Biomasa – Avantaje Economice In Utilizarea Unei Instalatii CU Biogaz

BIOMASA – AVANTAJE ECONOMICE ÎN UTILIZAREA UNEI INSTALAȚII CU BIOGAZ

CUPRINS

Cap. 1 : Noțiuni introductive despre biomasă

Cap. 2 : Date generale despre biomasă

Cap .3 : Formarea biomasei

Cap. 4 : Clasificarea biomasei

4.1 Surse și tipuri de biomasă

4.2 Potențialul biomasei ca energie regenerabilă în România

Cap. 5 : Valorificarea energetică a biomasei – biocarburanții (biocombustibilii

5.1 Procese de fermentare

5.2 Procese de extracție / esterificare (producere de biodiesel

5.3 Instalația cu biogaz

5.3.1 Fundamente ale biogazului

5.3.2 Procedeul de obținere al biogazului

5.4 Conversia energiei biogazului în energie termică și electrică (valorificarea energetică a biogazului

5.4.1 Considerații despre cogenerare și trigenerare

5.4.2 Transformarea energiei mecanice în energie electrică

5.4.3 Instalații de producere a energiei electrice

Cap. 6 : Studiu de caz

6.1 Prezentarea programului utilizat pentru simulare

6.2 Rezultatele obținute după simulare și interpretarea lor

6.3 Avizarea unei instalații cu biogaz

Cap. 7 : Concluzii

Cap. 8 : Resurse bibliografice

BIOMASA – avantaje economice în utilizarea unei instalații cu biogaz

Noțiuni introductive despre biomasă

Cândva un cuvânt folosit pentru a denumi într-un sens larg toate produsele vegetale, biomasa s-a transformat în ultimii ani într-un concept care integrează atât plantele și deșeurile celulozice cât mai ales accepțiunea de sursă regenerabilă de energie pe care acestea o constituie. Așadar, biomasei, orin extensie, i se pot atribui reziduurile animale, deșeurile industriale, fracția biodegradabilă din deșeurile municipale etc.

Întrucât constituie efectul proceselor de bioconversie a energiei solare și a carbonlui liber în celule, biomasa reprezintă, la nivelul mecanismelor moleculare și submoleculare, o sursă regenerabilă integrată în lanțul de conversie a carbonului din cadrul proceselor antropice. Biomasa a intrat în aplicațiile energetice odată cu epoca industrializării, fiind utilizată ca sursă de căldură încă de la începutul existenței umane. Costurile ce erau cândva ridicate pentru a produce energie electrică din biomasă au scăzut progresiv odată cu creșterea prețurilor la produselor petroliere, apariția taxelor de poluare și a normativelor pentru energie verde.

În perioada petrolului ieftin, ce a sfârșit în anii ’70, biomasa a reprezentat o sursă energetică secundară. Actualmente biomasa este considerată una din principalele surse de energie regenerabilă ale viitorului deoarce are un mare potențial și diferite efecte pozitive conexe pe plan social și asupra mediului înconjurător.

Deși prin ardere biomasa produce CO2 , amprenta acestuia asupra mediului este minimă întrucât gazul este absorbit parțial pe durata creșterii masei lemnoase. Concomitent aceste tehnologii nu produc deșeuri periculoase, iar dezafectarea lor este relativ simplă la sfârșitul duratei de utilizare. Așadar, utilizarea biomasei oferă avantaje majore când vine vorba de protecția mediului prin reducerea efectului de seră deoarece pe durata creșterii ei biomasa absorbe din atmosferă cantități de dioxid de carbon ce sunt considerate de unii specialiști cvasi echivalente cu cele eliberate prin arderea ei. Se reduce substanțial, de asemenea, emisia de dioxid de sulf deoarece biomasa are un conținut de sulf extrem de redus comparativ cu cel al combustibililor fosili. Datorită aceastui fapt se poate afirma că, în ceea ce privește fenomenul de încălzire globală, contribuția biomasei tinde către zero.

Deși numai un procent foarte mic din energia solară care ajunge pe Pământ este fixată de materia organică, aceasta este echivalentă cu o cantitate de opt ori mai mare decât consumul total curent de energie primară. Doar un procent foarte mic din această energie este conținut în combustibili fosili (turba, hidrocarburi). Biomasa reprezintă sursa de energie regenerabilă cu ponderea cea mai mare, atât la nivel mondial (cca. 80%) cât și la nivel european (cca. 66%). Unele companii de utilități și de producere de energie, cu centrale pe bază de cărbune, au constatat că dacă înlocuiesc o părte din cărbune cu biomasă vor obține o soluție ieftină pentru reducerea emisiilor. [1]

Date generale despre biomasă

Masa totală (inclusiv umiditatea) – peste 2000 mlrd. tone;

Masa totală a plantelor terestre – 1800 mlrd. tone;

Masa totală a pădurilor – 1600 mlrd. tone;

Cantitatea energiei accumulate în biomasa terestră – 25.000×1018 J;

Creșterea anuală a biomasei – 400.000 mil. tone;

Viteza acumulării energiei de către biomasa terestră – 3000×1018 pe an (95TWt);

Consumul total annual a tuturor tipurilor de energie – 400×1018 J pe an (22TWt);

Utilizarea energiei biomasei – 55×1018 pe an (1,7TWT)

Biomasa are o compoziție chimică ce poate fi diferențiată în câteva tipuri. În mod normal, plantele conțin 25% lignin și 75% glucide (celuloză și hemiceluloză) sau zaharide. Fracțiunea glucidică este alcătuită dintr-o mulțime de molecule de zaharide ce sunt unite între ele prin lanțuri polimerice lungi. Celuloza este una dintre cele mai importante glucide. Componenta ligninică este alcătuită din molecule nezaharizate. Natura utilizează molecule polimerice lungi de celuloză la formarea țesuturilor. Acest lucru asigură integritatea plantelor. Lignina poate fi observată în plante ca ceva de genul lipiciului. Acest “lipici” leagă moleculele celulozice între ele. [2]

Formarea biomasei

Fig. 1 : Ciclul de producere al biomasei [4]

La procesul obținerii glucidelor (zaharidelor) participă bioxidul de carbon din atmosferă și apa din sol. Aceste componente constituie “blocurile de construcție” ale biomasei. Așadar, energia solară ce este utilizată la fotosinteză își păstrează forma chimică în structura biomasei. Dacă extragem energia chimică (ardem efectiv biomasa), atunci carbonul din plante și oxigenul din atmosferă vor reacționa și vor forma dioxid de carbon și apă. Întrucât bioxidul de carbon poate participa din nou la procesul de formare a biomasei rezultă că acest proces este unul cilic.

Ca adăugare la sensul său estetic de floră pământească a planetei, biomasa prezintă o rezervă de resursă utilă și importantă pentru om. Pe parcursul a mii de ani, oamenii extrăgeau energia soarelui, păstrată sub formă de energie a legăturilor chimice, arzând biomasa în calitate de combustibil sau în alimentație, utilizând energia zaharidelor și a celulozei. Pe parcursul ultimelor secole, omenirea a învățat să obțină tipurile fosile de biomasă, îndeseobi, în formă de cărbune. Combustibilii fosili prezintă rezultatul reacției chimice foarte încete de transformare a polizaharidelor în compuși chimici asemaănători fracției lignince. Compusul chimic al cărbunelui asigură o sursă de energie mai concentrată. Toate tipurile de combustibil fosil, utilizate de către omenire – cărbune, petrol, gaze natural – reprezintă (prin sine) o biomasă străveche. De milioane de ani pe Pământ, resturile plantelor (vegetale) se transformă în combustibil. Deși contribuabilul extras constă în aceleași componente – hidrogen și carbon – ca și biomasa “proaspătă” , el nu poate fi atribuit unor surse energetice renovabile, pentru că formarea lui necesită o perioadă îndelungată de timp.

Utilizarea biomasei crește cu rapiditate. În unele state dezvoltate, biomasa este utilizată deestul de intens, de exemplu Suedia, care își asigură 15% din necesitatea în surse energetice primare. Suedia planifică pe viitor creșterea volumului biomasei utilizate concomitent cu închiderea stațiilor atomo- și termo-electrice, care utilizează combustibil fosil. În SUA, 4% din energie este obținută din biomasă., aproape de cantitatea obșinută la stațiile atomo-electrice, iar astăzi funcționează instalații cu o capacitate totală de 9000 MW, unde se arde biomasa cu scopul obținerii energiei electrice. Biomasa cu ușurință poate asigura peste 20% din necesitățile energetice ale țării. Altfel spus, resursele funciare existente și infrastructura sectorului agrar permit înlocuirea completă a tuturor stațiilor atomice, fără a influența prețurile la produsele alimentare. De asemenea, utilizarea biomasei la producerea etanolului poate micșora importul petrolului cu 50%.

În țările în curs de dezvoltare, biomasa este folosită neefectiv, obținându-se, ca regulă. 5 – 15% din necesitatea totală. În plus, biomasa nu este atât de comodă în utilizare precum combustibilul fosil.

Utilizarea biomasei poate fi periculoasă pentru sănătate și mediu. De exemplu, la prepararea bucatelor în încăperi puțin aerisite, se pot forma CO, NOx, formaldehide, particule solide și alte substanțe organice, a căror concentrație poate întrece nivelul recomandat de Organizația Mondială a Sănătății. În plus, utilizarea tradițională a biomasei (de obicei, arderea lemnului) favorizează deficitul în creștere al materiei lemnoase: Sărăcirea de resurse, de substanțe hrănitoare, probleme legate de micșorarea suprafațelor pădurilor și lărgirea pustiurilor. La începutul anilor ’80, aproape 1,3 mlrd de oameni își asigurau necesitatea în combustibil pe baza micșorării rezervelor forestiere.

Există un potential enorm al biomasei, care poate fi inclus în circuit în cazul îmbunătățirii utilizării resurselor existente și al creșterii productivității. Bioenergetica poate fi modernizată datorită tehnologiilor moderne de transformare a biomasei inițiale în purtători de energie moderni și comozi (energie electrică, combustibili lichizi și gazoși, solid finisat). [2]

Clasificarea biomasei

Fig. 2 : Categorii de biomasă [3]

Biomasa este un concept care cuprinde trei clase de material, solide, lichide și gazoase. La categoria biomasă solidă pentu materialele lemnoase intră crengi rezultate a unor operații de îngrijiri peisagistice sau forestiere, resturi din industrializare lemnului precum și lemn vechi, scos din uz. În cadrul lemnului vechi se fac deosebiri în funcție de substanțele poluante conținute A I până la A IV. Ca și combustibil, se oferă lemn de foc în stare natural, la metru sau tăiat mai mic, rumeguș din lemn (RL) pelete din lemn (PL) sau brichete din lemn. În afara acestora pentru producerea de energie se pot folosi în principiu: cereal, paie, plante întregi sau resturi de plante precum și alte materii solide de origine animal sau vegetală.

La categoria biomasă lichidă se încadrează pe lângă materiile de origine animalieră cum ar fi dejecții lichide și materii provenind de la plante precum uleiuri, etanol, methanol, metilesteri (PME).

Biomasa gazoasă este un produs ce rezultă din biomasa solidă, lichidă sau din combinații ale acestora, exemple sunt gazul din lemn, biogazul, gazul din instalațiile de epurare sau de la haldele de gunoi. [3]

Surse și tipuri de biomasă

Cercetătorii caracterizează în diferite moduri numeroasele tipuri de biomasă, dar cei mai mulți sunt de acord cu clasificarea acesteia în patru mari categorii :

biomasă lemnoasă;

biomasă agricolă;

biomasă special cultivată pentru scopuri energetice;

alte tipuri de biomasă – deșeuri din industria zootehnică (dejecții animale) – deșeuri combustibile nepericuloase (urbane, industriale).

Biomasa lemnoasă este una din tipurile cele mai utilizate de biomasă aceasta fiind divizată în patru categorii :

reziduri lemnoase;

deșeuri forestiere;

deșeuri lemnoase urbane;

biomasă rezultată din curățarea copacilor.

Reziduurile lemnoase din industria hârtiei și de prelucrare a lemnului sunt de obicei curate și pot fi folosite drep combustibil pentru diferite sisteme energetice pe bază de biomasă.

Deșeurile forestiere includ deșeuri care nu mai pot fi folosite, copaci uscați, copaci care nu corespund standardelor comerciale și alți copaci care nu mai pot fi comercializați și trebuie tăiați pentru a curăța pădurea. Unele specii de planete energetice fac parte de asemenea din categoria biomasei lemnoase, acestea fiind de exemplu copaci cu creștere rapidă. Perioada de recoltare a unor astfel de plante variază între 3 și 10 ani în funcție de specia copacului, iar perioada între două plantări poate fi chiar mai mare de 20 de ani. Salcia este un exemplu de plantă pentru o rotație scurtă a plantației (RSP) care poate fi recoltată la fiecare 2 – 5 ani comparativ cu o perioadă de 20 – 25 ani (plantă de lungă durată). Alte specii cu creștere rapidă sunt : plopul hibrid, salixul și eucaliptul.

Curățarea copacilor sau deșeuri din parcuri și grădini constituie o altp sursă de deșeuri lemnoase care este foarte puțin valorificată.

Biomasa agricolă este cantitativ apreciabil mai multă decât biomasa lemnoasă. În cadrul acesteia, tipurile cele mai utilizate curent în scopuri energetice, sunt : paiele; tulpini și știuleți de porumb; corzi de viță de vie; puzderii de in și cânepă; plante agricole; floarea soarelui și soia; biomasa din fructe și semințe. Spre deosebire de biomasa lemnoasă, biomasa agricolă are un conținut de cenușă de circa 5 % .

Paiele au caracteristici energetice bune, de aceea sunt acceptabile pentru a fi folosite în scopuri enegetice. De exemplu, porumbul poate genera peste trei ori cantitatea de deșeuri disponibile în momentul actual din toate formele de deșeuri lemnoase (excluzând deșeurile forestiere). Uneori cantitățile mari de clor conținut, în special în zonele costiere, pot produce coroziunea recuperatoarelor de căldură centrale.

Biomasă din fructe și semințe. În această categorie sunt incluse un număr de produse reziduale ce provin din agricultură. De exemplu, cojile de orez sunt un reziduu provenit din prelucrarea orezului (aproximativ 20 % din orez este reprezentat de coajă). Mai pot fi incluse în această categorie și unele deșeuri solide din industria alimentară, cum ar fi cojile sau resturile de fructe și legume, sâmburi proveniți la prelucrarea uleiului de măsline, piersici, caise, etc. La fel, reziduurile din industria de prelucrarea a uleiului, sfecla și rapița constituie biomasă ce poate fi valorificată energetic.

Biomasa special cultivată pentru scopuri energetice

Biomasa special cultivată pentru scopuri energetice în această categorie intră biomasa produsă prin cultivarea specială de plante, utilizate drept combustibil pentru generarea de energie electrică; astfel de plante se mai numesc „plante energetice”. Au fost dezvoltate, în acest sens, mai multe specii de plante special pentru producerea de combustibil. Unele specii de plante energetice aparțin categoriei biomasei din plante (paie de grâu, coceni de porumb, floarea soarelui, sorg zaharat) și sunt selectate ca să crească rapid, să fie rezistente la secetă și la dăunători iar după recoltare să fie competitive pentru a fi folosite în calitate de combustibili . Plantele energetice pot fi cultivate pe terenuri agricole care nu sunt folosite în agricultură (de obicei terenuri care sunt scoase din circuit din diverse motive sau terenuri considerate nepotrivite pentru cultivarea plantelor alimentare). În comparație cu plantele agricole tradiționale, plantele energetice necesită mai puțină îngrijire și mai puține îngrășăminte minerale sau pesticide.

Alte tipuri de biomasă

Reziduurile (primare, secundare, terțiare) reprezintă o altă categorie de biomasă. în dicționarul limbii române, deșeul este definit: „parte dintr-o materie primă sau dintr-un material ce rămâne în urma unui proces tehnologic de realizare a unui anumit produs sau semifabricat, neputând fi utilizat în cursul aceluiași proces tehnologic (deșeurile industriale), sau care rezultă din activități umane, casnice, menajere (deșeuri neindustriale)”. Rudologia – știința deșeurilor – a introdus în ultima perioadă noțiunea de deșeu ultim: deșeul rezultat sau nu din tratarea unui deșeu, care în condițiile tehnice și economice prezente nu poate fi tratat în vederea recuperării părții valorizabile sau a reducerii caracterului său poluant.

Reziduurile primare sunt produse din plante sau din produse forestiere. Acest tip de biomasă este disponibil „în câmp” și trebuie colectată pentru utilizarea ulterioară. Reziduurile secundare sunt produse la prelucrarea biomasei pentru producerea produselor alimentare și pentru producerea altor produse finite din lemn. Sunt disponibile în industria alimentară, fabrici de producere a hârtiei etc.

Reziduurile terțiare rezultă în urma utilizării biomasei. Aici sunt incluse diferite deșeuri, (care diferă din punct de vedere al fracției organice conținute) precum: deșeurile menajere (cantitatea rezultată în condițiile din România este de 0,8 — -1,5 kg/persoană/zi, iar ponderea materiilor organice în deșeurile urbane este de 40 – 50%), deșeurile lemnoase, nămoluri din tratarea apelor uzate etc.

Industria alimentară produce o mare cantitate de reziduuri și produse secundare care pot fi folosite ca sursă energetică. Deșeurile solide includ alimentele care nu întrunesc condițiile de calitate și standardele necesare, reziduuri provenite din filtrare și resturi. Deșeurile lichide conțin zahăr, amidon și alte materii organice dizolvate sau în stare solidă, dar într-o formă destul de diluată. Aceste deșeuri de obicei sunt depozitate sau aruncate la gropile de gunoi, iar companiile plătesc pentru aceste servicii.

Milioane de tone de deșeuri menajere sunt colectate în fiecare an și majoritatea dintre ele sunt aruncate la gropile de gunoi. Compoziția deșeurilor solide urbane variază în funcție de locație și de tipul serviciilor de colectare. Combustibilul produs din prelucrarea deșeurilor solide urbane se numește Refuse Derived Fuel (RDF) sau Solid Recovered Fuel (SRF). Definirea SRF propusă de comitetul de standardizare CEN (TC343) este următoarea: „combustibilul produs din deșeuri care nu sunt toxice pentru a fi utilizat în centralele de incinerare sau de co-combustie”.

Materialele non-combustibile cum ar fi sticla și metalele sunt în general eliminate înainte de producerea RDF. Materialele reziduale sunt folosite ca atare, sau sunt comprimate în brichete sau cărămizi. Instalațiile pentru procesarea RDF sunt de obicei situate aproape de sursa deșeurilor solide urbane, iar instalația de incinerare a RDF poate fi amplasată în altă parte. Deoarece RDF are în compoziția sa nu numai biomasă, puterea sa calorifică este influențată de celelalte componente, de exemplu plasticul. RDF este o sursă regenerabilă datorita conținutului de biomasă.

Multe dintre deșeurile animale pot fi de asemenea folosite în calitate de sursă de energie, cum ar fi dejecțiile de la porcine, păsări și vite. Aceste animale sunt crescute în locuri speciale unde produc o cantitate mare de deșeuri pe o suprafață mică. în trecut aceste deșeuri erau folosite în calitate de îngrășământ în agricultură, dar introducerea normelor de protecție a mediului impune un management și un control mai bun a acestor deșeuri.

Apele uzate sunt și ele o sursă de energie similară cu cea provenită din deșeurile – animale, fiind deja analizată si aplicata în multe țări de mult timp. Energia poate fi extrasă din apele uzate folosind digestia anaerobă pentru a produce biogazul.

Putem clasifica deșeurile fie în funcție de natura lor (materialele din care sunt formate), fie în funcție de originea acestora (activitățile generatoare de deșeuri).

După natura lor deșeurile pot fi grupate în patru categorii:

deșeuri menajere și asimilate;

deșeuri inerte;

deșeuri speciale;

deșeuri ultime.

Singurele valorificabile energetic sunt deșeurile menajere și asimilate. Aceste deșeuri cuprind atât deșeurile de menaj cât și deșeurile industriale banale (DIB) provenite de la întreprinderi. Acestea din urmă nu sunt toxice și prezintă caracteristici de fermentare.

Diferențierea deșeurilor în funcție de originea lor, permite localizarea producătorul de deșeuri, identificarea responsabilului pentru eliminarea lor și identificarea tipurilor de colectare și valorificare.

Se disting astfel:

deșeurile municipale;

deșeurile din activități industriale și comerciale;

deșeurile din agricultură și industrie alimentară;

deșeurile din activitatea medicală;

deșeurile nucleare.

Deșeurile municipale

Sunt formate în principal din:

deșeurile menajere; se întâlnesc atât deșeurile provenite din activitatea casnică, de grădinărit, de construcții aferente gospodăriilor, aparate de menaj scoase din uz etc.;

deșeuri ale colectivităților: provenite din întreținerea spațiilor verzi publice, operațiuni de întreținere a străzilor și drumurilor (deșeuri stradale);

alte deșeuri din activitățile economice asimilabile deșeurilor menajere cum ar fi: activitățile de artizanat și comerț, unităților de învățământ, baze sportive etc.

Deșeuri din activitățile industriale și comerciale

Sunt cuprinse în această categorie toate deșeurile produse de întreprinderi de a căror eliminare sunt direct răspunzătoare. Se disting în acest sens:

deșeurile inerte;

deșeurile industriale banale (DIB);

deșeurile industriale speciale.

Putem adăuga de asemenea și deșeurile toxice în cantități dispersate (DTQD). Acestea din urmă sunt deșeuri industriale speciale produse de întreprinderi, artizani, agricultori, de laboratoare sau organizații de sănătate.

Deșeuri din agricultură și industria alimentară

– deșeuri asimilabile deșeurilor industriale speciale (DIS) cum ar fi produsele fitosanitare (ierbicide, pesticide);

– deșeuri agricole sau agroalimentare propriu-zise : sunt deșeuri organice care necesită procedee de colectare și tratamente particulare (dejecții animale, subproduse ale culturilor și pădurilor, reziduuri din industria alimentară etc.).

Deșeuri din activitatea medicală

deșeuri spitalicești;

deșeuri provenite din cadrul organizațiilor medicale (cabinete particulare);

deșeuri ale laboratoarelor medicale și ale laboratoarelor veterinare.

Deșeuri nucleare

Aceste deșeuri provin de la generatoarele de radiație X, de la sursele de cobalt, cesium, de la clișeele provenite din unitățile medicale etc. [1]

Potențialul biomasei ca energie regenerabilă în România

România are un teritoriu geografic echilibrat, dispunând și de excelente condiții pedoclimatice pentru cultivarea unei game largi de plante energetice. Potrivit statisticilor naționale, suprafața ce poate fi destinată acestor culturi, fără a afecta securitatea alimentară, în con- dițiile actuale, este de cca. 10-12% din suprafața arabilă a României.

Biomasa utilizată pentru obținerea de energie provine din lemn, sub toate formele sale (biomasa forestieră), paie și plante celulozice, resturi agricole după culegerea recoltelor, culturi de plante cu conținut de zahăr, culturi de plante oleaginoase (biomasa agricolă); deșeuri municipale (aprox. 40% din deșeurile municipale solide sunt constituite din material organic); deșeuri provenite de la purificarea apelor uzate și din crescătoriile de animale (biomasa constând din deșeuri urbane).

Criteriul regional al potențialului energetic al biomasei în România

Din punct de vedere ai potențialului energetic al biomasei, teritoriul României este divizat în opt regiuni și anume:

Delta Dunării – rezervație a biosferei

Dobrogea

Moldova

Munții Carpați (Estici, Sudici, Apuseni)

Platoul Transilvaniei

Câmpia de Vest

Subcarpații

Câmpia de Sud

Criteriul sortimentelor de biomasa

În toate aceste regiuni există mai multe tipuri de sortimente de biomasă (biomasa forestieră, deșeuri lemnoase, biomasa agricolă, biogazul și deșeurile urbane), fiecare dintre acestea având un potențial diferit de producere de energie.

Fig. 3 : Potențialul energetic al României pe tipuri de biomasă [4]

Tabelul 1 : Potențialul de producție energetică al biomasei în România pe tipuri de sortmente și regiuni [4]

Potențialul energetic al biomasei pe ansamblul României este de 518 439 TJ, cea mai ofertantă regiune fiind Câmpia de Sud, urmată de Subcarpați și Câmpia de Vest.

Fig. 4 : Harta potențialului energetic al biomasei în România [4]

Biomasa constituie pentru România, o sursa regenerabilă de energie, promițătoare, atât din punct de vedere al potențialului, cât și, din punct de vedere al posibilităților de utilizare. Din punct de vedere al resurselor de biomasă, cele mai ofertante județe sunt Suceava, Harghita, Neamț și Bacău (biomasa forestieră) și Timiș, Călărași, Brăila (biomasa agricolă). Așa cum se observă din figura VII 2, cea mai mare pondere a potențialului privind biomasa vizează, în majoritatea județelor, biomasa agricolă – indicativul gri deschis de pe hartă (peste 50% din ponderea totală în aproape toate județele cu câteva excepții – Harghita, unde biomasa forestieră reprezintă 70% și Suceava, unde același tip de biomasă reprezintă 66,03%), urmată de biomasa forestieră, indicativul negru de pe hartă.

c) Criteriul tehnologiilor de prelucrare a biomasei în prezent, la nivel național există o diversitate de tehnologii de prelucrare a biomasei care cuprind arderea directă în cazane, conversia termică avansată a biomasei într-un combustibil secundar, prin gazeificare termică sau piroliză, urmată de utilizarea combustibilului într-un motor sau într-o l&rbină, conversia biologică în metan prin digestia bacteriană aerobă și conversia gfimică și biochimică a materiilor organice în hidrogen, metanol, etanol sau combustibil diesel. [4]

Fig. 5 : Tehnologii de prelucrare a biomase [4]

Valorificarea energetică a biomasei – biocarburanții (biocombustibilii)

Biocombustibilii, ca titulatură, reunesc totalitatea combustibililor obținuți din biomasă și produse asimilate.

Bioetanolul este cel mai răspândit combustibil din clasa bio-combusitibililor lichizi. Bioetanolul poate fi folosit în locul combustibililor bazați pe uleiuri minerale, sau amestecat cu benzina. In cele mai multe cazuri bioetanolul este amestecat cu izobutilena pentru a obține niște parametri mai buni pentru combustibil (producere de Etil-tertio-butil-eter – sau ETBE). ETBE este preferat pentru a crește cifra octanică, înlocuind convenționalul MTBE (metil-tertio-butil-eter). ETBE este un bio-combustibil în comparație cu MTBE care este fabricat din derivații ale uleiurilor minerale. Biodieselul este similar cu motorina obținută din petrol. El de obicei este produs din rapiță, floarea soarelui sau soia, în funcție de zona geografică. Aceste semințe conțin 44 – 50% ulei, 85 – 92% putând fi extras, restul regă- sindu-se în reziduuri. Uleiul esterifîcat din rapiță se numește Metil Ester din Rapiță iar cel din soia Metil Ester din Soia. „Biodieselul verde” (uleiul vegetal purificat) este mai ieftin decât Metil Esteral din Rapiță și pe baza lui se pot produce mai multe feluri de diesel.

Biogazul (și într-o măsură mai mică gazul de la gropile de gunoi – un gaz bogat în metan) este foarte similar cu gazul natural, dar are un conținut mai mic de CH4 si de aceea și o putere calorifică mai mică. Intr-adevăr componentele principale ale biogazului sunt CH4 50 – 65% și CO2 25 – 40%, dar el conține de asemenea și sulfuri, CO și H2 . Puterea calorifică a biogazului depinde de elementele non- combustibile (N, C02). PCI mediu pentru biogaz este între 20 – 24 MJ/m3.

Deși gazul de sinteză este produsul rezultat în urma procesării termo-chimice a unui combustibil solid sau lichid el face parte tot din categoria biocombustibililor și îl amintim în această secțiune a capitolului. Conținutul gazului de sinteză (produs al gazeificării) depinde de tehnologia de gazeificare, compoziția biomasei și de temperatura de proces. Gazul de sinteză de obicei conține CO, C02, azot (N2), CH4 și hidrogen (H2). C02 și N2 sunt componente dezavantajoase din punct de vedere al puterii calorifice deoarece ele nu ard. Puterea calorifică a gazului de sinteză depinde de compoziția lui. Puterea lui calorifică este de aproximativ 5-15 MJ/m3, mai mică decât cea a gazului natural.

Diferiții combustibili gazoși produși din biomasă au o utilizare similară cu biomasa solidă, dar caracteristicile diferă. Utilizarea locală pentru încălzire (prin combustia directă) este cea mai economică soluție deoarece gazul nu necesită epurare.

În cazul producerii de energie electrică gazul trebuie să fie epurat (înlăturându-se gudronul) pentru a asigura o operare sigură și fezabilă a echipamentelor. Procesul de gazeifîcare în pat fix cu o post-combustie ulterioară într-un motor cu ardere internă sau o turbină cu gaze este specific alimentării descentralizate cu energie electrică, iar tehnologia în pat fluidizat cu o post-combustie într-o turbină cu gaze este folosita pentru producerea centralizată de energie (> 1 MWe). O eficiență economică superioara a acestei tehnologii se poate atinge la capacități mai mari de 5 MWe.

Biogazul poate fi direct utilizat pentru încălzire, dar în același timp poate fi folosit în motoare cu ardere internă sau turbine cu gaze pentru producerea de energie electrică. Cea mai utilizată soluție este folosirea lui într-un motor cu ardere internă pentru producerea combinată de energie electrică și căldură (cogenerare).

Ocazional este posibilă injectarea biogazului în conductele de gaz natural. În acest caz procentul de CH4 în biogaz trebuie să fie egal cu cel de CH4 din gazul natural. Aceasta se poate realiza cu tehnologii speciale de epurare care încă sunt destul de scumpe și de aceea nerecomandate.

Pentru a înlocui combustibilii clasici pentru transport au fost dezvoltate două strategii care diferă în principal din punct de vedere al construcției motorului. O abordare pe termen lung favorizează motoarele electrice acționate cu pile de combustie sau din baterii, care funcționează fără să producă emisii. Celălalt concept, care poate fi implementat într-un timp scurt, se bazează pe dezvoltarea motoarelor care folosesc combustibili alternativi.

Combustibilii sintetici au practic aceleași caracteristici ca și combustibilii fosili și pot fi folosiți în motoare cu modificări destul de simple.

Pe lângă biometanul, care chimic este foarte similar cu gazul natural, bio- combustibilii sunt sub formă lichidă și de aceea sunt ușor de stocat si distribuit prin rețelele existente de alimentare cu combustibil pentru autovehicule. Ei au o densitate energetică similară cu combustibilii convenționali și de aceea nu introduc restricții pentru utilizarea autovehiculelor de capacități mari. [1]

5.1 Procese de fermentare

Fermentarea cu generare de etanol / metanol

Fermentarea cu generarea de etanol reprezintă transformarea substanțelor vegetale care conțin o cantitate suficientă de polimeri de zahăr, cum sunt amidonul sau celuloza (porumbul, trestia de zahăr, sfecla de zahăr, porumbul energetic, etc.) sau a plantelor cu un conținut ridicat de celuloză. Pentru a extrage zahărul din polimerii de zahăr aceștia trebuie să treacă printr-un proces de hidroliză. Cu toate acestea, unele plante, cum sunt trestia de zahăr, sfecla de zahăr conțin zahăr sub formă de monomer, și atunci nu este nevoie de hidroliză.

Produsul fermentației, etanolul (denumit de asemenea etilglicol) este folosit drept combustibil sau combustibil secundar. In Europa principalele culturi pentru producerea bio-etanolului sunt culturile care conțin amidon (grâul) și sfecla de zahăr.

Sfecla de zahăr se cultivă în majoritatea țărilor UE-25 și poate produce cu mult mai mult etanol la hectar decât grâul. Dezavantajul producerii de bio-etanol este acela că resursele primare sunt importante și pentru industria alimentară.

Principalele etape de producere a bio-etanolului sunt următoarele:

măcinarea produselor agricole;

prelucrarea termică a amidonului sau a suspensiilor de zahăr;

fermentarea;

distilarea;

concentrarea alcoolului până la concentrație de până la 95%;

colectarea alcoolului de 95% prin dehidrare chimică sau prin filtrare cu membrane.

Bioetanolul este cel mai răspândit biocombustibil din ziua de azi. Peste 10 milioane m3 de etanol se adaugă în benzină, anual, în lume, pentru a îmbunătății performanțelor vehiculelor și a reduce poluarea aerului. în multe orașe se utilizează etanolul ca aditiv în benzină, pentru a putea respecta standardele de calitate a aerului. Vehiculele cu alimentare flexibilă, care pot folosi un amestec de benzină și etanol, denumit E85 (85% etanol și 15% benzină), se găsesc acum pe piața mondială, în număr de peste 4 milioane exemplare. încă din anii 1980, în țările cu potențial mare de biomasă ca: Brazilia, Thailanda, India, Filipine, Suedia, Franța, Polonia și alte țări s-a manifestat o preocupare deosebită pentru cercetarea și industrializarea procedeelor privind fabricarea etanolului. [1]

5.2 Procese de extracție / esterificare (producere de biodiesel)

Biodieselul este un biocarburant ce se poate fabrica din uleiuri vegetale și grăsimi animale. El poate fi folosit singur sau ca aditiv, pentru reducerea emisiilor poluante. In ultimii ani se folosesc, mai ales în țările din vestul Europei, cantități tot mai mari de uleiuri vegetale crude presate la rece.

Biocombustibilul diesel se obține pe cale chimică prin reacția dintre alcooli cu diverse uleiuri vegetale, grăsimi animale sau reziduuri grase alimentare (uleiuri de gătit arse) sau nealimentare (de natură industrială). Datorită acestui fapt este folosit adesea în amestecuri de 2% sau 20% cu motorina. Aceste amestecuri poartă tot denumirea de „biodiesel", fiind clasificate după conținutul procentual de ulei:

B2 – amestec de motorină cu 2% biocombustibil diesel, B20 – amestec de motorină cu 20% biocombustibil diesel. Produsul Bl00 conține 100% biocombustibil diesel.

Biodieselul este considerat acel amestec combustibil care conține o concentrație de minim 20% biocombustibil – denumit B20. Biocombustibil diesel sau alchil esterii se pot obține din uleiuri și grăsimi pe trei căi:

transesterificarea catalitică a uleiurilor cu alcool;

esterificarea catalitică acidă directă a uleiurilor cu metanolul;

conversia uleiurilor la acizii grași și apoi la alchil-esterii cu ajutorul catalizatorilor acizi. [1]

Fig. 6 : Filiere de producere a bioetanolului și a biodieselului [1]

5.3 Instalația cu biogaz

Fig. 7 : Exemplu de instalație cu biogaz [6]

Deși există mai multe tipuri de instalații de biogaz, partea tehnică a fiecărei instalații trebuie să funcționeze conform aceleiași metode. Această „inimă” a instalației servește doar scopului de a produce biogaz. Principala diferență apare la nivelul alegerii substraturilor și tratamentului relevant (partea de intrare). Utilizarea energetică, mai departe, a gazului face de asemenea subiectul unor discordanțe si poate fi vazută ca o caracteristică adițională a instalației, depinzând de principalele rezultate: gaz, electricitate sau căldură (partea de ieșire).

Pregătirea și tratarea colectorului: 
Majoritatea substraturilor necesită pre-tratare cum ar fi amestecarea, îndepărtarea materiei necorespunzătoare, tăierea sau diluarea.

Unitatea de fermentare 1:

După tratare, pregătire și o posibilă depozitare, substraturile sunt introduse în unitatea de fermentare 1. Acest prim container este destinat substraturilor proaspete și este necesar pentru începerea procesului de fermentare. Este nevoie de o cultură de start pentru procesele discontinue, în cele continue culturile de bacterii sunt deja existente. Timpul în care aceste substraturi rămân în primul digerator variază între 20 și 80 de zile. Cantitatea de gaz produsă nu este foarte mare, tot gazul generat fiind captat în colectorul de gaz. Temperatura digeratorului trebuie să fie între 40-60° C. Astfel, digeratorul trebuie să dispună de un sistem de încălzire, deseori amplasat în subsolul unității de fermentare.

Unitatea de fermentare 2:

Ambele containere ale unității trebuie neapărat să fie protejate împotriva apei și gazelor,  etanșe și încălzite. De obicei sunt realizate din oțel sau fier-beton.

Agitatorul/Mixerul: 

Fiecare digerator trebuie să conțină un mixer, crucial pentru păstrarea omogenității substratului și garanția că gazul este eliberat în mod egal. 

Rezervorul de gaz:

Gazul din rezervor variază, deci acesta ar trebui să fie flexibil. Totuși, trebuie prevenită intrarea aerului. Primul rezultat al progresului este producerea biogazului și reziduurilor din unitățile de fermentare.

Reziduurile: 

Reziduurile din unitățile de fermentare sunt fertilizatori de o înaltă calitate. În timpul procesului de fermentare carbonul este descompus iar raportul carbon-azotat din îngrășământ se apropie. Deci azotul este mai ușor de manevrat iar efectul de fertilizare este mai ușor de calculat. De asemenea volumul este redus iar îngrășământul mai cursiv. Există și avantaje adiționale: atenuarea mirosurilor neplăcute și distrugerea buruienilor.

Unitatea de căldură și instalația de energie: 

De obicei, biogazul ajunge în unitatea de producere a căldurii sau în instalația de energie, însă poate fi curățat și folosit pentru alimentarea vehiculelor sau introdus în rețeaua de gaz natural.

Curățarea gazului: 

Tot biogazul folosit în mod normal trebuie curățat prin îndepărtarea hidrogenului sulfurat și amoniacului. [9]

5.3.1 Fundamente ale biogazului

Biogazul, un amestec preponderent de metan (CH4) și bioxid de carbon (CO2), este generat prin descompunere bacteriană a materiilor vegetale și animale în absența prezenței oxigenului aerian. Metanogeneza (generarea de CH4) este apanajul exclusiv al unui mic grup de bacterii specializate care constituie ultima verigă a unui lanț de microorganisme ce descompun pe deplin biomasa.

Generarea biogazului poate fi considerată ca un proces de fermentație multietapizat, la a cărui desfășurare participă mai multe specii de microorganisme. Aproape orice substanță organică are proprietatea de a fermenta și de a fi astfel descompusă. Substanța organică cu structură moleculară complexă și complicată este descompusă în patru etape până la nivelul de substanțe cu structură moleculară simplă și în final până la metan.

Pe lângă biogazul bogat în metan în lanțul procesual amintit ia naștere și un reziduu de fermentație; un amestec de apă, substanță organică nedescompozabilă (substanță celulozică sau lemnoasă) și substanțe anorganice (nisip, alte particule de sol, săruri, minerale etc.). Procesul de fermentație are loc într-un mediu umed, deoarece microorganismele necesită un conținut de apă de minim 50% în substratul de pornire.

Etapa 1 a fermentației: Hidroliza

În această etapă substanța organică, respectiv structura macromoleculară (albumină, hidrați de carbon, grăsimi, celuloză) este divizată/”spartă”. Acest fenomen se produce cu ajutorul enzimelor care prin intermediul alăturării și respectiv interpunerii de molecule de apă în locurile de divizare transformă substanța în substanțe cu structură moleculară simplă ca de exemplu în monozaharuri, aminoacizi, acizi grași și apă.

Etapa 2 a fermentației: Formarea acizilor

În această etapă substanțele cu structură moleculară mai simplă sunt descompuse de bacterii producătoare de acizi, în acizi organici cu structură moleculară simplă, bioxid de carbon, hidrogen sulfurat și amoniac.

Temperatura optimă a acestui proces de transformare este de 30 °C , iar pH-ul optim este de 6. întreaga cantitate de hidrogen generată în proces și neîndepărtată până acum are un efect inhibitor asupra formării acizilor.

Etapa 3 a fermentației: Formarea de acid acetic

În acestă etapă are loc descompunerea de către bacterii ale acidului acetic a acizilor organici cu structură moleculară simplă și a alcoolilor în acetați, acid acetic, bioxid de carbon și hidrogen. Concentrația ridicată de hidrogen are un efect inhibitor și asupra acestui proces.

Etapa 4 a fermentației: Formarea metanului

În această etapă acidul acetic, bioxidul de carbon și hidrogenul sunt transformate în metan de către bacterii ale metanului. în cadrul acestui proces apare un exces de bioxid de carbon care rămâne și în amestecul de gaze rezultat.

Datorită participării la acest proces a diferitelor categorii de microorgamisme există trei temperaturi optime caracteristice unor domenii specifice, domeniul psihrofil (<20°C), domeniul mezofil ( 25 – 35 °C) și domeniul termofil (>45 °C). Optimul pH-ului este de cca. 7,5 astfel încât se impune o prelucrare continuă a produselor intermediare ale procesului pentru a împiedeca o acidifiere a procesului. [3]

Tabelul 2 : Compoziția biogazului [3]

Tabelul 3 : Proprietăți caracteristice ale biogazlui [3]

Fig. 8 : Recolte de biogaz din diferite substraturi [3]

5.3.2 Procedeul de obținere al biogazului

Fig. 9 : Reprezentare schematică a procedeelor de obșinere a biogazului [3]

Procedeul în flux continuu: Acesta este procedeul cel mai simplu de generare a biogazului. Fermentatorul este umplut îh permanență și servește exclusiv fermentației. Cantitatea de substrat introdusă este egală cu cantitatea extrasă. Dimensionarea fermentatorului este făcută pe baza duratei ideale de fermentație completă a substratului adică de regulă 25 – 35 zile.

Procedeul de înmagazinare și flux continuu: Fermentatorul poate fi folosit la acest procedeu în regim de magazie cât și în regim de flux continuu. în faza de pornire cât și în cea de îndepărtare a reziduurilor ( până la o anumită cantitate) fermentatorul funcționează în regim de magazie atâta timp cât nu este complet umplut. De îndată ce fermentatorul este plin instalația comută din regimul de magazie pe regimul de flux continuu. Substratul care debordează ajunge direct într-un rezervor deschis din sol. Un mare avantaj a acestui procedeu este producția continuă de gaz.

Procedeul în flux continuu și înmagazinare: Fermentatorul principal este exploatat la acest procedeu In flux continuu, un al doilea fermentator consecutiv servește pentru postfermentare. Acesta are o construcție mai puțin complexă și are numai un dispozitiv de amestecare.

Procedeul batch: La acest procedeu există două sau mai multe fermentatoare conectate și exploatate serial. Rezervorul de putrezire este obținut deodată (charge). Această sarcină (charge) putrezește până în final fără adaos sau extracție de substrat.

Procedeul cu alternarea recipientelor: La acest procedeu se face uz de două rezervoare de putrezire. In timp ce la un fermentator procesul de putrezire se încheie, cel de al doilea fermentator este umplut uniform. De îndată ce al doilea rezervor este plin are loc o golire rapidă a primului mtr-un rezervor destinat acestui scop. Urmează o nouă umplere a primului rezervor.

Procedeul înmagazinării: Principiul de bază a acestui procedai constă în folosirea simultană a rezervorului de dejecții ca și fermentator. Rezervorul de dejecții este în acest caz izolat, încălzit și amestecat. La anumite intervale de timp se adaugă substrat. [3]

5.4 Conversia energiei biogazului în energie termică și electrică (valorificarea energetică a biogazului)

Generarea de căldură: Biogazul poate fi folosit prin intermediul arzătoarelor Bunsen la producția de energie termică la temperaturi joase. O utilizare termică a biogazului nu este uzuală în Germania, deoarece această energie termică la temperaturi joase poate fi obținută cu instalații solare sau pin intermediul căldurii reziduale a motoarelor acționate cu biogaz în centrale bloc. Utlizarea biogazului la prepararea hranei s-a împământenit în țările în curs de dezvoltare deoarece astfel se poate contracara scăderea de combustibili naturali (lemn).

Cuplaj forță căldură într-o centrală bloc (cogenerare): în Germania s-a impus utilizarea biogazului pentru producerea de energie electrică. Un motiv principal pentru aceasta îl constituie subvențiile pentru curentul produs acordate în temeiul EEG.

Pentru obținerea de energie electrică din biogaz se folosesc în principal centrale bloc cu cogenerare și motoare. în prezent, în fază de experimentare se află și celule cu combustie cu biogaz, acestă tehnologie nu este însă încă promovată pe piață.

La folosirea biogazului în centrale cu cogenerare pentru producerea energiei electrice acesta este de regulă introdusă în rețeaua electrică și remunerat corespunzător cu toate bonificațiile. Căldura reziduală de la motor este în primul rând folosită pentru încălzirea fermentatorului. Dacă există mai multă căldură disponibilă aceasta este folosită la încălzirea sau acoperirea necesarului de căldură din clădirile învecinate și/sau la pregătirea apei calde menajere. Obiectivul este folosirea completă a căldurii rezultate.

Centralele bloc cu cogenerare lucrează cu motoare Otto cu gaz sau motoare Diesel cu jet de aprindere. în cazul motoarelor Otto poate fi vorba despre motoare Otto cu gaz sau un motor gaz – Diesel. Ambele funcționează pe baza principiului Otto fără adaos de combustibil pentru aprindere (păcură, diesel), singura deosebire constă în raportul de compresie. [3]

5.4.1 Considerații despre cogenerare și trigenerare

În lume, instalațiile de cogenerare/trigenerare produc energie electrică cu puteri instalate cuprinse între 1 kW și 500 MW, deci o plajă extrem de largă pentru generatoarele electrice utilizate.

Principiul de funcționare este relativ simplu, el fiind controlat de sistemul de comandă și control. Astfel, motorul principal alimentat cu combustibil produce lucru mecanic util și evacuează o cantitate de căldură. Lucrul mecanic util este utilizat la antrenarea generatorului electric, iar căldura evacuată este recuperată în sistemul de recuperare cu sau fără răcitoare. Pentru trigenerare, există mai multe variante de răcitoare cu absorbție, cu compresie, mixte, deci ele pot fi consumatoare de căldură, de lucru mecanic sau de ambele.

O instalație de cogenerare, indiferent de combustibilul utilizat, are patru componente de bază:

un motor principal;

un generator electric;

un sistem de recuperare a căldurii;

un sistem de comandă și control.

Fig. 10 : Componenta unei instalații de cogenerare [2]

În funcție de cerințele concrete, motorul principal poate fi cu turbină cu abur, cu turbină cu gaze sau cu motor cu pistoane. Din punctul de vedere al puterii mecanice, la arbore putem aprecia valori între câțiva zeci de kW și zeci de MW. Recent, această paletă de motoare s-a diversificat prin introducerea în sistemele de cogenerare/trigenerare a micro-turbinelor, a motoarelor Stirling și chiar a celulelor de combustie. [2]

5.4.2 Transformarea energiei mecanice în energie electrică

Ultimii ani au însemnat o creștere semnificativă a producției și a tehnologiilor de biogaz din majoritatea țărilor europene. Producătorii de biogaz și societățile, care le asigură deșeurile, pot acționa simultan pentru rezolvarea problemelor ecologice. O lipsă reală de combustibili fosili și evoluția prețului energiei joacă un rol important în favorizarea producerii biogazului. Concluzia analizelor făcute este că utilizarea biogazului în Europa este modestă față de potențialul existent. Energia conținută în biogaz reprezintă doar o foarte mică parte din energia totală consumată în Europa.

În Europa, biogazul, purificat sau nu, cunoaște două utilizări principale, separat și concomitent pentru cogenerare:

conversie în energie electrică

generare de energie termică prin ardere directă.

Cogenerarea este o tehnică extrem de eficientă în alimentarea cu energie electrică și căldură pentru piața europeană de energie și reprezintă o parte din strategia Uniunii pentru o utilizare eficientă a energiei. Utilizarea eficientă a combustibilului în producerea simultană a căldurii și a energiei electrice poate oferi economii de energie și poate conduce la evitarea emisiilor de CO2 prin comparație cu producerea separată a căldurii și a energiei electrice. O intensificare a folosirii producerii combinate va fi probabil corelată cu o tendință spre utilizarea resurselor energetice curate și autohtone, cum sunt gazele naturale, biomasa sau deșeurile. Astfel, cogenerarea poate fi de ajutor la atingerea obiectivelor UE privind creșterea diversității combustibililor și asigurarea cererii de energie. Principalul argument în favoarea cogenerării este reducerea consumului de combustibil primar și, implicit, a emisiilor de gaze cu efect de seră. Producerea în cogenerare are următoarele avantaje :

Posibilitatea obținerii la unitatea de producție în cogenerare a unor randamente energetice mai mari de 80 %;

Creșterea eficienței energetice prin utilizarea instalațiilor performante de cogenerare;

Economia de combustibil primar al sistemelor de producere în cogenerare, în comparație cu producerea acelorași cantități de energie electrică și căldură separat în centrale electrice (CTE) și centrale termice clasice (CT, CTZ);

Poluare mai redusă, cu posibilitatea de control și de reducere a noxelor, inclusiv, a emisiilor de gaze cu efect de seră și îndeplinirea angajamentelor asumate de România în baza Protocolului de la Kyoto și pentru implementarea Directivei 2003/87/CE privind schema de comercializare a certificatelor de emisii gaze cu efect de seră;

Costul redus al energiei comparativ cu alte sisteme de producție a energiei termice (fără cogenerare).

Cogenerarea de căldură și electricitate poate să fie obținută prin diverse sisteme:

Motor cu gaz sau Diesel

Cogeneratorul de acest tip prezintă următoarele avantaje:

se utilizează pentru puteri de peste 5 kW;

este bine adaptat la prepararea apei calde;

raportul αE / αQ , care reprezintă indicele anual de cogenerare, este foarte favorabil, mai ales, pentru diesel (αE = partea din energie valorificată sub formă de electricitate într-o instalație de cogenerare; αQ = partea din energie valorificată sub formă de căldură utilizabilă, într-o instalație de cogenerare);

are cost abordabil, mai ales, pentru motoarele diesel;

se poate adapta la o variație de cerere.

Ca dezavantaje, se menționează:

are cost ridicat de întreținere;

este puțin propice producerii de abur.

Turbină cu gaz

Cogeneratorul de acest tip prezintă următoarele avantaje:

se utilizează pentru puteri de peste 500 kW;

poate produce cu ușurință abur;

are randament general bun.

Dezavantaje:

raportul αE / αQ este redus pentru puterile inferioare;

necesită gaz natural.

Turbină cu abur

Cogeneratorul de acest tip prezintă următoarele avantaje :

– convine pentru toate tipurile de combustibili;

– are randament general foarte bun;

– are cost de întreținere modic;

– are durată de viață ridicată.

Dezavantaje:

– raportul αE / αQ este foarte redus;

– necesită investiție ridicată;

– are funcționare aproape continuă.

Formele de recuperare a căldurii la ieșirea din turbina sunt: sub formă de abur – turbină cu contrapresiune sau cu extragere de abur; sub formă de lichid- turbine cu condensație.

Motor cu reacție

Principalul domeniu de utilizare al motoarelor cu reacție este aviația, unde a devenit tipul de motor predominant. Motoarele cu reacție diferă de motoarele eu piston și elice prin principiul de producere a forței de tracțiune. Motorul cu piston, instalat pe un avion, acționează elicea prin intermediul căreia se produce o forța care se consumă pentru a deplasa înapoi și lateral în sens contrar deplasării avionului, o mare masă de aer antrenată de paletele elicei. Avionul înaintează datorită forței de reacțiune a masei de aer deplasată de elice.

Forța de reacțiune care asigură înaintarea avionului nu se aplică direct asupra motorului, ci prin intermediul propulsorului (elicei). La motoarele cu reacție, masele de gaze sunt deplasate chiar de către motor, deci forța de reacțiune se aplică direct asupra motorului. Spre deosebire de motoarele cu piston și elice, la care forța de reacțiune, deci forța de tracțiune, scade odată cu creșterea vitezei de zbor, la motoarele cu reacție forța de tracțiune nu scade cu creșterea vitezei de zbor, Aceasta particularitate a motoarelor cu reacție, precum și construcția lor mai simplă, greutatea și gabaritele mai reduse, în comparație cu motorul cu piston, fac ca ele să fie indicate pentru condiții de zbor de mare viteză,

Microturbină

Deși tehnologia și dimensiunea microturbinelor este departe de utilizarea împreună cu sisteme de energii regenerabile de mărime mică și medie, potențialul inovației este destul de ridicat. Un exemplu cunoscut al acestei tehnologii și cea mai mică microturbină disponibilă este Capstone 30 (28 kWei) and Capstone 60 (60 kWei) fig. 11.

Fig. 11 : Capstone C 30 (30 kWd / 85 kWIh) (Imagine: Capstone Turbine Corporation, Chatsworth, Canada) [2]

Aspectele interesante ale acestei tehnologii, sunt flexibilitatea înaltă, zgomotul scăzut și emisiile scăzute. Datorită electronicii digitale de putere, microturbina este capabilă să manipuleze între 0-28 kW putere electrică pentru o rețea izolată (alte sisteme pornesc de la 50 % din puterea nominală). Randamentul electric, în condiții de încărcare totală, este în jur de 26 %. La o încărcare parțială, randamentul este mult mai ridicat decât la generatoarele standard cu motor. Pentru că microturbina are orificii de aer fără ungere, limita de întreținere este în jur de 8000 de ore. Chiar și tipul combustibilului care poate fi folosit variază (gaze naturale, ulei de încălzire, gaz lichid, gaz de cărbuni și gaz de canalizare). Deci microturbina va putea funcționa în viitor cu orice tip de alimentare uzuală cu gaz.

Temperatura ridicată a căldurii evacuate (270 °C – 280 °C), care poate fi transportată doar prin instalația de evacuare, facilitează dezvoltarea unor centrale de cogenerare flexibilitate ridicată.

Din cauza temperaturii ridicate, pierderea de căldură poate fi folosită pentru încălzirea apei, încălzire industrială și răcire prin absorbție. Subsistemele suplimentare sunt deja disponibile pe piață.

Turbina cu turbo-încărcător acționează un generator cu magneți permanenți la 96000 rpm producând un curent alternativ cu o frecvență de 1600 Hz. Aceasta este redusă de un convertor de frecvență la 50/60 Hz. Dacă turbina ar fi folosită pentru modul control-rețea, este nevoie pentru început de o baterie, până ce turbina intră în regimul de turație nominal. Această baterie este în continuare utilizată pentru a alimenta convertorul de frecvență. Costurile de investiție sunt între 500 €/kW și 1000 €/kW putere electrică instalată, care este la aproape același nivel pentru turbinele cu gaz industrial și mult mai ieftină decât motoarele cu gaz.

În comparație cu costurile totale de investiție (motor plus recuperator) pentru un motor cu gaz, ce sunt în jur de 1300-1800 €/kWei, costurile pentru sistemul cu microturbină sunt doar de 900-1300 €/kW„. în special, comparativ cu motorul cu gaz, microturbină prezintă câteva avantaje. Rata de întreținere este de 8000 de ore (4000 de ore pentru motorul cu gaz), diferența dintre dimensiune și greutate este de aproximativ 20 % și emisia de NOx este de 5 ori mai scăzută decât la motorul cu gaz.

Singurul dezavantaj, în afară de mărimea puterii limită, esté randamentul total scăzut 73%-78 %, comparat cu 85 % la motorul cu gaz. [2]

5.4.3 Instalații de producere a energiei electrice

O centrală electrică reprezintă un complex de instalații care transformă o formă primară de energie, în energie electrică.

O centrală termoelectrică reprezintă o uzină unde combustibilul fosil (cărbune, gaze naturale, păcură) este ars într-un echipament special denumit cazan sau cameră de ardere, în vederea obținerii unei cantități de energie termică fsub formă de abur sau gaze de ardere) care este apoi transformată în energie electrică. Ca tehnologie folosită, centralele termoelectrice pot fi, după cum urmează:

centrale termoelectrice cu turbine cu abur (de termoficare sau de condensație);

centrale termoelectrice cu turbine cu gaze;

centrale termoelectrice cu motoare termice;

Componentele unei centrale termoelectrice sunt variate și cuprind aproape toate specialitățile tehnice din domeniile: mecanic, electric și automatizări, instalații hidrotehnice. La centralele termoelectrice, au o importanță deosebită instalațiile mecanice (valoric 70 %) și instalațiile electrice.

Combustibilul (gaze naturale, păcură, deșeuri lemnoase etc,) este ars în cazanul de abur cu ajutorul aerului de ardere, energia chimică a combustibilului transformându-se astfel în căldură. Căldura este preluată sub formă de abur care iese din cazan, la presiune și temperatură ridicate (de ex. 330 bar, 600 °C). Aburul având acești parametri, și care urmează a fi destins în turbină, se numește ab în turbină aburul se destinde, imprimând în același timp o mișcare de rotație rotorului turbinei.

În acest fel, căldura este transformată în lucru mecanic. La rândul său, lucrul mecanic este transformat de către generator în energie electrică. La ieșirea din turbină, aburul este apoi trecut printr-un condensator care, prin procedeul de răcire, preia căldura latentă a aburului, acesta redevenind lichid (condensat), respectiv, apă. Apa este apoi preluată de pompa de condensat și trimisă către cazan, unde ciclul se reia. Schema bloc a fluxurilor de energie este dat in fig. 12.

Fig. 12 : Schema bloc a fluxurilor de energie [2]

Ciclul după care funcționează o astfel de centrală este ciclul Rankine, fig. 13.

Fig. 13 : Ciclul Rankine: 1) procesul de pompare a apei tn cazan; 2) încălzirea apei; 3) vapori zarea apei; 4) supraîncălzirea aburului; 3) destinderea tn turbină; 6) condensarea [2]

Pentru mărirea randamentului unei centrale termoelectrice, se folosesc diverse tehnici, dintre care enumerăm:

creșterea presiunii inițiale a ciclului;

creșterea temperaturii inițiale a ciclului;

creșterea atât a presiunii, cât și a temperaturii;

supraîncălzirea intermediară;

utilizarea ciclurilor suprapuse;

preîncalzirea apei de alimentare etc.

Folosirea unei centrale pentru a produce doar un singur tip de energie nu este rentabilă în foarte multe situații, de aceea o centrală termoelectrică se utilizează pentru producerea a cel puțin încă unui tip de energie, respectiv, energie termică și/sau Mg. Acestea sunt așa- numitele centrale de cogenerare sau trigenerare. Schema simplificată a unei astfel de centrale este dată în fig. 14.

Fig. 14 : Schema simplificată a unei centrale de cogenerare [2]

La una din prizele turbinei, este extrasă o cantitate de abur care este folosită într-un schimbător de căldură, pentru obținerea apei fierbinți folosită mai departe în alimentarea cu căldură a diverselor instalații industriale. Dacă acest procedeu nu este suficient pentru a acoperi consumul de energie termică existent la un moment dat, atunci se folosesc echipamente speciale, numite instalații de vârf, cum ar fi CAF-urile (cazane de apă fierbinte).

În România, există un număr destul de mare de centrale termoelectrice, construite în perioada 1960-1985. Majoritatea acestora sunt construite pe lângă marile orașe (București, Craiova, Iași, Constanța) asigurând cererea de energie termică pentru încălzire și apă caldă de consum ale locuitorilor, prin procedeul numit cogenerare (termoficare). O parte importantă din aceste centrale funcționează pe cărbune inferior (lignit), situație care este în contradicție cu normele europene privind protecția mediului. Cărbunele inferior are avantajul de a fi un combustibil ieftin și în cantități destul de mari în România, dar care are un conținut ridicat de sulf. La arderea lignitului, se formează acidul sulfuric care poate să corodeze instalațiile și, la părăsirea centralei, poate să fie sursă a ploilor acide. în următorii ani, toate centralele, care funcționează pe cărbune inferior, vor trebui să fie dotate cu instalații de desulfurare, pentru respectarea normelor de mediu. Acest lucru va duce la o creștere a prețului energiei electrice în România. [2]

Fig. 15 : Schema simplificată a unei centrale cu turbine cu gaze [2]

Studiu de caz

Pentru următorul studiu de caz va fi prezentat succint un calcul din care vor rezulta avantajele economice în utilizarea unei instalații cu biogaz.

În cazul instalațiilor cu biogaz sunt necesare examinări detaliate la fața locului pentru determinarea condițiilor și a limitărilor existente.

Exemplul care urmează va fi realizat pentru o instalație cu biogaz ce utilizează drept materie primă dejecții animaliere de la o întreprindere agricolă. Această întreprindere agricolă cuprinde un număr de 150 de capete de vaci cu lapte dar și o producție ce constă în vegetale însilozabile, fân și porumb de l00 ha.

Ca o adăugare suplimentară se poate accepta faptul că energia temică obținută excedentar poate fi oferită spre vânzare comunității aflate în vecinătate.

Drept urmare va exista posibilitatea de a solicita bonificația pentru cogenerare. De asemenea pot fi obținute, prin vânzarea căldurii, și alte câștiguri suplimentare.

Prezentarea programului utilizat pentru simulare

Programul utilizat pentru realizarea acestui studiu de caz se numește “CH4 – BIOGAS SIMULATOR” (fig. 10). Programul a fost procurat din biblioteca de aplicații Google play pentru sistemul de operare android .

Fig. 16 : CH4 – BIOGAS SIMULATOR [5]

CH4 – BIOGAS SIMULAROR este o aplicație ce ne permite să simulăm producerea de biogaz la ferme și unități de creștere a animalelor prin intermediul unui dispozitiv mobil fără a fi nevoie să fie conectat la internet în momentul simulării. Printr-o interfață simplă utilizatorul furnizează numai cantitatea, tipul și stadiul de creștere a animalelor. Odată ce utilizatorul confirmă includerea datelor, aplicația generează un raport detaliat al prospectarea potențialului de producție de biogaz proprietate evaluată.

După procesarea datelor introduse pe eran va fi afișsat un raport care permite utilizatorului să verifice producția, câștigurile economice, energetice și de mediu. Această aplicație este concepută pentru a promova crearea de noi întreprinderi în acest domeniu de generare de energie electrică. [5]

Programul utilizat pentru realizarea acestei simulări este dezvoltat de către compania port CH4 Agroenergia. Această companie își are sediul în Brazilia.

Fig. 17 : Prezentarea emblemei companiei CH4 Agroenergia [7]

CH4 Agroenergia lucrează pentru dezvoltarea de tehnologii, produse și procese ce au ca scop încurajarea producției de biogaz a fermelor și a unităților de creștere a animalelor. Acest lucru are drept urmare existența unor indicatori de fezabilitate economice, de mediu și de energie care permit luarea deciziilor de sprijin pentru punerea în aplicare a proiectelor de tratare a deșeurilor agricole și instalarea de sisteme de distribuție a energiei electrice. [7]

Fig. 18 : Prezentarea economicității biogazului de către compania CH4 Agroenergia [7]

Interfața de introducere a datelor arată în felul următor :

Fig. 19 : Selectarea limbii [5]

Fig. 20 : Selectarea categoriei dorite [5]

Fig. 21 : Selectarea subcategoriei dorite [5]

Fig. 22 : Introducerea adresei de e-mail pentru recepționarea datelor [5]

Rezultatele obținute după simulare și interpretarea lor

Este necesar să determinăm costurile anuale pe baza costurilor cu capitalul, consumurile și exploatarea pentru stabilirea economicității instalației cu biogaz. Din estimările ce privesc costurile cu investiția se pot determina costurile cu capitalul. Costurile anuale sunt comparate cu venitul din producerea de energie electrică, vânzarea energiei termice și valorificarea îngrășămintelor.

Investiția într-o astfel de instalație se calculează orientativ determinându-se cantitatea totală necesară de substrat. Pe baza acestei cantități se pot calcula dimensiunile fermentatorului.

Fig. 23 : Fermentator [8]

De asemenea este necesar să determinăm cantitatea de materie organică uscat. Prin intermediul acesteia se poate determina sarcina (solicitarea) camerei de putrezire. Puterea agregatului de cogenerare se va dimensiona din recolta de metan.

Fig. 24 : Agregat de cogenerare [10]

Vânzările de energie electrică și termică, economiile la păcură pentru încălzire și valorificarea îngrășămintelor organice vor constitui câștigurile din acest exemplu. Energia electrică produsă prin intermediul instalației cu biogaz poate fi introdusă integral în rețeaua de joasă tensiune.

Rezultatele obținute sunt reprezentate în următoarele tabele :

Tabelul 4 :

Bonificațiile conform Legii privind energiile regenerabile (EEG) se compun din:

bonificație de bază;

bonificație NaWaRo;

bonficație de cogenerare.

Tabelul 5 :

În cazul modelului utilizat pentru simulare, valorificarea instalației cu biogaz s-a realizat prin vânzarea de energie electrică și de energie termică folosindu-se în mod integral căldura produsă. Condițiile esențiale ce au contribuit la economicitate sunt reprezentate de costuri, eforturile ce au fost necesare pentru a obține de materia primă dar și potențialul vânzării căldurii excedentare ce a fost produsă de către instalația cu biogaz.

Avizarea unei instalații cu biogaz

Avizarea unei instalații de biogaz se poate face în conformitate ca legislația din construcții sau în conformitate cu Bundes- Immisionsschutzgesetz (BImSchG) (Legea Federală privind Protecția la Imisii). Decizia privind legislația de respectat se ia în funcție de cantitatea de deșeuri rezultate. Dacă cantitatea nu depășește 10 tone/zi și nu este vorba despre deșeuri ce necesită o supraveghere specială, avizarea se face conform BimSchG. O privire de ansamblu asupra altor criterii ce trebuie respectate este prezentată în figura 20.

Dacă în instalația de biogaz urmează a se prelucra reziduuri biologice de origine vegetală dar și resturi alimentare sau menajere, aceasta se va face cu respectarea Ordonanței privind Reziduurile Biologice (R.F. Germania – nota trad.) iar dacă este cazul și a Legii privind înlăturarea Cadavrelor Animaliere (R.F. Germania – nota trad.) . [3]

Fig. 20 : Criterii de avizare a unei instalații cu biogaz [3]

Dacă se fermentează substraturi animaliere se vor respecta prescripțiile Ordonanței UE privind Higiena ( UE HygieneV). În acest scop produsele animaliere colaterale care nu sunt destinate consumului uman se împart în trei categorii. Aceste categorii condiționează procedeele de prelucrare și modalitățile de valorificare.

Categoria 1: Material de proveniență animală cu risc ridicat și resturi alimentare și de bucătării posibil de transport transfrontalier. Aceste materiale nu sunt admise de a fi prelucrate în scopul obținerii de biogaz și trebuie înlăturate.

Categoria 2: Material de proveniență animală, material de proveniență animală cu risc, de exemplu produse ce nu pot fi destinate consumului provenind de la abatoare sau întreprinderi de prelucrare a cărnii, produse din țări terțe, material animal cu conținut de medicamente precum și îngrășăminte industriale. Aceste materiale pot fi adăugate unei biomase după ce au trecut printr- un proces de sterilizare (133°C, 3bar, 20 minute) și unul de dezodorizare, sau pot fi utilizate ca îngrășăminte organice sau amelioratori de sol. în ce măsură dejecțiile animale lichide satisfac aceste cerințe nu este pe deplin clarificat.

Categoria 3: Material de proveniență animală cu risc epidemic redus, ca de exemplu materiale de proveniență animală ce pot fi consumate sau produse colaterale ca de exemplu unele produse de abator, coji de ouă, piei de animale, sânge, pene sau alimente cu termen de depozitare depășit sau șarje de alimente ratate. Aceste materiale trebuie să parcurgă conform EU – HygieneV un ciclu de igienizare (70°C, 60 minute) pentru a fi admise pentru prelucrare într-o instalație de biogaz.

Ca și criterii pentru acceptarea și avizarea unei instalații cu biogaz sunt printre altele metodele de supraveghere a punctelor critice de control al instalației, reglementarea distanțelor dintre instalația de biogaz și ferma de animale precum și construcția de neevitat a unei instalații de igienizare.

Utilizarea ulterioară a resturilor de fermentație este condiționată la rândul său de respectarea unor prescripții legale în vigoare. Tabelul 6 rezumă aceste dependențe. [3]

Tabelul 6 :

Concluzii

Fiind o sursă de energie regenerabilă biomasă prezintă avantaje multiple întrucât ea poate fi utilizată atât pentru producerea de electricitate cât și pentru producerea de energie termică. Unul dintre avantajele principale ale biomasei îl reprezintă faptul că energia asociată biomasei forestiere este profiatbilă și ecologică deoarece toată materia celulozică abandonată în prezent (trunchiuri, bușteni, scoarță de copac, crengi) poate fi transformată în produse energetice. De alfel atunci când tehnologiile de conversie energetică se vor dovedi rentabile, biomasa forestieră folosită în scopuri energetice ar putea produce combustibili solizi sau lichizi care ar putea subtitui o mare pare din consumul actual de petrol.

De asemenea producerea de biomasă reprezintă atât o resursă de energie regenerabilă dar și o oportunitate pentru dezvoltare rurală. Se preconizează, la nivelul Uniunii Europene, crearea a peste 30.000 de noi locuri de muncă în mediul rural datorită exploatării biomasei.

Un alt avantaj este dat de înlocuirea combustibililor fosili cu surse de biomasă. Acest lucru ar avea ca efect reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Asfel, la nivelul Uniunii Europene, în condițiile actualului cadru de reglementare privind energia produsă de biomasă se remarcă o tendință ascendentă a producerii acestui tip de energie.

Unul dintre principalii biocombustibili obținuți din biomasă este biogazul. Acesta poate fi folosit direct pentru încălzire, dar în același timp poate fi utilizat și în motoare cu ardere internă sau în turbine cu gaze pentru producerea de energie electrică. Soluția adoptată cel mai des este folosirea lui într-un motor cu ardere internă pentru producerea combinată de energie electrică și căldură (cogenerare).

Pentru a sublinia avantajele utilizării biogazului am ales pentru studiul de caz o simulare privind folosirea unei instalații cu biogaz. După procesarea parametrilor introduși în programul destinat simulării și după interpretarea rezultatelor constatăm ca obținem anumite avantaje economice. Aceste avantaje economice constau în vânzările de energie electrică și termică, din valorificarea îngrășămintelor organice și din economiile la păcură pentru încălzire. De asemenea energia electrică produsă poate fi introdusă în totalitate în rețeaua de joasă tensiune. Factorii determinanți pentru economicitate sunt costurile și respectiv eforturile necesare obținerii de materii prime precum și posibilitatea vânzării căldurii excedentare produse de instalație.

Resurse bibliografice

[1] Adrian BADEA, Horia NECULA, SURSE REGENERABILE DE ENERGIE , editura AGIR, București, 2013.

[2] Mihai Octavian POPESCU, Claudia Laurența POPESCU, Surse regenerabile de energie, vol.1:Principii și aplicații , editura ELECTRA, București, 2010.

[3] Transferstelle BINGEN, Utilizarea rațională și regenerativă a energiei , editura MATRIX ROM, București, 2012.

[4] Virginia CÂMPEANU, Sarmiza PENCEA, ENERGIILE REGENRABILE – ÎNCOTRO ?, Între “mituri” și realitățile post-criză din Europa și România , editura UNIVERSITARĂ, București, 2014.

[5] https://play.google.com/store/apps/details?id=br.com.biogasch4.CH4BiogasSimulator&hl=ro

[6] http://www.bteam-energy.ro

[7] http://www.ch4agroenergia.com

[8] http://www.uts-biogas.com/typo3temp/pics/a184a5259d.jpg

[9] http://www.probiopol.de/10_Care_sunt_componentele_une.45.0.html?&L=1

[10] http://www.bteamenergy.ro/system/clips/data/000/000/010/large/DSCF0155.JPG?1338246279