Eficienta Unui Digestor Biogaz Intr O Unitate Agroturistica

CUPRINS

I. Surse de energie regenerabilă și importanța lor

Posibil cea mai mare provocare în crearea unui viitor sustenabil este consumul de energie. Este în cele din urma baza pentru o mare parte a economiei globale si mai mult de atât va fi necesar pentru a ridica nivelul de trai în țările în curs de dezvoltare. În ziua de azi, majoritatea suntem dependenți de combustibili fosili neregenerabili care au fost și continuă să fie o cauză majoră de poluare și schimbări climatice. Din cauza acestor probleme și a stocului de petrol în scădere, găsirea alternativelor sustenabile devine tot mai urgent.

Sursele de energie regenerabile sunt acelea care se regenerează la o rată mai mare decât ele se consumă. Energiile regenerabile sunt fiabile și abundente, iar odată ce infrastructura și tehnologiile se vor îmbunătății vor fi și foarte ieftine. Aici includem energia solară, eoliană, geotermală, hidroenergia și energia mareelor, plus biocombustibilii care sunt obținuți fără combustibilii fosili.

Folosirea energiei fosile este principalul contribuitor al presiunii asupra mediului, iar combustibilul fosil în cele din urmă se va epuiza, tranziția la surse de energie regenerabilă fiind în final necesară.

Sursele de energie non-regenerabile cum sunt combustibili fosili și minereurile nucleare au o rată de reaprovizionare la ordinul a milioane de ani și curent sunt folosite într-o rată semnificativ mai mare decât decât cea a reaprovizionării lor.

Sursele de energie regenerabile sunt în general considerate ecologice și permit țărilor care nu dețin rezerve de combustibil fosil să obțină securitate si independență energetică. Critici ai energiei regenerabile, totuși, argumentează că eficiența scăzută a tehnologiilor folosite pentru a converti energia, ar transforma o lume care folosește exclusiv sau chiar primar energia regenerabilă într-o lume impracticabilă. În unele cazuri ei mai argumentează că energiile regenerabile au performanțe mai scăzute decât combustibili fosili și sursele de energie nucleară folosite azi.

În timp ce nevoia de a îmbunătăți performanța de mediu a sistemelor energetice este clară, întrebarea dacă sursele de energie regenerabilă sunt cu adevărat superioare sistemelor de energie non-regenerabile trebuie adresată. În general tehnologiile de energie regenerabilă sunt lăudate pentru performanțele lor în producerea de cantități mici de gaze cu efect de seră, totuși, alte impacte asupra mediului cum ar fi efectele asupra producției de ploi acide, epuizarea ozonului, distrugerea ecosistemului, eliberarea de substanțe carcinogene, etc. sunt adesea trecute cu vederea în studii și în mass-media

Scopul folosirii energiei regenerabile este de a furniza energie cu emisii reduse de gaze cu efect de seră. Concentrația de CO2 în atmosferă a rămas sub 280 parți per milion (ppm) pentru 800.000 de ani pana la începutul revoluției industriale în secolul al XVIII – lea. Concentrația crescut de la 280 ppm în 1780 la 400 ppm în 2013.

Efectele accelerării acestei tendințe asupra viitorului mediului înconjurător sunt în mare parte necunoscute, dar oamenii de știință dezbat aceste efecte și riscurile de a ajunge la anumite puncte unde situația nu mai poate fi reversibilă. Așa ca trebuie să ne întoarcem în prezent și să considerăm impactul asupra mediului al oricărui proiect nou.

Adoptarea tehnologiilor energiei regenerabile este o cale recomandată de a reduce impactul asupra mediului a ceea ce facem.

Aspecte legislative

Reglementările privind promovarea energiilor regenerabile impuse de Directiva 2009/28/CE a Parlamentului European și a Consiliului Europei din 23 aprilie 2009 privind promovarea utilizării energiei din surse regenerabile, ratificată de România prin Legea nr. 220/2008 cu modificările ulterioare, și care stabilește ținte clare pentru România în ceea ce privește producerea de energie electrică din surse regenerabile, incluzându-se aici și fabricile de biogaz, au stabilit ca producția de biogaz este indisolubil legată de producerea de energie.

Prin Strategia energetică a României pentru perioada 2007- 2020 aprobată prin Hotărârea Guvernului nr.1069/2007, țara noastră și-a asumat ca obiective strategice nivelul țintelor naționale privind ponderea energiei electrice produse din surse regenerabile de energie în consumul final de energie electrică în perspectiva anilor 2010, 2015 și 2020, care este de, respectiv, 33%, 35% și 38%.

De asemenea, în conformitate cu art. 4, alin. (3) al Directivei 2009/28/CE, a fost elaborat Planul național de acțiune în domeniul E-SRE, prezentat de autoritățile române Comisiei Europene in septembrie 2010, unde se reiterează angajamentul României de a atinge nivelul țintelor naționale privind ponderea energiei electrice produse din surse regenerabile de energie în consumul final de energie electrică în perspectiva anilor 2010, 2015 și 2020, de respectiv, 33%, 35% și 38%.

În vederea realizării obiectivelor naționale, încă din anul 2004, România a adoptat pentru promovarea producției de E-SRE sistemul de cote obligatorii combinat cu tranzacționarea de certificate verzi, aprobat prin Hotărârea Guvernului nr. 1892/2004 pentru stabilirea sistemului de promovare a producerii energiei electrice din surse regenerabile de energie, cu modificările și completările ulterioare.

În noiembrie 2008 a fost adoptată Legea 220/2008 pentru stabilirea sistemul de promovare a producerii energiei din surse regenerabile, care a îmbunătățit sistemul de promovare prin certificate verzi existent la acel moment, acesta devenind mult mai atractiv pentru investitori. Această lege creează cadrul legal necesar extinderii utilizării surselor regenerabile de energie, prin:

a) atragerea în balanța energetică națională a resurselor regenerabile de energie, necesare creșterii securității în alimentarea cu energie și reducerii importurilor de resurse primare de energie;

b) stimularea dezvoltării durabile la nivel local și regional și crearea de noi locuri de muncă aferente proceselor de valorificare a surselor regenerabile de energie;

c) reducerea poluării mediului prin diminuarea producerii de emisii poluante și gaze cu efect de seră;

d) asigurarea cofinanțării necesare în atragerea unor surse financiare externe, destinate promovării surselor regenerabile de energie, în limita surselor stabilite anual prin legea bugetului de stat și exclusiv în favoarea autorităților publice locale;

e) definirea normelor referitoare la garanțiile de origine, procedurile administrative aplicabile și racordarea la rețeaua electrică în ceea ce privește energia produsă din surse regenerabile;

f) stabilirea criteriilor de durabilitate pentru biocarburanți și biolichide.

Sistemul de promovare a energiei electrice produse din surse regenerabile de energie, stabilit prin legea 220/2008 se aplică pentru energia electrică livrată în rețeaua electrică și/sau la consumatori, produsă din:

a) energie hidraulică utilizată în centrale cu o putere instalată de cel mult 10 MW;

b) energie eoliană;

c) energie solară;

d) energie geotermală;

e) biomasă;

f) biolichide;

g) biogaz;

h) gaz de fermentare a deșeurilor;

i) gaz de fermentare a nămolurilor din instalațiile de epurare a apelor uzate.

În vederea aplicării sistemului de promovare stabilit prin legea 220/2008, acreditarea centralelor electrice se poate face etapizat, pe măsura punerii în funcțiune a fiecărui grup electric individual din cadrul unei capacități energetice conținând mai multe astfel de grupuri electrice, caz în care perioada de aplicare a sistemului de promovare reglementat prin prezenta lege se va aplica diferențiat în funcție de momentul acreditării.

În cazul energiei electrice produse în centrale electrice multicombustibil care utilizează surse regenerabile și convenționale, beneficiază de sistemul de promovare numai acea parte din energia electrică produsă efectiv din surse regenerabile de energie, stabilită pe baza conținutului energetic aferent surselor regenerabile.

În cazul energiei electrice produse din surse regenerabile în cogenerare, producătorii care solicită un sistem de promovare sunt obligați să opteze fie pentru schema de sprijin pentru promovarea cogenerării de înaltă eficiență pe baza cererii de energie termică utilă potrivit prevederilor Hotărârii Guvernului nr. 1.215/2009 privind stabilirea criteriilor și a condițiilor necesare implementării schemei de sprijin pentru promovarea cogenerării de înaltă eficiență pe baza cererii de energie termică utilă, fie pentru schema de promovare prevăzută în legea 220/2008.

Nivelul țintelor naționale privind ponderea energiei electrice produse din surse regenerabile de energie în consumul final brut de energie electrică în perspectiva anilor 2010, 2015 și 2020 este de 33%, 35% și, respectiv, 38%.

Producătorii de energie electrică din surse regenerabile de energie ce pot beneficia de sistemul de promovare prin certificate verzi sunt:

— titularii de licență pentru exploatarea comercială a capacităților de producere a energiei electrice în grupuri/centrale electrice de producere a energiei electrice din surse regenerabile;

— operatorii economici care dețin grupuri/centrale electrice de producere a energiei electrice din surse regenerabile care se află în perioada de probe;

— operatorii economici care dețin grupuri/centrale electrice de producere a energiei electrice din surse regenerabile și care utilizează energia electrică produsă pentru consum propriii, altul decât consumul propriu tehnologic;

— persoanele fizice care dețin centrale electrice de producere a energiei electrice din surse regenerabile cu putere instalată sub 100 kW, care utilizează sursele regenerabile de energie/tehnologiile de producere autorizate de Comisia Europeană.

În Romania se utilizează / se pot utiliza următoarele scheme de sprijin pentru promovarea utilizării E-SRE :

A) Sistemul cotelor obligatorii combinat cu tranzacționarea CV; schema se aplică pe parcursul funcționării unei centrale și prevede acordarea de sprijin producătorilor care livrează E-SRE în rețelele publice, pentru o perioada de maxim 15 ani (grupuri noi). După 10 ani, schema se va renotifica Comisiei Europene.

B1) Schema de ajutor de stat regional privind valorificarea resurselor regenerabile de energie; schema se aplică în etapa investițională și prevede acordarea unui sprijin financiar nerambursabil din fonduri structurale operatorilor economici (întreprinderi mici, mijlocii și mari) in perioada de implementare a proiectului.

B2) Schema de cofinanțare fără aplicarea regulilor de ajutor de stat; schema se aplică în etapa investițională și prevede acordarea unui sprijin financiar nerambursabil din fonduri structurale autorităților administrației publice locale și asociațiilor de dezvoltare intercomunitară în perioada de implementare a proiectului.

NB: Schemele B1 și B2 sunt integrate în Programul Operațional Sectorial „Creșterea Competitivității Economice” (POS CCE) – Axa 4: Creșterea eficienței energetice și a securității furnizării, în contextul combaterii schimbărilor climatice DMI 2 – “Valorificarea resurselor regenerabile de energie pentru producerea energiei verzi” și au numeroase caracteristici comune, specifice programului.

C) Schema oferită de “Programul național pentru creșterea eficientei energetice și utilizarea surselor regenerabile de energie în sectorul public pentru anii 2009- 2010”

D) Schema oferită de “Programul privind producerea energiei din surse regenerabile: eoliană, geotermală, solară, biomasă și hidro”

II. Utilaje și echipamente folosite în producția de energie regenerabilă

2.1. Instalații de captare a energiei solare

Cu ajutorul instalațiilor solare se realizează o economie consistentă de energie electrică utilizată pentru încălzirea centrală sau producerea de apă caldă menajeră.

Soarele este probabil cea mai importantimportantă sursa de energie regenerabilă disponibilă în ziua de azi. Soarele a furnizat practic energie pentru toate formele de viață de pe pământ, prin procesul de fotosinteză, în care plantele absorb radiația solară și o convertesc în energie depozitată pentru creștere și dezvoltare. Oamenii de știință și inginerii de azi caută să utilizeze radiația solară direct prin convertirea lui în căldură și electricitate.

Doua principale tipuri de instalații de energie solară sunt folosite în prezent: instalații fotovoltaice și termice.

Sistemele fotovoltaice convertesc radiația solară în electricitate cu ajutorul mai multor metode. Abordarea cea mai comună este utilizarea panourilor de siliciu, care generează curent electric atunci când lumina strălucește pe panouri.

Sistemele termice solare caută să înmagazineze căldura de la soare ca să poată fi folosită pentru diverse scopuri. Multe abordări diferite pot fi utilizate aici, inclusiv sisteme active, cum ar fi sistemele de încălzire solară a apei calde și sisteme pasive, în care rezultatele prudente de proiectare tehnică se rezultă într-o construcție care automat depozitează și utilizează energia solară. Casele sunt un candidat principal pentru sistemele pasive solare, unde energia solară captată în zilele însorite de iarnă este utilizată pentru a încălzi casa pe timp de noapte.

Avantajul principal al energiei solare este faptul ca nu poluează și este capabilă să opereze independent sau în combinație cu sursele de energie tradițională. Principalul dezavantaj este costul foarte mare de instalare și disponibilitatea radiației solare depinde de la o zi la alta și de la un sezon la altul.

2.1.1. Panouri fotovoltaice

Figura 2.1 Panouri fotovoltaice

Panourile fotovoltaice convertesc radiația solară direct în electricitate. Ele funcționează oricând soarele strălucește, dar produc mai multă electricitate atunci când intensitatea radiațiilor este mai mare și este proiectata direct pe suprafața panourilor.

Panourile fotovoltaice nu folosesc radiația termică produsă de soare, în schimb electronii eliberați de interacțiunea luminii soarelui cu materialele semiconductoare din celulele panoului fotovoltaic sunt capturați într-un curent electric.

Componenta de bază a panourilor fotovoltaice este celula solară. Multiple celule fotovoltaice sunt conectate pentru a forma un modul fotovoltaic (panou solar), modul ce variază în putere de la 10 wați la 300 wați. Câteva module montate într-o dispunere pot produce necesarul energetic pentru o casă. Această dispunere poate fi montată la un unghi fix sau pe un dispozitiv ce urmărește mișcarea soarelui de-a lungul zilei.

Un sistem de panouri fotovoltaice conectat la rețeaua electrică a unei case, în general, conține 3 elemente:

Una sau mai multe module fotovoltaice;

Un invertor, ce convertește curentul continuu generat de panouri, în curent alternativ;

Opțional, un acumulator, pentru a stoca energia în caz de nevoie.

Figura 2.2 Exemplu instalație fotovoltaică

1 – Panou fotovoltaic; 2 – Convertor; 3 – Consumator; 4 – Acumulator.

2.1.2. Colectori solari

Colectorii solari transformă energia solară în energie termică, care o transferă apei sau altui fluid. Există mai multe tehnologii de construcție a colectorilor solari, printre care amintim: colectorii plani, colectorii cu tuburi vidate si colectorii cu tuburi termice.

Colectorii solari plani sunt cei mai răspândiți tip de colector, fiind și cel mai simplu de realizat. Un colector solar plan este format în general dintr-o serpentină din cupru prin care circulă un agent termic, așezată sub o folie confecționată din material conductor termic și acoperită cu material absorbant, iar tot acest ansamblu este montat într-o carcasă acoperită de un panou de sticlă cu o rezistență ridicată la posibilele solicitări din timpul exploatării.

Figura 2.3 Colector solar plan

1 – Serpentină din cupru; 2 – Panou de sticlă; 3 – Folie conductor termic și absorbant; 4 – Material izolant.

Colectorii cu tuburi vidate sunt formate din tuburi de sticlă paralele conectate la un rezervor cilindric orizontal. Tuburile sunt realizate cu pereți dubli, iar între pereți se realizează vid pentru a reduce pierderile termice. Pereții tuburilor sunt acoperite cu un strat din material absorbant pentru a capta eficient radiația solară. Apa din interiorul tuburilor vidate, încălzită datorită radiațiilor solare, în urma diferenței de densitate va circula în rezervor și va fi înlocuită de apa mai rece din stratul inferior al rezervorului.

Figura 2.4 Principiul de funcționare a colectorilor cu tuburi vidate

1- Radiația solară; 2- Apă rece; 3- Apă caldă; 4- Rezervor cilindric orizontal; 5- Tub vidat.

Colectorii cu tuburi termice conțin o țeavă de cupru învelită într-un material absorbant, amplasată într-un tub solar vidat. Țeava de cupru este de asemenea vidată, iar în interiorul ei se găsește o cantitate mică de lichid cum ar fi alcool sau apa purificată plus aditivi speciali. Vidul din interior permite lichidului să fiarbă la o temperatură mai mică decât în mod normal. Când radiația solară cade pe suprafața tubului, lichidul se transformă rapid în vapori fierbinți și se ridică în partea superioară a țevii de unde apa curge printr-un colector și preia căldura. Vaporii din țeava se condensează și curg înapoi, acest proces continuând atât timp cat soarele strălucește.

Figura 2.5 Colector cu tuburi termice (secțiune transversală)

1- Colector; 2- Condensator tub termic; 3- Agent termic condensat; 4- Agent termic vaporizat; 5- Țeavă de cupru; 6- Tub vidat.

2.2. Instalații de captare a energiei eoliene

Există o cantitate uriașă de energie regenerabilă în vânt, care este disponibilă pentru conversie energetică. Utilizarea instalațiilor de captare a energiei eoliene nu este un concept nou primele instalații fiind folosite la pomparea apei pentru irigații și pentru măcinarea cerealelor.

Puterea vântului în orice moment este rezultatul a maselor de aer ce se mișcă, cu viteză, într-o anumită direcție. Pentru a capta această putere, sau ar trebui să zicem o parte din ea, este necesar să plasăm în calea vântului o instalație, o turbină eoliană, pentru a-i transfera energia.

Deși toate turbinele eoliene funcționează pe principii similare, mai multe varietăți sunt utilizate în prezent. Acestea pot fi clasificate în două grupe: turbine cu ax orizontal si turbine cu ax vertical.

2.2.1. Turbine eoliene cu ax orizontal

Turbinele eoliene, sunt montate la înălțime pe un turn pentru a capta cea mai multă energie. De obicei la 30 de metri sau mai mult deasupra pământului, ele pot profita de vântul cel mai puternic, dar mai puțin turbulent. Turbinele captează energia eoliană cu ajutorul paletelor sale asemănătoare cu niște elice, care se montează de obicei în număr de două sau trei pe un arbore pentru a forma un rotor. Când bate vântul, rotorul captează energia cinetică a vântului și o transformă în mișcare de rotație pentru a pune în funcțiune generatorul. Cele mai multe turbine au sisteme automate de guvernare a excesului de viteză pentru a menține rotorul sub control în condiții de vânt foarte mari.

Figura 2.6 Turbină eoliană cu ax orizontal

2.2.2. Turbine eoliene cu ax vertical

Turbinele eoliene cu ax vertical, au axul rotorului principal dispus vertical, iar componentele principale sunt situate la baza turbinei. Această aranjare permite generatorului a fi amplasat aproape de pământ, facilitând întreținerea și repararea.

Turbinele cu ax vertical sunt de două tipuri: Savonius și Darrieus. Nici unul dintre ele nefiind foarte răspândit.

Figura 2.7 Turbina eoliana de tip Darrieus Figura 2.8 Turbina eoliana de tip Savonius

Turbinele eoliene pot fi folosite ca aplicație de sine stătătoare, conectate la rețeaua electrică de utilitate sau chiar combinate cu panouri fotovoltaice.

În timp ce energia eoliană pare a fi promițătoare, ea este limitată de faptul că poate fi generată doar în zonele unde vântul suflă cu o viteză adecvată. Cu toate acestea, energia eoliană încă rămâne o componentă importantă în viitorul energiei regenerabile.

Figura 2.9 Schema turbinelor eoliene

A. – Turbină eoliană cu ax orizontal: 1- paleta rotorului; 2- cutie de viteze; 3- generator; 4- rotor; 5- pilon.

B. – Turbină eoliana cu ax vertical: 5- ax vertical; 6- paletă elicoidală; 7- cutie de viteze; 8- generator

2.3. Surse de bioenergie

Bioenergia este o energie regenerabilă pusă la dispoziție de materiale derivate din surse biologice. Biomasa este orice material organic ce a stocat lumina solară sub forma de energie chimică.

Omenirea a utilizat energia din biomasă de când oamenii au început să ardă lemne pentru a găti și pentru a obține o sursă de căldură. În zilele noastre, lemnul încă este cea mai mare resursă de energie din biomasă, dar și alte surse de biomasă pot fi folosite. Acestea include culturi alimentare, plante ierboase și lemnoase, reziduuri din agricultură sau silvicultură, alge bogate în ulei și componenta organică a deșeurilor municipale și industriale.

În mod normal, extracția energiei din biomasă este împărțită în trei categorii:

Biomasa solidă ce include utilizarea copacilor, reziduurilor de recoltă, deșeurilor animaliere și a reziduurilor industriale sau menajere în combustia directă pentru a furniza căldură. Adesea biomasa solidă va fi supus la procese fizice cum ar fi tăiere, așchiere, brichetare, etc. dar își menține forma solidă.

Biogazul, care este obținut prin digestia anaerobă a materialului organic pentru a produce un gaz combustibil cunoscut ca metan. Deșeurile animale și municipale sunt adesea materii prime pentru digestia anaerobă.

Biocombustibili lichizi

Spre deosebire de alte surse de energie regenerabilă, biomasa poate fi transformată în combustibili lichizi numiți și biocombustibili. Cele mai întâlnite două tipuri de biocombustibili utilizați in prezent sunt etanolul și biodieselul. Etanolul, un alcool, se face în primul rând din amidonul din cereale de porumb. Este cel mai frecvent utilizat ca un aditiv pentru combustibili pe bază de petrol, pentru a reduce emisiile toxice în aer și pentru a crește cifra octanică. Biodieselul este realizat prin combinarea alcoolului (de obicei metanol) cu ulei vegetal, grăsime animală, sau unsoare de gătit reciclată. Acesta poate fi utilizat ca aditiv (de obicei 20%) pentru a reduce emisiile toxice a vehiculelor sau în forma sa pură ca un combustibil alternativ pentru motoarele diesel.

2.3.1. Biogazul

Digestia anaerobă, este o tehnologie frecventă folosită pentru convertirea deșeurilor organice în energie termică sau electrică. În digestia anaerobă, materia organică este descompusă de bacterii în absența oxigenului pentru a produce metan și alte produse secundare, care formează un gaz natural regenerabil.

Prin termenul de „biogaz", acceptat pe plan internațional, se înțelege produsul gazos ce rezultă în cursul fermentării anaerobe (în lipsa aerului) a materiilor organice de diferite proveniențe. Biogazul este format de microorganismele anaerobe. Aceste organisme se hrănesc cu grăsimi și carbohidrați rezultând ca și produse reziduale metabolice metan și dioxid de carbon. Acest gaz produs din resurse regenerabile este inflamabil și poate fi utilizat în multe aplicații ca o alternativă la gazul natural pe bază de combustibili fosili. Producerea și utilizarea biogazului este o tehnologie consacrată cu o istorie lungă, dar biogazul în prezent cuprinde doar un mic procent din energia totală utilizată în majoritatea țărilor industriale. În același timp, noile tehnologii și abordări pentru a produce și a folosi biogaz se extind rapid.

Biogazul este un amestec de gaze. Principalele gaze care îl compun sunt metanul și dioxidul de carbon, ambele în proporții variabile. În cantități foarte mici se mai găsesc în biogaz hidrogen sulfurat, azot, oxid de carbon, oxigen.

Valoarea energetică a biogazului este dată de conținutul de metan al acestuia. În tabelul ce urmează sunt date valorile energetice pentru un metru cub de biogaz :

Tabelul

Pentru exprimarea în kilojouli, valorile din tabel se vor multiplica, desigur, cu 4,186 kj/Kcal. Se vede că biogazul este un combustibil valoros. În comparație cu alți purtători de energie termică situația lui se prezintă în tabelul următor:

Tabelul

Prin metanogeneză se înțelege procesul microbiologic complex prin care materiile prime diferite (substratul) sunt convertite în biogaz și în nămol fertilizant. Rolul final al acestui proces îl au bacteriile metanogene, reprezentate prin numeroase specii, dar ele nu sunt singurele care participă la producerea biogazului.

Bacteriile metanogene își desfășoară activitatea în condiții strict anaerobe, adică în lipsa totală a aerului respectiv a oxigenului din aer. Ca reprezentanți ai vieții, ele sunt, se pare, printre primele organisme care au populat biosfera cu miliarde de ani înainte și se consideră că nu au evoluat semnificativ în timp. Bacteriile metanogene se găsesc în natură, în mlaștini, în adâncurile oceanelor, și în sistemul digestiv al animalelor. Pentru dezvoltarea și înmulțirea lor sunt necesare câteva condiții elementare și anume:

Absența oxigenului:

Umiditatea, care trebuie să fie peste 50%; peste această valoare critică, crește mobilitatea bacteriilor și se accelerează metabolismul celulelor;

Un volum suficient de mare pentru desfășurarea activitatii;

Prezența a suficient azot pentru construcția celulei bacteriene;

Mediu neutru sau slab alcalin, având pH = 7,0 – 7,6;

Temperatură de peste 3°C;

Absența luminii.

Desigur că, în procesul de generare intensivă a biogazului, unele din condițiile elementare de mai sus vor trebui să fie mai nuanțate.

Biogazul se obține în cadrul unei biotehnologii, prin fermentarea diferitelor materii prime cu conținut de substanțe organice fundamentale ca protide, lipide, glucide.

În desenul de mai jos este prezentată schema complexă de transformare a biomasei, de diferite proveniențe, în biogaz, trecând prin patru trepte caracteristice. Se observă că întregul proces constă în fracționarea, de la o treaptă la alta, a moleculelor complexe care există în materiile prime utilizate la obținerea biogazului, în molecule din ce în ce mai simple.

În treapta 1­a, enzimele secretate de grupe ale unor microorganisme aerobe sau facultativ anaerobe, numite și exofermenți, atacă macromoleculele ca celuloza, amidonul, pectina, hermicelulozele, grăsimile, proteinele și acizii nucleici și le transformă în compuși cu molecule mai mici cum sunt diferitele tipuri de zaharuri ca celobioza, zaharoza, maltoza, xilobioza, apoi în acizi ca acid galacturonic, acizi grași, aminoacizi respectiv în baze ca acidul fosfogliceric, purine, pirimidine.

În treapta a 2­a produsele treptei precedente sunt supuse fermentației în urma căreia se vor obține compuși cu molecule și mai simple. În acești compuși se numără acizii carboxilici: formic, acetic, propionic, butiric, valerianic, lactic, malic etc. Din fermentația acestei trepte rezultă și gaze și anume hidrogen, dioxid de carbon, amoniac, hidrogen sulfurat precum și diferiți alcooli ca metanic, etilic, propilic, butandiol etc.

În treapta a 3­a, strict anaerobă, se formează compuși metanogeni din moleculele mai mari ale treptei precedente. Rezultă, din nou, acid acetic, hidrogen, bicarbonați, acid formic și metanol.

În treapta a 4­a se formează metan și dioxid de carbon, componenții principali ai biogazului, în care se vor găsi, în proporție mică gazele rezultate în treapta a doua: hidrogenul sulfurat și amoniacul. Trebuie precizat că mecanismul integral al metanogenezei este deosebit de complex și că unele aspecte nu sunt elucidate nici până în prezent, dar evidențierea acestora nu face obiectul prezenței expuneri pe care ar încărca­o în mod inutil.

Figura Schema complexă de transformare a biomasei

Din procesul de metanogeneză expus mai înainte se poate observa că, în substratul supus fermentării, se află compuși din cei mai diferiți din punct de vedere chimic. Prezența a numeroși acizi este rezultatul activității grupei bacteriilor acidogene, care lucrează bine la un Ph mai scăzut. În treaptele a treia și mai ales a patra, sarcina trece în seama bacteriilor metanogene, pentru care pH­ul optim este cuprins între 7,0 – 7,6. Aceste populații de microorganisme trebuie însă să coexiste în același spațiu de fermentare cu toate că ele se deranjează reciproc sub raportul acidității optime de funcționare. În majoritatea procedeelor clasice de obținere a biogazului una din problemele delicate o reprezintă tocmai menținerea unei acidități controlate astfel încât să permită ambelor populații de microorganisme să lucreze chiar dacă nu la randamentele maxime. Dacă bacteriile acidogene nu sunt prea sensibile la variații de temperatură, cele metanogene sunt foarte sensibile la aceste variații, atât cele care lucrează în regim mezofil, cu temperatură caracteristică de 35 grade C, cât mai ales cele care lucrează în domeniul termofil, cu temperatură caracteristică 55°C

2.3. Instalații biogaz și aplicația acestora în agroturism

2.3.2. Echipamente folosite în producția biogazului

Instalații mari

Instalația cu canal tip plugflow sau flux cu piston

Figura Instalația cu canal tip plugflow sau flux cu piston: 1- Stație de pompare; 2- Stație de separare; 3- Solid separat (Utilizare agricolă, compostare); 4- Digestor; 5- Biogaz; 6- Bazin dejecții lichide digerate; 7- Utilizare agricolă; 8- Cogenerator; 9- Energie termică; 10- Energie electrică; 11- Folosire pentru instalație și pentru fermă; 12- La rețeaua națională.

Caracteristici principale: acest proces de digestie anaerobă poate fi utilizat fie in tratamentul dejecțiilor zootehnice, fie in stabilizarea nămolurilor obținute din flotația dejecțiilor agrozootehnice. În cazul utilizării dejecțiilor zootehnice se solicită o separare preventivă a solidelor grosiere, care nu sunt din punct de vedere tehnic biodegradabile în timpi tehnici raționali, utilizând în procesul anaerob doar partea lichidă a dejecțiilor. Digestorul, așadar, este absolut fără organe de amestecare interne și trebuie să fie realizat tip scurgere la canal.

În cazul nămolurilor din flotație nu se va avea o separare a fazelor în digestor. În cazul dejecțiilor zootehnice al căror efect de separare a solidelor sedimentabile față de partea lichidă din dejecții, datorată lipsei de agitație în digestor, va provoca un efect avantajos de creștere a timpilor de retenție a părții solide față a părții lichide. Acest fenomen, de fapt va permite îndepărtarea mai rapidă din digestor a părții lichide, care conține substanțe prompt disponibile pentru digestie. Solidele totuși vor ajunge la secțiunea de ieșire din digestor exploatând efectul combinat al mișcărilor de urcare provocate de biogaz și de prezența serpentinei de încălzire poziționată în apropierea fundului digestorului, cu mișcarea de avansare provocată de poziționarea, în secțiunea inițială și finală a digestorului, a tubulaturilor de introducere și descărcare a dejecției proaspete și digerate.

Cui ii este indicat: în mod deosebit crescătoriilor de dimensiuni medii și mari care intenționează să producă energie cu scopul de a o utiliza aproape în totalitate pentru nevoile directe și doar în cazul unui eventual surplus de a o ceda gestionarului de rețea. În plus cine în general este constrâns într-o manieră specială la reducerea impactului ambiental indus de propria activitate zootehnică, prin flotație și depurare biologică a resturilor destinate deversării în părțile hidrice superficiale.

Fazele procesului: cu scopul de a obține o majoră producție posibilă de biogaz, este fundamental ca dejecțiile produse să ajungă “proaspete” la digestor; pentru aceasta trebuie adoptate cele mai oportune soluții pentru a evacua din adăposturile zootehnice cel mai rapid posibil dejecțiile produse în crescătorii. Dejecția produsă este dirijată spre un prebazin de colectare și astfel, transferat, prin intermediul unei stații de pompare corespunzătoare, la tratamentul de separare. Tratamentul de separare mecanică a parții lichide din solidele grosiere este aproape întotdeauna necesar și servește pentru a elimina din dejecție părțile nebiodegradabile în timpi tehnici de digestie prevăzuți, care tind să iasă la iveală la efectul urcării de biogaz și să formeze pe suprafața dejecției o crustă de material celulos împletit, care ocupă volum util și poate provoca în timp înfundări ale digestorului. Partea solidă separată a monte de digestor dusă (este vorba despre substanțele folosite pentru îmbunătățirea solului) va putea fi compostată sau acumulată și pe terenurile agricole, în timp ce partea lichidă, bogată în substanțe organice, va alimenta digestorul, de regulă pe secțiunea transversal rectangulară, printr-unul sau mai multe canale paralele. Digestia anaerobă a dejecțiilor este obținută în interiorul unui digestor adecvat prin activitatea bacteriilor capabile să fărâmițeze moleculele complexe prin formare de metan, anhidride carbonice, apă și hidrogen sulfurat. Activitățile biologice expuse mai sus sunt condiționate de diferiți factori ca: PH-ul, temperatura și timpul de ședere al dejecției în digestor. Pentru diminuarea temperaturii de digestie, în special, este necesar a garanta un timp de ședere (HRT) al dejecției în digestorul mai ridicat. Totuși, în condiții psihrofile, este oportun a prevedea un HRT de cel puțin 60 de zile, în timp ce în condiții mezofile este posibil a garanta un HRT de doar 18-20 de zile. Respectând aceste condiții, emiterile energetice ale instalației ating rezultate optime în fiecare sezon. Pentru a opera în condiții controlate din punct de vedere termic, pereții digestorului trebuie sa fie bine și adecvat izolați și interiorul digestorului este încălzit și menținut la temperatura procesului de un schimbător de căldură pus în apropierea fundului, realizat cu tubulaturi din otel inoxidabil în care apa caldă mișcată circular este produsă de arderea biogazului în cogenerare. Biogazul produs este strâns direct în partea superioară a digestorului printr-un acoperiș în formă de cupolă gazometrică și eventual alte acoperișuri colectoare de gaz cu cupolă cu presiune statică. Cupola gazometrică are formă de semicilindru sau calotă sferică și este realizată cu trei membrane suprapuse din țesut de fibre poliestere din PVC și sudată cu un sistem electronic la frecventa înaltă. Membrana care este situată la interior are menirea de a închide biogazul într-o cameră în contact cu dejecția, cea intermediară este în contact cu exteriorul dea lungul bordurilor laterale și evită ca biogazul să se poată , eventual, amesteca cu aerul conținut în volumul închis între membrana intermediară și cea mai exterioară, care rămâne întotdeauna umflată. Camera de aer este menținută în presiune de o centrală de control și de supape care, atingând sau scăpând aer, mențin biogazul mereu la presiunea de 200mm H2O, independent de cantitatea de biogaz conținut. În acest mod, alimentarea arzătoarelor este constantă și membrana externă este întotdeauna întinsă, cu beneficii imaginabile vis-a-vis de vânt, apa sau zăpadă. Sistemul de acoperire cu membrană presostatică oferă între altele următoarele avantaje:

– evită construirea separată a unui gazometru;

– simplifică întreținerea digestorului, fiind ușor de înlăturat;

– asigură un grad ridicat de izolare al cupolei digestorului;

– este adaptabil la bazinele existente;

– permite înmagazinarea biogazului la presiunea de utilizare a arzătoarelor, evitând instalația compresoarelor pentru gaz;

– este rezistent la zăpadă și vânt;

– face posibilă o gestiune mai flexibilă a utilizatorilor de biogaz datorită volumului mare închis în interior;

– favorizează deumidificarea gazului conținut, mai ales în lunile mai răcoroase, prin condensarea apei în contact cu peretele cupolei.

De-a lungul unei conducte corespunzătoare legată de acoperișul înmagazinator de gaz al digestorului, gazul produs și recuperat este orientat spre o instalație de cogenerare, care arzând biogaz produce energia electrică și căldură. O parte din căldura produsă este recuperată și utilizată pentru termostatarea și menținerea în temperatură digestorul. În sfârșit dejecția la ieșirea din digestor, de acum stabilizată și dezodorizată, va fi acumulată într-unul sau mai multe bazine de stocare în așteptarea utilizării agronomice.

Instalație tip super-flow pentru biomasă superdensă

Figura Instalație tip super-flow pentru biomasă superdensă: 1- Stație de pompare; 2- Încărcare biomasă; 3- Digestor anaerobic; 4- Biogaz; 5- Bazin dejecții lichide digerate; 6- Utilizare agricolă; 7- Cogenerator; 8- Energie termică; 9- Energie electrică; 10- Folosire pentru instalație și pentru fermă; 11- La rețeaua națională.

Digestorii puși în serie asigură cele mai bune producții de biogaz în instalații tip superflow.

Caracteristici principale: procesul de digestie anaerobă utilizează dejecțiile așa cum sunt (parte lichidă + parte solidă), cu introducere de biomasă chiar și în cantități mari, peste limită de pompare. De regulă instalația prevede doi digestori, unul primar și unul secundar. Digestorul primar, de tip cilindric, este dotat cu un amestecător special, cu axe orizontale, care garantează amestecarea completă a dejecțiilor și a biomasei. Digestorul primar este alimentat constant cu dejecție proaspătă și biomasă, după un plan de încărcătură prestabilit în funcție de compozițiile și caracteristicile diferitelor completări de adaos, în timp ce dejecția digerată va ieși după un timp mediu de ședere în bazin, de aproximativ 20-30 de zile pentru a fi transferat în digestorul secundar, amestecat la rândul sau și în măsură să recupereze cantitatea reziduală de biogaz. Timpul de ședere în al doilea digestor se dovedește a fi de aproximativ 30-40 de zile pentru o ședere medie complexivă egală cu aproximativ 60 de zile.

Cui îi este indicat: firmelor agricole și zootehnice care dispun de terenuri set­aside sau de biomasă constantă de­a lungul anului, datorită căreia se sporește substanțial producția de biogaz și astfel cea de energie electrică produsă, maximizând în acest fel randamentul procesului.

Fazele procesului: pentru a obține o majoră producție posibilă de biogaz, este de sfătuit ca dejecțiile produse să ajungă ”proaspete” la digestorul primar și calitatea biomasei să fie întreagă în structura sa energetică. Dejecția produsă este direcționată spre un prebazin de colectare, omogenizare, amestecare și ridicare, prevăzut cu mixer și pompă mărunțitoare care omogenizează și alimentează dejecția în digestorul primar cilindric. Un container (pâlnie) special dotat cu spirale de dozaj, alimentat corespunzător, prevede încărcarea biomasei, care printr-un program specific introduce în digestor cantitatea necesară de materiale pentru a garanta o bună funcționare a procesului de digestie. Biogazul astfel produs, în condiții anaerobe este colectat direct în partea superioară a digestorului / digestorilor prin intermediul unui acoperiș gazometric sub formă de cupolă care va avea formă de calotă sferică cu volum variabil. Prin intermediul unei conducte legate de acoperișul de colectare a gazului digestorului, gazul produs și recuperat este menținut în echilibru, răcit, deumidificat, filtrat și trimis grupurilor de cogenerare care arzând biogazul, produc energia electrică și căldură. În sfârșit, dejecția la ieșire, stabilizată și dezodorizată, va fi acumulată așa cum este, sau prin separare, într-unul sau mai multe bazine de stocaj în așteptarea utilizării agronomice.

Instalații medii

Instalații de tip I

Figura Instalație de tip I de 100 m3: 1- Alimentare deșeuri (canalizare) ; 2- Digestor; 3- Acumulatoare de biogaz; 4- Evacuare; 5- Fertilizant, utilizare agricolă; 6- Țeavă gaz; 7- Dezumidificator; 8- Desulfurizator; 9- Aragaz; 10- Lampă cu gaz; 11- Generator de curent.

Instalația de 100 m3 este compusă dintr-o incintă de beton numită fermentator și mai multe acumulatoare din fibră de sticlă și plastic. Fermentatorul de beton are o capacitate de 100m3. Acumulatoarele au un diametru de 1.6 metri, 0.75 m înălțime și 1.2 m3 capacitate de stocare. Sistemul de capacitate mediu este compus din una sau un grup de instalații de 100 m3, sistem de alimentare, sistemul de purificare a gazului (desulfurizator și dezumidificator) și aparatură electrocasnică și generatoarele pe biogaz.

Caracteristici:

1. Foarte rezistente: Nu se mișcă mecanic, nu apar defecte

2. Are o arie largă de aplicabilitate: Pot fi construite în sau deasupra pământului. Centrala poate funcționa și pe lichide (deșeuri animaliere și umane) și solide (iarba, paie și mâncare)

3. Cost al mentenanței scăzut: Nu este nevoie de mentenanță permanentă ci doar punctuală și nu este nevoie de îngrijire împotriva ruginii si reparații curente.

4. Durabilă : Fermentatorul cu interiorul de fibra de sticlă rezistă la orice tip de acizi și substanțe alcaline. Durata de viață este de peste 40 de ani, fibra de sticlă poate să țină 10 ani și este ușor de înlocuit când se defectează.

Arie de aplicabilitate:

Pentru stațiile de colectare a deșeurilor din apă.

Pentru ferme cu animale

Pentru deșeurile rezultate de la fabrici și școli.

Pentru deșeurile lichide și solide rezultate din procesarea plantelor și a fermentării plantelor (bere de ex).

Instalații de tip II up-flow amestecat

Caracteristici principale: acest proces de digestie anaerobă utilizează dejecțiile așa cum sunt (parte lichidă + parte solidă), așadar digestorul, care în această tipologie de instalație este de formă cilindrică, va fi dotat cu o instalație de amestecare cu elice, cu pompă de recirculare externă temporizată și sistem cu deschizături de fund pentru a obține mișcarea dejecției și efectul up-flow și rupere de crustă.

Figura Instalație up-flow amestecat: 1- Stație de pompare și amestecare; 2- Pompă pentru recirculare și amestecare digestor; 3- Digestor anaerobic; 4- Biogaz; 5- Bazin dejecții lichide digerate; 6- Utilizare agricolă; 7- Cogenerator; 8- Energie termică; 9- Energie electrică; 10- Folosire pentru instalație și pentru fermă; 11- La rețeaua națională.

Digestorul va fi alimentat zilnic cu dejecție proaspătă, în timp ce dejecția digerată va ieși după un timp mediu de ședere în bazin de aproximativ 20 / 25 zile.

Cui îi este indicat:

La crescătoriile care vor să gestioneze dejecțiile ca unic produs omogen și să aibă o rentabilitate majoră în termeni energetici și deci economici; datorită menținerii întregii părți solide prezente în dejecții se sporește producția de biogaz. Este de sfătuit chiar și pentru crescătoriile de dimensiuni mai modeste, dar care au disponibilitatea în timp de a adăuga biomasă și a le digera împreună cu dejecțiile.

Rămân și pentru această instalație valabile notabile avantaje ambientale, dar trebuie amintit că:

– dejecția neseparată trebuie administrată cu mașini corespunzătoare în fazele de pompare;

– digestorul necesită componente electromecanice majore;

– instalația are un autoconsum electric mai ridicat și eventuala ajungere a substanțelor care conțin azot duce la necesitatea de a avea mai mult teren pentru bilanțul firmei prevăzut de planul de utilizare agronomică.

Fazele procesului:

La sfârșit cu scopul de a obține o mai mare producție posibilă de biogaz, este fundamental ca dejecțiile produse să ajungă ”proaspete” la digestor; pentru aceasta trebuie adoptate toate mijloacele cele mai oportune pentru a evacua din adăposturile zootehnice cel mai rapid posibil dejecțiile produse în crescătorii. Dejecția produsă este dirijată spre un prebazin de depozitare, omogenizare, amestecare și ridicare, prevăzut cu mixer și o pompă de mărunțire, unde poate fi adăugată în doze prestabilite o moderată cantitate de biomasă pentru a obține un amestec pompabil, cu un conținut de solide nu mai mare de 10%, care îmbogățește cu substanță organică dejecția destinată să alimenteze digestorul.

Digestia anaerobă a dejecțiilor așa cum sunt cu cantități moderate de biomasă, este obținută în interiorul unui digestor adecvat prin activitatea bacteriilor capabile să fărâmițeze moleculele complexe cu formarea de metan, anhidride carbonice, apă și hidrogen sulfurat.

Activitățile biologice expuse mai sus sunt condiționate de diferiți factori ca: PH-ul, temperatura și timpul de ședere al dejecției în digestor. În cazul digestoarelor Up-Flow, alimentate cu amestec de dejecții și biomasă, este potrivit a garanta timpi de ședere de cel puțin 30-40 de zile și temperaturi în câmpul mezofil și termofil. Este posibilă și divizarea volumului de digestie în doi reactori, unul primar și unul secundar, adaptați la a permite desfășurarea într-un mod mai controlat a fazelor acidogene și metanogene.

Instalații de mici dimensiuni

Sistemul de biogaz pentru gospodării familiale este compus din : fermentator de 6 ­ 10 m cubi, țevi, acumulatoare, instalații de purificare a gazului și aparatură pe biogaz (orice tip de aparatură electrocasnică folosită în gospodării care funcționează pe biogaz) și generatoare de energie pe biogaz. Sistemul este folosit în gospodării și utilizează deșeurile animaliere, paie (fân) reziduu uman și resturi de mâncare.

Figura Instalație de producere a biogazului de dimensiune mică: 1- Stomac; 2- Gât; 3- Acumulator de biogaz; 4- Capac gât; 5- Alimentare deșeuri; 6- Capac alimentare; 7- Capac evacuare deșeuri; 8- Evacuare deșeuri.

Structură: instalația de biogaz pentru gospodării este alcătuită din: fermentator și acumulatoare de biogaz. Fermentatorul are o capacitate de 6 – 10 m3. Acumulatorul de biogaz are dimetru de 1.6 metri și înălțime de 0.6 m și o capacitate de stocare de 1 ­ 3 m3.

Caracteristici:

1. Ușor de construit

2. Poate fi utilizat material organic (paie, fân, iarbă)

3. Ușor de menținut

4. Durabile

5. Sigure

6. Costă puțin

Figura Schemă instalație de producere a biogazului de dimensiune mică: 1- Digestor anaerobic; 2- Capac digestor; 3- Acumulatoare de biogaz; 4- Alimentare deșeuri; 5- Evacuare deșeuri; 6- Țeavă gaz.

2.3.3. Moduri implementare a biogazului în agroturism

III. Studiu privind realizarea unui mini-digestor biogaz cu potențiale beneficii într-o unitate agroturistică

3.1. Digestoarele biogaz

Digestoarele anaerobe convenționale iau deja multe forme; de la modele simple, care sunt puțin mai mult decât acoperitoare flexibile peste lagune de gunoi de grajd la diverse tancuri și rezervoare supraterane și subterane. În toate cazurile, gunoiul de grajd umed sau alte deșeuri trebuie să fie livrate la un mediu favorabil pentru creșterea bacteriilor care conduc procesul de digestie anaerobă. Rata la care aceste bacterii cresc și produc biogaz depinde de o serie de factori, temperatura fiind cea mai importantă. Cele mai simple digestoare anaerobe, sistemele de lagune acoperite, nu poat funcționa în mod eficient în timpul anotimpurilor reci și sunt mai frecvent întâlnite în zonele cu climat mai cald. Majoritatea digestoarelor anaerobe folosesc o sursă de căldură pentru a menține deșeurile la o temperatură constantă pentru digestie.

Cele două mari categorii de digestoare încălzite sunt mezofile, care funcționează la temperaturi în jurul valorii de 35 de grade Celsius, și termofile, care funcționează la temperaturi mai mari, de aproximativ 50-60 de grade Celsius. Modelele termofile pot produce potențial mai mult biogaz într-o perioadă mai scurtă de timp de la aceeași cantitate de deșeuri, dar necesită, de asemenea, mai multă energie pentru a încălzi digestorul. Temperatura de proiectare a unui digestor este aleasă pe baza obiectivelor proprietarului și a altor factori specifici, cum ar fi umiditatea la sută, conținutul de azot, volumul de deșeuri care trebuie tratat și sursele de căldură disponibile pentru digestor. Cealaltă caracteristică majoră, care variază la modelele de digestoare anaerobe convenționale este metoda utilizată pentru a procesa deșeurile umede. Digestoarele cu canal tip plug-flow introduc deșeuri care curg într-o direcție în timpul procesului de digestie, în timp ce digestoarele de tip super-flow folosesc palete și elice pentru a amesteca deșeurile în timpul procesului de digestie. Un alt model este digestorul umplut cu elemente din plastic pe care bacteriile se atașează, menținând astfel o populație microbiană suficientă și evitând spălarea lor, care apare frecvent în deșeurile cu un conținut de solide mai mici. Diversitatea modelelor de digestoare permite dezvoltatorilor să producă biogaz din deșeuri cu o gamă largă de caracteristici, cum ar fi conținutul de fibre sau contaminarea cu nisip. În toate cazurile, deșeurile tratate sunt umede, de obicei cu un conținut nu mai puțin de 85% lichide.

Diversitatea digestoarelor convenționale demonstrează inovația și ingeniozitatea fermierilor și a inginerilor care valorifică puterea bacteriilor producătoare de biogaz în medii diferite. Până de curând, însă, digestoarele anaerobe convenționale s-au limitat la deșeuri cu conținut ridicat de umiditate și au fost economice doar în locurile unde un volum mare deșeuri de calitate consistentă era produs în mod continuu. Inovațiile noi extind acum foarte mult utilitatea și acțiunea digestoarelor anaerobe în producerea de biogaz din mai multe tipuri de deșeuri. Adăugarea de deșeuri suplimentare, mai ales deșeuri din procesarea alimentelor, la digestia anaerobă poate crește foarte mult producerea de biogaz din digestoarele noi sau deja existente.

Realizarea unui digestor biogaz nu este ușor, însă cu informațiile și materialele potrivite orice persoană cu abilități și cunoștințe tehnice minime va reuși să realizeze un astfel de sistem de producere a biogazului.

3.1.1. Alcătuire

Mini-digestorul s-a realizat dintr-un rezervor de 30 de litri confecționat din material plastic pentru a rezista acțiunilor corozive a digestatului. Gura rezervorului este mare pentru a face mai ușoară curățirea și accesul în interiorul acestuia, iar capacul rezervorului prezintă o garnitură pentru a asigura o închidere ermetică.

Pentru amestecarea digestatului s-a confecționat din inox o elice cu patru palete a cărei mișcări este antrenată de un motor cu zece rotații pe minut montat pe capac în mijlocul acestuia. Pe lângă rolul elicei de a nu lăsa partea solidă să se depună la fundul rezervorului mișcarea de rotație a acesteia menținând omogenitatea digestatului, elicea mai are funcția de distribuire egală a căldurii în interiorul rezervorului. Însă, în urma unor teste s-a constatat că doar această elice nu este de ajuns pentru uniformizarea temperaturii digestatului, lichidul din partea superioară a rezervorului având permanent o temperatura cu 10 – 12 grade mai mare decât lichidul din partea inferioară, acest lucru putând diminua semnificativ cantitatea de biogaz produsă de digestor. Pentru remedierea acestei probleme s-a realizat dintr-o bandă de inox încă o elice, de data aceasta de formă elicoidală, montată pe axul de antrenare a elicei inițiale. Această elice secundară datorită formei sale antrenează digestatul de la partea inferioară a rezervorului spre partea superioară, astfel realizându-se atât o omogenizare mai bună cât și o temperatură uniformă a digestatului.

3.1.2. Materia prima folosită în producerea biogazului

Pe baza experienței îndelungate acumulate de către cei care, în decursul timpului, au cercetat și urmărit producerea biogazului, sunt determinanți în producția de biogaz următorii factori:

­ Materia primă

­ Temperatura

­ Presiunea

­ Agitarea

­ pH-ul

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

­ Să conțină materie organică biodegradabilă

­ Să aibă o umiditate ridicată, peste 90%

­ Să aibă o reacție neutră sau aproape neutră (pH = 6.8 ­ 7,3)

­ Să conțină carbon și azot într-o anumită proporție (C/N = 15 ­ 25)

­ Să nu conțină substanțe inhibitoare pentru microorganisme: unele metale grele, detergenți, antibiotice, concentrații mari de sulfați, formol, dezinfectanți, fenoli și polifenoli etc.

Pentru obținerea biogazului se pot utiliza materii prime organice de proveniență foarte diferită: deșeuri vegetale, deșeuri menajere, fecale umane, dejecții animaliere, gunoiul de grajd, ape reziduale din industria alimentară și din zootehnie, etc.

Producția specifică, medie, de biogaz, ce se poate obține din diverse materii prime, raportată la substanța uscată a lor, este cea din tabelul următor:

Tabelul

Materiile prime de mai sus pot fi utilizate exclusiv sau în amestec. S­a constatat că, prin amestecarea diferitelor materii prime, capacitatea metanogenă a amestecului, exprimată în l/kg substanță organică (S.O.), este mai mare decât media rezultată din calculul aritmetic. Acest aspect este redat în tabelul următor:

Tabelul

Tabelul

Această potențare sinergică se datorează faptului că în amestecuri de materii prime se realizează raporturi mai bune între conținutul de carbon și cel de azot, raport foarte important în producția eficientă de biogaz și care, după cum s­a arătat, trebuie să fie cuprins în intervalul 15­25. În tabelul următor sunt trecute, pentru principalele materii prime:

­ Conținutul de carbon (C)

­ Conținutul de azot (N)

­ Raportul C/N

Tabelul

Pentru a putea calcula corect o rețetă de amestec de materii prime trebuie ținut seama de următoarele:

­ Realizarea unui raport C/N cuprins între 15 – 25

­ Asigurarea unei umidități de cel puțin 90 % pentru amestec.

În vederea calculării raportului corect C/N se procedează astfel:

Presupunând că se dispune de dejecții de porc, de vită, frunze verzi și paie uscate de grâu, din tabelul nr. se scot valorile C/N pentru aceste materii prime:

­ Dejecții de porc, C/N……………………………………13

­ Dejecții de vită, C/N…………………………………….25

­ Frunze verzi, C/N………………………………………..41

­ Paie de grâu, C/N………………………………………..87

Pentru că amestecul să aibă C/N cuprins în limitele 15 – 25, se observă că dejecțiile de porc sunt cele care pot corecta raportul C/N din frunze și paie deoarece dejecțiile de vită au acest raport situat chiar la limita superioară a raportului optim. Se va încerca, deci, să se pună mai multe părți, în greutate, de dejecții de porc decât frunze și paie, de exemplu:

Dejecții de porc 5 părți x 13 = 65

Dejecții de vită 1 parte x 25 = 25

Frunze verzi 2 părți x 41 = 82

Paie de grâu 2 părți x 87 = 174

Total 10 părți 346

Rezultă că, în amestec, raportul C/N va fi de 364/10 = 34,6 deci amestecul nu este corect. Pentru a-l corecta se mărește cantitatea de dejecții de porc față de cea a frunzelor si paielor, încercându-se rețeta următoare:

Dejecții de porc 7 părți x 13 = 91

Dejecții de vită 1 parte x 25 = 25

Frunze verzi 1 parte x 41 = 41

Paie de grâu 1 parte x 87 = 87

Total 10 părți 224

Noul raport C/N = 224/10 = 24,4 arată că rețeta de amestec a materiilor prime este bună.

Pentru a se asigura o umiditate corectă a amestecului se va ține seama de umiditatea materiilor prime care este trecută în tabelul următor:

Tabel

Revenind la exemplul corect de calcul al compoziției amestecului de mai înainte, pentru dejecții de porc (P), de vită (V), pentru frunze (F) și paie de grâu (G), se poate deduce conținutul mediu de substanță uscată prin următorul calcul:

Deci cele zece părți de amestec conțin 20,75 % substanță uscată. Pentru a aduce acest amestec la un conținut de apă de 92%, de exemplu, adică la un conținut de substanță uscată de 8%, cantitatea de apa ce va trebui adăugată se va obține din calculul următor: 10 părți amestec x 20,75 / 8 = 25,93 rotund 26 părți amestec

Compoziția finală care va fi supusă fermentării va cuprinde deci:

­ 7 părți, în greutate, dejecții de porc

­ 1 parte în greutate, dejecții de vită

­ 1 parte în greutate, frunze verzi

­ 1 parte în greutate, paie de grâu

­ 16 părți apă.

Total 26 părți amestec

Temperatura

Producția de biogaz este influențată puternic de temperatură.

Din punct de vedere al temperaturii la care își desfășoară activitatea, microorganismele ce concură la producerea biogazului, îndeosebi cele metanogene, se împart în trei mari categorii:

• Criofile, caracterizate printr-o activitate care poate avea loc la temperaturi cuprinse între 12 – 24°C, zonă caracteristică fermentării în regim criofil;

• Mezofile, caracterizate printr-o activitate care are loc la temperaturi cuprinse între 25 – 40°C, zonă caracteristică fermentării în regim mezofil;

• Termofile, caracterizate printr-o activitate care poate avea loc la temperaturi cuprinse între 50 – 60°C, zonă caracteristică fermentării în regim termofil.

Ca întotdeauna în biologie, aceste limite nu reprezintă niște praguri de netrecut iar fermentația metanogenă, în cazuri mai rare, se întâlnește și puțin în afară acestor limite.

În diagrama de mai jos se pot vedea cele trei zone termice caracteristice regimurilor criofil, mezofil și termofil precum și modul în care temperatura influențează producția de biogaz.

Figura

Diagrama e făcută în raport cu producția de biogaz la 15 grade C care a fost considerată ca 100% și se prezintă creșterea producției, în procente față de cea de bază, din regimul criofil, odată cu creșterea temperaturii la care are loc fermentarea. Din diagramă se vede că, la 10°C producția de biogaz scade la cca. 70% față de cea de la 15°C, în schimb ajunge la cca. 250% în regimul mezofil și la peste 360% în cel termofil.

Presiunea

Presiunea are o mare importanță în procesul de metanogeneză. S­a dovedit că, atunci când presiunea hidrostatică în care lucrează bacteriile metanogene crește peste 4­5 metri coloană de apă, degajarea de metan, practic, încetează. Ea reîncepe atunci când presiunea hidrostatică scade la valori mai mici. Această constatare este foarte importantă la proiectarea fermentatorului. La fermentatoare cu ax vertical, care pot atinge înălțimi de zeci de metri, degajarea de metan se produce numai în partea superioară, până la o adâncime de maximum cinci metri iar restul spațiului ocupat de substrat, nu produce biogaz. Acest „rest" de spațiu poate fi foarte mare uneori, în funcție de dimensiunile fermentatorului, putând ajunge la 85­90% din volumul total. Prin recirculare permanentă, obligatorie la acest tip de fermentatoare, porțiunile de substrat aflate sub limita de degajare a metanului, sunt aduse în zone superioare unde degajarea reîncepe. Pentru înlăturarea acestui inconvenient major, au fost realizate fermentatoare în flux orizontal, la care înălțimea substratului nu depășește 3.5 metri, degajarea de metan producându-se în întreaga masă a materialului supus fermentării.

Agitarea

În interiorul fermentatoarelor au loc nu numai procese biochimice ci și unele procese fizice. Astfel se constată că, în cursul fermentației are loc o segregare a materialului supus fermentării. Microbulele de gaze care se degajă în masa substratului antrenează, prin fenomenul de flotație, particulele mai ușoare de suspensii, spre suprafața lichidului. Se formează repede o crustă cu tendința de întărire și deshidratare chiar dacă materiile organice din ea nu au apucat să fie degradate prin fermentație. O altă parte a suspensiilor, mai grele prin natură lor, sau tracțiuni care au fermentat și sunt parțial sau total mineralizate, au tendința să se lase spre partea de jos a fermentatorului. Între aceste două straturi se găsește un strat de lichid în care fermentarea și epuizarea materiei organice continuă din ce în ce mai lent. Cele arătate mai sus constituie unul din motivele pentru care este necesară agitarea conținutului fermentatorului.

Aciditatea

În primele etape de fermentare a materiilor organice, în vederea producerii biogazului, predomină microorganismele din grupa celor acidogene, pentru care aciditatea mediului, exprimată în pH, este cuprinsă în intervalul 5.5 ­ 7.0.

În etapele finale de fermentare, bacteriile metanogene care consumă acizii cu molecule mici rezultați din etapele anterioare, lucrează bine la o aciditate care corespunde unui interval de pH de 6.8 ­ 8.0. Se poate întâmpla ca, din diferite motive, activitatea bacteriilor acidogene să fie mai intensă decât a celor metanogene, fapt care duce la o acumulare a acizilor organici ce determină o scădere a pH-ului inhibând și mai tare activitatea bacteriilor metanogene. În astfel de situații se constată că producția de biogaz scade până la dispariție și este nevoie de intervenția operatorilor pentru a redresa situația. Corecția acidității excesive se face, de obicei, cu lapte de var, prin care pH-ul se readuce în limitele de echilibru dintre cele două grupe de populații, acidogene și metanogene, adică între limitele 6.8 ­ 7.6.

S­a arătat deja că aceste inconveniențe apar în cazul fermentatoarelor cu amestecare totală a materialului conținut, în care aciditatea trebuie menținută intr-un echilibru de compromis între preferințele celor două populații de microorganisme. Evitarea problemelor legate de aciditatea substratului se poate face fie prin sistemul de fermentare în două faze, cu recipienți separați, fie, mai bine, adoptând sistemul de fermentare în flux orizontal.

MATERII PRIME PENTRU OBTINEREA BIOGAZULUI

Ca principal factor care determină producția de biogaz, materia primă merită o atenție deosebită.

Este vorba, desigur, de producerea biogazului cu un excedent energetic semnificativ față de autoconsumul energetic, adică față de biogazul necesar nevoilor termice proprii ale sistemului de producere a lui. În ideea de mai înainte s­a constatat că materia primă care poate produce un excedent de biogaz față de autoconsum trebuie să aibă o încărcare organică de cel puțin 2000 mg/d CBO5. Sub această limită, instalația de biogaz rămâne o treaptă de epurare anaerobă pentru apa reziduală cu care este alimentată și nu va produce un exces semnificativ de biogaz sau, în perioadele mai reci ale anului, va fi tributară unui alt purtător de energie termică pentru a menține temperatura necesară procesului de fermentare și deci va avea un bilanț energetic negativ.

Condiția energetică de mai sus o îndeplinesc mai toate nămolurile provenite din stațiile de epurare a apelor reziduale orășenești, nămolurile din apele uzate din zootehnie, toate tipurile de dejecții, dar și unele ape reziduale. Pentru orientare generală, în tabelul următor sunt date încărcările uzuale ale unor ape reziduale din zootehnie și industria alimentară:

Tabelul

Resurse din agricultură

Următoarele deșeuri agricole pot fi utilizate pentru producerea biogazului:

Lujeri (vrejuri) de cartofi, soia, fasole, roșii, mac

Frunze de sfeclă de zahăr sau sfeclă furajeră, de floarea soarelui

Frunze uscate sau verzi din copaci

Iarbă verde sau uscată

Coceni și tuleie de porumb

Buruieni diferite, uscate sau verzi

Paie de grâu, secară, orez, orz, ovăz, răpită

Lucernă verde sau uscată, tulpini de in

Pleavă de la diferite cereale și de orez

Tescovină

Puzderie de cânepă

Alge diferite

Zambilă de apa, nufăr

Trestie și trestie de zahăr, sorgul zaharat

Rumeguș

Semințe diferite, coji de alune și de semințe

În tabelul următor sunt trecute cantitățile de biogaz ce se pot obține din unele materii prime provenite din agricultură.

Tabelul

La întocmirea rețetelor de alimentare care vor cuprinde și materii prime din tabelul de mai înainte se va ține seama de necesitatea respectării raportului carbon azot așa cum s­a arătat în capitolul anterior. De asemenea este foarte important ca materiile prime de natură vegetală să fie tocate cât mai mărunt înainte de a fi introduse în fermentator. Acest lucru mărește randamentul în biogaz și permite o mai ușoară amestecare a conținutului fermentatorului.

3.1.3. Funcționalitatea digestorului

3.2. Aplicații practice a digestorului biogaz într-o unitate agroturistică

3.3. Eficiența tehnico-economică în funcție de dimensiunea digestorului