Utilizarea Instalatiilor Pentru Producerea Biogazului In Agroturism

Agronomie

Utilizarea Instalatiilor Pentru Producerea Biogazului In Agroturism

Byadmin ianuarie 1, 2024

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 că 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.

I.1. Aspecte legislative

Reglementările privind promovarea energiilor regenerabile impuse de Directiva 2009/28/CE a [NUME_REDACTAT] și a [NUME_REDACTAT] 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.

[NUME_REDACTAT] energetică a României pentru perioada 2007- 2020 aprobată prin [NUME_REDACTAT] 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 [NUME_REDACTAT] 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 [NUME_REDACTAT] 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 [NUME_REDACTAT] 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 [NUME_REDACTAT].

[NUME_REDACTAT] 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 [NUME_REDACTAT].

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 [NUME_REDACTAT] Sectorial „[NUME_REDACTAT] 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

II.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 importantă 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.

II.1.1. 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 proiectată direct pe suprafața panourilor.

Figura 2.1. Panouri fotovoltaice

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.

II.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 solari cu tuburi vidate sunt alcătuiți 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.

II.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.

II.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

II.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.

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 2.7. Turbină eoliană de tip [NUME_REDACTAT] 2.8. Turbină eoliană de tip [NUME_REDACTAT] 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.

II.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 care 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.

II.3.1. [NUME_REDACTAT] 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 2.1 sunt date valorile energetice pentru un metru cub de biogaz :

Tabelul 2.1. Valorile energetice pentru un metru cub de biogaz.

Pentru exprimarea în kilojouli, valorile din tabel se vor înmulți, desigur, cu 4,186 kj/Kcal. Se observa că biogazul este o sursă de energie importantă. În comparație cu alți deținători de energie termică poziția lui se prezintă în tabelul 2.2:

Tabelul 2.2. Poziția biogazului în comparație cu alți deținători de energie termică.

Prin metanogeneză se înțelege acțiunea microbiologică complexă prin care materiile prime diferite (substratul) sunt convertite în nămol fertilizant și în biogaz. Bacteriile metanogene sunt cele care au atribuția finală al acestui proces, fiind reprezentate de numeroase specii, însă ele nu sunt singurele care participă la procesul de producție a biogazului.

Bacteriile metanogene își pot desfășura activitatea doar în condiții anaerobe, adică trebuie sa lipsească în totalitate aerul și respectiv oxigenul din aer. Aceste organisme sunt, se pare, printre primii reprezentanți ai vieții care au populat biosfera cu miliarde de ani înainte și se crede că nu au evoluat prea mult în decursul timpului. Bacteriile metanogene se pot găsi în natură, în adâncurile oceanelor, în mlaștini și în sistemul digestiv al animalelor. Pentru înmulțirea și dezvoltarea lor este nevoie de câteva condiții esențiale și anume:

lipsa oxigenului:

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

un volum pentru desfășurarea activității, suficient de mare;

temperatură de peste 3°C;

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

prezența a suficient azot pentru construcția celulei bacteriene;

absența luminii.

Desigur, în procesul de producție intensivă a biogazului, unele din condițiile esențiale de mai sus vor trebui să fie mai accentuate.

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

În figura 2.10 este reprezentată schema complexă de transformare a biomasei, de diferite origini, în biogaz, trecând prin patru trepte distinctive. De la o etapă la alta se observa că întregul proces constă în descompunerea moleculelor complexe care există în materiile prime folosite la obținerea biogazului, în molecule din ce în ce mai simple.

Figura 2.10. Schema complexă de transformare a biomasei

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

În etapa a doua produsele etapei precedente sunt expuse fermentației obținându-se în cele din urmă compuși cu molecule și mai simple. În acești compuși se numără acizii carboxilici: propionic, formic, acetic, lactic, valerianic, butiric, malic etc. Din fermentația acestei trepte rezultă și gaze, anume dioxid de carbon, hidrogen, amoniac, hidrogen sulfurat precum și diferiți alcooli ca etilic, propilic, metanic, butandiol etc.

În cea de-a treia etapă, etapă care este obligatoriu anaerobă, se formează compuși metanogeni din moleculele mai mari ale etapei anterioare. Rezultă din nou hidrogen, acid acetic, bicarbonați, acid formic și metanol.

În ultima etapă se formează dioxid de carbon și metan, componenții centrali ai biogazului, în care se vor găsi în procent mic gazele rezultate din etapa a doua: hidrogenul sulfurat și amoniacul. Trebuie menționat că mecanismul complet al metanogenezei este deosebit de complex și că unele puncte nu sunt elucidate nici până în prezent, dar accentuarea acestora nu face obiectul prezentei expuneri.

Din procesul de metanogeneză prezentat 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 treapta 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.

II.4. Instalații mari folosite în producția biogazului

II.4.1. Instalația cu canal tip plugflow sau flux cu piston

Caracteristici principale: acest proces de digestie anaerobă poate fi utilizat fie în tratamentul dejecțiilor zootehnice, fie în 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.

Figura 2.11. 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.

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 îi 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.

II.4.2. Instalație tip super-flow pentru biomasă superdensă

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.

Figura 2.12. 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.

Cui îi este indicat: fermelor 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, dezumidificat, 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.

II.5. Instalații medii folosite în producția biogazului

II.5.1. Instalații de tip I

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 și 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.

Figura 2.13. 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.

Arie de aplicabilitate:

pentru ferme cu animale;

pentru stațiile de colectare a deșeurilor din apă;

pentru deșeurile rezultate de la fabrici și școli;

pentru deșeurile lichide și solide rezultate din procesarea plantelor și a fermentării plantelor (bere de exemplu).

II.5.2. 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 2.14. 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.

II.6. Instalații mici folosite în producția biogazului

Sistemul de biogaz pentru gospodării familiale este compus din:

fermentator de 6 10 m cubi,

țevi,

acumulatoare,

instalații de purificare a gazului,

aparatură pe biogaz (orice tip de aparatură electrocasnică folosită în gospodării care funcționează pe biogaz),

generatoare de energie pe biogaz.

Sistemul este folosit în gospodării și utilizează deșeurile animaliere, paie (fân) reziduu uman și resturi de mâncare.

Figura 2.15. 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 2.16. 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.

II.7. Factorii de influență a producției de biogaz

De-a lungul anilor, din analizele celor care au cercetat producția biogazului, s-au determinat următorii factori în producerea de biogaz:

materia primă,

temperatura,

presiunea,

agitarea,

pH-ul.

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

să cuprindă materie organică biodegradabilă,

să aibă o umiditate ridicată, de peste 90%,

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

să conțină carbon și azot într-un anumit procent (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 realizarea biogazului se pot folosi materii prime organice de origine foarte diferită: deșeuri vegetale, deșeuri menajere, dejecții animaliere, fecale umane, 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 2.1. Producția medie de biogaz raportată la substanța uscată

Materiile prime de mai sus pot fi folosite exclusiv sau în amestec. Sa determinat că, prin amestecarea materiilor prime diferite, rezultatul metanogen a amestecului, exprimat în l/kg substanță organică (S.O.), este mai mare decât media rezultată din calculul aritmetic. Acest aspect este redat în tabelul următor:

Tabelul 2.2. Producția medie de biogaz raportată la amestecul de materii prime

Această amplificare sinergică este grație faptului că în amestecuri de materii prime se realizează legături mai bune între conținutul de carbon și cel de azot, legătură foarte importantă în producția eficientă de biogaz și care, după cum sa arătat, trebuie să fie situat în intervalul 1525. În tabelul 2.3 sunt trecute, pentru principalele materii prime:

conținutul de carbon (C),

conținutul de azot (N),

raportul C/N.

Tabelul 2.3. Conținutul de C/N pentru principalele materii prime

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 3.3 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 2.4. Umiditatea medie a materiilor prime

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.

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 2.17. Zonele termice și modul în care temperatura influențează producția de biogaz.

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 este foarte importantă în producerea gazului metan. Este dovedit că bacteriile metanogene lucrează cel mai bine la o presiune hidrostatică cuprinsă între anumite valori bine conturate. Când aceste valori sunt întrecute, adică presiunea hidrostatică crește peste 4-5 metri coloană de apă, activitatea bacteriilor scade ceea ce duce la încetarea degajării biogazului. Degajarea reîncepe atunci când presiunea hidrostatică scade la valori mai mici. Importanța acestei constatări se arată în proiectarea fermentatorului. Fermentatoarele cu ax vertical pot atinge înălțimi de zeci de metri, însă degajarea de gaz metan se produce doar în partea superioară, până la o adâncime de maximum cinci metri, restul spațiului neproducând biogaz. Acest spațiu suplimentar poate atinge până la 85-90% din volumul total al fermentatorului. De aceea, prin metoda recirculării permanente impuse de acest tip de fermentatoare, porțiunile de substrat aflate sub limita de degajare a metanului, sunt aduse în zonele superioare ceea ce duce la reînceperea degajării biogazului. Cu scopul de a înlătura acest inconvenient major, s-au realizat fermentatoare în flux orizontal, la care înălțimea substratului nu depășește 3,5 metri, degajarea de metan producându-se în întreaga masă a materialului supus procesului de fermentare.

În interiorul fermentatorului au loc în mod simultan procese biochimice și unele procese fizice. Aceste procese rezultă în separarea în straturi a materialului supus fermentării: elementele ușoare urcă în partea superioară, iar cele mai grele coboară în partea inferioară a fermentatorului. Microbulele de gaze care se degajă în masa substratului antrenează, prin procesul de flotație, particulele mai ușoare de suspensii, spre suprafața lichidului, unde se formează o crustă cu tendința de întărire și deshidratare. Între stratul superior de crustă și cel inferior, se formează un strat de lichid, în care fermentarea și epuizarea materiei organice continuă, dar încetinește. Stratul inferior este format dintr-o altă parte a suspensiilor, mai grele în natură sau tracțiuni care au fermentat sau sunt parțial sau total mineralizate. Această stratificare constituie unul din motivele pentru care conținutul fermentatorului necesită agitare.

Aciditatea mediului din primele etape ale fermentării materiilor organice, în vederea producerii de biogaz, este determinată de microorganismele acidogene predominante, care exprimată în pH setează mediul între valorile 5,5-7,0.

În etapele finale de fermentare, bacteriile metanogene consumă acizii cu molecule mici rezultați din primele etape ale fermentarii, astfel ajungând la un mediu mai mult neutral-bazic preferat de această cultură, cu valorile pH cuprinse între 6.8-8.0.

Din motive diverse, se poate întâmpla ca activitatea bacteriilor acidogene să fie mai intensă ca a celor metanogene, ceea ce are drept urmare acumularea acizilor organici și, în același timp, scăderea ph-ului, care inhibă și mai intens activitatea bacteriilor metanogene. Situațiile de acest gen duc la scăderea și inclusiv dispariția producerii biogazului, în cazul în care nu are loc o intervenție umană pentru a remedia situația. Această intervenție constă din corecția acidității excesive cu lapte de var, în mod obișnuit. Astfel aciditatea mediului se readuce în limitele de echilibru dintre cele două grupe de microorganisme, anume 6.8-7.6 calculat în valori pH. Studiile arată că aceste inconveniente apar în cazul fermentatoarelor cu amestecare totală a materialului conținut, în care aciditatea trebuie menținută în echilibru între cele două populații, bacteriile acidogene și cele metanogene, prin metodele mai sus menționate. Toate acestea însă pot fi ușor evitate prin adoptarea altor tipuri și sisteme de fermentatoare, anume cel în două faze, cu recipienți separați, sau fermentatorul în flux orizontal.

II.8. Implementarea biogazului în agroturism

Biogazul are un domeniu larg de aplicații practice, acesta fiind o sursă bună de energie, nu doar termică, dar și electrică atunci când este asociat unui generator de curent.

Luând de la început, de exemplu, principalele nevoi energetice ale unei pensiuni agroturistice sunt energia termică (în bucătărie pentru prepararea mâncărurilor, pentru încălzirea aerului și a apei etc.) și cele electrice (curent electric pentru iluminare și folosirea aparatelor electrice). Pensiunile își procură aceste energii, în general, din surse diferite, cum ar fi centralele de energie termică și electrică care aprovizionează zonele urbane și rurale contra-cost, sau centrale proprii de energie (boilere, arderea lemnelor etc). Astfel se poate dovedi că există o cerere a unei energii mai ieftine și mai sigure pe piață.

Prin implementarea biogazului în agroturism se înțelege folosirea acesteia ca o sursă de energie a unei unități agroturistice. Această implementare ar fi posibilă, teoretic, dacă unitatea agroturistică deține materialele prime necesare producerii biogazului, la fel și aparatura necesară. Multe unități agroturistice sunt deținătoare de ferme de animale, sau cel puțin se află în zone rurale, unde predomină fermele de animalele. Locația deci este foarte importantă, dacă se consideră dejecțiile animaliere ca materia primă a producției de biogaz, dar nu atât de importantă în cazul în care materiile prime folosite vor fi deșeurile menajere de care dețin orice unitate, sau o eventuală combinație a acestora. Trebuie subliniat faptul că aceste deșeuri menajere, la fel ca dejecțiile animaliere pot fi considerate producția proprie a unității, problema materiei prime necesare fiind rezolvată.

Se consideră că fiecare unitate agroturistică are posibilitatea achiziționării și punerii în funcționare a aparaturii necesare de producere a biogazului. Date fiind acestea, implementarea biogazului în agroturism este posibilă. Revenind la exemplul dat, o pensiune agroturistică are anumite nevoi energetice, pe care biogazul le poate asigura. Trecând de consumul propriu al instalației, restul gazului poate fi acumulat și utilizat în incinta bucătăriei (la prepararea și încălzirea hranei), la încălzirea unității pe timp de iarnă, la fel și în celelalte nevoi termice ocazionale sau permanente, cum ar fi încălzirea apei pentru consum. Prin această metodă, pensiunea nu numai că a economisit din cheltuieli, dar are și o sursă de energie sigură, proprie și nici depozitarea deșeurilor menajere nu constituie o problemă din moment ce sunt reutilizate și nu se acumulează, în caz că se alege o combinație dintre acestea și alte materii prime.

Biogazul poate fi convertit în energie electrică dacă este aplicat la un generator de curent pe bază de gaz. Astfel, chiar dacă nu întregul consum electric, dar cel puțin o parte a consumului de energie electrică poate fi acoperit de producția proprie de biogaz a unei unități agroturistice.

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

III.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.

III.2. [NUME_REDACTAT]-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.

Figura 3.1. Rezervoare de 30 de litri

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.

Motorul folosit este unul destul de mic având doar 5 centimetri în diametru și 3 centimetri în grosime, dar fiind un motor cu reductor incorporat este suficient de puternic pentru a amesteca digestatul. El s-a fixat pe capac cu ajutorul unei improvizații, un inel de plastic.

Figura 3.2. Motor montat pe capac

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.

Figura 3.3. Elice de amestecare

1 – motor; 2 – elice elicoidală; 3 – elice cu patru palete.

Încălzirea digestatului s-a realizat inițial cu ajutorul unei rezistențe electrice, prezentată în figura 3.4 confecționată special pentru acest digestor.

S-a încercat folosirea unei rezistențe cumpărate, însă slaba calitate a acesteia, nefiind proiectată pentru încălzirea unui substrat mai vâscos a rezultat supraîncălzirea acesteia, ceea ce a dus la defectarea ei. Din această cauză s-a ajuns la concluzia proiectării unei rezistențe proprii, mult mai adecvată pentru digestor decât cele aflate pe piață.

Figura 3.4. Rezistența electrică pentru încălzit proiectată inițial

Rezistența proiectată s-a realizat dintr-un fir de nichelină bobinat pe un miez ceramic după care s-a introdus într-o țeavă de inox sudată într-un capăt. Pentru a nu se atinge miezul ceramic bobinat de peretele țevii și a nu provoca un scurt circuit, spațiul gol s-a umplut cu nisip de cuarț, un bun izolator electric. Pentru a sigila rezistența, capătul prin care a fost introdus miezul ceramic s-a înfundat cu silicon rezistent la temperaturi înalte.

Rezistența s-a montat în digestor fiind prinsă de capac cu ajutorul unui șurub.

Deși s-a crezut că rezistența este potrivită pentru digestor aceasta s-a defectat după două zile de funcționare. Digestatul fiind mai vâscos, iar puterea rezistenței fiind prea mare, a determinat depunerea unui strat de substanță uscată pe suprafața rezistenței realizând un fel de barieră între rezistență și digestat. Astfel căldura nu a mai putut fi disipată ceea ce a rezultat în supraîncălzirea rezistenței și defectarea acesteia.

S-a încercat remedierea problemei prin reproiectarea rezistenței însă de fiecare dată revenea problema supraîncălzirii rezistenței, alegerea unei rezistențe mai slabe nefiind o opțiune din cauza timpului foarte mare de încălzire a digestatului. Astfel s-a ajuns la o nouă metodă de încălzire a digestatului și anume ridicarea temperaturii digestatului prin încălzirea exterioară a rezervorului.

Noua metodă constă dintr-o cuvă de inox preluată de la o mașină de spălat rufe, veche, cuvă ce conține și o rezistență pentru încălzit apa la baza acesteia. Acestei cuve i s-a atașat niste picioare pentru stabilitate și o sondă de temperatură, pentru monitorizarea acesteia. Digestorul s-a introdus în cuvă, iar cuva s-a umplut cu apă. Odată ce apa se încălzește, materia din digestor preia căldura până ce temperatura din interiorul digestorului va atinge valorile optime.

Figura 3.3. Cuvă de inox Picioarele montate pe cuvă pentru suport

Figura 3.4. Picioarele montate pe cuvă pentru suport

Ceea ce menține temperatura constantă în interiorul digestorului, respectiv ce controlează momentul opririi din funcționare a rezistenței de încălzire a apei și a motorului ce antrenează elicele responsabile pentru amestecare, este cutia de control.

Figura 3.5. Cutie de control (interior)

1 – priză cu temporizator; 2 – releu;

3 – comutator sonde de temperatură;

4 – controller de temperatură;

5 – întrerupător.

Figura 3.6. Cutie de control (exterior)

1 – priza cu temporizator; 2 – comutator sonde de temperatură; 3 – controller de temperatură; 4 – sonda de temperatură (exterior); 5 – sonda de temperatură (interior).

Cutia de control este compusă dintr-o priză cu temporizator mecanic, un controler de temperatură digital la care este conectat două sonde de temperatură, un releu și un întrerupător.

Priza cu temporizator mecanic la care s-a conectat motorul responsabil de amestecare, este reglabilă la intervale de 15 minute, cu alte cuvinte motorul are capacitatea de a funcționa 15 minute după care se va opri 15 minute.

Controlerul de temperatură digital este cel care pornește și oprește rezistența ce încălzește digestatul cu ajutorul sondei de temperatură, care transmite controlerului valoarea de temperatură minimă la care se pornește rezistența și valoarea maximă la care se oprește aceasta.

Figura 3.7. Priză cu temporizator mecanic

Figura 3.8. Controler de temperatură

Controllerul este legat la două sonde de temperatură. O sondă s-a montat în cuva de inox pentru a înregistra temperatura apei care încălzește digestorul, iar o altă sondă s-a montat în interiorul digestorului pentru a fi sigur că temperatura digestatului este optimă. Sonda din interior, deoarece este complet acoperită de digestat, s-a introdus într-un tub de pvc după care s-a sigilat cu silicon pentru a nu pătrunde lichid la baza sondei și a nu provoca deteriorarea acesteia.

Figura 3.9. Sondă de temperatură montată în cuvă.

Figura 3.10. Sondă de temperatură montată în digestor

1 – sonda de temperatură; 2 – capac digestor;

3 – ax rotativ cu elice.

Releul este un întrerupător comandat ce cuplează și decuplează motorul și rezistența la semnalul dat de întrerupătorul cu temporizator respectiv de controlerul de temperatură

Trecerea biogazului din digestor în recipientul de colectare se realizează prin intermediul unui furtun montat pe capacul digestorului cu ajutorul unei presetupe. Pe acest furtun s-a montat un robinet de gaze pentru a putea opri trecerea gazului la nevoie.

Figura 3.11 Robinet de gaze montat pe capac

1 – robinet de gaze; 2 – furtun; 3 – presetupă.

Deoarece biogazul produs de digestor conține dioxid de carbon și o cantitate mică de acid sulfhidric, acesta va trece prin două filtre înainte de a fi colectat în recipientul final.

Primul filtru prin care va trece biogazul este filtrul de dioxid de carbon. Acest filtru este confecționat dintr-un flacon de 5 litri umplut cu o soluție var și apă ce formează hidroxid de calciu (Ca(OH)2) care reacționează cu dioxidul de carbon. Prin capacul flaconului s-a introdus un tub mai lung ce va atinge fundul flaconului ce reprezintă partea de intrare a biogazului și un tub scurt ce rezultă partea de ieșire a biogazului.

Cel de-al doilea filtru este filtrul pentru acid sulfhidric. Este confecționat similar cu filtrul de dioxid de carbon, același principiu fiind folosit. Prin capacul unui recipient de sticlă s-a realizat două găuri prin care s-a introdus două tuburi, unul ce ajunge până la fundul recipientului prin care va intra biogazul și unul doar la suprafața acestuia, care este punctul de ieșire a biogazului. Recipientul s-a umplut cu vată de oțel, fierul din aceasta reacționând cu acidul sulfhidric.

Figura 3.12. Vată de oțel

Figura 3.13. Filtru pentru acid sulfhidric

1 – intrare biogaz; 2 – ieșire biogaz.

Recipientul de colectare este doar un colac de cauciuc gonflabil ce se va umfla pe măsura ce se va umple cu biogaz.

Furtunul de biogaz este conectat la recipientul de colectare printr-un conector T, celălalt capăt al conectorului fiind legat la un arzător.

Figura 3.14 Recipient de colectare a biogazului

Figura 3.15 Filtru de CO2

Din cauza presiunii mici a gazului din recipientul de colectare, există posibilitatea ca flacăra să vină înapoi pe furtun, iar colectorul sau digestorul să explodeze. Din acest motiv s-a confecționat dintr-un recipient de sticlă, o improvizație, care împiedică acest lucru. Acest recipient poate fi asemănat unei supape de sens deoarece lasă gazul să circule doar într-o singură direcție. S-a confecționat pe același principiu ca filtrul pentru acid sulfhidric doar că a fost umplut cu apă. Această supapă de sens improvizată se conectează la recipientul de colectare a biogazului înaintea conectării și folosirii arzătorului.

Figura 3.16. [NUME_REDACTAT] 3.17. Supapă de sens improvizată

III.3. Materia prima care se poate folosi în producerea biogazului

Cel mai important lucru în producția de biogaz este materia primă. Aceasta necesită atenție deosebită, deoarece componentele chimice ale materiei influențează întreaga desfășurare a procesului. Scopul principal este producția cantitativă și calitativă a biogazului cu un excedent energetic semnificativ față de autoconsumul energetic, adică față de biogazul necesar nevoilor termice proprii ale sistemului de producere. S-a constatat că materia primă care atinge aceste nevoi trebuie să aibă o încărcare organică de cel puțin 2000 mg/d CBO5 (consum biochimic de oxigen la 5 zile). 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 într-un climat mai răcoros, pentru menținerea temperaturii necesare procesului de fermentare va fi dependent de un alt purtător de energie termică, deci va avea un bilanț energetic negativ.

Condiția energetică mai sus menționată este îndeplinită de majoritatea nămolurilor provenite din stațiile de epurare a apelor reziduale urbane, la fel și din apele uzate din zootehnie, toate tipurile de dejecții, dar și unele ape reziduale.

În tabelul următor pot fi găsite încărcările uzuale ale unor ape reziduale din zootehnie și industria alimentară:

Tabelul 3.1. Încărcările uzuale ale unor ape reziduale din zootehnie și industria alimentară.

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

Tabelul 3.2. Cantitățile de biogaz obtenabile din unele materii prime provenite din agricultură.

Este foarte important ca materiile prime de natură vegetală să fie tocate cât mai mărunt înainte de a fi introduse în digestor. Acest lucru mărește randamentul în biogaz și permite o mai ușoară amestecare a conținutului digestorului.

III.4. Funcționarea digestorului

Elementele reacțiilor chimice sunt reactanții (substanțele care intră în reacție) și produsele (substanțele care rezultă în urma reacțiilor). În timpul reacției chimice, compușii chimici sunt supuși anumitor schimbări în urma cărora, de multe ori, se degajează energie (căldură) în mediul înconjurător. Aceste schimbări prin care trec reactanții duc la formarea unor produși, adică noi compuși chimici. În unele cazuri, poate fi nevoie de un catalizator pentru a accelera timpul de reacție.

Figura 3.18. Formarea compușilor noi

Reacțiile chimice care au loc înăuntrul celulelor bacteriene se numesc reacții biochimice. În reacțiile biochimice, reactanții sau substraturile sunt supuse schimbării atunci când celulele bacteriene le degradează. În timp ce substraturile sunt degradate, se eliberează energie și se formează compuși noi.

O parte din energia degajată de substraturi este capturată de celulele bacteriene care le stochează în legături de fosfat de energii înalte pe care le folosesc în activitatea celulară. Energia necapturată de celulele bacteriene este pierdută în mediul înconjurător sub formă de căldură. Noi celule bacteriene si dioxid de carbon sunt produsele reacțiilor biochimice ce implică compuși organici.

Catalizatorii implicați în reacțiile biochimice sunt cunoscuți ca și enzime. Enzimele sunt molecule largi proteice, care accelerează semnificativ rata reacțiilor biochimice. Însă enzimele, spre deosebire de catalizatorii chimici, nu sunt alterate sau consumate în timpul reacției.

În timpul unor reacții chimice, se formează produși intermediari. Acești produși intermediari au o viață scurtă și nu se acumulează. Însă, anumite condiții specifice operaționale sau de mediu, cum ar fi o schimbare a temperaturii sau a pH-ului, pot permite acumularea produșilor intermediari. Prezența unor intermediari poate rezulta în probleme operaționale în digestorul anaerobic.

Substraturile inițiale pentru bacteriile din digestoarele anaerobe includ glucidele, lipidele și proteinele. Aceste substraturi sunt sub formă de particule, cum ar fi celuloza (glucide) și coloizii (proteine).

Procesul de degradare sau digestia solidelor în incinta digestorului anaerob consistă din trei etape.

Prima etapă este hidroliza particulelor și deșeurilor coloidale în deșeuri solubile sub forma acizilor organizi și a alcoolilor. A doua etapă constă din conversia acizilor organici și a alcoolilor în acetat, dioxid de carbon și hidrogen. A treia etapă este producerea gazelor, în mare parte metan, și a noilor celule bacteriene sau nămol din acetat și hidrogen.

Din cauză că digestorul anaerob necesită o mare varietate de bacterii pentru a efectua hidroliza, pentru a produce acetat, hidrogen și metan, substratul cu care se alimentează digestorul ar trebui să conțină o mare diversitate de deșeuri.

Primul pas în punerea în funcțiune a digestorului este pregătirea materialului. Acesta se poate prepara într-un recipient separat sau direct în digestor. Pentru acest proiect s-a ales pregătirea materialului direct în digestor și urmărirea unei rețete pe bază de dejecții de vaci cu 8% substanță uscată la o temperatură de 55 grade Celsius.

Substanța uscată s-a determinat prin realizarea unui test în etuvă. S-a întocmit câte trei mostre ce cântăresc câte zece grame fiecare după care s-au introdus în etuvă. După trei ore, mostrele s-au scos și au fost cântărite din nou. Gramajul final, după scăderea greutății recipientelor, a reprezentat cantitatea de substanță uscată. Substanța uscată determinată a fost în medie de 19%.

Pentru ca digestatul să conțină 8% substanță uscată s-a introdus în digestor 8,45 kg de dejecții de vaci și s-a turnat în rezervor apa până la marcajul de 20 de litri. După o bună amestecare a digestatului s-a închis capacul digestorului.

Se trece la faza de încălzire a digestatului ce s-a realizat prin plasarea digestorului în cuva de inox. Cuva s-a umplut cu apă, după care s-a pornit rezistența pentru încălzirea apei. Digestatul este încălzit de această apă ce înconjoară digestorul. Pentru că digestatul va ajunge la aceeași temperatură ca apa din exterior, temperatura apei va fi setată la 55 de grade Celsius cu ajutorul controlerului de temperatură. Controlerul pornește rezistența când detectează, cu ajutorul sondei de temperatură montat în cuvă, o temperatură mai mică de 55 de grade și o oprește atunci când detectează depășirea acestei valori.

Urmează conectarea furtunului de ieșire a biogazului la filtrul de CO2 (dioxid de carbon), după care ieșirea de la filtrul de CO2 s-a conectat la filtrul de H2S (acid sulfhidric) și în final ieșirea de la filtrul de H2S s-a conectat la recipientul de colectare a biogazului.

Odată ce se ajunge la faza metanogenă și se produce biogaz, se crează presiune în digestor, iar sub acțiunea presiunii biogazul este împins prin furtun în primul recipient, cel de filtrare a dioxidului de carbon.

În filtrul de CO2 are loc o reacție între soluția de Ca(OH)2 (hidroxid de calciu) și CO2, unde dioxidul de carbon se precipită în soluție formând carbonatul de calciu (CaCO3).

Din filtrul de CO2, la fel, sub acțiunea presiunii, biogazul trece în al doilea filtru, adică cel de acid sulfhidric. În filtrul de acid sulfhidric, acidul reacționează cu oxizii de fier din vata de oțel formând un precipitat de sulfură de fier și apă.

Din al doilea filtru, biogazul ce intră în recipientul de colectare este un gaz cu o concentrație semnificativ mai mică de CO2 și H2S, ceea ce înseamnă că la aprinderea arzătorului, gazul va arde cu o flacără mai mare.

Figura 3.19. Schema sistemului de producție a biogazului

1 – cutie de control; 2 – digestor biogaz; 3 – filtru de CO2; 4 – filtru de H2S; 5 – recipient de colectare; 6 – supapă de sens improvizată; 7 – arzător.

În decursul unei perioade de 26 de zile, în urma experimentului efectuat, s-a obținut o producție de aproximativ 400 de litri de biogaz adică 0,4 metri cubi de biogaz. Biogazul nu a început să se producă din ziua punerii în funcțiune a digestorului, în primele 4-5 zile predominând producția de CO2. Nici producția zilnică de biogaz nu a fost constantă, apogeul producției atingându-se în zilele 13 – 17.

Figura 3.20 Producția de biogaz în 26 de zile

A – litri biogaz; B – ziua.

III.5. Aplicații practice a digestorului biogaz într-o unitate agroturistică

O unitate agroturistică, cum ar fi pensiunea agroturistică ar avea doar de câștigat prin implementarea în domeniul ei de funcționare a unui digestor biogaz.

Principalul produs al digestiei anaerobe produsă în digestor este desigur biogazul. Prin arderea biogazului o pensiune ar putea să își asigure parțial sau chiar total necesarul de apă caldă, încălzirea încăperilor sau să își asigure sursa de căldură pentru prepararea hranei.

Desigur, prin achiziționarea unui generator pe bază de gaz, biogazul poate fi folosit și pentru producerea de curent electric, astfel contribuind la reducerea plății facturilor pentru utilități.

Al doilea produs principal al digestorului îl constituie biomasa animalieră rezultată în urma procesului de digestie anaerobă ce reprezintă un îngrășământ foarte valoros al solului, bogat în fosfor, azot, potasiu și micronutrienți, care poate fi aplicat pe sol cu echipamentele obișnuite folosite în cazul îngrășămintelor lichide. Comparativ cu gunoiul de grajd copt folosit în mod normal, acest digestat rezultat în urma procesului de digestie anaerobă este mai eficient ca fertilizator, datorită:

omogenității sale ridicate,

a procentajului mai mare a nutrienților,

un raport mai bun C/N (carbon/azot),

lipsa oarecum totală a mirosurilor neplăcute.

Proprietarii pensiunii agroturistice, nu numai că ar putea folosii acest îngrășământ în producția proprie de fructe și legume, dar fiind un îngrășământ foarte valoros, l-ar putea pune spre vânzare în scopul realizării unui venit suplimentar.

III.6. Eficiența tehnico-economică în funcție de dimensiunea digestorului

Profit adevărat în sensul economic se poate obține doar dacă digestorul produce destul biogaz pentru a acoperi o parte a consumului –dacă nu chiar întregul consum, pe alocuri – de energie a unei unități agroturistice. Dacă se obține acesta, pensiunea, de exemplu, nu va mai fi obligată să procure energia din alte parți, cum ar fi centralele electrice sau termale, sau butelii de gaz pentru bucătărie. Astfel, se reduc cheltuielile pensiunii.

După cum urmează, o unitate agroturistică, care dorește să facă acest pas către o energie verde și mai ieftină, trebuie să aibă la dispoziție următoarele:

spațiu de depozitare (a materiei prime, dacă este cazul, depinzând de materia aleasă),

spațiul efectiv pe care îl ocupă aparatura,

materii prime,

energia necesară de punere în funcționare a sistemului.

Pentru dimensiunile digestorului, trebuie luate în considerare în primul rând cerințele energetice ale pensiunii și consumul mediu al acesteia. Pe urmă, trebuie calculat volumul de biogaz care ar trebui să fie produs pentru acoperirea acestui consum pentru ca investiția să fie rentabilă.

O generalizare a consumului mediu al unei pensiuni nu ar fi posibilă și nu își are rostul din cauza mulțimii de variabile. Fiecare pensiune în parte are un consum propriu și dorește să vadă un profit raportat la acesta, nu unul general. Metoda prin care se poate dovedi că o pensiune face o economie dacă adoptă un sistem biogaz este prin considerarea unui volum de producție standard de biogaz și domeniile sale de utilizare în incinta unei unități agroturistice.

Un exemplu concret este mini-digestorul. Acest aparat nu necesită spațiu de depozitare a materiei prime și datorită faptului că are dimensiuni mici, spațiul ocupat de sistem nu constituie o problemă. Materia primă folosită (dejecții animaliere, resturi menajere, etc.) se poate procura ușor și gratuit de la propria unitate agroturistică sau de la fermele din apropiere, ceea ce înseamnă că singura investiție constă din construirea mini-digestorului. Acesta are o producție de aproximativ 400 litri, adică 0.40 metri cub de biogaz pe un ciclu de digestie care este de aproximativ 25-30 de zile, ceea ce înseamnă că mini-digestorul va avea o producție zilnică în medie de 14 litri, adică 0.014 m3 de biogaz.

Având în vedere că un ochi de la aragaz consumă, în medie, 200 litri de gaz pe oră, iar cuptorul aragazului 480 litri pe oră, o pensiune pentru prepararea hranei ar avea nevoie de aproximativ 1500 de litri adică 1.5 m3 de biogaz pe zi doar pentru gătit. Necesarul de energie electrică pe zi poate să varieze în funcție de consumul zilnic de curent, însă pentru un caz normal de consum mediu ce asigură iluminatul încăperilor și funcționarea unor aparate electrocasnice consumul de energie electrică poate fi de 4000 de W(watti) pe oră. Această energie electrică poate fi produsă de un generator pe biogaz cu un consum de 3.5 m3 pe oră ce poate funcționa nu mai mult de 6 ore continuu, așadar o parte din energia electrică folosită într-o pensiune poate fi asigurată de 21 de m3 de biogaz pe zi.

În scopul observării potențialului de producție a biogazului a diferitelor mărimi de digestoare, s-a luat în calcul folosirea ca materie primă a unui substrat pe bază de dejecții bovine cu un procent de substanță uscată de 10%.

Un digestor cu o capacitate de stocare a materiei prime de 2 m3, conform datelor din tabelul 3.1, ar avea o producție medie de biogaz de aproximativ 52 m3 de biogaz rezultând o producție zilnică de 1.8 m3 de biogaz. Această producție inițial poate părea destul de bună însă dacă e comparată cu estimările făcute mai sus rezultă că nu acoperă decât necesarul de biogaz folosit la gătit. Acesta nu este necesar un lucru rău având în vedere că o butelie pentru aragaz costă în jur de 60 de lei, iar această instalație ar putea aduce o economie de până la 100 de lei pe lună.

Dacă un digestor de 2 m3 poate avea o producție medie de 52 m3 de biogaz este logic să presupunem că un digestor cu capacitatea de 10 m3 va avea o producție potențială de biogaz de 5 ori mai mare adică de 260 m3 de biogaz ce rezultă o producție de biogaz de 9 m3 pe zi. Această producție poate să acopere necesarul zilnic de gaz pentru gătit și funcționarea unui generator de 1200 W timp de 5 ore ce produce suficient curent pentru asigurarea iluminatului încăperilor. Dacă s-ar lua în calcul energia produsă de generator în 5 ore în fiecare zi, ar avea un cost de 97 de lei pe lună, aceasta la un preț pe KW (kilowatt) de 0,54 lei.

Digestorul cu capacitatea de 20 m3 va trebui să aibă o producție medie de 520 m3 de biogaz adică 18.5 m3 de biogaz pe zi, producție ce nu doar acoperă necesarul de gaz pentru gătit ci și funcționarea unui generator de 3500-4000 W timp de 4 ore. De asemenea se poate alege varianta generatorului de putere mai mică și folosirea restului de biogaz pentru încălzirea apei menajere și de consum.

Costul unui digestor nu este foarte mare având în vedere avantajele pe care ni le poate aduce. Calculat la o capacitate de 10 m3, cu o grosime a pereților din beton armat de 20 de centimetri și cu toate echipamentele necesare funcționării (țevi, robinete, senzori de temperatură, presiune, etc.) costul de producție al digestorului nu depășește 5000 de lei.

[NUME_REDACTAT] urma realizării mini-digestorului partea cea mai dificilă s-a dovedit a fi procurarea materiei prime și realizarea unui sistem de încălzire a acesteia în regim termofil. Se recomandă funcționarea unui digestor în regim mezofil, încălzirea realizându-se astfel mult mai ușor decât în cazul funcționării în regim termofil, acesta din urmă având întotdeauna nevoie de un ajutor termic pentru a ajunge la temperatura dorită. Acest ajutor termic venind de obicei prin arderea biogazului din producția proprie, cantitatea de biogaz ce se poate folosi în alte scopuri scade semnificativ.

În ceea ce privește producția de biogaz, un asemenea mini-digestor nu reușește să îndeplinească nici măcar cerințele de consum a unui generator mic pe biogaz de 600 W acesta având un consum de 0.84 m3 pe oră. Din acest motiv mini-digestorul va rămâne doar un model de prezentare a tehnologiei de producție a biogazuli, un prototip a digestoarelor ce urmează a fi construite.

Desigur cu cât digestorul va avea o capacitate mai mare cu atât va produce mai mult biogaz pe zi, însă digestoarele cu capacitate de peste 20 m3 se pot considera instalații medii, iar costul de producție devenind tot mai mare nu orice proprietar de unitate agroturistică își va permite o astfel investiție. În plus cantitatea de materie primă folosită va crește direct proporțional cu mărimea digestorului putându-se ajunge la o incapacitate de a procura materia primă necesară funcționării corespunzătoare a digestorului.

Mini-digestorul mai poate fi folosit ca și o platformă de testare a diferitelor substraturi sau experimentarea combinării lor în scopul identificării unei materii prime cu un randament de biogaz mai mare.

Diferite materii prime produc diferite rezultate din punct de vedere al producției de biogaz, o combinație între anumite materii prime ar produce un randament mai mare de biogaz decât una singură.

Rețetele de materii prime cu randament mare de biogaz nu sunt disponibile pentru oricine, majoritatea producătorilor de biogaz ținând secret aceste informații.

Obținerea unui amestec de materii prime cu un randament mare de biogaz nu poate reuși întotdeauna de aceea construcția unui mini-digestor în scopul testării diferitelor substraturi este o idee foarte buna putându-se face o estimare cât ar produce un digestor de capacitate mult mai mare. Astfel, șansa obținerii unui randament mic de biogaz, din cauza amestecului de materii prime necorespunzătoare și a procentajului de substanță uscată mai mic sau mai mare, poate fi eliminată.

ANEXE

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: Utilizarea Instalatiilor Pentru Producerea Biogazului In Agroturism (ID: 2249)

Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.

Utilizarea Instalatiilor Pentru Producerea Biogazului In Agroturism

Copyright Notice

Influenta Unor Lucrari Tehnologice Durabile Aplicate Culturii DE Porumb In Fermele Private

Tehnici Aplicabile In Obtinerea Apei Potabile

Diagnosticul Si Prevalenta Principalelor Tulburari Nutritional Metabolice Intr O Ferma de Gaini Rase Usoare

Biocombustibilii2

Cercetari Experimentale Privind Reabilitarea Apelor Uzate Provenite de la Fabrica de Apa Minerala Borsec

Aspecte Comparative Privind Tehnologia Aplicata pe Fazele de Vegetatie la Cultura Graului de Toamna

Copyright Notice

Similar Posts