Criza mondială de energie din ultimul timp a pus pe jar comunitatea științifică internațională. Prețul țițeiului este tot mai greu de controlat. De… [303254]
CUPRINS
INTRODUCERE
Criza mondială de energie din ultimul timp a pus pe jar comunitatea științifică internațională. Prețul țițeiului este tot mai greu de controlat. [anonimizat] a obține combustibili “pe cale naturală”. Se pare ca soluția cea mai bună o [anonimizat], adică dintr-o materie primă care poate fi refăcuta permanent. O sursă permanentă de materie energetică o reprezintă plantele care conțin glucide sau poliglucide care înmagazinează energie.
Resursele de biomasa care pot fi folosite pentru producerea de energie sunt foarte diverse. O clasificare poate fi făcută din punct de vedere al reziduurilor (deșeurilor) primare, [anonimizat] [61].
[anonimizat], atât la nivelul țărilor membre ale Uniunii Europene cât și la nivel mondial. [anonimizat] 2020, [anonimizat] a energiei, și anume: reducerea cu 20% a emisiilor de gaze cu efect de seră (sau chiar cu 30%, în condiții favorabile) față de nivelurile înregistrate în 1990, creșterea ponderii surselor de energie regenerabilă până la 20% și creșterea cu 20% a eficienței energetice [74].
[anonimizat] o [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat].
[anonimizat] a energiei regenerabile sunt utilizate pentru a [anonimizat] (CO2) eliberată în atmosferă fiind foarte mică sau aproape inexistentă. [anonimizat].
Printre mijloacele de utilizare a [anonimizat] [10]. Categoriile cele mai frecvente de biomasă utilizate în producția europeană de biogaz provin din sectorul agricol (deșeuri rezultate din zootehnii și culturi vegetale) și din sectorul industrial și municipalitate ([anonimizat]; nămoluri provenite de la stațiile de epurare a apelor uzate) [1].
[anonimizat] ([anonimizat], nămoluri) dar și din resturi vegetale (paie, frunze, fructe etc). [anonimizat]. [anonimizat]: porumbul, sorgul, lucerna, orzul, Miscanthus x giganteus, salcia energetică și floarea soarelui [8].
Dintre combustibilii proveniți din biomasa vegetală, biogazul are o importanță deosebită, putând înlocui cu succes combustibilii fosili pentru obținerea de energie electrică și termică, utilizări ale biogazului existând de câțiva ani și în domeniul transporturilor [16]. Biogazul aduce un mare număr de beneficii de natură socio-economică, atât pentru fermierii implicați în mod direct în producerea acestuia, cât și la nivelul întregii societăți. Din toate aceste motive, biogazul rezultat prin procesele de digestie anaerobă constituie una dintre principalele priorități ale strategiei europene privitoare la biocombustibili și energie regenerabilă [1].
Lucrarea de disertație, Cercetări privind obținerea biogazului din biomasă, este structurată în 4 capitole, cuprinzând concluziile generale și sursele bibliografice consultate.
Capitolul I, denumit Considerații generale, prezintă noțiuni generale despre biomasă, dar și potențialului de biomasă din România.
În capitolul II, intitulat Tehnologia obținerii biogazului din biomasă, se detaliază materiile prime utilizate pentru producerea biogazului, factorii care influențează procesul de obținere a biogazului, dar și procedeele de pretatare a biomasei în vederea îmbunătățirii calității biogazului.
În capitolul III, Instalații pentru obținerea biogazului utilizate în țară și în străinătate, sunt prezentate instalații pentru obținerea biogazului utilizate în România, dar și în străinătate.
Capitolul IV, Stadiul actual al cercetărilor teoretice și experimentale privind obținerea biogazului, constă în prezentarea cercetărilor actuale din literatura de specialitate.
CAPITOLUL I
CONSIDERAȚII GENERALE
Importanța utilizării energiei regenerabile
Diminuarea la nivel mondial a resurselor energetice convenționale, precum și legislația restrictivă privind nivelul de poluare a mediului, au creat premize pentru identificarea și exploatarea de noi surse de energie economice și nepoluante.
Agenția Internațională pentru Energie estimează că în Europa, resursele de petrol se vor epuiza în 40 de ani, cele de gaze naturale în 60 de ani, iar cele de cărbune în 200 de ani, lucru care s-ar traduce prin faptul că, peste aproximativ 20 de ani, Europa va fi nevoită să importe 70 % din necesarul de energie. Ca urmare a acestui fapt, statele uniunii au fost nevoite să găsească surse alternative regenerabile. Uniunea Europeana îsi dorește ca până în anul 2020, 20% din consumul de energie al statelor comunitare să fie asigurat din surse regenerabile [61].
Utilizarea surselor regenerabile de energie, împreună cu îmbunătățirea eficienței energiei, pot contribui la reducerea consumui de energie, la reducerea emisiilor gazelor cu efect de seră și, în consecință, la prevenirea schimbărilor climatice periculoase [24].
Energia regenerabilă se referă la forme de energie produse prin transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia solară, a vânturilor, a apelor curgătoare, a proceselor biologice si a căldurii geotermale pot fi captate, utilizând diferite procedee. Sursele de energie ne-regenerabile includ energia nucleară precum si energia generată prin arderea combustibilor fosili, asa cum ar fi țițeiul, cărbunele și gazele natural [63]. Diferite surse regenerabile de energie se află în stadii diferite de dezvoltare tehnologică și comercială. În condiții favorabile, energia eoliană, hidroenergia, biomasa și energia solară-termală reprezintă alternative viabile din punct de vedere economic.
Conform art. 2, alin. a) al Directivei 2009/28/CE privind promovarea utilizării energiei din surse regenerabile, „energie din surse regenerabile” înseamnă energie din surse regenerabile nefosile, respectiv eoliană, solară, aerotermală, geotermală, hidrotermală și energia oceanelor, energia hidroelectrică, biomasă, gaz de fermentare a deșeurilor, gaz provenit din instalațiile de epurare a apelor uzate și biogaz [32].
Toate aceste forme de energie sunt valorificate pentru a servi la generarea curentului electric, apei calde, etc.
Energia eoliană este generată prin transferul energiei vântului unei turbine eoliene. Vânturile se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeței pământului de către energia radiată de soare care ajunge la suprafața planetei noastre. Această încălzire variabilă a straturilor de aer produce zone de aer de densități diferite, fapt care creează diferite miscări ale aerului.
Conceptul de "energie solară" se referă la energia care este direct produsă prin transferul energiei luminoase radiată de soare. Aceasta poate fi folosită ca să genereze energie electrică sau să încălzească aerul din interiorul unor clădiri. Deși energia solară este regenerabilă și ușor de produs, problema principală este că soarele nu oferă energie constantă în nici un loc de pe pământ.
O altă limitare a folosirii acestui tip de energie o reprezintă existența zilelor noroase, când potențialul de captare al energiei solare scade sensibil din cauza ecranării soarelui, limitând aplicațiile acestei forme de energie reînnoibilă.
Folosirea surselor de energie convențională eliberează în atmosferă cantități impresionante de gaze cu efect de seră, dintre care cel mai important este dioxidul de carbon (CO2). Utilizarea excesivă a resurselor neregenerabile are consecințe negative asupra mediului, cum ar fi accentuarea efectului de seră, ploile acide și creșterea concentrației de praf din atmosferă [63].
La nivel mondial, biomasa este considerată o sursă valoroasă de energie alternativă la combustibilii fosili, deoarece energia sa poate fi transformată într-o varietate de forme de energie, cum ar fi: căldură, abur, energie electrică, hidrogen, biogaz, precum și în carburanți (biodiesel, etanol, metanol), care sunt considerați înlocuitori pentru combustibilii fosili.
Clasificarea biomasei
Biomasa, considerată ca resursă energetică este fundamental diferită de alte surse de energie ne-fosile (de exemplu resursa eoliană). Ea generează energie și produse secundare similare cu cele ale resurselor fosile. Biomasa are de asemenea o utilizare foarte importantă ca sursă de hrană și materie primă pentru industrie, utilizări care trebuie corelate corect cu utilizarea în scop energetic, și respectarea principiilor durabilității, aspecte care vor fi discutate în secțiunile următoare [55].
Biomasa este partea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor din agricultură, inclusiv substanțele vegetale și animale, silvicultură și industriile conexe, precum și partea biodegradabilă a deșeurilor industriale și urbane
Biomasa contribuie cu 14% la consumul mondial de energie primară, iar pentru trei sferturi din populația globului care trăiește în țările în curs de dezvoltare aceasta reprezintă cea mai importantă sursă de energie.
La nivelul Uniunii Europene se preconizează crearea a peste 300.000 de noi locuri de muncă în mediul rural, tocmai prin exploatarea biomasei. În prezent, în UE, 4% din necesarul de energie este asigurat din biomasă.
Conform Directivei 2009/28/CE, biomasa este “fracțiunea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor de origine biologică din agricultură (inclusiv substanțe vegetale și animale), silvicultură și industriile conexe, inclusiv pescuitul și acvacultură, precum și fracțiunea biodegradabilă a deșeurilor industriale și municipale”.
În funcție de originea biomasei, aceasta poate fi clasificată în patru mari categorii [8]:
biomasă lemnoasă;
biomasă agricolă;
biomasă special cultivată pentru scopuri energetice;
alte tipuri de biomasă: deșeuri din industria zootehnică, deșeuri urbane, industriale etc.
Biomasa lemnoasă este una din tipurile cele mai utilizate ale biomasei, aceasta cuprinzând reziduurile lemoase, deșeurile forestiere, deșeurile lemnoase urbane, biomasa provenită de la curățarea copacilor.
Biomasa agricolă cuprinde paiele, tulpini și știuleți de porumb, plante agricole, soia, floarea soarelui, biomasa din fructe și semințe, etc. Spre deosebire de biomasa lemnoasă, biomasa agricolă are un conținut de cenușă de aproximativ 5%.
Culturile energetice dezvoltate și cultivate în mod special pentru obținere de biocombustibili, includ ierburile perene înalte (ex. Miscanthus, Panicum virgatum, stuful) precum și specii forestiere ex. salcia și plopul). Aceste culturi pot fi cultivate pe soluri sărace sau degradate oferind în același timp randamente mari la energie și un flux constant de aprovizionare, evitând astfel depozitarea costisitoare a unor volume mari de biomasă între recolte [17].
Reziduurile (primare, secundare, terțiare) reprezintă o altă categorie de biomasă. Conform dicționarului explicativ al limbii române, prin deșeu se înțelege „rest dintr-un material rezultat dintr-un proces tehnologic de realizare a unui anumit produs, care nu mai poate fi valorificat direct pentru realizarea produsului respectiv” [18].
În figura 1.1 este prezentată schematic modalitatea de valorificare a biomasei.
Fig. 1.1. Valorificarea biomasei [26]
1.3. Evaluarea potențialului de biomasă din România
Din punct de vedere al potențialului existent, biomasa reprezintă o sursă de energie regenerabilă promițătoare pentru România [56].
În anul 2009, România a produs 12 MW energie din surse regenerabile, dar începând cu anul 2010, capacitatea de producție a crescut într-un ritm accelerat la 2880 MW, până la sfârșitul anului 2013. Această creștere considerabilă s-a datorat investițiilor făcute în sectorul energetic al României, care a plasat țara noastră pe poziția 13 a unei liste cu 40 de țări clasate pentru investițiile în energii regenerabile [12].
România are un potențial mare de biomasă, provenind mai ales din deșeuri agricole (60%) și forestiere (20%). România dispune de un bogat fond forestier însumând cca. 6367 mii ha de pădure, reprezentând cca. 27% din suprafața teritoriului național.
În Europa, după procentul din suprafața fondului forestier, România ocupă locul al 8-lea, având în față țări ca: Slovenia – 54,9%, Germania – 31%, Polonia – 29,4%, Franța – 28%, Bielorusia – 38%, Bulgaria – 32,9%.
În ceea ce privește potențialul energetic al biomasei în țara noastră, teritoriul României a fost împărțit în opt regiuni, și anume:
Delta Dunării (I) – energie solară;
Dobrogea (II) – energie solară, energie eoliană;
Moldova (III) – câmpie și platou: micro-hidro, energie eoliană, biomasă;
Carpații (IV) – IV1 – Carpații de Est; IV2 – Carpații de Sud; IV3 – Carpații de Vest, potențial ridicat în biomasă, micro-hidro și eoliană;
Platoul Transilvaniei (V) – potențial ridicat pentru micro-hidro și biomasă;
Câmpia de Vest (VI) – potențial ridicat pentru energie geotermică și eoliană;
Subcarpații (VII) – VII1 – Subcarpații Getici; VII2 – Subcarpații de Curbură; VII3 – Subcarpații Moldovei: potențial ridicat pentru biomasă, micro-hidro;
Câmpia de Sud (VIII) – biomasă, energie geotermică, energie solară.
Sursele de biomasă vegetală sunt constituite din lemn, deșeurile culturilor agricole, culturi de plante cu potențial energetic deosebit, deșeuri organice municipale sau din zootehnie.
Biomasa constituie pentru România, o sursă regenerabilă de energie, promițătoare, atât din punct de vedere al potențialului, cât si, din punct de vedere al posibilităților de utilizare ( Tab 1.1).
Tabelul 1.1 – Potențialul de biomasă al României [63]
În figurile 1.2 si 1.3 sunt prezentate hărtile de profil privind:
· potențialul energetic al biomasei în România (fig.1.2), care cuprinde distributia în teritoriu (pe judete si regiuni de dezvoltare economică) a valorilor energetice (TJ) preconizate a se obține prin valorificarea energetică a biomasei vegetale;
· distribuția biomasei vegetale în România (fig. 1.3), care cuprinde distribuția în teritoriu (pe județe si regiuni de dezvoltare economică) a cantităților (mii mc) de biomasă vegetală.
Fig. 1.2. Potențialul energetic al biomasei în România [63]
Din analiza hărții cu distribuția geografică a resurselor de biomasă vegetală cu potențial
energetic disponibil (figura 1.2), se constată:
cele mai bogate județe, în resurse forestiere sunt următoarele:
Suceava 647,0 mii m3;
Harghita 206,5 mii m3;
Neamț 175,0 mii m3;
Bacău 132,0 mii m3;
cele mai sărace, în acest tip, de resursă sunt judeŃele din sud:
Constanța 10,4 mii m3;
Teleorman 10,4 mii m3;
Galați 10,4 mii m3;
cele mai bogate județe în resursă agricolă sunt:
Timis 1432,0 mii tone;
Călărasi 934,0 mii tone;
Brăila 917,0 mii tone;
cele mai sărace în acest tip de resursă sunt:
Harghita 41,004 mii tone;
Covasna 73,000 mii tone;
Brasov 89,000 mii tone.
Fig. 1.3. Distribuția biomasei vegetale în România [63]
În prezent, dintre toate formele de biomasă, cea mai accesibilă componentă este reprezentată de culturile agricole. În prezent, se cunosc o mare parte dintre plantele cu potențial energetic, unele care acumulează în diferite elemente morfologice uleiuri, altele care acumulează hidrați de carbon cu valoare energetică ridicată. În prima categorie se pot încadra plantele oleaginoase, iar în grupa a doua, plantele producătoare de hidrați de carbon, din care fac parte porumbul, sorgul zaharat, din grupa cerealelor, trestia și sfecla de zahăr, care acumulează cantități mari de zaharuri. Alături de aceste grupe de plante, de obicei cultivate, mai sunt o serie de specii de plante anuale sau perene care pot fi utilizate pentru producția de energie, cum sunt diverse specii de salcie, plop, etc. [64].
CAPITOLUL II
TEHNOLOGIA OBȚINERII BIOGAZULUI DIN BIOMASĂ
2.1. Obținerea biogazului prin fermentația anaerobă
În prezent, cea mai importantă aplicație a proceselor de digestie anaerobă o reprezintă producerea de biogaz în instalații speciale, prin procesarea substraturilor provenite din agricultură, precum gunoiul animal, reziduurile vegetale, culturile energetice sau deseurile organice rezultate din activitățile agro-industriale si din industria alimentară [63].
Producerea biogazului prin fermentație sau digestie anaerobă este utilizată pe scară largă de către societatea modernă, pentru tratamentul gunoiului de grajd și altor reziduuri. Scopul este de a produce energie regenerabilă și de a îmbunătăți calitățile acestor materiale ca îngrășăminte [30] .
Descompunerea fracției organice reprezintă un proces complex și continuu prin care structura organică complexă a deșeurilor tratate este redusă la forma sa minerală. Procesul de descompunere este caracterizat de o serie de procese biologice, fizice și chimice.
Fermentarea anaerobă reprezintă procesul de descompunere a fracției organice care se desfășoară în incinte închise, în condiții controlate de mediu, în absența oxigenului molecular și a luminii, în prezența mai multor specii de bacterii [1, 45, 52]. Aceasta reprezintă un proces biochimic, prin care substraturi organice complexe (biomasă vegetală si deseuri, gunoi animal, deseuri organice, ape reziduale, nămoluri provenite din sistemul de canalizare etc.) sunt descompuse, în absența oxigenului, până la stadiul de biogaz si digestat, de către diverse tipuri de bacterii anaerobe. Procesul este întâlnit în numeroase medii naturale, precum sedimentele oceanice sau stomacul rumegătoarelor.
Digestia anaerobă este un proces ce are loc în absența oxigenului, prin care o populație mixtă de bacterii catalizează scindarea polimerilor din materia organică cu formarea unui gaz, numit biogaz, conținând în principal metan si dioxid de carbon si mici cantități de amoniac, hidrogen sulfurat si mercaptani ce sunt corozivi, otrăvitori si au miros pronunțat.
Procesul are loc în mai multe etape si principii (fig. 2.1): mai întâi are loc descompunerea într-un mediu nu neapărat anaerob a materialului biomasic complex de către o populație eterogenă de microorganisme.
Circuitul nutrienților, prin procesul producerii biogazului – de la producția de materii prime la aplicarea digestatului ca îngrăsământ – este unul închis. Compusii cu carbon (C) sunt redusi, prin procesul de digestie anaerobă, metanul (CH4) fiind folosit pentru producerea de energie, în timp ce dioxidul de carbon (CO2) este eliberat în atmosferă, de unde este preluat de către plante, în cursul fotosintezei.
Fig. 2.1. Principiile fermentației anaerobe [53]
Unii compusi ai carbonului rămân în digestat, îmbunătățind conținutul în carbon al solurilor, atunci când digestatul este utilizat ca îngrăsământ. Producția de biogaz poate fi perfect integrată sustenabil (fig. 2.2) în activitatea fermelor convenționale sau a fermelor organice, unde digestatul înlocuieste îngrăsămintele anorganice obisnuite, produse cu consumul unei mari cantități de energie fosilă.
Fig. 2.2. Circuitul sustenabil al biogazului provenit din procesul de digestie anaerobă (AD) [1]
Biogazul produs astfel este utilizat în scopul obținerii de energie elctrică sau termică în unități de cogenerare, dar înainte de conversia în energie , biogazul trebuie curățat de vaporii de apă și de hidrogenul sulfurat pentru a nu afecta echipamentele. Pentru ca materia organică să fie descompusă de microorganisme trebuie să fie îndeplinite anumite condiții de bază: absența oxigenului molecular, temperatură constantă, aport optim de substanțe nutritive, pH optim și constant.
Producerea biogazului prin fermentația anaerobă este un proces complex și sensibil care implică patru etape principale, și anume: hidroliza, acidogeneza, acetogeneza și metanogeneza, acestea desfășurându-se sub acțiunea mai multor grupuri de microorganisme [35].
Fiecare dintre faze implică specii de bacterii specifice responsabile pentru transformarea structurilor moleculare complexe în substanțe mai simple, care în final duc la producția de biogaz [7].
2.1.1. Principiile procesului de fermentație anaerobă
Hidroliza sau lichefierea
Hidroliza este prima fază a procesului de fermentație anaerobă, în decursul căreia substanțele organice complexe constituite din polimeri sunt descompuse în substanțe mai mici, numite monomeri sau oligomeri.
lipaze
lipide acizi grași, glicerol
celulaază, celobiază, amilaze, xilamază
polizaharide monozaharidde
proteaze
proteine aminoacizi
Fig. 2.3. Reacțiile de descompunere ce au loc în timpul etapei de hidroliză
Lanțurile de procese prezentate au loc în paralel, în spațiu și timp, în interiorul rezervorului de fermentație. Viteza procesului de descompunere totală este determinată de reacția cea mai lentă din lanț. În procesul de hidroliză este implicată o varietate mare de bacterii. Produsele rezultate în urma hidrolizei sunt ulterior descompuse/digerate de către bacteriile implicate în proces și utilizate, apoi, în cadrul propriului metabolism.
Microorganismele implicate în etapa de hidroliză sunt de tipul Clostridia, Micrococci, Bacteroides, Butyrivibrio, Fusobacterium, Selenomonas și Streptococcus [1, 15].
Ecuația (2.1), reprezintă un exemplu de reacție de hidroliză, în care fracția organică este transformată în glucoză [45].
(2.1)
Acidogeneza
În timpul etapei de acidogeneză, produșii de hidroliză sunt transformați de către bacteriile acidogene (fermentative) în substraturi metanogene. Acidogeneza este întotdeauna cea mai rapidă dintre etapele fermentației anaerobe.
În timpul procesului de acidificare a zaharurilor, acizii grași cu catenă lungă și aminoacizii rezultați în urma hidrolizei sunt utilizați pe post de substrat pentru microorganismele fermentative (Streptococcus, Lactobacillus, Bacillus, Escherichia coli, Salmonella) care au ca scop producerea de acizi organici (acid acetic, propionic, butiric), acizi grași cu catenă scurtă, alcooli, H2 și CO2. Această etapă mai poartă și numele de etapa de fermentare [1; 33].
Ecuațiile următoare reprezintă trei reacții specifice etapei de acidogeneză. Ecuația (2.2) descrie reacția de convertire a glucozei în etanol, ecuația (2.3) arată modul de transformare a glucozei în propionat, iar ecuația (2.4) descrie convertirea glucozei în acid acetic [10].
(2.2)
(2.3)
(2.4)
Acetogeneza (producerea de hidrogen)
În timpul acestei faze metaboliții rezultați din acidogeneză sunt convertiți în acetat de către bacteriile acidogene producătoare de hidrogen (H2). bacteriile acetogene sunt strict anaerobe și au rolul de a transforma acizii grași volatili și alcoolii în acetat, dioxid de carbon și hidrogen, acesta din urmă reprezentând substratul pentru ultima fază a procesului, metanogeneza [1, 48, 70, 76].
Următoarele ecuații reprezintă trei reacții tipice acetogenezei. Ecuația (2.5) reprezintă conversia propionatului în acetat, ecuația (2.6) arată modul de transformare a glucozei în acetat, iar ecuația (2.7) descrie reacția de conversie a etanolului în acetat [45].
(2.5)
(2.6)
(2.7)
Metanogeneza
Substratul pe care bacteriile metanogene îl pot utiliza este foarte limitat, cel mai cunoscut substrat îl constituie hidrogenul și dioxidul de carbon [48; 76].
În această etapă metanul este produs în două moduri: prin reducerea dioxidului de carbon la hidrogen, ecuația (2.8) sau prin scindarea moleculelor de acid acetic prin generarea de dioxid de carbon și metan, ecauția (2.9) [50].
(2.8)
(2.9)
Metanogeneza este cea mai lentă dintre toate fazele fermentației anaerobe, bacteriile care acționează în această etapă fiind și cele mai sensibile la condițiile de mediu precum pH-ul, tempertatura, conținutul de nutrienți, prezența sau absența inhibitorilor etc.
În aceste condiții, bacteriile metanogene sunt considerate a fi factorul care limitează viteza de desfășurare a fermentației anaerobe [1, 14].
2.1.2. Materii prime utilizate pentru producerea biogazului
Substratul este materialul folosit ca hrană pentru microorganismele metanogene în cadrul procesului anaerob de obținere a biogazului, iar proprietățile sale au o influență majoră asupra stabilității și eficienței procesului.
Compoziția substratului este importantă atât pentru cantitatea de gaz format, cât și pentru calitatea gazului. De asemenea, compoziția afectează calitatea reziduurilor procesului de digestie (digestatului), atât din punctul de vedere al conținutului de nutrienți pentru plante, cât și al potențialilor contaminanți (metale, compuși organici, microorganisme patogene, etc.) [30].
O statistică realizată în anul 2016 arată că în țările europene, biogazul se obține dintr-o gamă largă de materii prime: reziduuri agricole (gunoi de grajd, reziduuri ale culturilor agricole și culturi energetice), reziduuri din industria alimentară și industria băuturilor, deșeuri biologice și deșeuri organice municipale, nămoluri de epurare, etc (fig. 2.4) [72].
Fig. 2.4. Ponderea materiilor prime utilizate în instalațiile de biogaz din țările europene [72]
Pentru a obține un randament crescut de biogaz, materiile prime supuse digestiei anaerobe trebuie să aibă un conținut ridicat de solide volatile. Grăsimile, care sunt bogate în solide volatile, generează cea mai mare cantitate de biogaz, spre deosebire de dejecții, care generează cele mai reduse cantități de biogaz (fig. 2.5) [77].
Fig.. 2.5. Randamente de biogaz pentru diferite materii prime [77]
Exemple de materie primă:
Gunoiul de grajd și nămolurile animaliere;
Deșeurile animaliere reprezintă o preocupare deosebită pentru mediul înconjurător din cauza emisiei de gaze cu efect de seră în timpul depozitării, a problemei mirosurilor și a contaminării potențiale a apei și a solului. Prin urmare, utilizarea acestei resurse pentru generarea de energie aduce beneficii economice, de mediu și climatice, cum ar fi reducerea utilizării combustibililor fosili și reducerea emisiilor de GES în atmosferă prin evitarea apariției emisiilor de metan în timpul depozitării. De asemenea, utilizarea gunoiului de grajd contribuie la atenuarea mirosurilor asociate cu depozitarea sa și la eliminarea agenților patogeni [46, 57].
Fig. 2.6. Surse de dejecții animaliere pentru obținerea biogazului [78; 79; 80]
Gunoiul de grajd de la bovine constă în furaje și apă care au trecut deja prin procesul de digestie anaerobă în stomacul vacilor, amestecate cu unele deșeuri de furaje și apă de la spălarea grajdului [75].
Gazul obținut din fermentația gunoiului de grajd de la bovine are un conținut mediu de metan comparativ considerabil mai scăzut comparativ cu cel din suspensiile de dejecții de la porcine și, prin urmare, și un randament mai scăzut de metan.
Nămolurile de la epurarea apelor uzate;
În stațiile de epurare a apelor uzate, în urma procesului tehnologic rezultă, pe lângă efluentul de apă adus la un anumit grad de epurare și evacuat într-un receptor, și importante cantități de materii poluante extrase din apa supusă epurării care poartă denumirea generică de nămoluri.
Digestia nămolurilor de epurare asigură beneficii semnificative atunci când acestea sunt reciclate prin depozitarea pe teren. Procesul de digestie asigură igienizarea și reduce, de asemenea, potențialul miros al nămolului. De obicei între 30 și 70% din nămolurile de epurare sunt tratate prin fermentație anaerobă, în funcție de legislația și prioritățile naționale. Energia generată alimentează stația de epurare a apelor uzate, iar la instalațiile mai mari rezultă un exces de biogaz care poate fi exportat ca atare, sau ca energie. Tehnologia pentru digestia nămolurilor de epurare este bine stabilită.
Deșeurile municipale solide (MSW);
Prin activitățile umane se generează o cantitate imensă de deșeuri municipale organice, care pot fi utilizate ca materii prime pentru producția de biogaz. Compoziția fracției organice a deșeurilor menajere variază foarte mult, de la deșeurile alimentare (deșeuri vegetale sau coaja de fructe) la deșeuri din curte (frunze sau iarbă).
În prezent, la nivel mondial producția de deșeuri solide municipale este de aproximativ două miliarde de tone pe an, însă se preconizează că acesta va crește până la trei miliarde de tone până în 2025 [13].
Deșeurile organice din gospodării și de la autoritățile municipale furnizează materie primă potențială. pentru fermentația sau digestia anaerobă. Opțiuni există pentru tratarea separată a fracțiunilor curate, atât ca sursă pentru reciclare, cât și pentru conținutul de energie și de materie organică. Alternativ, deșeurile nesortate pot fi tratate pentru a obtine biogaz, precum și pentru a fi stabilizate pentru a preveni alte probleme la gropile de gunoi.
Deșeurile agricole;
Instalațiile agricole pentru tratarea deșeurilor prin digestie sunt utilizate pe scară largă în întreaga lume, în țările în curs de dezvoltare și cele dezvoltate din de punct de vedere tehnologic. În comunitățile rurale sunt tipice unitățile de dimensiuni mici. Aceste instalații sunt utilizate în general pentru furnizarea de gaz pentru gătit și pentru iluminat, pentru o singură gospodărie. În țările mai dezvoltate, instalațiile de fermentație anaerobă agricole la scară de fermă, sunt în general mai mari, iar gazul este utilizat pentru a genera căldură și energie electrică, pentru funcționarea instalațiilor agricole și pentru export.
Pentru o bună omogenizare a materiei prime în digestor și pentru creșterea randamentului de biogaz, este foarte important ca materiile prime vegetale să fie tocate cât mai mărunt înainte de a fi introduse în digestor.
Deșeurile industriale.
Deșeurile organice solide provenite din industrie sunt din ce în ce mai mult luate în vizor de către legislația de mediu.
Tratamentul acestor deșeuri prin digestie anaerobă asigură câștigarea unei valori suplimentare prin produsele furnizate și prin reducerea costurilor evacuării lor. În plus, tratamentul corespunzător al deșeurilor poate fi făcut pentru a înbunătăți imaginea ecologică a industriei considerate [30].
Condițiile pe care trebuie să le îndeplinească materia primă utilizată în procesul de fermentație anaerobă sunt următoarele:
să aibă un conținut ridicat de materie organică biodegradabilă;
să aibă o umiditate ridicată;
să nu conțină substanțe inhibitoare pentru microorganismele fermentative;
să conțină carbon și azot într-o anumită proporție (C/N = 15 – 30) [62].
Raportul C/N al substratului sau amestecului de substraturi, folosite în procesul de fermentație anaerobă, influențează în mare măsură producția de biogaz [66].
Un raport C/N mare indică un consum rapid al azotului de către bacteriile metanogene, ceea ce provoacă o producție scăzută de biogaz. Un raport C/N optim este necesar pentru procesul de fermentație anaerobă, acesta fiind cuprins în intervalul 20 – 30 [54].
Conform experimentelor realizate de Tong Zhang și colaboratorii săi, raportul optim C/N este xuprins între 20 – 35.
Tabelul 2.1 Raportul C/N pentru diferite tipuri de materii prime [69]
2.2. Factorii care influențează procesul de obținere a biogazului
Procesul de fermentare anaerobă a biomasei în vederea obținerii biogazului, este un proces complex fiind influențat de o serie de factori, cum sunt:
materia primă;
temperatura;
pH-ul;
metalele grele;
omogenizarea.
Materia primă utilizată ca substrat în procesul de fermentare anaerobă este un parametru cheie în calitatea biogazului. Aceasta trebuie să asigure mediul prielnic dezvoltării și activității microorganismelor ce concură la digestia substratului și, în final, la producerea biogazului.
Condițiile pe care trebuie să le îndeplinească materia primă utilizată în procesul de fermentare anaerobă sunt următoarele [62]:
să aibă un conținut ridicat de materie organică biodegradabilă;
să aibă o umiditate ridicată;
să nu conțină substanțe inhibitoare pentru microorganisme;
să conțină carbon și azot într-o anumită proporție (C/N = 15 – 30).
Temperatura reprezintă cel mai important factor în procesul de fermentație anaerobă, aceasta influențând creșterea și supraviețuirea microorganismelor, activitatea enzimelor și co-enzimelor, producția de metan, precum și calitatea digestatului [3, 19].
Obținerea de biogaz este posibilă, teoretic, în domeniul de temperaturi 0-60oC, dar dacă temperatura scade sub 6oC sau crește peste 55oC atunci reacțiile chimice și enzimatice sunt mult încetinite [40, 52].
Procesul de fermentație anaerobă se poate desfășura în trei domenii de temperatură:
domeniul criofil – temperatura este cuprinsă între 10 și 20oC:
domeniul mezofil – temperatura este cuprinsă între 25 și 35oC;
domeniul termofil – temperatura este cuprinsă între 40 și 55oC.
Temperatura din fermentator este un parametru cheie în procesul de fermentare anaerobă, având o importanță deosebită în producerea biogazului. În general, bacteriile metanogene se dezvoltă cel mai bine în domeniul de temperatură mezofil.
Fig. 2.7. Influența temperaturii asupra producției de biogaz [1]
Intervalul de pH optim pentru fermentarea anaerobă în domeniul de temperatură mezofil este situat între 6,5 și 8, iar procesul este inhibat dacă valoarea pH-ului scade sub valoarea 6,0 sau crește peste valoarea 8,3. Valoarea pH-ului poate fi crescută de către amoniac, în timpul descompunerii proteinelor, sau prin prezența acestuia în fluxul de alimentare, în timp ce acumularea de acizi grași volatili scade valoarea pH-ului [1].
Metalele grele. Prezența metalelor grele în procesul de fermentare anaerobă a substratului constituit din culturi energetice, fracția organică a deșeurilor municipale și a celor provenite din sectorul agricol, are un rol foarte important în performanța și stabilitatea fermentatoarelor unde se produce biogazul. În funcție de concentrația în care se regăsesc, metalele grele pot avea un rol stimulator, inhibitor sau chiar toxic în procesul de fermentare anaerobă [50].
Omogenizarea conținutului supus procesului de fermentare anaerobă în vederea obținerii de biogaz, este de asemenea un parametru important.
Omogenizarea conținutului prin agitare (amestecare) este o operație tehnologică obligatorie în fermentator. Ea asigură un contact permanent între materia organică și microorganisme și o uniformizare a temperaturii din fermentator. Totodată, previne formarea crustei, ajută la degajarea mai rapidă a biogazului format și conferă materialului fermentat o consistență convenabilă pentru operațiunea de evacuare [52].
2.3. Procedee de pretratare a biomasei în vederea îmbunătățirii calității biogazului
2.3.1. Pretratament biologic
Acest tip de pretratament este în general asociat cu utilizarea de specii fungice care produc enzime capabile de biodegradare de substraturi precum lignina, hemiceluloză și polifenoli. Deconstrucția structurilor de lignină în peretele celular folosind microbi și / sau enzime ca, catalizatori este de obicei denumită pretratare biologică și apărută în prima etapă de hidroliză cu alte procese de pretratare.
Procesele de pretratament biologic se desfășoară lent și de aceea nu poate fi aplicat la scară industrial mare. Timpul de definitivare al unui proces de pretratament biologic durează între 10 și 14 zile. Un alt dezavantaj alt acestui mod de pretratare al substratului pentru fermentația anaerobă îl constituie faptul că procesele biologice au nevoie de mult spațiu pentru a se putea desfășura cu un randament acceptabil [16,29,36].
În pretratarea biologică se poate utiliza și procesul bioorganosolv care utilizează drep substrat lemnul de fag și are o eficiență destul de ridicată. Această metodă de pretratare nu este energofagă utilizând cu 15% mai puțină enrgie comparative cu metodele de pretratare clasice [16,51].
Comparativ cu pretratarea fizică și chimică, pretratamentul biologic necesită de obicei o energie mult mai scăzută de intrare și fără substanțe chimice, și se desfășoară mult mai ușor cu, condițiile de mediu, astfel încât puțini inhibitori ar putea să afecteaze în mod negativ digestia anaerobă. Cu toate acestea, lung timpul de pretratare a limitat utilizarea acestor procese în scopuri comerciale [60].
2.3.2. Pretratament termic
Tratamentul termic se găsește ca unul dintre cele mai frecvente pretratamente de succes pentru aplicații pe scară industrială. Pretratarea termică duce la îndepărtarea patogenului cu îmbunătățirea performanțelor de deshidratare și reducerea vîscozității digestatului cu o îmbunătațire ulterioară a manipulării digestatului.
Pretratamentul termic al substratului presupune încălzirea acestuia la diferite temperaturi încadrate în diferite domenii de temperatură (criofil, mezofil, termofil). Din punctul de vedere al obținerii unei cantități mari de biogaz cu o calitate ridicată se încălzește substratul până la o temperatură de aproximativ 35o – 40oC (domeniul termofil). După încălzirea substratului acesta poate fi prelucrat mai ușor ulterior când substratul va fi supus unui proces de fărâmițare. Prin fărâmițare sau mărunțire grosieră particulele de substrat vor fi aduse la o dimensiune de 10 – 50 mm [16].
Cercetătorii au sugerat că pretratarea termică la temperaturile ridicate ( în general mai mult de 70°C) ar putea conduce la crearea de legături chimice și să conducă la aglomerarea de particule. Ei au mai raportat că pretratamentul termic la temperaturi sub 100°C nu a dus la degradarea complexului de molecule, dar pur și simplu induce deflocurarea macromoleculelor. Au studiat tratarea termică a deșeurilor alimentare și deșeuri de fructe și legume la temperaturi mai înalte ( în jurul valorii 175°C) și a raportat o scădere a randamentului de metan.
2.3.3. Pretratament mecanic
Pretratarea mecanică este definită ca defalcarea sau zdrobirea particulelor de substrat și datorită acestui fapt există o creștere a suprafeței specifică care va fi responsabilă pentru asigurarea unui contact mai bun între substrat și inoclu ( bacterie anaerobă) care vor spori în cele din urmă procesului de digestie anaeroba [23].
Pretratrea mecanică a substratului presupune pulverizarea acestuia. Pentru a se realiza acest lucru este necesară o micșorare a dimensiunii particulelor substratului.
Acest obiectiv poate fi atins prin aplicarea mai multor procese: fărâmițarea sau mărunțirea grosieră prezentată în subcapitolul de pretratament termic, deoarece presupune și o tratare termică, reducerea brută a dimensiunii particulelor, măcinarea, mărunțirea fină, sfărâmarea etc [16, 51].
Toate metodele de pretratare mecanică menționate mai sus, cu excepția mărunțirii gosiere, diminuează particulele de substrat, în vederea pulverizării acestuia, de la dimensiuni de 10 – 50 mm până la dimensiuni de 0,2 – 2 mm în cazul sfărâmării și al măcinării. Celelalte metode reduc particulele de la dimensiuni de 10 – 30 mm până la 0,4 mm. Prin urmare sfărâmarea și măcinarea sunt cele mai eficiente. Mărunțirea grosieră este metoda prin care particulele de substrat sunt aduse la dimensiuni de 10 – 50 mm. Pentru a putea avea un astfel de randament al reducerii dimensiunilor particulelor de substrat se utilizează sfărâmarea măcinarea cu bile vibratoare [16].
Fig. 2.8. Efectul dimensiunii particulelor de substrat asupra producției de biogaz [28]
2.3.4. Pretratament chimic
Pretratamentul chimic presupune adăugarea în substrat de NaOH, KOH, Ca(OH)2, hidrazină sau amoniac anhidru. Acest adaos de substanțe chimice se utilizează pentru substraturile sărace în lignină precum deșeurile de la fermele agrozootehnice. Efectul acestor substanțe chimice este de a desface legăturile dintre lignină și carbohidrați, dar totuși cantitatea de lignină nu trebuie să fie mare întrucât NaOH, KOH, Ca(OH)2, hidrazina și amoniacul anhidru se consumă repede și în totalitate în timpul procesului de pretratare [16,43,49].
Metodele de pretratare chimică sunt utilizatate mai des decât metodele de pretratare biologică sau fizică deoarece acestea sunt mai eficiente și sporesc biodegradarea din materiale complexe.
Fig. 2.9. Efectul tratamentului chimic asupra știuleților de porumb văzut la microscop [68]
Pretratarea chimică este definită ca distrugerea compușilor organici prin intermediul unos acizi, alcalinii sau oxidanți puternici. În general o ajustare a pH-ului prin creșterea alcalinității, prin urmare pretratamentul alcalin este substanța chimică preferată [38].
Pretratramentul chimic a devenit unul dintre cele mai promițătoare metode de îmbunătățire a biodegradabilității celulozei prin îndepărtarea de lignin și/sau hemiceluloză și să scadă gradul de polimelizare și cristalinitatea componentului celulozic în lingnoceluloze. A fost investigată pe larg delignificarea materialelor celulozice din celuloză și hârtie din industrie
CAPITOLUL III
Instalații pentru obținerea biogazului utilizate în țară și în străinătate
Potențialul mondial al producției de energie pe bază de biomasă se estimează a fi la un nivel foarte ridicat. Evaluarea potențialului energetic al biomasei se bazează pe numeroase studii, scenarii și simulări, care demonstrează faptul că numai o mică parte a acestuia este folosită în prezent. Potrivit acelorași cercetări, gradul de utilizare a biomasei ar putea fi crescut semnificativ în viitorul apropiat.
Asociația Europeană pentru Biomasă (AEBIOM) estimează că producția europeană de energie, având ca bază biomasa, poate fi crescută de la 72 Mtoe în 2004 la 220 Mtoe în 2020. Cel mai mare potențial de creștere corespunde biomasei de origine agricolă. Conform AEBIOM, în țările UE27 pot fi utilizate între 20 și 40 de milioane de hectare (Mha) de teren pentru producția agricolă de energie, fără a fi afectată producția alimentară a Uniunii. În această privință, biogazul joacă un rol important, având un potențial pentru dezvoltare foarte ridicat. Pentru conversia biomasei în biogaz prin procesul AD pot fi folosite diferite tipuri de reziduuri: deșeuri și produse secundare provenite din agricultură, din agro-industrii și industria alimentară, din gospodării și, în general, deșeuri rezultate dintr-o multitudine de activități cotidiene ale societății [1].
La nivel european, estimarea potențialului energetic al biogazului este destul de dificil de realizat, din cauza numărului mare de variabile care trebuie luate în calcul. Spre exemplu, potențialul energetic al biogazului depinde de disponibilitatea terenurilor care să fie dedicate culturilor agricole energetice, fără a fi afectată producția alimentară, de productivitatea acestor culturi, de randamentul diferitelor substraturi de generare a metanului, precum și de eficiența energetică totală a utilizării biogazului. Institutul German pentru Energie și Mediu a stabilit că, în Europa, potențialul energetic al biogazului este suficient de mare pentru a putea înlocui consumul total de gaze naturale, prin injecția de biogaz îmbunătățit (biometan) în rețea (Figura 3.1.).
Fig. 3.1. Rețeaua europeană de transport a gazelor naturale și potențialele coridoare (în galben) potrivite injecției de biometan, obținut prin procesul de îmbunătățire a biogazului [5]
3.1. Instalații pentru obținerea biogazului utilizate în România
Oportunitatea dezvoltării producției de biogaz este în principal legată de disponibilitatea materiei prime necesare producției biogazului. Prin urmare, pentru estimarea potențialului de biogaz este necesară estimarea acestei disponibilități a diferitelor surse de materii prime ce pot fi supuse digestiei anaerobe, precum deșeurile organice și culturile energetice [1].
Fragmentarea terenurilor este unul dintre factorii majori care ar putea influența proiectele de biogaz, deoarece accesul la materiile prime necesită existența unui sistem de management local.
România are un grad ridicat de fragmentare a terenturilor agricole. Acesta constituie un dezavantaj în dezvoltarea proiectelor de biogaz de dimensiuni mari, prin dificultatea de asigurare a materiilor prime într-un flux durabil și constant.
Cele mai mari oportunități de implementare a instalațiilor de biogaz în Romania le au județele din sud-estul țării, unde gradul de fragmentare al terenurilor agricole este mai redus (terenuri de 20- 50 hectare), iar fermele zootehnice, de dimensiuni mai mari decât în alte zone, pot opta pentru producerea de biogaz ca metodă de management al deșeurilor. Condițiile actuale de fragmentare a terenurilor agricole în România sunt favorabile dezvoltării proiectelor de biogaz pentru gospodării individuale sau pentru mici asociații familiale.
În plus, din experiențele altor state (China, India, Nepal, Vietnam etc.) care au dezvoltat instalații de biogaz pentru aplicații domestice, s-a ajuns la concluzia că cu cât instalația are o capacitate mai mare, cu atât probabilitatea ca aceasta să opereze în condiții optime este mai mică. Din acest motiv, instalațiile cele mai eficiente care operează cu tehnologie simplă, în zonele rurale, sunt de tip familial [42].
În România, tehnologia biogazului este în stadiu incipient, piața de biogaz din țara noastră fiind printre cele mai puțin dezvoltate din Europa. Biomasa din agricultură poate fi o sursă important de materie primă în producția de biogaz, având în vedere că România are o suprafață agricolă utilizată de 13,9 mil. ha.
În prezent, în România, sunt produse aproximativ 1.700 tone echivalent petrol (tep), energie electrică și aproximativ 1.900 tep energie termică generată de biogaz/an [82, 83].
România are un potențial semnificativ pentru producția de biomasă din culturi energetice.
Conform figurii 3.2 se poate observa că potențialul mai ridicat pentru obținerea de biomasă din culturi energetice îl au câmpiile din partea de sud a României, apoi cele din partea de vest și de est, cel mai mic potențial avându-l câmpiile din Transilvania [1].
Fig. 3.2. Potențialul exploatării culturilor energetice în România [1]
România are un potențial ridicat și în ceea ce privește deșeurile agricole. Acest potențial este ilustrat în figurile 3.3 și 3.4 conform cărora deșeurile agricole rezultate din producția primară se obțin în cantitate mai mare în partea de sud a țării și în cantitate mai mică în partea de nord. Deșeurile agricole rezultate din producția secundară sunt în antiteză cu cele obținute din producția primară întrucât primele menționate se obțin în cantitate mai mare în partea de nord a țării și în cantitate puțin mai mică în partea de sud [1].
Fig. 3.3. Potențialul obținerii deșeurilor agricole rezultate din producția primară la nivel național [1]
Fig. 3.4. Potențialul obținerii deșeurilor agricole rezultate din producția secundară la nivel național [1]
Din punct de vedere al deșeurilor urbane cantitățile cele mai semnificative se produc în nord-estul României. Următoarele zone producătoare a unor cantități mari de deșeuri urbane sunt nord-vestul, sud-estul și sudul României [1].
Fig. 3.5. Producția de deșeuri urbane la nivel național [1]
Cantitatea de nămoluri de canalizare rezultate din epurarea apelor uzate este ridicată la nivelul întregii țări. Acest lucru este ilustrat în figura 3.6, conform căreia cantitatea de nămoluri de canalizare este puțin mai ridicată în partea de nord a României și atinge minimele naționale în zona Olteniei [1].
Fig. 3.6. Nămolurile de canalizare la nivel național [1]
În ceea ce privește deșeurile din industria alimentară în România, acestea sunt în cantitate mai mare în partea de nord a țării. Pe locul al doilea, din acest punct de vedere este zona de sud-est a României, după cum reiese și din figura următoare. [1]
Fig. 3.7 Deșeuri de la procesarea alimentelor în România [1]
Culturile energetice, deșeurile agricole, deșeurile urbane, nămolurile rezultate de la epurarea apelor uzate și deșeurile alimentare reprezintă potențiale substraturi pentru obținerea biogazului. În figura 3.8 este prezentată producția potențială de biogaz în România.
Fig. 3.8. Producția potențială de biogaz în România [1]
Din punct de vedere funcțional și al amplasării, instalațiile de producere a biogazului se pot clasifica astfel:
– instalații de biogaz de nivel familial (capacitate mică);
– instalații de biogaz de nivel fermier (de la capacitate medie spre mare);
– instalații centralizate de biogaz în co-digestie (de la capacitate medie spre mare
O instalație de capacitate mică menită pentru obținerea biogazului este prezentată în figura 3.9 și este alcătuită din patru părți principale, și anume:
sistemul de alimentare – constă din rezervorul pentru amestecarea substratului, prevăzut cu agitator și o pompă care alimentează fermentatorul anaerob cu un debit Q = 4,12 l/min;
fermentatorul anaerob sau digestorul;
conducta de gaz dotată cu sisteme relative de tratare;
un rezervor pentru a stoca biogazul obținut [19].
Fig. 3.9. Instalație de capacitate mică pentru obținerea biogazului [84]
Fig. 3.10. Schema funcțională a instalației pilot (Didacta Italia) pentru producerea biogazului din biomasă [84]
1 – fermentattor anaerob; 2 – rezistență electrică (2000 W); 3 – rezervor pentru amestecare prevăzut cu agitator; 4 – pompa P1 pentru amestecarea și recircularea fazei lichide; 5 – manometru în formă de U; 6 – valvă; 7 – conducte pentru nămolul activ; 8 – decantor (pentru separarea gazului din nămol); 9 – dispozitiv de siguranță pentru flacără; 10 – filtre cu carbon activ pentru îndepărtarea hidrogenului sulfurat; 11 – contor de gaz cu alarmă; 12 – coloană cu apă pentru îndepărtarea dioxidului de carbon; 13 – filtre cu silicage pentru îndepărtarea vaporilor de apă; 14 – valvă pentru transferul biomasei în bioreactor; 15 – rezervor pentru stocarea biogazului; 16 – pompa P2 pentru alimentarea fermentatorului anaerob (Q = 4,12 l/min); 17 – rezervoare cu soluții pentru reglarea pH-lui (acid acetic sau amoniac); 18 – echipament electric de măsură și control și sistem pentru achiziții de date; V1 – electrovalvă cu cronometru pentru controlul debitului; V2 – valvă pentru recirculare și amestecare; V3 – valvă pentru recircularea nămolului activ; V4 – valvă pentru adăugarea amoniacului; L1 – traductor de nivel; TIC – termostat pentru controlul temperaturii din bioreactor; PC – calculator.
Modul de funcționare
Instalația de capacitate mică pentru obținerea biogazului prezentată mai sus funcționează utilizând ca materie primă dejecții anilmaliere și reziduuri provenite din agricultură.
Indiferent de materia primă utilizată, aceasta este introdusă într-un rezervor de oțel inoxidabil alături de apă și o serie de substanțe nutritive (glucoză, clorură de fier, de potasiu, de amoniu etc.) care activează bacteriile în timpul procesului de fermentare anaerobă.
Omogenizarea materiei prime, a apei și a substanțelor hrănitoare se realizează cu ajutorul unui agitator cu palete timp de aproximativ o oră. Faza lichidă a materialului fermentat parțial este transvazată din rezervorul (3) în fermentatorul anaerob (1), cu ajutorul unei pompe cu piston (16) acționată de la consola (18). Această operație se realizează pentru a se fermenta în totalitate materialul.
Pentru a se păstra condițiile anaerobe în interiroul fermentatorului pe toată durata procesului de fermentare, acesta este închis ermetic. De asemenea, în interiorul fermentatorului anaerob se realizează controlul temperaturii și pH-lui eșantionului. Se recomandă ca pH-ul probei să aibă valori cuprinse între 6,8 și 7 (pH neutru). În cazul în care proba are un caracter acid sau bazic ce depășește limitele adimisibile, acest lucru poate fi ajustat cu ajutorul soluțiilor bazice sau acide conținute în recipientele (17). În ceea ce privește temperatura optimă de desfășurare a procesului de fermentare anaerobă aceasta trebuie să aibă o valoare apropiată de 35oC (domeniul mezofil). Pentru reglarea și menținerea temperaturii în parametrii optimi, substratul supus fermentării anaerobe este încălzit cu ajutorul rezistenței electrice (2). Această operație este realizată prin extragerea materialului fermentat din reactor pe la partea superioară sau pe la partea inferioară a acestuia cu ajutorul pompei (4) care totodată trimite eșantionul către rezistență. După ce proba a trecut prin rezistență se întoarce în reactor.
Timpul de retenție al substratului în fermentator este de o săptămână. Biogazul propriu-zis se produce în 2 – 3 zile de la startul procesului de fermentare anaerobă. Înainte de a fi stocat în rezervorul (15), biogazul este supus unor tratamente de purificare realizate în echipamente speciale. Filtrul de carbon activ (10) este utilizat pentru a îndepărta hidrogenul sulfurat din conținutul biogazului, deoarece este corosiv și poate afecta întraga instalație. Filtrul de silicagel (13) alcătuit dintr-un material higroscopic care elimină apa reziduală din biogaz. Separatorul de dioxid de carbon (12) este utilizat cu scopul de a înlătura o parte din dioxidul de carbon din conținutul biogazului.
Cantiatea de biogaz produsă poate fi citită de la contorul (11) dotat cu un sistem de alarmă sau se poate citi direct de pe consolă (18).
În final, după ce a trecut prin toate etapele de purificare, biogazul ajunge în rezervorul de stocare (15) aalcătuit din patru camere de cauciuc, suprapuse, având o capacitate de 120 litri, stocarea realizându-se la presiunea atmosferică [19].
Întrucât România are un potențial destul de mare pentru a produce biogaz investitorii străini au început să acorde atenție țării noastre și astfel au început să apară stații de biogaz și în țara noastră.
Printre aceste stații se numără cea de la Filipeștii de Pădure, județul Prahova, cea de la USAMVB Timișoara, cea județul Suceava și cea de la fabrica de bere Bergenbier din Ploiești.
Instalația de producere a biogazului de la la Filipeștii de Pădure, Județul Prahova
Prima stație Românească de producere a energiei regenerabile în cogenerare, pe baza de biogaz Ploiești, 9 iulie 2013. Genesis BIOPARTNER, holding românesc format din parteneriatul Baupartner România și Vireo Energy Suedia, anunță inaugurarea primei stații româneștide producere a energiei regenerabile în cogenerare, pe baza de biogaz.
Stația de biogaz construită la Filipeștii de Pădure, Județul Prahova, este un proiect inițiat, dezvoltat și finanțat integral de Genesis BIOPARTNER și are o capacitate de 1MW/h electric și 1,2MW/h termic și procesează zilnic o cantitate de 49 tone substrat organic, iar proiectul a presupus o investiție de aproximativ 5.000.000 euro.
Stația de biogaz de la Filipeștii de pădure este un proiect dezvoltat și finanțat complet de cei de la Genesis Biopartner, având o capacitate de 1MWh electric și 1,2 MWh termic procesând zilnic o cantitate de 49 tone de substrat organic.
Această stație este de tip CHP adică funcționează în regim de co-generare. O parte din biogazul produs este folosit pentru a obține energie electrică și termică [85].
Fig. 3.11. Fermentator dotat cu membrană pentru stocarea biogazului de la stația de biogaz din Filipeștii de Pădure [86]
Implementarea proiectului, unic în România până în prezent, a început în luna iunie 2012 cu scopul de a produce energie regenerabilă (electrică și termică), în cogenerare, prin utilizarea de substrat organic (vegetal și, ulterior, deșeuri organice) în zona amplasamentului. Noutatea proiectului constă în furnizarea către un partener a energiei termice produse de centrală de cogenerare, producerea de energie electrică în bandă, furnizarea predictibilă (peste 8000 ore funcționare/an), precum și posibilitatea de stocare a energiei (biogazului).
Instalația de producere a biogazului de la USAMVB Timișoara
În țara noastră un tip de instalație agricolă de producere a biogazului a fost construită la ferma zootehnică a Stațiunii Didactice Experimentale a USAMVB Timișoara care are o producție de biogaz cuprinsă între 60 – 100 m3/zi în condițiile alimentării cu dejecții vită și siloz de porumb (fig. 3.12).
Fig. 3.12. Schema instalației de producere a biogazului de la USAMVB Timișoara [87]
Fermentatorul instalației este orizontal cu o capacitate de 60 m3, are o construcție simplă ce asigură o întreținere minimă, iar amestecarea se realizează prin barbotarea biogazului. Substratul utilizat este un amestec compus din dejecții, apă, siloz de porumb și alte produse organice fermentabile.
În bazinul de amestec prevăzut cu o pompă cu tocător, substratul este omogenizat, apoi este pompat în fermentator iar materialul fermentat este evacuat printr-un sistem de prea-plin.
Substratul este reținut în fermentator pe o durată de 20 – 30 de zile care este suficientă pentru a asigura igienizarea materialului prin distrugerea microorganismelor patogene și a semințelor de buruieni.
Originalitatea instalației constă în sistemul de amestecare prin barbotare care elimină inconvenientele sistemului convențional de amestecare mecanică (consumul de energie, defecțiunile amestecătoarelor).
Biogazul degajat este colectat în interiorul unui dom montat pe fermentator, condus spre rezervorul de stocare a gazului și folosit o parte (20 – 30%) pentru asigurarea temperaturii de fermentare iar cealaltă parte pentru producerea de apă caldă și energie electrică pentru fermă (fig. 3.13) [87].
Fig. 3.13. Instalația de producere a biogazului de la USAMVB Timișoara [87]
1 – rezervor flexibil gaz; 2 – gazometru; 3 – pompă alimentare; 4 – bazin de amestec; 5 – fermentator; 6 – centrală termică; 7 – conductă barbotare; 8 – dom; 9 – gură de vizitare; 10 – evacuare
Instalația de producere a biogazului din județul Suceava
Un alt tip de instalație de producere a biogazului este cea cu sistem de fermentare cu alimentare continuă – fig. 3.14. O singură pompă asigură atât alimentarea fermentatorului din tancul de pre-fermentare precum și evacuarea reziduului din fermentator.
Fig. 3.14. Schema tehnologică a unui sistem de fermentare cu alimentare continuă [52]
La noi în țară, un astfel de sistem a fost implementat în județul Suceava, satul Vornicenii Mici (fig. 3.15). Substratul utilizat este compus din 96% porumb furajer (36000 t/an) și 4% dejecții animaliere (4000 t/an). Instalația are o capacitate de producție a biogazului de 2MW/h și capacitatea totală instalată de aproximativ 3 MW/h. Biogazul produs în timpul nopții se acumulează în rezervorul tampon de gaz. Cele două motoare de cogenerare produc energie electrică și termica timp de 16 ore pe zi, în intervalul orar 7.00 – 23.00, cu un consum maxim de biogaz de 1600 m3/oră [88].
Fig. 3.15. Instalația de producere a biogazului din județul Suceava [88]
Instalația de producere a biogazului de la fabrica Bergenbier, Ploiești
Producătorul de bere Bergenbier este un exemplu pentru competitori întrucât a investit în construcția unei stații de biogaz care să producă energia electrică necesară fabricii. Această stație de biogaz produce o cantitate de aproximativ 500 000 m3 biogaz anual folosind ca substrat nămolurile obținute prin epurarea apelor reziduale rezultate din producția berii [89].
Fig. 3.16. Stația de biogaz de la fabrica Bergenbier din Ploiești [89]
3.2. Instalații pentru obținerea biogazului utilizate în străinătate
În prezent, Germania, Austria, Danemarca și Suedia se numără printre cele mai avansate țări din Europa în domeniul tehnologiilor pentru biogaz, având cel mai mare număr de fabrici de acest fel, de ultimă generație.
Conform EurObserv’ER [73], la nivelul Uniunii Europene s-au produs în anul 2013 aproximativ 13,4 milioane tone echivalent petrol (Mtep) energie din biogaz, fiind cu 1,2 Mtep mai mult decât în 2012, reprezentând o creștere cu 10,2%.
În 2014, nivelul producției de biogaz în Uniunea Europeană crescut la 15 Mtep, ceea ce reprezintă aproximativ 7,6% din totalul producției de energie regenerabilă primară din Uniunea Europeană. Diferențele dintre statele membre sunt totuși semnificative, deoarece în numai trei state membre (Germania, Regatul Unit al Marii Britanii și Italia) s-a obținut 77% din producția de biogaz a Uniunii Europene, biogaz care a fost utilizat pentru producția de energie electrică (62%), urmată de producerea căldurii (27%) și utilizarea ca și combustibil pentru transport (11%).
Diferite scenarii estimează că în anul 2030, producția de biogaz în Uniunea europeană va crește până la 28,8 Mtep, reprezentând 2,7% din consumul total de energie, în funcție de cantitatea de materii prime utilizate, de creșterea gradului de cunoaștere și de îmbunătățire a tehnologiei fermentației anaerobe ca urmare a exprienței practice a procesatorilor [34].
Ultimul raport al Asociației de biogaz din Europa [20] arată că în anul 2015 numărul instalațiilor de biogaz a crescut cu 3% față de anul precedent, însumând un număr de 17.376 instalații (figura 3.17).
Aceste instalații sunt distribuite după cum urmează [14]: Germania – 10846, Italia – 1555, Franța – 717, Elveția – 638, Republica Cehă – 554, Regatul Unit al Marii Britanii – 523, Austria – 444, Suedia – 282, Polonia – 277, Olanda – 268, Belgia – 204, Danemarca – 152, Slovacia – 140, Spania – 139, Norvegia – 123, Finlanda – 84, Ungaria – 71, Portugalia – 64, Letonia – 59, Lituania – 36, Luxemburg – 30, Irlanda – 29, Grecia – 28, Slovenia – 26, Croația – 23, Estonia – 18, Cipru – 11, Bulgaria – 11, România – 11, Serbia – 7 și Islanda – 4.
Fig. 3.17. Evoluția numărului de instalații de biogaz în Europa [90]
Un număr important de instalații de biogaz funcționează și în alte părți ale lumii. În China, de exemplu, în anul 2006, au fost identificate mai mult de 18 milioane de digestoare domestice pentru biogaz, potențialul total pentru biogaz chinezesc fiind estimat la 145 bilioane de metri cubi. De asemenea, în India există astăzi în funcțiune aproximativ 5 milioane de fabrici pentru biogaz mici. Alte țări, precum Nepalul și Vietnamul, posedă și ele un număr considerabil de instalații pentru biogaz.
Cele mai multe fabrici de biogaz din Asia utilizează tehnologii simple și sunt, prin urmare, ușor de proiectat și de reprodus. De cealaltă parte a Atlanticului, SUA, Canada și multe țări ale Americii Latine sunt pe cale de a dezvolta sectoare moderne pentru biogaz, în această direcție fiind implementat, în fiecare dintre acestea, un cadru politic favorabil, pentru a veni în sprijinul acestui domeniu de activitate. Numărul mare de instalații de biogaz existente, care funcționează în diferite țări, dovedește faptul că, în prezent, tehnologiile pentru biogaz sunt evoluate, sustenabile și oferă garanții economice solide [1].
Instalația de producere a biogazului de tip chinezesc
În China sunt răspândite pe scară largă, tehnologiile neindustriale de producere a biogazului. Astfel, există milioane de instalații simple, de capacitate mică, la nivel familial, amplasate în special
Fermentatorul este îngropat, funcționează semi-continuu, nu are amestecare fiind alimentat cu nămoluri de canalizare, dejecții animaliere și deșeuri menajere.
Estimându-se la 0,2 – 0,3 m3/persoană zi, cantitatea de gaz necesară pentru prepararea hranei și iluminat rezultă că fermentatoarele cu capacități de până la 12 m3 pot asigura necesitățile unei familii de 5 – 6 persoane (fig. 3.18). Primul reactor chinezesc a fost construit în 1958.
Fig. 3.18. Reactor tip chinezesc [3]
Instalația de producere a biogazului de tip indian
Tipul indian (Figura 3.19) este similar celui chinezesc, adică un reactor subteran pentru deșeurile menajere și de fermă la scară mică.
Diferența este că efluentul este colectat la partea de jos a reactorului, iar clopotul plutitor cu gaz funcționează și ca rezervor pentru biogaz.
Fig. 3.19. Reactor tip indian [3]
Instalația de producere a biogazului din Ribe, Danemarca
Instalația de fermentare prezentată în figura 3.20, se găsește în Ribe, Danemarca și folosește ca substrat dejecții de la vaci, porci, găini și nurci primite de la 69 de ferme. Nămolul din dejecții este fermentat împreună cu resturi de la abatoare și deșeuri organice rezultate din industria alimentară și din procesarea peștelui.
Instalația este alimentată zilnic cu 325 t/zi dejecții animaliere și 68 t/zi biomasă, având o producție de biogaz de 48 mil. Nm3/an.
Fermentarea are lor în trei rezervoare cu o capacitate de 1745 m3 fiecare, la o temperatură de 53oC, iar timpul de retenție de minim 4 ore asigură o sterilizare eficientă a substratului.
Digestatul rezultat este folosit de fermele care alimentează instalația de co-fermentare, iar surplusul este vândut către 72 de ferme agricole din zonă. Fermele care asigură substratul au la dispoziție 25 de rezervoare descentralizate cu o capacitate totală de 50000 m3, fiind amplasate în apropierea câmpurilor ce urmează a fi fertilizate. Aceasta se traduce prin reducerea costurilor și a duratei de transport, conducând și la lărgirea ariei de aplicare a fertilizatorului.
Biogazul obținut din fermentare este folosit în amestec cu gaze naturale (în mică proporție) într-o instalație de co-generare care asigură electricitatea și căldura pentru orașul Ribe [2].
Fig. 3.20. Schema tehnologică a stației de biogaz din Ribe, Danemarca [2]
Instalația de producere a biogazului EnviTec, Germania
În cadrul stațiilor EnviTec, fermentarea are loc într-o atmosferă închisă ermetic. Timpul mediu de procesare a materiilor prime în fermentator este de 60 – 70 zile. Fermentarea are loc în intervalul termic de 35 – 38°C. Bacteriile metanogene descompun componentele amestecului, rezultatul fiind biogazul și materia solidă rămasă după fermentare, care va fi utilizată ca și îngrășământ pentru culturile agricole. Avantajul acestui proces, spre deosebire de alte procese, constă în consumul redus de energie și eficiența ridicată.
În figura 3.21 este prezentată schema tehnologică a unei astfel de instalații de fermentare anaerobă.
Fig. 3.21. Principiul de funcționare a stațiilor Envitec pentru producerea biogazului [91]
Instalația a fost implementată cu succes în mai multe localități din Europa dintre care amintim: Holdorf, Bakum (Germania), Hockliffe, Thaxted (Marea Britanie), Bondeno, Casalvolone (Italia), Julcin, Trestina (Cehia), Rohan (Franța), Klarafalva (Ungaria), Bergharen (Olanda) etc.
În figura 3.22 este prezentată stația de producere a biogazului din Güstrow, Germania care este cea mai mare instalație de acest fel din lume având o suprafață de 20 ha. Instalația produce 10000 m3 biogaz /h asigurând necesarul de gaz pentru 50000 de locuitori [91].
Fig. 3.22. Stația de producere a biogazului din Güstrow (Germania) [91]
CAPITOLUL IV
STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR TEORETICE ȘI EXPERIMENTALE PRIVIND OBȚINEREA BIOGAZULUI
În ultimii ani s-au fost depuse eforturi considerabile pentru găsirea unor căi de îmbunătățire a performanțelor procesului de fermentare anaerobă, în special în cazul folosirii deșeurilor solide, caracterizate de prezența într-o proporție mai mare a macroparticulelor. Substratul cu un conținut ridicat de materie organică este greu de descompus deoarece este bogat în lignoceluloză cum ar fi deșeuri agricole, deșeuri de hârtie și de celuloză.
4.1. Influența substratului asupra procesului de fermentație anaerobă [21]
Pentru a evidenția influența substratului asupra procesului de fermentație anaerobă, în realizarea cercetărilor experimentale, s-au utilizat ca substrat Miscanthus x giganteus uscat, recoltat la maturitate din cultura Institutului Național de Mașini Agricole din București și dejecții de păsări, obținute de la o gospodărie din județul Teleorman, România.
Plantele de Miscanthus x giganteus au fost mărunțite cu ajutorul morii de laborator GRINDOMIX GM 200 (fig. 4.1), dotată cu o cuvă și 2 cuțite din oțel fixate la partea de jos a unui rotor, realizând astfel mărunțirea prin impact a particulelor de material. Pentru mărunțirea plantelor, turația a fost setată la 5000 rot/min iar timpul de măcinare a fost de 1 min.
Fig. 4.1. Moara de laborator GRINDOMIX GM 200 pentru mărunțirea biomasei
1 – cuva de oțel; 2 – rotor cu cuțite din inox [21]
Cantitățile de substrat utilizat în realizarea experimentului, sunt prezentate în tabelul 4.1.
Tabelul 4.1 Cantitatea de substrat utilizată în realizarea experimentelor [21]
Fiecare sort de substrat a fost introdus, în cantitățile prezentate mai sus, în 6 flacoane Erlenmeyer închise cu dopuri de cauciuc și într-un bioreactor cu o capacitate de 1000 ml (fig. 4.2).
Flacoanele Erlenmeyer au fost introduse într-un termostat bacteriologic, pentru 10 zile, la o temperatură de 35oC. Bioreactorul de capacitate mică prevăzut cu un agitator magnetic a fost așezat pe o plită, temperatura fiind, de asemenea, setată la 35oC.
După o perioadă de incubație de 10 zile, au fost prelevate probe din gazul rezultat și au fost analizate utilizând tehnica cromatografiei de gaze cu detector de conductivitate termică (GC-TCD) (tabelul 4.2).
Fig. 4.2. Bioreactorul și flacoanele Erlenmeyer plasate în termostatul bacteriologic [21]
Tabelul 4.2 Concentrația componentelor din gazul rezultat [21]
Din rezultatele obținute, se poate observa că metanul se regăsește în concentrații foarte mici, dar cu toate acestea concentrația cea mai mare s-a regăsit în flaconul Erlenmeyer 6, în care au fost adăugate 20 g Miscanthus x giganteus și 60 g dejecții de păsări. Aceste concentrații scăzute ale metanului, pot fi puse pe seama conținutului ridicat de celuloză din tulpina plantei de Miscanthus x giganteus dar și a concentrației mari de amoniac care se găsește de regulă în dejecțiile de păsări, cauzând inhibarea procesului de fermentație anaerobă.
În tabelul 4.3 și în figurile 4.3 și 4.4 sunt prezentate datele înregistrate pentru cantitatea de solide solubile totale (TSS) și pH, pe parcursul celor 240 ore de testare a substratului.
Tabelul 4.3 Valorile parametrilor pH și TSS înregistrate pe parcursul experimentului [21]
Fig. 4.3. Variația parametrului TSS în timpul fermentației anaerobe [21]
Fig. 4.4. Variația parametrului pH în timpul fermentației anaerobe [21]
Substanțele solubile totale (TSS), conțin zaharuri solubile, proteine solubile, săruri minerale, pigmenți și alți compuși solubili în apă, care sunt utilizate ca substrat nutritiv pentru diferite grupuri de microorganisme implicate în fermentația anaerobă și producerea de biogaz.
Din analiza datelor, se observă că, în majoritatea cazurilor, valoarea TSS are tendința de descreștere în raport cu proporția de dejecții de păsări a probelor de material. În timp, populațiile bacteriene consumă nutrienții prezenți în substratul utilizat, iar valorile TSS scad semnificativ, astfel: în cazul probei 1, valoarea TSS scade de la o valoare de 1,9% înregistrată după 24 ore de la începerea procesului, la o valoare de 0,5% după 140 ore de incubație; pentru proba 2, cantitatea de substanțe solubile totale scade de la 1,4% la 0,1%, la sfârșitul experimentului.
În ceea ce privește pH-ul probelor de material supus digestiei, se constată o tendință descrescătoare a valorilor acestuia cu proporția de dejecții utilizate. După primele 24 ore ale procesului, valorile pH-ului prezintă o creștere ușoară în aproape toate cazurile, iar după 48 ore, valorile încep să scadă, la sfârșitul perioadei de incubație ajungând să aibă valori cuprinse între 4,8 și 6 unități.
Concluzii
În urma experimentului desfășurat, s-a constatat că printre cei mai importanți parametri care influențează procesul de fermentație anaerobă se numără și tipul de substrat utilizat. Concentrația de metan regăsită în probele de gaz prelevate este foarte mică, pentru flacoanele Erlenmeyer 1 – 4 și bioreactor CH4 < 0,01% (v/v), pentru proba 5 metanul a avut o concentrație de 2,9% (v/v) iar pentru proba 6, metanul s-a regăsit într-o concentrație de 5,4% (v/v). Aceste valori scăzute ale metanului pot fi datorate atât conținutului ridicat de celuloză regăsit în plantele uscate de Miscanthus x giganteus cât și concentrației mari de amoniac care se regăsește de regulă în dejecțiile de păsări. De asemenea, raportul C/N pentru dejecțiile de păsări este cuprins între 8:1 și 10:1, față de rapotul optim care ar trebui să fie cuprins între 15:1 și 30:1. Acești parametrii au dus la inhibarea procesului de fermentație anaerobă, aspect reflectat în concentrația foarte mică a metanului rezultat.
4.2. Concept tehnologic ICPE-CA instalație de biogaz pentru gospodării individuale și asociații familiale [42]
Lucrarea prezintă o soluție simplă și eficientă de valorificare energetică a deșeurilor biodegradabile generate în fermele agro-zootehnice și în gospodăriile din mediul rural, într-o instalație de biogaz având capacitatea fermentatorului de 4-16 m3.
Instalația este destinată tratării și valorificării energetice a deșeurilor biodegradabile generate în gospodăriile din mediul rural (dejecții animaliere, deșeuri agricole de tip paie, coceni, știuleți de porumb, deșeuri de grădinărit, resturi de fructe și borhot rezultate la producerea de băuturi alcoolice, deșeuri menajere, resturi alimentare, etc.), cu producere de biogaz și material fertilizant ecologic, concomitent cu salubrizarea terenurilor și îmbunătățirea calității mediului.
Aspectele constructive specifice se referă în principal la forma inovativă a reactorului de fermentare, compartimentat parțial în patru zone de fermentare, care asigură menținerea masei în incintă până la descompunerea completă a substanțelor organice și o hidrodinamică a nămolului de fermentare ce permite omogenizarea masei prin curgere liberă, fără un consum suplimentar de energie.
Amplasarea economică pe teren, prin localizarea rezervoarelor de alimentare a biomasei și de evacuare a nămolului fermentat pe aceeași parte a fermentatorului, constituie un alt aspect de noutate al proiectului.
Instalația de biogaz, realizată din cărămidă și mortar de ciment, este de constructie parțial subterană, camera de fermentare fiind amplasată sub nivelul solului.
Fig. 4.5. Instalație de biogaz de uz gospodăresc [42]
Rezultate tehnico-economice. Între principalele rezultate tehnico-economice obținute, pentru o tipodimensiune corespunzătoare unui volum interior al fermentatorului de 4 m3 și un volum util de 2,8 m3, pot fi menționate următoarele:
tratarea zilnică a unei cantități de cca. 25 kg deșeuri organice (dejecții animaliere, deșeuri vegetale, resturi alimentare etc.);
obținerea de biogaz în volum de cca. 1-2 m3/zi, în condițiile respectării parametrilor de proces (pH, temperatura, umiditate); valoarea energetică a biogazului cu un conținut de cca. 60% metan este de 5000-6000 kcal/m3, un volum de 1 m3 biogaz suplinind 0,5 l combustibil petrolier sau 5,5 kg lemn.
obținerea unei cantități zilnice de cca. 20 kg fertilizant ecologic lichid, lipsit de agenți patogeni, inodor și bogat în nutrienți.
Instalația de biogaz pentru gospodarii individuale din mediul rural a fost construită in comuna Boteni, jud. Arges, in cursul anului 2010 (fig. 4.6), fiind in prezent functională.
Instalația de biogaz pentru gospodăriile individuale din mediul rural are un impact pozitiv asupra mediului prin facilitarea salubrizării terenurilor, a gospodăriilor și anexelor, reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră, îmbunătățirea calității terenurilor agricole fertilizate cu nămol fermentat bogat în nutrienți.
Biogazul generat este un gaz combustibil ce conține 50-70% metan. Acesta este utilizat pentru activități casnice curente (gătit, asigurare apa caldă menajeră), prin arderea în arzătoare speciale, nu se eliberează în mediu și nu reprezintă o sursă de poluare dacă se respectă condițiile de proiectare și etanșeizare a instalației.
Fig. 4.6. Instalație de biogaz construită în comuna Boteni, jud.Argeș [42]
Concluzii
Deșeurile organice generate în activitati agro-zootehnice, precum resturi vegetale și dejecții animaliere dar și deșeurile și apele reziduale generate în industria alimentară și de băuturi alcoolice, reprezintă o resursă valoroasă pentru producerea de biogaz și fertilizanti ecologici. Prin valorificarea acestei resurse în instalații de biogaz, se aduc importante beneficii atât sectorului energetic, cât și calității mediului, contribuindu-se totodată la creșterea competitivității produselor agricole, precum și la creșterea veniturilor și nivelului de trai ale populatiei.
Gradul ridicat de fragmentare a terenurilor agricole în Romania reprezintă un dezavantaj pentru implementarea de instalații de biogaz de dimensiuni mari, cu producere de biogaz, eco-fertilizanți, energie electrică și căldură.
În schimb, condițiile actuale de fragmentare sunt favorabile dezvoltării proiectelor de biogaz pentru gospodării individuale și asociații familiale.
Aceste instalații de uz gospodăresc prezintă avantajul de a menține cu ușurință parametrii optimi, operează cu eficiență ridicată și rezolvă la nivel local problem precum asigurarea de gaz combustibil pentru necesități casnice curente, concomitent cu salubrizarea terenurilor și dezvoltarea agriculturii ecologice.
4.3. Co-fermentarea anaerobă a dejecțiilor bovine și planta energetică Miscanthus x giganteus în vederea producerii de biogaz
În cadrul acestui experiment s-a urmărit performanța procesului de fermentație anaerobă la utilizarea substratului format din dejecții bovine în amestec cu planta energetică Miscanthus x giganteus. Au fost evaluați parametrii cu un rol important în procesul de fermentație anaerobă, și anume: pH-ul, solidele solubile totale (TSS), conținutul de proteine solubile și zaharuri reducătoare. De asemenea, pe parcursul procesului de fermentație anaerobă, s-au monitorizat producția de biogaz, precum și valorile procentelor celor mai importante gaze care intră în componența acestuia (CH4, CO2 și H2S).
Pentru acest studiu au fost utilizate dejecții bovine proaspete, obținute de la o gospodărie din județul Teleorman, în amestec cu planta energetică Miscanthus x giganteus, recoltată în perioada de vegetație din cultura Institutului Național de Mașini Agricole, INMA București.
Fig. 4.7. Planta energetică Miscanthus x giganteus[81]
Pentru a se evita îngreunarea procesului de fermentație anaerobă, din cauza conținutului ridicat de celuloză regăsit în tulpină, au fost folosite numai frunzele verzi ale plantei, tocate la dimensiuni cuprinse între 5 și 9 cm.
Dejecțiile de bovine au fost amestecate cu frunzele de Miscanthus x giganteus și apă, în cantitățile prezentate în tabelul 4.4.
Tabelul 4.4. Substratul testat pentru obținerea biogazului
Raportul C/N al substratului testat a fost calculat conform [62], având valoarea 25,4:1.
Experimentul s-a realizat în domeniul mezofil, temperatura fiind treptat ridicată (în aproximativ 4 ore) de la 21oC până la 37 ± 1,5oC, această valoare fiind menținută constantă până la sfârșitul experimentului.
pH-ul inițial al substratului a fost de 8,2 unități, fiind afișat pe panoul de comandă. Ajustarea pH-ului este realizată automat cu ajutorul unei soluții de CaCO3.
Timpul de retenție al substratului în reactorul anaerob a fost de 15 zile, până când producția de biogaz a fost aproape nulă.
Evaluarea procesului de fermentație anaerobă s-a realizat prin analizarea și interpretarea următorilor parametrii: solide solubile totale (TSS), conținutul de proteine solubile și zaharuri reducătoare. Analiza probelor s-a realizat prin prelevarea de amestec din bioreactor în zile diferite ale procesului de fermentație anaerobă (zilele 1, 4, 7, 11 și 15).
Determinarea conținutului de proteine solubile și zaharuri reducătoare din substratul testat, poate oferi informații importante referitoare la descompunerea materiei prime dar și la producția de biogaz generată. În acest caz, acești parametri au înregistrat concentrații mici la începutul procesului de fermentație anaerobă de 0,6, respectiv 3,8 mg/ml, la sfârșitul procesului de incubație fiind nedetectabile.
În tabelul 4.5 sunt prezentate caracteristicile substratului testat în diferite etape ale procesului de fermentație anaerobă.
Tabelul 4.5. Caracteristicile substratului în timpul procesului de fermentație anaerobă
În ceea ce privește pH-ul substratului supus procesului de fermentație anaerobă, se constată o tendință ușor descrescătoare a valorilor acestuia, păstrându-se, totuși, până la finalul procesului condițiile optime pentru dezvoltarea microorganismelor în fermentatorul anaerob.
În timpul procesului de descompunere anaerobă, conținutul de TSS (%) prezintă o tendință descrescătoare, aspect ce indică consumul de substrat pentru creșterea și întreținerea celulară. Astfel, se poate observa faptul că pe parcursul biosintezei, valorile TSS au scăzut de la 1,20%, valoare înregistrată în prima zi a procesului, la 0,21% în ultima zi de fermentație a substratului.
Datele experimentale înregistrate pentru producția de biogaz zilnică și pentru gazele care intră în componența acestuia (CH4, CO2 și H2S), au fost fitate cu ajutorul programului Table Curve 2D, de unde au rezultat ecuațiile analitice cu valorile coeficienților dar și coeficientul de corelare Pearson (R2).
Tabelul 4.6. Valorile producției de biogaz și a gazelor componente
În figura 4.8 este prezentată producția de biogaz înregistrată zilnic, pe parcursul procesului de fermentație anaerobă.
Fig. 4.8. Producția de biogaz înregistrată pe parcursul perioadei de incubație [22]
În figura 4.8 se observă că în primele 24 de ore, producția de biogaz este aproape 0, aspect datorat probabil atât numărului mic de microorganisme existente inițial în materia primă, cât și perioadei de adaptare necesară celulelor bacteriene la noile condiții de fermentație. După acest interval, acumularea de biogaz crește destul de rapid, după ecuația . Curba datelor experimentale cu ecuația afișată pe grafic prezintă un coeficient de corelație mare, R2=0,998.
Biogazul a început să se producă după ziua a doua de fermentație, înregistrând o valoare de 0,003 Nm3/kg substanță uscată.
Acest fenomen poate fi atribuit prezenței componentelor biodegradabile în fracția solubilă, care este metabolizată continuu în produse fermentative.
Cantitatea totală de biogaz produsă pe parcursul celor 15 zile de fermentație anaerobă a dejecțiilor animaliere amestecate cu planta energetică Miscanthus x giganteus a fost de aproximativ 0,420 Nm3/kg substanță uscată.
Concentrația specifică de metan a fost înregistrată pe parcursul celor 15 zile de fermentație anaerobă și este reprezentată în figura 4.9.
Fig. 4.9. Concentrația zilnică de metan în biogazul produs [22]
În această instalație și pentru substratul menționat, cantitatea de CH4 % (v/v) a avut valori comparabile cu cele din literatura de specialitate, care se regăsesc în intervalul 55-80% vol. Concentrația maximă de 56,8 % (v/v) s-a înregistrat în ziua 15, acesta reprezentând 0,023 Nm3CH4/kg substanță uscată.
Fig. 4.10. Concentrația zilnică de hidrogen sulfurat în biogazul produs [22]
Producerea hidrogenului sulfurat în procesul de fermentație anaerobă este atribuită bacteriilor sulfat – reducătoare, care utilizează ca substrat acetat, acizi grași, propionat și hidrogen, format în fazele de descompunere a substratului. Descompunerea propionatului de către bacteriile sulfat – reducătoare, produce dioxid de carbon, sulfit și acetat. Ecuațiile 4 și 5, descriu formarea hidrogenului sulfurat în procesul de fermentație anaerobă [22].
(4.1)
(4.2)
După cum se poate observa în figura 30, valorile concentrației de hidrogen sulfurat au înregistrat o creștere rapidă în primele 5 zile de fermentație datorită descompunerii substratului, urmată de acțiunea bacteriilor sulfat – reducătoare la formarea CO2 și H2S.
După 4 zile se înregistrează un peak de 3,696 %, după care se pare că bacteriile sulfat-reducătoare își încetinesc activitatea, hidrogenul sulfurat ajungând la sfârșitul perioadei de fermentație la o valoare de 0,83 %.
Figura 4.11 prezintă variația dioxidului de carbon pe parcursul procesului de fermentație anaerobă.
Fig. 4.11. Concentrația zilnică de dioxid de carbon în biogazul produs [22]
Dioxidul de carbon rezultat din diferite procese fermentative (3) sau din reacții care se desfășoară în prima etapă a procesului de fermentație, înregistrează o creștere de 10% (v/v) în primele 5 ore, atinge un maxim de 53 % (v/v) după 5 zile și apoi scade până la 19 % (v/v) la sfârșitul fermentației. Ecuațiile (3) – (5) descriu formarea dioxidului de carbon și a metanului în procesul de fermentație anaerobă [50].
(4.3)
(4.4)
(4.5)
Concluzii
În cadrul acestui experiment s-au evaluat producția de biogaz, concentrațiile de metan, dioxid de carbon si hidrogen sulfurat, precum și variația în timp a caracteristicilor substratului format din dejecții animaliere în amestec cu planta energetică, Miscanthus x giganteus, utilizând o instalație de capacitate mică pentru obținerea biogazului la temperatura de 35 (±1) oC, pH neutru și amestecare intermitentă.
Producția de biogaz obținută la sfârșitul celor 15 de zile de fermentație anaerobă a substratului testat a fost de 0,420 Nm3/kg substanță uscată.
Pe parcursul biosintezei, s-a observat că valorile TSS au scăzut de la 1,20% la 0,21%, pH-ul a avut o tendință ușor descrescătoare de la 8,21 unități la 7,27 unități.
Rezultatele obținute sunt în concordanță cu cele din literatura de specialitate. R. Wahid & al. [65] au evaluat concentrația de metan obținută din tulpini și din frunze verzi de Miscanthus x giganteus și Miscanthus sinensis. Aceștia au raportat că după 90 zile de fermentație anaerobă, producția de metan pentru Miscanthus x giganteus a variat pentru tulpini de la 285 la 333 Nl/kg VS și pentru frunze de la 286 la 314 Nl/kg VS, iar pentru Miscanthus sinensis de la 291 la 312 Nl/kg VS pentru tulpini și de la 298 la 320 Nl/kg VS pentru frunze.
Rezultatele înregistrate pentru producția de biogaz zilnică și pentru gazele componente ale acestuia, au fost fitate cu ajutorul softului Table Curve 2D, curbele datelor experimentale cu ecuațiile afișate prezentând un coeficient de corelare foarte bun, R2 > 0,970.
Evaluarea potențialului pentru obținerea biogazului a plantei energetice Miscanthus x giganteus este foarte importantă, deoarece în ultima perioadă a crescut interesul pentru găsirea de culturi de biomasă cu un conținut de energie ridicat, cost de producere scăzut și efecte minime asupra mediului înconjurător.
4.4. Concept tehnologic de producere a biogazului din deșeuri organice realizat la SC ICPT Tehnomag SA Cluj-Napoca
O soluție tehnică de instalație de producere a biogazului din deșeuri organice [25] care să poată fi adaptată și utilizată într-o gospodărie individuală, de orice mărime, cu înzestrare medie, chiar și în zone izolate, a fost realizată la SC ICPT Tehnomag SA Cluj-Napoca.
Pe acest model experimental (cu funcționare discontinuă) s-au efectuat măsurători și analize ale biogazului obținut și s-au verificat factorii care influențează procesul de obținere a biogazului.
Practic, după introducerea materialului până la nivelul stabilit și realizarea etanșării, fermentația a început imediat, însă producția de biogaz s-a obținut după circa 20 de zile (la o temperatură de 30 oC). La primele degajări de biogaz, acesta, având un conținut mare de dioxid de carbon, s-a aprins greu. În această situație s-a deschis robinetul montat pe furtunul de transport al biogazului, iar biogazul a fost eliminat în atmosferă. S-a repetat de trei ori această operație până când s-a eliminat cantitatea mai mare de CO2 degajată inițial, conținutul în metan al biogazului a crescut, iar acesta a putut fi folosit la ardere.
Această perioadă se numește perioadă de amorsare, iar la instalațiile industriale care au un flux continuu de producție, după această perioadă, când bacteriile metanogene încep să consume, se alimentează periodic instalația cu materie organică proaspătă, pentru o producție constantă de biogaz.
S-a măsurat zilnic cantitatea de biogaz rezultată, cu un aparat de măsură a debitului, până la finalizarea fermentării (170 kg de amestec de substanță organică) și epuizarea metanului.
Cu aceste măsurători, în figura 4.12 se prezintă graficul „volum zilnic generat/timp”, care exprimă evoluția în timp a cantității de biogaz produse în toată perioada de staționare a materialului de fermentare în bazin.
Fig. 4.12. Volumul zilnic de biogaz pentru o perioadă întreagă de staționare
în fermentator, până la epuizarea substanței organice [9]
În cazul real, al alimentării continue, zona optimă determină ritmul de alimentare cu material proaspăt, nefermentat, după cum este ilustrat în figura 4.13.
Se observă că dacă ritmul de alimentare este constant, producția rămâne constantă la o valoare maximă.
Fig. 4.13 Stabilirea ritmului de alimentare, în funcție de minimul necesar de biogaz [9]
Compoziția biogazului funcție de perioada de fermentare este prezentată în figura 4.14, iar în figura 4.15 este reprezentată compoziția medie a biogazului rezultat din încărcătură pe întreaga perioadă de fermentare.
Concluzii
Folosirea biogazului obținut, împreună cu arderea resturilor care rămân după fermentare, rezultate din reziduurile colectate într-o localitate care are 1 milion de locuitori, ar reprezenta aproximativ 50 % din necesarul consumului anual de gaz metan !
Statistica mondială apreciază că, într-un an, în lume biomasa nefolosită de om se cifrează la circa 150 ·109 t.
CONCLUZII
Conform Directivei 2009/28/CE, biomasa este “fracțiunea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor de origine biologică din agricultură (inclusiv substanțe vegetale și animale), silvicultură și industriile conexe, inclusiv pescuitul și acvacultură, precum și fracțiunea biodegradabilă a deșeurilor industriale și municipale”.
La nivelul Uniunii Europene se preconizează crearea a peste 300.000 de noi locuri de muncă în mediul rural, tocmai prin exploatarea biomasei. În prezent, în UE, 4% din necesarul de energie este asigurat din biomasă.
Printre mijloacele de utilizare a biomasei în vederea obținerii de energie, producerea biogazului prin procesul de fermentație anaerobă reprezintă în momentul de față cea mai răspândită practică în Europa.
Categoriile cele mai frecvente de biomasă utilizate în producția europeană de biogaz provin din sectorul agricol (deșeuri rezultate din zootehnii și culturi vegetale) și din sectorul industrial și municipalitate (industria alimentară, deșeuri biodegradabile rezultate din serviciile de management ale deșeurilor urbane; nămoluri provenite de la stațiile de epurare a apelor uzate).
În prezent, producția de biocombustibili din biomasă ca resursă de energie regenerabilă este destul de importantă, deoarece este o resursă de energie curată asigurând beneficii pentru mediu, economie, agricultură și dezvoltare rurală durabilă. Mai mult decât atât, dezvoltarea biocombustibililor din culturi energetice are un rol critic în dezvoltarea
economiei mondiale și reducerea schimbărilor climatice globale.
O statistică realizată în anul 2016 arată că în țările europene, biogazul se obține dintr-o gamă largă de materii prime: reziduuri agricole (gunoi de grajd, reziduuri ale culturilor agricole și culturi energetice), reziduuri din industria alimentară și industria băuturilor, deșeuri biologice și deșeuri organice municipale, nămoluri de epurare, etc.
Temperatura reprezintă cel mai important factor în procesul de fermentație anaerobă, aceasta influențând creșterea și supraviețuirea microorganismelor, activitatea enzimelor și co-enzimelor, producția de metan, precum și calitatea digestatului.
Metodele de pretratare chimică sunt utilizatate mai des decât metodele de pretratare biologică sau fizică deoarece acestea sunt mai eficiente și sporesc biodegradarea din materiale complexe.
Instalațiile de biogaz contribuie efectiv la reducerea cantității de metan eliberat direct în atmosferă prin captarea acestuia și utilizarea sa drept combustibil alternativ, pentru generarea de energie electrică și termică.
Cele mai mari oportunități de implementare a instalațiilor de biogaz în Romania le au județele din sud-estul țării, unde gradul de fragmentare al terenurilor agricole este mai redus (terenuri de 20- 50 hectare), iar fermele zootehnice, de dimensiuni mai mari decât în alte zone, pot opta pentru producerea de biogaz ca metodă de management al deșeurilor. Condițiile actuale de fragmentare a terenurilor agricole în România sunt favorabile dezvoltării proiectelor de biogaz pentru gospodării individuale sau pentru mici asociații familiale.
Prima stație Românească de producere a energiei regenerabile în cogenerare, pe baza de biogaz Ploiești, 9 iulie 2013
În prezent, Germania, Austria, Danemarca și Suedia se numără printre cele mai avansate țări din Europa în domeniul tehnologiilor pentru biogaz, având cel mai mare număr de fabrici de acest fel, de ultimă generație.
Un număr important de instalații de biogaz funcționează și în alte părți ale lumii. În China, de exemplu, în anul 2006, au fost identificate mai mult de 18 milioane de digestoare domestice pentru biogaz, potențialul total pentru biogaz chinezesc fiind estimat la 145 bilioane de metri cubi. De asemenea, în India există astăzi în funcțiune aproximativ 5 milioane de fabrici pentru biogaz mici. Alte țări, precum Nepalul și Vietnamul, posedă și ele un număr considerabil de instalații pentru biogaz.
Cele mai utilizate materii prime pentru producerea biogazului provin în primul rând din sectorul agricol, acestea fiind constituite din deșeuri rezultate din zootehnie (gunoi de grajd, dejecții animaliere, nămoluri) dar și din resturi vegetale (paie, frunze, fructe etc). În ultima perioadă, noi categorii de materii prime au fost testate fiind în momentul de față utilizate în instalațiile de fermentare anaerobă pentru obținerea biogazului. Acesta este cazul culturilor energetice, cum sunt: porumbul, sorgul, lucerna, orzul, Miscanthus x giganteus, salcia energetică și floarea soarelui.
Deșeurile organice generate în activitati agro-zootehnice, precum resturi vegetale și dejecții animaliere dar și deșeurile și apele reziduale generate în industria alimentară și de băuturi alcoolice, reprezintă o resursă valoroasă pentru producerea de biogaz și fertilizanti ecologici. Prin valorificarea acestei resurse în instalații de biogaz, se aduc importante beneficii atât sectorului energetic, cât și calității mediului, contribuindu-se totodată la creșterea competitivității produselor agricole, precum și la creșterea veniturilor și nivelului de trai ale populatiei.
BIBLIOGRAFIE
[1] Al Seadi T., Rutz D., Prassl H., Kotnner M., Finsterwalder T., Volk S., Janssen R., Ofițeru A., Adamescu M., Bodescu F., Ionescu D., Biogazul-ghid practic, 2008, ISBN 978-87-992962-0-0.
[2] Al Seadi Teodorita, Danish centralised biogas plants – Plant descriptions, Bioenergy Department, University of Southern Denmark, 2000;
[3] Al Seadi Teodorita ș.a., Biogazul, ghid practic, elaborat în cadrul proiectului Big>East (EIE/07/214/SI2.467620), 2008 (versiunea în limba română);
[4] Al Seadi T., Rutz D., Janssen R., Drosg B., 2013. Biomass resources for biogas production, Capitol 2, p. 20, DOI: 10.1533/9780857097415.1.19 în The biogas handbook, Woodhead Publishing Limited.
[5] Amon, T.; Machmüller, A.; Kryvoruchko, V.; Milovanovic, D.; Hrbek, R.; Eder, M. W.; Stürmer, B.: Optimierung der Methanausbeute aus Zuckerrüben, Silomais, Körnermais, Sonnenblumen, Ackerfutter, Getreide, Wirtschaftsdünger und Rohglyzerin unter den Standortbedingungen der Steiermark. Published by Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft in collaboration with Amt der Steiermärkischen Landesregierung, Wien, Graz, Austria, 2007
[6] Apples L., Assche A.V., Willems K., Degreve J., Impe J.V., Dewil R., Peracetic acid oxidation as an alternative pre-treatment for the anaerobic digestion of wasteactivated sludge, Bioresource Technology, 102, p. 4124-4130, 2011.
[7] Arsova L., Anaerobic digestion of food waste: current status, problems and an alternative product, Columbia University, p. 14, 2010.
[8] Badea A., Necula H., Surse regenerabile de energie, p. 283, Ed. Agir, București, 2003, ISBN 978-973-720-469-1.
[9] Bejan Mircea, Rusu Tiberiu, O SURSĂ DE ENERGIE REGENERABILĂ –BIOGAZUL DIN DEȘEURILE ORGANICE, Buletinul AGIR nr. 1/2007 ianuarie-martie
[10] Bilitewski B., Hardtle G., Marek K., Waste management, (1997) Berlin, Springer, 3-540- 59210-5.
[11] Buyukkamaci N., Filibeli A., Volatile fatty acid formation in ananaerobic hybrid reactor. Process Biochem, 39, pp. 1491–1494, 2004.
[12] Câmpeanu V., Pencea S., Renewable energy sources in Romania: from a „paradise” of investors to a possible abandon or to another boom? The impact of a new paradigm in Romanian renewable sources policy, Procedia Economics and Finance 8 (2014) 129 – 137, 1st International Conference 'Economic Scientific Research – Theoretical, Empirical and Practical Approaches', ESPERA 2013.
[13]Charles W., Walker L., Cord-Ruwisch R., 2009. Effect of pre-aeration and inoculums on the start-up of batch thermophilic anaerobic digestion of municipal solid waste. Bioresour. Technol. Vol. 100, pp. 2329–2335.
[14] Chen Y., Cheng J.J., Creamer K.S., Inhibition of anaerobic digestion process: a review, Bioresour Technol, 99, p. 4044-4064, 2008.
[15] Cirne D.G., Lehtomaki A., Bjornsson l., Blackall L.L., Hydrolysis and microbial community anașyses in two-stages anaerobic digestion of energy crops, J Appl Microbiol, 103, p. 516-27, 2007.
[16] Chandra RP, Bura R, Mabee W, Berlin A, Pan X, Saddler J., Substrate pretreatment:the key to effective enzymatic hydrolysis of lignocellulosics? Biofuels, Springer, p.67–93.
[17] Demirel B., Scherer P., Trace element requirements of agricultural biogas digesters during biological conversion of renewable biomass to methane, Biomass and Bioenergy, 35 (3) (2011) 992-998. http://dx.doi.org/10.1016/j.biombioe.2010.12.022.
[18] Dicționarul explicativ al limbii române, Academia Română, Institutul de Lingvistică „Iorgu Iordan-Al. Rosetti”,ediția a II-a, revizuită, București, Editura Univers Enciclopedic Gold, 2009, ISBN 978-606-92159-7-5.
[19] Dincă Mirela, Tehnici și sisteme de producere a biocombustibililor, Editura Printech, București, 2015, ISBN 978-606-23-0356-3.
[20] Dincă M., Gh. Voicu, G. Paraschiv, M. Ferdeș, G. Moiceanu, P. Voicu, M. Stefan, 2015. Anaerobic digestion of vegetal biomass used for biogas production. Proceedings of the 43rd International Symposion on Agricultural Engineering, Actual Taks on Agricultural Engineering, pp. 657-666, 2015, ISSN 1848-4425, Opatija, Croatia, 24-27 February 2015.
[21] Dincă M., Gh. Voicu, M. Ferdeș, G. Paraschiv, G. Moiceanu, N. Ungureanu, M. Ionescu, P.Voicu, 2015. The substrate influence on the anaerobic digestion process. 4th International Conference on Thermal Equipment, Renewable Energy and Rural Development TE-RE-RD 2015, pp. 221 – 226, Posada Vidraru, 4-6 June 2015.
[22] Dincă M., Gh. Voicu, L. Toma, M. Ferdeș, I. Voicea, N. Ungureanu, G. Paraschiv, G. Moiceanu, V. Vlăduț, Biogas production from anaerobic co-digestion of cow manure and leaves of Miscanthus x giganteus, Romanian Biotechnological Letters, 20(6), November – December 2015.
[23]Elliot A, Mahmood T. Comparison of mechanical pretreatment methods for the enhancement of anaerobic digestion of pulp and paper waste. Water Sci Technol 2012;84:497–505
[24] Ener-Supply – Eficiența Energetică și Energii Regenerabile – Politici suport pentru energie la nivel local, Manual – Surse regenerabile de energie, București 2012.
[25] Fizeșanu Silvia, Cătuneanu, T., Gnandt, Fr., Bejan, M. Știință și inginerie, vol. 5, „Creșterea calității vieții prin realizarea de energie regenerabilă din deșeuri organice”, Editura AGIR, București, 2004, pag. 59-64.
[26] Gog A., Roman M., Roman C., Chintoanu M., Pitl G., Abraham B., Tehnologii de obținere a biocombustibililor, Avantajele utilizării biocarburanților și ai altor carburanți regenerabili, ISPE București, 27.11.2008.
[27] Haghighatafshar S., Management of hydrogen sulfide in anaerobic digestion of enzyme pretreated marine macro-algae – Master thesis, Water and Environmental Engineering, No. 2012-09, (2012).
[28] Hajji, A., Rhachi, M., The influence of particle size on the performance of anaerobic digestion of municipal solid waste, Energy Procedia, 36, p. 515-520, 2013.
[29] Hatakka A. Lignin-modifying enzymes from selected white-rot fungi: production and role from in lignin degradation. FEMS Microbiol Rev, 13, p.125–35, 1994.
[30] Henning Hahn, Enrico Rose, Biljana Kulisic, Dominik Rutz, Biogazul, sursă regenerabilă de energie, Trinergi Grup, România.
[31] Ilangovan K., Noyola A., Availability of Micronutrients during anaerobicdigestion of molasses stillage using an upflow anaerobic sludge blanket (USAB) reactor, Environmental Technololy, 14 (8) (1993) 795–799.
[32] Jurnalul Oficial al Uniunii Europene – Directive, Directiva 2009/28/CE a Parlamentului European și a Consiliului din 23 aprilie 2009, privind promovarea utilizării energiei din surse regenerabile, de modificare și ulterior de abrogare a Directivelor 2001/77/CE și 2003/30/CE.
[33] Kalyuzhnyi S., Veeken A., Hamelers B., Two-particle model of anaerobicsolis-state fermentation. Water Sci Technol, 41, p. 43-50, 2000.
[34] Kampman B., Leguijt C., Scholten T., Tallat-Kelpsaite J., Brückmann R., Maroulis G., Lesschen J.P., Meesters K., Sikirica N., Elbersen B., 2017. Optimal use of biogas from waste streams. An assessment of the potential of biogas from digestion in the EU beyond 2020.
[35] Khalid A., Arshad M., Anjum M., Mahmood T., Dawson L., The anaerobic digestion of solid organic waste. Waste Management, 31, p. 1737 – 1744, 2011.
[36] Lee J. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol, J Biotechnol, 56, p. 1–24, 1997.
[37] Lemmer A., Naegele H.J., Sondermann J., How efficient are agitators in biogas digesters? Determination of the efficiency of submersible motor mixers and incline agitators by measuring
[38] Li H, Li Chenchen, Liu W, Zou S. Optimized alkaline pretreatment of sludge before anaerobic digestion. Bioresour Technol 2012;123:189–94)
[39] Lyberatos G., Skiadas IV, Modelling of anaerobic digestion—a review. Global Nest: Int J, 1, p. 63–76, 1999.
[40] Madigan et al., 1997
[41] Mao C., Feng F., Wang X., Ren G., Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion, Renewable and Sustainable Energy Reviews 45, pp. 540–555, 2015.
[42] Mateescu C., Antinescu I., Creșterea eficienței instalațiilor de biogaz prin îmbunătățirea potențialului metanogen al biomasei vegetale, Simpozionul Impactul Acquis-lui comunitar asupra echipamentelor și tehnologiilor de mediu, Agigea 26-28 august 2009.
[43] McMillan J.D. Pretreatment of lignocellulosic biomass, 2000.
[44] Menardo S., Balsari P., An analysis of the energy potential of anaerobic digestion of agricultural by-products and organic waste, Bioenergy Research 5:759 – 767, 2012.
[45] Merlin P.C., Gopinath L.R., Divya D., A review on anaerobic decomposition and enhancement of biogaz production through enzymes and microorganisms, Renewable and Sustainable Energy Reviews 34 (2014) 167-173
[46]Meyer A.K.P., Ehimen E.A., Holm-Nielsen J.B., 2018. Future European biogas: Animal manure, straw and grass potentials for a sustainable European biogas production. Biomass and Bioenergy. Vol. 111, pp. 154-164
[47] Nallathambi Gunaseelan V., Anaerobic digestion of biomass for methane production: a review. Biomass Bioenergy, 13, pp. 83-114, 1997.
[48] Naomichi Nisshio și Yutaka Nakashimada, Manufacture of biogas and fertilizer from solid food waste by means of anaerobic digestion (Capitol 7) în Food Industry Wastes, 2013, pag.123.
[49] Nguyen L.M. Organic matter composition, microbial biomass and microbial activity in gravel bed constructed wetlands treating farm dairy wastewaters. Ecol Eng2000;16:199–221.
[50] Ostrem K., Greening waste: anaerobic digestion for treatiing the organic fraction of municipal solid wastes – M.S. Thesis, 2004, Columbia University.
[51] Palmowski L., Mller J. Influence of the size reduction of organic waste on their anaerobic digestion. Water Sci Technol 2000, 41, p.155–62.
[52] Păunescu I., Paraschiv G., Instalații pentru reciclarea deșeurilor, 2006, Editura Agir Publishing, București, p. 94-100, ISBN 973-720-109-4.
[53] Popa I.V. – Biomasa ca sursă de energie si produse chimice, http://www.cicia.ro/res/3_prezentare_uti_roman.pdf;
[54] Puyuelo B., Ponsa S., Gea T., Sanchez A., Determing C/N ratios for typical organic wastes using biodegradable fractions, Chemosphere, 85 (2011) 653-659.
[55] Riva G., Foppapedretti E., Carolis C., Malamatenios C., Signanini P., Crema G., Micaela Di Fazio, Gajdoš J., Ručinský R., MANUAL – SURSE REGENERABILE DE ENERGIE, București, 2012
[56] Scarlat N., Blujdea V., Dallemand J.F., Assessment of the availability of agricultural and forest residues for bioenergy production in Romania, Biomass and Bioenergy, 35, 1995-2005, 2011.
[57]Scarlat N., Fahl F., Dallemand J.F., Monforti F., Motola V., 2018. A spatial analysis of biogas potential from manure in Europe. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol. 94, pp. 915–930.
[58] Schnürer A., Jarvis Å., 2010. Microbiological handbook for biogas plants. Swedish Waste Management U2009:03 Swedish Gas Centre Report 207
[59] Sun Y., Cheng J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: areview. BioresourTechnol 2002, 83, p. 1–11.
[60]Taherzadeh MJ, Karimi K. Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: a review. Int J Mol Sci 2008;9:1621e51)
[61] Tudora E., Biomasa ca resursă regenerabilă, Simpozionul Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor și tehnologiilor de mediu, Agigea Stația ICPE, 2009
[62] Vintilă T., Nikolic V., Integrarea fermentației anaerobe și captarea metanului în managementul dejecțiilor într-o fermă de vaci de lapte, Institutul de Biotehnologii Aplicate, 2009, Timișoara.
[63] Vlăduț V., Danciu A., Nicolescu M., Postelnicu E., Tehnologii pentru obținerea și utilizarea biomasei, Editura “Terra Nostra” Iasi, 2012
[64] Volf I., Produse și energie din resurse regenerabile, Ed. ECOZONE, Iași, Seria Management, 2011, ISBN 978-973-7645-84-5.
[65] Wahid R., Nielsen S.F., Hernandez V.M., Ward A.J., Gilsum R., Jorgensen U., Moller H.B., Methane production potential from Miscanthus sp.: Effect of harvesting time, genotypes and plant fractions, Biosystems Engineering, 133: 71-80 (2015).
[66] Wang X., Yang., Feng Y., Ren G., Han X., Optimizing feeding composition and carbon – nitrogen rations for improved methane yield during anaerobic co-digestion of dairy, chicken manure and wheat straw, Bioresource Technology, 120 (2012) 78 – 83.
[67] Yi Z., Jia Z., Fuqing X., Yebo L., Pretreatment of lignocellulosic biomass for enhanced biogas – Review, Progress in Energy and Combustion Science 42 (2014) 35-53.
[68] Y.P. Zhang, SY. Ding, J. R. Mielenz, J.B Cui, R. T. Elander, M. Laser, M. E. Himmel, J. R. McMillan, L. R. Lynd (2007) – Fractionating Recalcitrant Lignocellulose at Modest Reaction Conditions, Biotechnology and Bioengineering, 97, vol. 2, p. 214–223.
[69] Zhang T., Liu L., Song Z., Ren G., Fenf Y., Han X., Zang G., Biogas production by co-digestion of goat manure with three crop residues LoS ONE 8(6) (2013) e66845, doi: 10.1371/journal.pone.0066845.
[70] Zi Z., Jia Z., Fuqing X., Yebo l., Pretreatment of lignocellulosic biomass for enhanced biogas – Review, Progress in Energy and Combustion Science42 (2014) 35-53.
[71] ***Chunlan Mao, Yongzhong Feng, Xiaojiao Wang, Guangxin Ren, Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion.
[72] ***European Biogas Association, Annual Statistical Report, 2016.
[73] ***EurObserv’ER. Biogas barometer 2014. https://www.eurobserv-er.org/biogas-barometer-2014/.
[74] *** European Commission, Europe 2020, A strategy for smart, sustainable and inclusive growth, Brussels, 3.3.2010, Available at http://ec.europa.eu/europe2020/index_en.htm.
[75]***Production of Biogas by Anaerobic Digestion, http://suscon.org/pdfs/cowpower/biomethaneSourcebook/Chapter_2.pdf (accesat la 23.07.2017).
[76]*** http://dx.doi.org/10,1016/B978-0-12-391921-2-00007-X.
[77]***https://www.michigan.gov/documents/mda/AD_WhyMixFeedstocks_221951_7.pdf
[78] ***https://www.centrucolectaredeseuri.ro/deseuri-animaliere/valcea
[79] ***http://www.creionul.ro/tag/deseuri/
[80] ***https://agrointel.ro/7843/bogdan-parvu-21-de-ani-creste-2000-de-gaini-free-range-si-vinde-ouale-la-piata/
[81] https://www.gabot.de/ansicht/joost-sterke-miscanthus-als-conainermulch-395926.html
[82] ***http://agrointel.ro
[83]***http://www.renexpo-bucharest.com
[84] ***www.didacta.it
[85]***https://cristim.ro/prima-statie-romaneasca-de-producere-energiei-regenerabile-cogenerare-pe-baza-de-biogaz/
[86] ***http://www.green-report.ro/
[87] *** http://www.revista-ferma.ro/articole-tehnologii-agricole/noutate-pe-plan-national. html,
[88] *** http://teb.com.ro/biogaz-din-culturi-energetice/,
[89] ***http://www.bursa.ro/
[90] *** http://biomassmagazine.com/articles/14141/european-biogas-association-reports-17-376-biogas-plants-in-eu.
[91] *** http://www.envitec-biogas.com
[92]***http://european-biogas.eu/2015/12/16/biogasreport2015
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Criza mondială de energie din ultimul timp a pus pe jar comunitatea științifică internațională. Prețul țițeiului este tot mai greu de controlat. De… [303254] (ID: 303254)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.