaz natu –
ral. In plus, biogazul poate fi folosit la autovehicule adap –
tate sa functioneze si cu gaz. Stocarea biogazului se poa –
te face in recipienti realizati din materiale zeolitice. Bene –
ficiile de mediu rezultate prin inlocuirea benzinei si a mo –
torinei cu biogaz sunt considerabile. Pentru a fi injectat in
conductele de gaz natural sau folosit la autovehicule este
necesara inlaturarea dioxidului de carbon din biogaz. Prin
spalare cu jet de apa se elimina CO2 pana la 90%. Aceas –
ta permite obtinerea biometanului sub presiune din bio –
gaz ce poate fi folosit la autovehicule.
Prin digestie anaeroba poate fi produs si hidroge –
nul. Se obtin 0,6 pana la 3,3 molecule de hidrogen din –
tr-o molecula de glucide, in functie de bacteria utiliza –
ta. Bacteriile termofilice, ce opereaza la temperaturi de
pana la 70°C, dau o productie mai mare de hidrogen de –
cat cele care opereaza la temperatura mediului ambi –
ant. Productia poate fi marita daca se folosesc bacterii
fototropice (isi realizeaza nutritia cu ajutorul luminii so –
lare) ce convertesc acidul acetic in hidrogen.
Digestia aeroba sau compostarea este procesul
prin care se obtine direct caldura din balegar si mai
rar din reziduuri ale biomasei. Doua forme ale com –
postarii sunt folosite, una foloseste balegar fluid (mai putin de 10% materie uscata) si cealalta foloseste ba –
legar solid (50-80% materie uscata). In ambele cazuri
are loc descompunerea produsa de bacterii in conditii
aerobe. Bacteriile necesare procesului sunt acidofile
(producatoare de acid lactic) si se gasesc in mod nor –
mal in balegar, cu conditia ca reziduurile antibiotice ce
ucid bacteriile au fost retinute dupa unele tratamen –
te veterinare. Procesele implicate in compostare sunt
foarte complicate, dar se stie ca descompunerea car –
bohidratilor are loc cu producere de caldura. O insta –
latie de compostare a balegarului fluid consta dintr-un
container cu insuflare uniform distribuita de aer proas –
pat peste balegar si un canal de iesire a aerului incal –
zit spre un schimbator de caldura. Un exemplu de va –
riatie a temperaturii balegarului lichid cu temperatu –
ra exterioara este prezentat in fig. 10. Energia necesa –
ra vehicularii aerului (sub forma electricitate) reprezin –
ta circa 50% din caldura obtinuta. Producerea de cal –
dura in cazul balegarului solid este similara primului
caz. Temperatura in mijlocul gramezii de balegar solid
poate fi mai mare datorita capacitatii calorice mai mici
a balegarului solid. Aerul poate fi ventilat de ventila –
toare asezate sub gramada si pentru mentinerea cana –
lelor de trecere prin gramada si eliminarea umiditatii
este necesara rearanjarea periodica a gramezii. Extra –
gerea caldurii este mai dificila, iar energia necesara
vehicularii aerului este mai mare decat in cazul bale –
garului lichid. Daca aerul insuflat este insuficient poa –
te avea loc stoparea procesului de compostare inainte
sa se extraga maximum de caldura.
Extractia mecanica este un proces de conversie fo –
losit pentru producerea de ulei din semintele diverse –
lor plante, cum ar fi rapita, bumbacul, alunele de pa –
dure. In urma extractiei se obtine nu numai ulei dar si
un reziduu solid, care este utilizat ca hrana pentru ani –
male. Pentru producerea unei tone de ulei sunt nece –
sare trei tone de seminte de rapita. Uleiul vegetal a
fost folosit drept combustibil in motoarele Diesel inca
din 1900, cand Rudolf Diesel a demonstrat functiona –
rea unui motor Diesel cu ulei de arahide.
Pentru a putea fi folosit in motoarele Diesel conventi –
onale, uleiul vegetal mai trebuie procesat in primul rand
pentru a-i reduce viscozitatea. Cel mai utilizat proces este
transesterificarea (producerea esterului) uleiurilor vege –
tale utilizand alcool in prezenta unui catalizator. Pe langa
uleiurile vegetale mai pot fi folosite si grasimile animale.
Pentru fiecare 100 unitati de biodiesel produse prin acest
procedeu se mai obtin 11 unitati de glicerina ca produs
auxiliar. Glicerina se foloseste la producerea unor produ –
se precum sunt cremele de maini, pasta de dinti si lubri –
fiantii. Biodieselul mai poate fi obtinut si prin presarea la
rece a semintelor de rapita, dar acesta are utilizari limita –
te si nici glicerina nu mai este produsa ca produs auxiliar.
Biodieselul poate fi folosit in stare pura sau in amestec cu
motorina in motoarele Diesel normale.
Utilizarea biodieselului are mai multe avantaje ce
pot fi grupate in strategice (cresterea independentei
energetice a tarilor importatoare de petrol prin reduce –
rea importului), economice (cresterea interesului pen –
tru produsele agricole) si de mediu (biodieselul este
biodegradabil, calitatea aerului se imbunatateste prin
reducerea emisiilor de oxizi de sulf, dioxid de carbon,
hidroc arburi si particule solide). Principalul dezavan –
taj al biodieselului, in prezent este costul de produc –
tie mai mare decat al motorinei.
4. Legislatia europeana
Pe langa reglementarile individuale ale statelor
membre UE referitor la combustibili si deseuri, exista
cateva directive europene ce acopera si biomasa, proce –
sele de conversie si produsele ei. Acestea sunt:
Directiva 1999/31/EC (depozitarea deseurilor);»Directiva 2000/76/EC (incinerarea deseurilor);
Directiva 2001/77/EC (promovarea producerii elec –
tricitatii din sursele regenerabile de energie);
Directiva 2001/80/EC (limitarea emisiilor pentru cativa
poluanti ai aerului de la instalatiile mari de ardere);
Directiva 2003/87/EC (stabilirea unei scheme pen –
tru comercializarea permiselor de emisii de gaze cu
efect de sera);
Directiva 2003/30/EC (promovarea biocombustibili –
lor sau a altor combustibili reinoibili pentru transport).
Aceasta este instrumentul EU de promovarea a com –
bustibililor cu zero emisii de gaze cu efect de sera (car –
bon-neutral). Aceasta directiva prevede ca pana in
2010 o cota de 5,75% din totalul de combustibili din
transporturi utilizati in UE sa fie reprezentata de bio –
combustibili. Fiecare stat membru UE are obligatia de
a raporta anual Comisiei Europene masurile luate pen –
tru promovarea biocombustibililor si cota de biocom –
bustibili pusi pe piata in anul anterior.
Directiva 2003/96/EC (restructurarea cadrului comu –
nitar cu privire la impozitarea electricitatii). Aceasta
stabileste nivelul minim al accizelor pentru combus –
tibilul auto folosit in scop industrial sau comercial,
pentru combustibilul pentru incalzire si pentru elec –
tricitate. Ea exprima faptul ca atata timp cat legile
Comunitatii Europene nu stabilesc obiective obliga –
torii, statele membre pot excepta biocombustibilii de
taxe sau pot aplica o taxa redusa.
Legislatia ofera o baza solida pentru atingerea
obiectivelor ambitioase ale UE. In 2004, productia
combinata de biocombustibili in cele 25 de state ale
UE a fost de 2,4 milioane tone pe an (80 1015 J/an).
Prin atingerea obiectivelor de mai sus, contributia bi –
ocombustibililor va creste cu inca 17 milioane tone pe
an (796 1015 J/an) pana in 2010.
Standarde
Fara standarde nu vor exista reguli care sa guverne –
ze compozitia si calitatea biocombustibililor si prin ur –
mare nu va exista piata. Existenta standardelor simpli –
fica comunicarea intre ofertantii si cumparatorii de bio –
combustibili, permite ca echipamentele si combustibi –
lii sa fie proiectati fiecare pentru celalalt, asigura ca bi –
ocombustibilul oferit sa intruneasca cerintele tehnice,
furnizeaza utilizatorilor unelte de determinare a valorii
economice a biocombustibilior oferiti.
De dezvoltarea standardelor europene pentru bio –
combustibili se ocupa Organizatia Europeana pentru
Standarde (CEN) sub mandatul Comisiei Europene.
Standardele europene pentru utilizarea biodieselu –
lui drept combustibil auto si combustibil pentru incalzi –
re au intrat in vigoare din 2003. Sunt in curs de elabo –
rare standarde pentru utilizarea bioetanolului in ames –
tec cu benzina si pentru biocombustibilii solizi.
Concluzii
A fost descris potentialul existent de folosire a bi –
omasei ca sursa de energie in UE. Exista diferite tipuri
de biomasa ce poate fi convertita printr-o diversitate de
procese in produse utile. Multe dintre aceste procese
sunt deja bine dezvoltate, iar altele sunt in dezvoltare.
Exista o dorinta a UE si a statelor membre de a permite
largirea productiei si utilizarea energiei produse din bio –
masa in viitor. In 1997, UE a stabilit obiectivul de a pro –
duce 12% din necesarul de energie pe baza resurselor
regenerabile, mai ales pe seama biomasei. Intre timp au
fost facuti pasi pentru a sprijini realizarea acestui obiec –
tiv. A fost desfasurata o cercetare de succes pentru dez –
voltarea si imbunatatirea proceselor, reducerea costuri –
lor si sprijinirea dezvoltarii standardelor. Au fost luate
un numar mare de masuri legislative. Cu toate acestea, »
»
»
»
»
»
28 Nr. 7(38)/2006Energie Consideratii teoretice

analizele recente au aratat ca dezvoltarea este inca len –
ta pentru realizarea obiectivului de 12% pana in 2010.
Obiectivul UE de a produce 12% din necesarul de ener –
gie din energia regenerabila a fost introdus prima data
de Comisia Europeana in Cartea Alba “Energy for the
future: renewable sources of energy”, COM(97)599, pu –
blicata in 1997. In comunicatul Comisiei Europene ca –
tre Consiliul si Parlamentul European “The share of Re –
newable Energy in the EU”, publicat in mai 2003 sunt
analizate realizarile din sectoarele individuale. Se recu –
noaste ca utilizarea efectiva a bioenergiei in viitor va
depinde de interactiunile potrivite dintre toate politicile
asociate, cum ar fi cele pentru energie, agricultura, de –
seuri, dezvoltare rurala, mediu, taxe fiscale si piata. Ac –
tiunile viitoare de incurajare a utilizarii tot mai largi a bi –
oenergiei vor cuprinde toate aceste domenii.
Biomasa va constitui principala sursa de energie re –
generabila a UE. Comisia Europeana a stabilit in 2005
Planul de Actiune pentru Biomasa, pentru a asigura
promovarea bioenergiei prin actiuni la nivel european,
national si regional. Planul va co-ordona si optimiza
mecanismele financiare ale Comunitatii Europene, va
redirectiona eforturile si va elimina obstacolele in uti –
lizarea biomasei in scopuri energetice.
Bibliografie
[1]. EUROPEAN COMMISSION – EUR 21350 – BIO –
MASS – Green energy for Europe , Luxembourg:
Office for Official Publications of the European
Communities, 2005, http://publications.eu.int.
[2]. Demirbas A., Recent advances in biomass con –
version technologies , Energy Edu Sci Technol
2000;6:19–41.
[3]. Demirbas A., Sustainable cofiring of biomass
with coal , Energy Conversion and Management
2003;44:1465–79.
[4]. Demirbas A., Combustion characteristics of diffe –
rent biomass fuels , Progress in Energy and Com –
bustion Science 30 (2004) 219–230.
[5]. Demirbas A., Potential applications of renewable
energy sources, biomass combustion problems in
boiler power systems and combustion related en –
vironmental issues , Progress in Energy and Com –
bustion Science 31 (2005) 171–192.
[6]. Tillman DA., Biomass Cofiring: the technology,
the experience , the combustion consequences,
Biomass Bioenergy 2000; 19:365–84.
[7]. Van Loo S. and J. Koppejan, Handbook of Bio –
mass Combustion and Co-firing , Twente Univer –
sity Press, 2002.
[8]. Chum H.L., Overend R.P., Biomass and renewable fu –
els, Fuel Processing Technology 71, 2001, 187–195.
[9]. McKendry P., Energy production from biomass
(part 1): overview of biomass , Bioresource Tech –
nology 83, 2001, 37–46.
[10]. McKendry P., Energy production from biomass
(part 2): conversion technology , Bioresource Te –
chnology 83, 2002, 47–54.
[11]. McKendry P., Energy production from biomass
(part 3): gasification technology , Bioresource Te –
chnology 83, 2002, 55–63.
[12]. Bent Sørensen, Renewable Energy. Its physics,
engineering, use, environmental impacts, eco –
nomy and planning aspects , Third Edition, Else –
vier Science, 2004.
[13]. Meng Ni, Dennis Y.C. Leung , Michael K.H. Le –
ung, K. Sumathy, An overview of hydrogen pro –
duction from biomass , Fuel Processing Technolo –
gy 87 (2006), pp. 461 – 47 2.
Ion V. Ion, Catedra de Termotehnica si Masini Termice,
Universitatea „Dunarea de Jos” din Galati
Ion Dana-Ioana, Grupul scolar „Elena Doamna” din Galati
30 Nr. 7(38)/2006Energie Consideratii teoretice