Valorificarea Energetica a Biomasei

Cuprins

Pag.

Introducere 3

Surse regenerabile de energie 7

Biomasa – definiții 11

Cum se formează biomasa 12

Compoziția chimică a biomasei și principalele proprietăți 15

Clasificări ale biomasei 24

Surse de biomasă 26

Deșeuri de biomasă 32

Biomasa în România 35

Forme de valorificare energetică a biomasei 42

Biocombustibili din biomasă 46

Anexe 80

Bibliografie 96

Introducere

Energia este o cerință de bază a vieții omenirii , de nivelul și asigurarea sa depinzând

implicit și calitatea vieții.

La nivel mondial consumul de energie are următoarea configurație , conform fig. nr.1

După cum se observă o pondere importantă o are și consumul de energie în transport

( 27%) .Specialiștii estimează o creștere continuă a energiei în transporturi datorită în special dezvoltării economico-sociale și a extinderii globalizării.

Biomasa reprezintă componentul vegetal al naturii. Ca formă de conversie chimică a

energiei Soarelui în biomasă , aceasta este una din cele mai răspândite și universale resurse de pe pământ.Prin fotosinteză se furnizează anual sub formă de biomasă o rezervă de energie evaluată la peste 3 x 1021 J/an.

Biomasa provine de la termenii grecești bios ( viață ) și massein ( a strânge ), deci reprezintă cantitatea de materie vie a întregului glob pământesc.

Biomasa asigură hrană , energie , diverse materiale pentru industrie , medicamente ,

substațe chimice ș.a. pentru omenire.Biomasa a fost folosită în scopuri energetice de către om odată cu descoperirea focului de către acesta.

Biomasa reprezintă sursa renerabilă cea mai răspândită de pe planetă.Aceasta include

absolut toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelor vii.

Biomasa este considerată regenerabilă doar în cazul când cel puțin una din cele cinci condiții este satisfăcută ( CDM EB 23 , Anexa 18) :

Biomasa provine din zone împădurite

Biomasa este un material lemnos provenit de pe terenuri arabile și/sau fânețe

Biomasa este un material nelemnos provenit de pe terenuri arabile și/sau fânețe

Biomasa reprezintă reziduuri de origine biologică ( reziduuri de biomasă )

Biomasa este fracțiunea nefolosită a deșeurilor municipale sau industriale

Pe plan mondial se caută să se utilizeze tot mai mult biomasa pentru producerea de

energie electrică și termică , datorită în special a faptului că se caută reducerea emisiei de dioxid de carbon (CO2) conform politicii energetice a Uniunii Europene de reducere a gazelor cu efect de seră.

În ultimul timp s-au dezvoltat o serie de tehnologii de valorificare a biomasei prin

următoarele procese :

arderea directă cu înaltă eficiență energetică

obținerea de combustili lichizi sau gazoși

Sursele de biomasă s-au diversificat și ele :

deșeuri forestiere

deșeuri din prelucrarea lemnului

resturi vegetale din agricultură și industria alimentară

reziduuri animale

culturi energetice

Utilizarea energetică a biomasei este strâns legată de protecția mediului cât și de

ocuparea și stabilizarea forței de muncă a fermierilor în zonele de cultivare a plantelor cu potențial energetic.Pot fi valorificate terenurile necultivate datorită supraproducției agricole , a terenurile degradate sau a pădurilor defrișate.

În prezent biomasa furnizează 6-13% din nevoile mondiale de energie , ceea ce preprezintă un echivalent de aprox. 8,5 mil. barili de petrol pe zi.În Uniunea Europeană circa 4% din necesarul de energie este asigurat de biomasă. Prin valorificarea biomasei se pot crea peste 300.000 locuri de muncă la nivelul U.E , contribuind astfel de o dezvoltare rurală durabilă.

Căldura produsă prin valorificarea energetică a biomasei poate avea ponderi diferite în funcție de tipul de deșeuri utilizate sau după destinația consumului final :

54% căldură din arderea reziduurilor forestiere

89% căldură necesară încălzirii locuințelor și a preparării hranei(mediul rural)

Biomasa contribuie cu 14% la consumul mondial de energie primară. Trei sferturi din

populația globului , mai ales în țările în curs de dezvoltare , trăiește din utilizarea biomasei ca sursă de energie.

În Europa , Agenția Internațională de Energie (AIE ) estimează sursele fosile de energie astfel :

petrol la 40 de ani ,

gazele naturale la 60 de ani ,

cărbune la 200 de ani

făcând astfel ca peste 20 de ani Europa să importe 70% din necesarul de energie.Astfel s-a stabilit ca în U.E. până în anul 2020 , 20% din consumul de energie a statelor comunitare să fie asigurat de sursele regenerabile de energie. În figura nr. 2 se prezintă calendarul reducerii gazelor cu efect de seră

Figura nr.2 – Reducerea gazelor cu efect de seră

Există o serie de avantaje pentru producerea de biomasă și de valorificare în scop energetic a acesteia :

biomasa ca materie primă se găsește prtetutindeni

se utilizează sub diferite forme , oferind multă flexibilitate în producere și utilizare

arderea biomasei și/sau a produselor obținute din ea duce la producerea dioxidului de carbon , care este absorbit în procesul de fontosinteză

emisiile nocive produse la arderea biocombustibilor din biomasă sunt cu mult sub nivelul generat de combustibili fosili.

deșeurile de biomasă se reîntorc în sol și contribuie astfel la fertilizarea acestuia

există multe tehnologii performante de conversie a biomasei

există un comerț mondial cu produse obținute din biomasă

necesitățile de transport cu biomasa sunt mult mai mici comparativ cu cele pentru transportul combustibililor fosili

biomasa oferă posibilitatea unei produceri descentralizate

Totuși există și unele dezavantaje în producerea de biomasă și de valorificare energetică :

biomasa este voluminoasă și necesită spații mari pentru depozitare

necesită un pre-tratament înainte de utilizare ( sortare, uscare , mărunțire etc.)

valorificarea în scopuri energetice este limitată de folosirea ei în alte domenii

( producerea hranei și furajelor , industria lemnului , și a hârtiei etc. )

Surse regenerabile de energie

În fig.nr. 3 se prezintă ponderea surselor de energie la nivel mondial.Aceste surse

generează o cantitate mare de gaze cu efect de seră ce au o contribuție semnificativă la încălzirea globală a atmosferei terestre . Se poate observa o creștere de 2°-6°C până la sfârșitul secolului cu efecte dezastruase asupra vieții pe Pământ.

Figura nr. 3 – Ponderea surselor de energie la nivel mondial

Prin schimbul natural dintre atmosferă , biosferă și oceane s-a observat o creștere a concentrației de dioxid de carbon (CO2) din atmosferă de la 280 ppm(mg/kg) înainte de dezvoltarea industrială la 360 ppm(mg/kg) în prezent.

Emisiile de gaze cu efect de seră la nivelul anilor 1990 era următorul (tabelul nr. 1 ).

Tabelul nr. 1 – Emisiile de gaze cu efect de seră în anii 1990

La sfârșitul acestui secol se estimează că populația globului va atinge 10 miliarde de locuitori.Pentru a nu depăși concentrația de 450 ppm(mg/kg) de dioxid de carbon (CO2) în atmosferă la acest nivel de populație , ar fi necesar ca emisiile pe cap de locuitor să se limiteze la 0,3 tone C/locuitor.Aceasta înseamnă că gazele cu efect de seră în cazul țărilor dezvoltate ar trebui să fie de 10 ori mai reduse față de actualele emisii.Chiar și în cazul dublării concentrațiilor actuale la 650 ppm(mg/kg) , țările dezvoltate ar trebui să-și reducă emisiile de 4 ori ( la 0,9 t C/loc.)

Utilizarea în întregime a resurselor tradiționale fosile de energie cât și a celor neconvenționale de petrol și gaz , nu se va putea realiza reducerea gazelor cu efect de seră decât prin capturarea și stocarea dioxidului de carbon (CO2).

Menținerea unei concentrații de dioxid de carbon (CO2) de 450 ppm(mg/kg) nu se poate realiza decât cu un consum de combustibili fosili de 7 Gtep.Deficitul de 18 Gtep se poate realiza din surse nucleare și surse regenerabile de energie.

În concluzie putem spune că pentru o dezvoltare energetică durabilă nu ar trebui să se depășească la nivelul anului 2050 un consum de 13-18 Gtep , care să aibă următoarea configurație :

Combustibili fosili 7 Gtep

Surse nucleare 2-3 Gtep

Surse regenerabile 4-9 Gtep

Atingerea acestui nivel presupune o utilizare cât mai consistentă atât a surselor de energie

nucleară prin noi filiere dar și a surselor regenerabile de energie(SRE).

Energia din surse regenerabile înseamnă energie din surse regenerabile nefosile, respectiv eoliană, solară, aerotermală, geotermală, hidrotermală și energia oceanelor, energia hidroelectrică, biomasă, gaz de fermentare a deșeurilor, gaz provenit din instalațiile de epurare a apelor uzate și biogaz.

Avantajele surselor regenerabile de energie(SRE) sunt următoarele :

asigură protecția mediului înconjurător

asigură diversificarea resurselor energetice

asigură dezvoltarea durabilă și independența energetică

În cazul utilizării surselor regenerabile de energie există două categorii de utilizare :

în rețea – un sistem integrat de generare , transmisie și distribuție

ex rețea

Fiecare sursă regenerabilă7-10 de energie poate funcționa atât ” în rețea” cât și în ”ex rețea”.

Principalele surse regenerabile de energie sunt următoarele ( fig.nr. 4 ) :

energia solară

energia eoliană

energia apei(hidroenergia)

bioenergia (biomasă)

energie fotovoltaică

energia geotermică

Figura nr.4 – Sursele de energie regenerabilă(SRE)

Scopurile pentru care se montează instalații ”în rețea” sunt prezentate în tab. nr. 2 , iar pentru ”ex rețea” în tab.nr.3.

Tabelul nr. 2 – Scopul în care se montează instalații ”în rețea”

Tabelul nr. 3 – Scopul în care se montează instalații ”ex rețea”

Din experiența țărilor dezvoltate în ultimii ani , rezultă că pentru toate cazurile menționate mai sus , atât ”în rețea” cât și ”ex rețea” , cel puțin o sursă regenerabilă de energie este competitivă în ceea ce privește costurile.

Ponderea surselor regenerabile de energie pe plan mondial este prezentată în fig.nr.5., iar la nivelul Uniunii Europene în fig. nr. 6

Figura nr. 5 – Ponderea surselor de energie regenerabilă pe plan mondial

Figura nr. 6 – Structura consumului de energie în UE27

Biomasa – definiții

Biomasa cuprinde toate formele de material vegetal și animal , crescute pe suprafața

terestră , în apă sau pe apă , precum și substanțele produse prin dezvoltare biologică.

Biomasa este definită conform Uniunii Europene ( Directiva 2001/77/CE modificată prin Directiva 2009/28/CE și abrogat în 01.01.2012) ca fiind ” fracțiunea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor de origine biologică din agricultură (inclusiv substanțe vegetale și animale), silvicultură și industriile conexe, inclusiv pescuitul și acvacultura, precum și fracțiunea biodegradabilă a deșeurilor industriale și municipale”.

Formele de valorificare energetică a biomasei sunt următoarele :

Arderea direct cu generare de energie termică

Arderea prin piroliză cu generare de gaz de sinteză : CO +H2

Fermentare cu generare de biogas(CH4)

Transformarea chimică a biomasei

Degradarea enzimatică a biomasei

În perioada următoare se speră ca din biomasă , pe baza programelor de promovare a

surselor regenerabile de energie ,să se obțină în EU28 următoarele nivele ( fig. nr. 7 ).

Figura nr. 7 – Cererea estimată de energie din biomasă în EU28 [Bentsen & Felby 2012]

Se speră o cerere de energie din biomasă la nivelul anului 2020 de 10,0 EJ , iar în 2100

de de 21-24 EJ ( 1 EJ – exajoule = 1018 J ).

Cum se formează biomasa

Fotosinteza constituie procesul fundamental din natură prin care plantele verzi(biomasa)

produc cu ajutorul luminii solare , cantități mari de substanțe organice (glucide , lipide , protide) din substanțele anorganice ( dioxid de carbon , apă , săruri minereale etc. ) , punând în libertate oxigenul necesar respirației și arderii diferitelor substanțe ( fig. nr.7 )

Figura nr. 8 – Prezentarea schematică a procesului fotosintezei

Însemnătatea fotosintezei este foarte mare deoarece în acest proces energia luminoasă de la soare , prin intermediul clorofilei , se transformă în energie chimică , care se acumulează în substanțe organice ce se formează.

Dioxidul de carbon din atmosferă și apa din sol sunt combinate prin procesul de fotosinteză rezultând carbohidrați ( glucide ) care formează elementele constitutive ale biomasei. Când biomasa este arsă , oxigenul din atmosferă se combină cu carbonul (C) din plante rezultând dioxid de carbon și apă.Procesul este ciclic și este redat în fig.nr.9.

Figura nr.9 – Circuitul carbonului în natură

Raportul dintre moleculele de dioxid de carbon (CO2) ce intră în reacție și moleculele de oxigen ( O2 ) ce rezultă din reacție este de 1:1.

Din punct de vedere chimic , fotosinteza este un proces de oxido-reducere , în care una din componentele ce intră în reacție este oxidată( apa ), iar cealaltă ( dioxidul de carbon , CO2 ) este redusă.

În cadrul celor câteva sute de ani ai ultimei perioade , biomasa a fost fosilizată sub formă de cărbune. Acest combustibil fosil este rezultatul unei transformări chimice deosebit de lente în decursul a milioane de ani , ce convertește fracția polimerilor de poliglucide într-o compoziție chimică ce seamănă cu lignina. Toți combustibilii fosili ( cărbune , petrol , gaz natural ) reprezintă o biomasă foarte veche.Deși combustibilii fosili conțin aceeași constituenți (hidrogenul și carbonul ) ca și biomasa proaspătă ei nu sunt considerați regenerabili pentru că ei necesită un timp foarte îndelungat de formare.

Există și o altă diferență între biomasă și combustibilii fosili cu referire la impacturile pe care le au asupra mediului. O plantă când moare ea eliberează cea mai mare parte din materia ei chimică înapoi în atmosferă. În schimb combustibilii fosili sunt înmagazinați în adâncul pământului și nu afectează atmosfera înconjurătoare decât dacă ei sunt arși.

Oxigenul care se elimină în fotosinteză provine deci din apă și nu din dioxidul de carbon , așa cum era considerat înainte.Desfacerea moleculei de apă în componentele sale se produce în prezența luminii , iar fenomenul se numește fotoliză. Reacția de fotosinteză este o reacție de lumină , deoarece are loc numai în prezența luminii și a clorofilei.

Reducerea dioxidului de carbon nu necesită prezența luminii și se poate petrece și la întuneric și de aceea se mai numește și reacție de întuneric.

Cu toate că este studiată de peste 200 de ani , mecanismul biochimic al acestui proces încă nu este complet cunoscut.

Conform ultimelor cercetări , fotosinteza se realizează prin însumarea următoarelor trei tipuri de procese fiundamentale :

Fosforilarea ( formarea ATP-ului și a NADPH + H + -ului)

Fotoliza apei – principala sursă de formare a oxigenului în natură

Fixarea și transformarea dioxidului de carbon în carbohidrați (glucide)

( ATP – adenozintrifosfat , coenzină ) ( NADPH – nicotinamidă-adenin dinucleotidă – fosfat , H+ hidrogen rezultat din fotoliza apei ).

În procesul de fotosinteză se formează substanțe organice din substanțe anorganice.Se consumă dioxid de carbon (CO2) care dacă s-ar acumula ar pune în pericol viața animalelor și omului.Se formează oxigen necesar procesului de respirație și , ceea ce este mai important , se realizează transformarea energiei luminoase în energie chimică.

Esența fotosintezei constă în utilizarea energiei luminoase în sinteza substanțelor organice și nu în transformarea dioxidului de carbon (CO2) în substanțe organice , deoarece și plantele heterotrofe și animalele pot fixa CO2.Prin fotosinteză se realizează o continuă circulație a unor elemente C(carbon), O(oxigen), N(azot),P(fosfor), S(sulf) etc.

Compoziția chimică a biomasei și principalele proprietăți[Badea & Necula 2013, Apostol & Mărculescu 2006]

Biomasa este constituită în proporție de 88-99,9% din compuși organici.Dintre aceștia

principalul compus este celuloza.

Compoziția chimică a biomasei este funcție de specie , iar în general în stare uscată aceasta este formată din carbohidrați ( zaharuri sau glucide ) și lignină (fig.nr. 10). Fracția de carbohidrați este formată din mai multe forme polimerice a glucidelor :

Celuloza ( 40-45%)

Hemi-celuloza ( 20-35%)

Fracția de lignină este diferită de cea a poliglucidelor , fiind în proporție de 15-35%.

Figura nr. 10- Biomasa lignocelulozică

Polimerii celulozei sunt folosiți de către natură pentru a construi fibrele care conferă

plantei soliditate.Fracția de lignină este liantul care ține fibrele de celuloză legate.

Principalele proprietăți luate avute în vedere atunci când se analizează cel mai potrivit tip de conversie pentru o anumită biomasă sunt următoarele :

Conținutul de umiditate

Puterea calorifică

Conținutul de substanțe volatile

Conținutul de cenușă

Aceasta este analiza primară obligatorie pentru abordarea unui proces de convesie.

Masa specifică

Pentru biomasă dispunem de două ”densități” :

Densitatea particulelor – reprezintă densitatea relevantă pentru problemele de alimentare și problemele de stocare.

Densitatea volumică – este definită ca raportul masei materialului uscat la volum.Densitatea volumică poate varia mult cu umiditatea.

Umiditatea

Conținutul de umiditate al biomasei reprezintă cantitatea de apă din biomasă , exprimată în procente masice.Este una din proprietățile importante ale biomasei.Influențează conținutul de energie (puterea calorifică ) a combustibilului.

Sunt cunoscute două metode prin care se exprimă umiditatea totală :

Umiditatea uscată – se raportează la umiditatea de masă de biomasă uscată

Umiditatea umedă – se raportează la masa totală a biomasei

Conținutul de umiditate este relevant nu numai pentru puterea calorifică dar și pentru

condițiile de stocare , temperatura de combustie și cantitatea de gaze de ardere.Umiditatea este direct influențată de clima regiunii respective , fiind diferită de la un anotimp la altul.

Umiditatea liberă reprezintă conținutul de apă care se poate îndepărta prin uscarea materialului cu viteză constantă , egală cu viteza de evaporare a apei la suprafața materialului.

Umiditatea higroscopică reprezintă conținutul de apă ce se îndepărtează cu viteză descrescătoare cu un agent de uscare încălzit.

Dimensiuni și caracteristici mecanice

Forma , mărimea și distribuția particulelor de biomasă solidă sunt caracteristici importante pentru transportul și managementul combustibilului la centrală.Diferitele forme necesită diferite echipamente specifice pentru producerea , transportul , stocarea , alimentarea și combustia combustibilului.

Analiza elementară

Biomasa uscată are o compoziție chimică elementară compusă din C,H,O, N și inerte oxid de calciu(CaO) , dioxid de siliciu (SiO2) , potasiu)K) și sodiu(Na).Este caracterizată printr-o concentrație neglijabilă de sulf, clor , fluor și brom.

În tabelul nr. 4 – este prezentată compoziția elementară pentru diferite tipuri de biomasă agricolă.

Tabelul nr. 4 – Compoziția elementară a biomasei agricole din diverse surse

Se observă ponderea mai mare a cenușii biomasei agricole în special datorită fracției mai mari de lignină în structura acestor produse.

În tabelul nr. 5 – este prezentată compoziția elementară a deșeurilor menajere.

Tabelul nr. 5 -Compoziția elementară a deșeurilor menajere

Raportul Carbon/Azot(C/N) , carbon/hidrogen(C/H)

Raportul C/N reprezintă un parametru ce caracterizează capacitatea deșeurilor organice de a se biodegrada.În cadrul compostării deșeurilor , acest parametru permite măsurarea gradului de maturare al compostului.

Raportul C/N are următoarele limite :

Deșeu menajer proaspăt C/N = 20÷35

Compost C/N = 10÷25

Un bun compost C/N = 15÷18

Un bun sol de cultură C/N = 10

Raportul C/H reprezintă o informație prețioasă pentru alegere a procesului de conversie

în energie a biomasei și de asemenea pentru determinarea factorului de emisie de dioxid de carbon(CO2) raportat la unitatea de energie primară sau utilă.

Pentru biomasa lemnoasă acest raport are valori cuprinse între 7,5 și 8,5.Pentru alte deșeuri organice ( zootehnie, industrie alimentară) acest raport scade către 6,8.

Puterea calorifică

Puterea calorifică (H) reprezintă cantitatea de căldură ce se degajă prin arderea unității de

combustibil și răcirea gazelor de ardere până la 25ºC (298ºK).

Puterea calorifică are două valori numerice diferite :

superioară (Hs), la care se consideră că vaporii de apă formați în procesul de ardere cedeaza căldura de vaporizare, transformandu-se în lichid

inferioară (Hi), la care se consideră că vaporii de apă formați în procesul de ardere nu cedează căldura de vaporizare, ramânând sub forma de vapori.

In calculele termotehnice se foloseste de regulă puterea calorifica inferioara (Hi).

Puterea calorifică inferioară a biomasei și deșeurilor se poate determina printr-o serie de

modalități experimentale sau prin calculul pe baza datelor din literatura de specialitate cu unele excepții.

Determinarea direct a puterii calorifice

Prin calcul pe baza compoziției elementare

Pe baza compoziției elementare obținute experimental sau din literatura de specialitate

utilizând diverse formule semi-empirice se pot calcula atât Hs cât și Hi. C, H, O, S, N reprezintă procentul gravimetric al acestor elemente chimice în compoziția produsului.

În cazul biomasei lemnoase Hs putem aplica următoarea formulă propusă de Demirbas

pentru calculul puterii calorifice superioare :

Hs = 0,335 x C + 0,145 x H -0,154 x O2 – 0,145 x N [MJ/kg]

În cazul în care crește conținutul de lemn (L) putem aplica următoarea formulă:

Hs = 0,0889 x L +16,82 [kJ/kg]

Puterea calorifică poate fi exprimată și procentual în funcție de masa de substanțe volatile

(MV) și de carbonul fix (FC) :

Hs = 0,312 x FC + 0,1534 x MV [MJ/kg]

sau

Hs = 0,3543 x FC + 0,1708 x MV [MJ/kg]

Puterea calorifică inferioară ( Hi ) se poate determina cu ajutorul următoarei formule :

Hi = 2,336 x [ 145x C + 610 x ( H2 – 1/8 x O2 ) + 40 x S +10 x N [kJ/kg]

Puterea calorifică inferioară pentru biomasa lemnoasă și agricolă variază între 11 000

kJ/kg și 17 000 kJ/kg.

Deșeurile menajere în România din România au o putere calorifică inferioare cuprinsă între 2500 – 9000 kJ/kg funcție de mediul urban sau rural precum și funcție de zonele urbane de colectare.

Aceste relații generale prezintă o bună corelație cu metodele experimentale , cu un

coeficient de corecție foarte apropiat de unitate.

Prin măsurarea direct cu ajutorul calorimetrului

Metoda se aplică produșilor omogeni ca structură și compoziție.Procedeul constă în

arderea în bomba calorimetrică a unei cantități representative de biomasă.Determinarea se face prin metoda amestecurilor , la baza căreia stă unul din principiile calorimetriei , principiul egalității schimbului de căldură. Acest principiu poate fi formulat astfel : la contactul termic a două corpuri se formează un sistem izolat , căldura cedată de un corp este egală cu căldura primită de celălalt corp.

Cu ajutorul bombei calorimetrice se determină numai puterea calorifică superioară , puterea calorifică inferioară se deduce prin calcul în urma analizei de apă și hidrogen pe care le conține biomasa :

Hi = ( Hs -5,83 x U ) x 4,18 [kJ/kg]

Unde :

Hi – puterea calorifică inferioară

Hs – puterea calorifică superioară

U – procentul de apă

Procentul de apă se determină astfel :

U = Ut +9 x H [ %]

Unde :

Ut – umiditatea totală ( procentul masic al apei din biomasă )

H – procentul masic în hidrogen al biomasei

În practică se utilizează formula aproximativă :

Hi = [ Hs -6 x ( Ut +9 x H ) x 4,18 ] [kJ/kg]

Dezavantajul acestei metode este că se efectuează pe eșantioane mici.În cazul deșeurilor se optează pentru calculul puterii calorifice medii a deșeului pe baza puterii calorifice a constituenților .Această metodă permite calcularea rapidă a puterii calorifice prin efectuarea mediei ( ponderea) tuturor componenților deșeurilor menajere care aduc aport caloric.

Hi = 1/100 x ( p1 x h1 + ………pn x hn ) – Ut/100 x 600 x 4,18 [kJ/kg]

Unde :

p1 , p2 ….pn – procentele componenților deșeurilor menajere

h1 , h2 …. hn – puterile calorifice inferioare

Această metodă este rapidă și ușor de calculat , dar are dezavantajul unei aproximări

mari datorită variației compoziției și a puterii calorifice inferioare.

Metoda indirectă de măsurare a puterii calorifice

Metoda constă în determinarea căldurii recuperate și a pierderilor în instalația de incinerare.Această metodologie are un grad redus de precizie.

Formula de calcul este următoarea :

Qr – Qp

Hi =––––– [kJ/kg]

G

Unde :

Hi –puterea calorifică inferioară

Qr – cantitatea de căldură recuperată , în kJ

Qp – cantitatea de căldură pierdută în proces , kJ

G – greutatea biomasei , în kg

Qp (cantitatea de căldură pierdută în proces) cuprinde :

Căldura pierdută prin gazele de evacuare la coș

Căldura pierdută prin arderea chimică incompletă

Căldura pierdută în zgură și cenușă

Căldura pierdută prin pereții instalației în mediu ambient

Această metodă are avantajul de a se aplica pe instalațiile existente și de a fi foarte

aproape de condițiile de exploatare industrială.În schimb are dezavantajul unor măsurători complexe.

Conținutul de energie

Pe baza puterii calorifice inferioare ( Hi ) se determină conținutul energetic ( densitatea energetică ) al biomasei. La o umiditate mai mare de 80% , valoarea Hi tinde către zero.

In tab. nr.6 – sunt prezentate valurile puterii calorifice pentru o serie de surse de biomasă.

Tabelul nr. 6 – Puterea calorifică inferioară pentru diferite surse de biomasă

Conținutul de metale grele

Metalele grele sunt deosebit de toxice și au impact negativ asupra mediului.Este important ca acestea să fie determinate în special în deșeurile menajere , cenușa subproduselor sau în compost.Concentrația acestora trebuie să fie cât mai mică.Originea metalelor grele în diverse surse de deșeuri este prezentată în tab. nr.7.

Tabelul nr. 7 – Originea metalelor grele în deșeuri

Nu sunt de neglijat nici gazele acide în special din deșeurile menajere care contribuie la formarea acizilor corozivi : acid clorhidric (HCl) , acid sulfuric ( H2SO4 ), acid azotic ( HNO3 ) etc. și care pot avea un impact major asupra mediului.

În tab.nr. 8 este prezentată distribuția constituenților acestor gaze acide.

Tabelul nr. 8 – Distribuția constituenților gazelor acide în deșeuri menajere

Conținutul de substanțe volatile se determină prin încălzirea la 800°C timp de 40 min.în atmosferă inertă de azot.Biomasa are cu până la 80% conținut de substanțe volatile , comparativ cu cărbunele care are un conținut sub 20%.

Conținutul de cenușă ( componentul anorganic ) se exprimă ca și conținutul de apă :

Raportat la masa inițială

Raportat la masa uscată

Raportat la suma substanțelor combustibile

În general conținutul de cenușă se raportează la masa uscată.

Cantitatea de cenușă este diferită în diferite surse de biomasă :

În lemn < 1,5%

În reziduuri agricole 5-10%

Coji cerealire 30-40%

Cantitatea de cenușă totală deținută în biomasă se determină prin arderea completă a

produsului la 950°C.

Temperatura de topire a cenușii este un alt indicator în procesele termo-chimice , deoarece temperatura înaltă de combustie poate produce unele defecțiuni în funcționarea centralei și la costuri mari de mentenanță.O temperatură joasă de topire a cenușii este caracteristică cenușii obținute din biomasa plantelor.

Clasificări ale biomasei

În general specialiștii din domeniul biomasei clasifică diferitele tipuri de biomasă în patru

categorii :

Biomasa lemnoasă

Biomasa agricolă

Biomasă cultivată pentru scopuri energetice

Alte tipuri de biomasă – deșeuri din industria zootehnică , deșeuri combustibile nepericuloase

Biomasa lemnoasă este folosită din cele mai vechi timpuri de omenire ca sursă de

alimente sau ca sursă de energie ( ardere pentru încălzit ).Ea este la rândul ei împărțită în alte patru categorii :

Reziduuri lemnoase

Deșeuri forestiere

Deșeuri lemnoase urbane

Biomasă rezultată din curățarea copacilor sau deșeuri din parcuri și grădini.

Reziduurile lemnoase provin în special din industria de prelucrare a lemnului și din

industria hârtiei.Ele sunt folosite uneori drept combustibil în centrale termice pe bază de biomasă.

Deșeurile forestiere sunt în general deșeuri care nu pot fi folosite ( ex. copaci uscați ) care nu corerspund standardelor de comercializare.

În categoria biomasei lemnoase sunt incluse și o categorie de plante energetice , în special cele cu creștere rapidă.Recoltarea lor se face între 3-10 funcție de specia plantei(copacului).

Biomasa agricolă este mai valoroasă decât biomasa lemnoasă , având un conținut de doar 5% în cenușă.Cele mai utilizate surse de biomasă agricolă sunt următoarele :

Paiele

Tulpinile și știuleții de porumb

Corzi de viță de vie

Puzderii de in și cânepă

Plante agricole ( deșeuri din industria uleiului – floarea soarelui , soia ș.a. )

Biomasa din fructe și legume ( coji de orez, sâmburi de măsline , piersici , caise etc. )

Biomasa cultivată pentru scopuri energetice include acele ” plante energetice ” cultivate

în mod special și utilizate drept combustibil.Au fost dezvoltate multe specii de plante pentru producerea de combustibil.Ele sunt selectate special ca să crească rapid , să fie rezistente la secetă și la dăunători iar după recoltare să fie competitive în calitate de combustibili.Plantele energetice se cultivă de obicei pe terenuri care nu sunt destinate agriculturii , neintrând astfel în competiție cu cultivarea plantelor alimentare.Ele necesită mai puțină îngrijire și mai puține îngrășăminte minerale sau pesticide.

Alte tipuri de biomasă includ următoarele categorii :

Reziduurile ( primare , secundare , terțiare )

Reziduurile primare sunt produse din plante sau din produse forestiere.Acest tip de

biomasă este ” pe teren ” și trebuie colectat în vederea utilizării.

Reziduurile secundare sunt produse la prelucrarea biomasei pentru producerea produselor alimentare sau a altor produse finite din lemn.

Reziduurile terțiare rezultă în urma utilizării biomasei.Acestă categorie include deșeurile menajere , materii organice în deșeurile urbane , deșeuri lemnoase , nămoluri din tratarea apelor uzate etc.

Industria alimentară produce cantități importante de reziduuri și produse secundare.

Deșeurile menajere ( în România 0,8-1,5 kg/persoană/zi ) în general sunt aruncate la groapa de gunoi .Compoziția lor variază în funcție de locație și de tipul serviciilor de colectare.

Deșeurile animale pot fi folosite ca o sursă de energie cum ar fi dejecțiile de porcine , păsări și vite.În trecut aceste deșeuri erau folosite ca îngrășământ în agricultură.Acum prin respectarea normelor de protecție a mediului acestea sunt transformate în general în biogaz sau alte forme de valorificare energetică.

Apele uzate sunt asemănătoare deșeurilor animale.Energia poate fi extrasă din apele uzate folosind digestia anaerobă pentru producerea biogazului .

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

Surse de biomasă

În Uniunea Europeană există 137 milioane ha de păduri și 178 milioane ha de teren

agricol. Aceste resurse pot oferi , după ce se acoperă necesarul de hrană și hârtie , un procent de 11% anual din necesarul de energie al UE.În acest scop sunt necesare noi resurse .De exemplu culturile energetice pot oferi circa 60% ca biomasă pentru producerea căldurii și electricității și 40% ca biocombustibili.

Imediat după prima criză a petrolului din anii '70 ai secolului trecut, biomasa a început a fi folosită din nou în țările vest-europene la producerea de energie. Creșterea prețului la țiței și cărbune, precum și înăsprirea cerințelor față de emisiile de noxe și creșterea taxelor de poluare au condus la folosirea tot mai largă a biomasei solide pentru încălzire, iar mai apoi și pentru producerea de electricitate.

În majoritatea țărilor UE, în special în țările nordice, mai multe centrale electrice de putere mică și medie au fost adaptate pentru arderea produselor și deșeurilor din silvicultură și agricultură, ajungându-se ca în prezent biomasa să contribuie cu circa 4% la aprovizionarea cu energie.

Ponderea biomasei în energia regenerabilă produsă în UE constituie circa 60%.

Utilizarea biomasei în scopul producerii de energie termică este considerată una dintre cele mai ieftine soluții și utilizarea sa pentru producerea de electricitate reprezintă una din cele mai avantajoase soluții din punctul de vedere al reducerii emisiilor de gaze cu efect de seră.

Cei mai mari producători de biomasă solidă în UE sunt, evident, țările cu suprafețe importante de păduri precum Franța (9,6 Mtep), Suedia (8,9 Mtep), Germania (8,8 Mtep) și Finlanda (7,4 Mtep). Aceste patru țări reprezintă circa 56% din toată producția de biomasă. Insă cât privește producția pe cap de locuitor, pe primul loc se plasează Finlanda (l,413tep/pers), urmată de Suedia, Letonia, Estonia, Austria.

Plantațiile de păduri și copaci cu viteză mare de creștere, precum salcia, plopul, salcâmul, sunt o altă sursă de biomasă vegetală, ce poate fi utilizată la producerea biocombustibililor solizi sau lichizi (mangal, bioetanol).

Principalele caracteristici cu privire la rotația pădurilor și recoltarea bio-masei sunt indicate în tab.nr.9.

Culturile agricole , culturile pentru boabe și furajere au un potențial de 21-24 0 t biomasă uscată/ha/an.În culturile agricole obișnuite se obțin producții în medie de 5 0 t boabe/ha/an . , respectiv 12,5 0 t biomasă uscată/ha/an.

Culturile cele mai utilizate în scopuri energetice sunt cele de grâu , orz , secară , trestie de zahăr , sfeclă de zahăr , plante leguminoase ( lucernă sau trifoi ) , plante oleaginoase ( rapiță , soia , floarea-soarelui ș.a.) , plante erbacee ( miscantus , switchgrass ).Aceste plante oferă biomasă ce poate fi arsă direct sau supusă transformărilor termochimice sau biologice (tab.nr.10).

În tabelul nr. 10 – Plante perene energetice din Europa

Grâul , secara orzul , trestia de zahăr și sfecla de zahăr sunt în general convertite în bioetanol.

Plantele leguminoase și plantele erbacee pot fi procesate împreună cu bălegarul sau alte deșeuri pentru obținerea de biogaz.

Culturile rădicinoase și tuberculifere specifice zonei temperate ( sfecla, cartoful, topinanburul) pot asigura 20-300 t biomasă uscată/ha/an în condiții bune de cultivare.

Plantele oleaginoase sunt folosite pentru producerea de biodiesel.

Sunt plante care pot fi procesate simultan , atât pentru material celulozic cât și pentru bioetanol. O astfel de plantă este sorgul zaharat.

O altă sursă de biomasă care a început să fie exploatată tot mai mult este biomasa marină, reprezentată de plancton și alge.Ea constituie o sursă foarte importantă pentru viitor.

Bioproductivitatea primară în apa mărilor și oceanelor este datorată fitoplactonului .În zona europeană , acesta este compus mai mult din microalge și mai puțin de macroalge și plante superioare marine.

Fitoplactonul asigură o productivitate scăzută în jur 0,5 t/biomasă uscată /ha/an , valori ce pot ajunge până la 0,8-3,0 t/ha/an în condiții favorabile. În culturile artificiale de alge marine productivitatea poate urca până la 50 t biomasă uscată/ha/an în condiții industriale și de 100 t biomasă uscată/ha/an în unele condiții experimentale pilot.

Plantele acvative submerse produc în zona temperată , în medie 5-7 t biomasă uscată/ha/an. Dintre speciile acvatice deosebit de productive sunt următoarele :

Lintița ( Lemna minor )

Salata de apă (Pistia stratiotes )

care au ritmuri de creștere foarte mari ( își dublează biomasa în interval de 5-6 zile ). În această grupă mai pot fi incluse și plantele recoltate de pe terenuri mlăștinoase , cum ar fi următoarele :

Trestia ( genul Phragmites ) – 7,5-13,0 t biomasă uscată/ha/an

Rogozul ( genul Carex ) – 4,2-6,3 0 t biomasă uscată/ha/an

Scirpus

plante care în situații extreme pot acumula până la 20-37 t/ha/an.

Planctonul din ape dulci produce mai puțin 1-3 t biomasă uscată/ha/an în apele curate și până la 4-9 t biomasă uscată/ha/an în apele eutrofizate.

Deșeuri de biomasă

Reziduurile agricole sunt produsele neutilizate obținute în urma recoltării și procesării culturilor agricole. Acestea includ tulpini ale plantelor, rădăcini, paie, frunze, resturi de la procesarea celulozei etc.

În tab.nr. 11 sunt menționate principalele producții de reziduuri agricole

Tabelul nr. 11 – Producția de reziduuri agricole

In România , reziduurile din culturile agricole reprezintă o importantă sursă de biomasă, deoarece mari suprafețe de pământ sunt utilizate în agricultură, generând importante cantități de reziduuri agricole.

Reziduurile forestiere includ în cea mai mare parte lemnul provenit din tăierea copacilor și prelucrarea lemnului (rumeguș, coajă de copac, placaje etc). In fig.nr.11 este prezentat potențialul producerii de biomasa lemnoasă din copaci de diferite vârste.

Figura nr.11 – Potențialul de biomasă a copacilor

În tab.nr.12 este prezentată productiviatea de reziduuri de biomasă forestieră în Finlanda la diferite perioade de colectare.

Tabelul nr. 12 Reziduuri de biomasă forestieră în Finlanda

Orice activitate de producere și prelucrare a biomasei vegetale și animale generează deșeuri. Deșeurile menajere și industriale pot fi clasificate în modul următor:

deșeuri solide/semisolide municipale și industriale

deșeuri lichide industriale

deșeuri lichide de proveniență animală

Deșeurile solide municipale reprezintă deșeurile menajere colectate de la populația din localitate, deșeurile menajere de la agenții economici și deșeurile solide din serviciile municipale. Cantitatea și caracteristicile deșeurilor variază de la oraș la oraș, în dependență de numărul de locuitori, case de locuit, nivelul de dezvoltare economic și industrial, spațiile verzi

etc.

In UE, fiecare cetățean produce aprox. 500 kg de deșeuri pe an , producându-se în total 225 mln tone de deșeuri solide.

Deșeurile solide industriale cuprind nămoluri de la epurarea apelor uzate, deșeuri metalice și nemetalice, textile și rumeguș impregnat, șlamuri cu reziduuri petroliere, deșeuri din industria alimentară, hârtie, lemn, cauciuc etc. Căldura de ardere a masei organice provenite din acestea este de aprox. 8-12 MJ/kg, iar fermentarea deșeurilor organice solide, a nămolului din stațiile de epurare permite producerea biogazului.

Deșeurile lichide industriale includ apele reziduale industriale, uleiuri, solvenți și emulsii uzate, adezivi, cleiuri, reziduuri de dezinfectanți, detergenți etc.

Apele uzate industriale sunt orice fel de ape evacuate din incintele în care se desfășoară activități industriale și/sau comerciale. Acestea prezintă un potențial sporit în ceea ce privește generarea biogazului, în special apele uzate din întreprinderile textile, de lactate și de prelucrare a produselor alimentare.

Deșeurile animaliere includ dejecțiile de păsări, bovine, ovine și porcine. Dejecțiile animaliere sunt foarte dăunătoare pentru mediul ambiant, poluând apele freatice și de suprafață. Pe lângă aceasta, procesul de descompunere a acestor deșeuri este însoțit de emisii de gaze nocive, ducând la poluarea atmosferică. Aceste dejecții pot fi folosite la producerea biogazului prin compostare (fermentare anaerobă) sau pot fi uscate și arse direct în sobe .

Biomasa în România

În prezent , în România nu s-au dezvoltat tehnologii de valorificare completă a tuturor

surselor de biomasă.Pe termen lung este necesară realizarea unei analize pentru determinarea oportunității de achiziționare a tehnologiilor deja existente pe piața europeană pentru valorificarea integrală.

Producția de energie în România este prezentată în fig.nr.12. După cum se observă producția de energie din biomasă nu este totuți neglijabilă.

Figura nr. 12 – Producția de energie în România

Consumul de energie în România este prezentat în fig.nr.13.

Figura nr.13 – Consumul de energie în România

Conform HG nr. 541/ 2003 potențialul României de a produce ” energie verde ” este ilustrat în fig.nr.14., fiind de 65%.

Figura nr.14 – Potențialul României în domeniul producerii de energie verde

În cifre potențialul de biomasă în România este de aprox. 7 594 000 toe/an , din care lemnul de fos și deșeurile din lemn 1 175 000 toe/an , deșeuri agricole 4 799 000 toe , biogaz 588 000 toe și deșeurile municipale 545 000 toe.

În fig.nr. 15 sunt prezentate utilizările principalelor surse de biomasă în România.

Figura .nr. 15 – Utilizările biomasei în România.

Se observă o slabă utilizare a biomasei în procese de valorificare a acesteia pentru obținerea de valoare adăugată înaltă.

Principalele producții de biomasă în România sunt prezentate în tab.nr.13.

Tabelul nr. 13 – Principalele producții de biomasă în România.

Din punct de vedere al potențialului energetic al biomasei , teritoriul României a fost împărțit în opt regiuni și anume :

Delta Dunării – rezervație a biosferei

Dobrogea

Moldova

Munții Carpați ( Estici , Sudici , Apuseni )

Platoul Transilvaniei

Câmpia de Vest

Subcarpații

Câmpia de Sud

Potențialul de biomasă pe sorturi , regiuni și total , este prezentat în tab. nr.14

Tabelul nr.14 – Biomasa din Romînia pe sorturi și regiuni

După cum se observă potențialul tehnic al biomasei din România este de cca. 518 400 TJ.

Luând ca referință pentru potențialul economic amenajabil anul 2030 rezultă următoarele valori de potențiaul ( tab.nr.15)

Tabelul nr.15- Potențialul energetic al biomasă

În fig.nr.15 este prezentată potențialul de biomasă din România repartizată pe județe.

Figura nr. 15 – Potențialul biomasei din România pe județe

În fig.nr. 16 este prezentat potențialul arabil din România pe regiuni și care constitue

una din cele mai importante surse de biomasă în viitor.

Figura nr. 16 – Potențialul agricol al României

În momentul de față în România au apărut numeroase firme de producere a peleților și

brichetelor , cu activități impotante atât în comerțul intern cît și cel de export.Este de remarcat inaugurarea în 2014 a primei firme de peleți de lucernă de la Zimnicea , cu o capacitate de producție 60 000 t/an ( mai-septembrie )( tab.nr.16 )

Tabelul nr. 16 – Firmele din România producătoare de peleți și brichete

O serie de firme utilizează acestă biomasă pentru producere în co-generare de energie

electrică și energie termică ( tab. nr. 17 )

Tabelul nr. 17 – Firmele care lucrează în sistem de co- generare și care utilizează biomasa

Forme de valorificare energetică a biomasei

Formele de conversie energetică a biomasei sunt prezentate în fig.nr.17.

Figura nr. 17 – tehnologii de conversie a biomasei

Biomasa solidă, după o ușoară prelucrare (modificarea dimensiunilor și formei, selectare etc.)poate fi un combustibil comercializabil, care în mod direct poate fi ars cu scopul producerii căldurii — fie pentru încălzire, pentru gătit sau la producerea electricității.

Celelalte componente posibile ale biomasei trebuie să fi transformate în biocombustibili (solizi, lichizi și gazoși) pe o cale directă „biomasa primară — produs energetic final" sau printr-o serie de procedee, cu obținerea unor produse combustibile intermediare.

Aceste tehnologii pot fi următoartele :

solidificare biomasei (producerea de pelete, brichete),

gazeificare — producerea gazului de sinteză din bioproduse solide

lichefiere — transformarea biocombustibilului gazos în combustibil lichid (biodiesel, bioetanol etc).

Conversia biomasei în energie este prezentată în fig.nr.18 .

Figura nr. 18 – Conversia biomasei în energie

Sub aspectul proceselor ce au loc la transformarea biomasei (ca materie primă și ca produs intermediar) în diferite tipuri de biocombustibili, principalele tipuri de conversie sunt grupate după cum urmează :

fizică (măcinare, separare, uscare, presare, brichetare etc.);

termochimică (combustie, piroliză, gazeificare, hidrogenare);

fizico-chimică (esterificare);

biochimică (fermentare: anaerobă, aerobă, alcoolică)

Există și tehnologii specifice care pot fi aplicate împreună cu mai multe modalități de conversie a biomasei.

Conversia termo-chimică include o serie de reacții complexe de degenerare a biomasei în anumite condiții.

Arderea, în sensul obișnuit, constituie cea mai răspândită modalitate de producere a energiei din biomasă. Arderea (combustia) biomasei reprezintă un proces termochimic, cu degajarea de căldură și lumină. Etapele principale ale acestui proces sunt :

uscarea

formarea mangalului prin piroliză –

gazificarea prin arderea mangalului –

oxidarea gazelor.

Combustia biomasei este folosită pentru producerea căldurii în instalațiile de capacitate mică și medie (de la câțiva kilowați până la 3-5 MW), cum sunt sobele cu lemne, cazanele cu bușteni, arzătoarele de pelete, cuptoarele de ars așchii de lemn, cazanele pe paie.

Căldura obținută este folosită la încălzirea spațiilor, la producerea de apă caldă și abur, la prepararea hranei. Aburul, la rândul său, poate fi utilizat pentru producerea electricității în cadrul centralelor termoelectrice.

Sunt cunoscute mai multe tehnologii de ardere a biomasei precum arderea în strat fix, în strat fluidizat și cu flux antrenat.

Gazificarea ( Tripșa 2004 ). Prin intermediul unor procese termochimice, biomasa solidă poate fi convertită în gaze combustibile — obținându-se gazul de sinteză (sau gazul de generator sau singazul,).

Instalația de gazificare a biomasei este numită gazogen. Singazul conține oxid de carbon,

hidrogen, metan și alte gaze inerte, în principal, azot. El poate fi folosit ca și combustibil la producerea căldurii, frigului și electricității, însă poate fi utilizat și pentru producerea altor tipuri de combustibili.

Gazificarea biomasei este, în esență, tot o tehnologie veche. Între anii 1840-1860 au fost construite primele gazogene comerciale de succes, iar între anii 1900-1920 au fost produse și vândute numeroase sisteme gazogen-motor pentru producerea energiei electrice.

Gazificarea biomasei pare a fi o opțiune promițătoare pentru producerea electricității în instalații mici și mijlocii în zona rurală din biomasa solidă. Ba chiar mai mult, singazul obținut poate fi ars în instalațiile de cogenerare (electricitate, căldură) sau tri-generare a energiei (electricitate, căldură, frig).

Piroliza. Orice tehnologie de gazificare a biomasei (de conversie a ei în gaze combustibile) implică piroliza, care reprezintă un proces termo-chimic de descompunere a materiei organice la temperaturi și presiuni înalte, într-un mediu inert, în lipsa totală sau parțială a agentului de oxidare (aerul sau oxigenul). In urma acestui proces se obțin mai multe produse: un combustibil gazos (singaz), altul lichid (ulei de piroliza) și al treilea — solid (mangal).

Piroliza este tehnologia de producere a mangalului, folosit pe larg în mai multe scopuri.

Conversia fizico-chimică. Cel mai important proces este producția de ulei vegetal din semințe și esterificarea acestui ulei până la obținerea unui acid metil ester gras care este un substituent a combustibilului diesel. Aceasta este tehnologia de bază utilizată la producerea biodieselului.

Conversia biochimică include tehnologiile de transformare a biomasei în energie, bazate pe aplicarea proceselor biologice. Printre acestea sunt:

fermentarea aerobică (fabricarea etanolului),

fermentarea anaerobică (producerea de biogaz).

In prezent ambele tehnologii sunt folosite în producerea biocarburanților (Fig.nr..19)

Figura nr. 19 – Conversia biochimică a biomasei

Degradarea biologică a unei materii organice, în caz general, include următoarele faze:

Hidroliza macromoleculele organice (proteinele, grăsimile, celuloza etc.) sunt

scindate în molecule mai mici (zaharide, aminoacizi, acizi grași și apă). Procesul este întreținut de activitatea microorganismelor hidrolitice.

Acidogeneza este scindarea de mai departe a moleculelor organice mici în acizi

organici, bioxid de carbon, sulfit de hidrogen și amoniac.

Acetogeneza – microorganismele sintrofice transformă amestecul complex de acizi

grași în acid acetic, rezultând bioxid de carbon și hidrogen.

Metanogeneza metanul, bioxidul de carbon și apa .

Fermentarea anaerobă este un proces biologic de degradare a materiei organice cu ajutorul bacteriilor. In urma tratării anaerobe a biomasei rezultă trei produse:

biogaz cu conținut ridicat de metan (60-70%), folosit drept combustibil în unități

de co- și tri-generare a energiei (producție de energie electrică, agent termic și de răcire),

compost comerciabil, fertilizatori de înaltă calitate (circa 5% din volumul de intrare

la stația de biogaz),

apă reutilizată pentru irigații sau deversabilă în râuri și lacuri.

Fermentarea anaerobă trebuie considerată ca fiind o tehnologie atât de tratare a deșeurilor, cât și de producere a energiei ( fig. nr. 20 )

Figura nr. 20 – Fermentarea anaerobă asociată cu obținerea de biogaz

Exista diferite tipuri de biomasă ce poate fi convertită printr-o diversitate

de procese în energie și biocombustibili. Multe dintre aceste tehnologii sunt deja bine dezvoltate, iar altele sunt în faza de încercare sau în fază pilot.

În prezent, pe piață sunt tehnologii și instalații eficiente de ardere a biomasei solide, tehnologii și instalații de producere a combustibililor solizi (pelete, brichete), a biogazului, a carburanților lichizi — bioetanol, biodiesel, sunt multiple tehnologii noi și proiecte pilot ce privesc producerea gazului combustibil de sinteză, producerea carburanților sintetici (gaz natural sintetic, etanol sintetic etc).

O descriere rezumativă a acestor tehnologii de obținere a biocarburanților este prezentată în tab.nr. 18

Tabelul nr. 18 – Tehnologia de obținerea a biocarburanților ( BRAC 2006)

ETBE – etil-terț-butil-eter , Bio-DME-biodimetileter , BTL-biomass to liquids, RME-metil-eter din semințe de rapiță,FT-procedeu Fischer-Tropsch, FAME-metil-ester acid gras, FAEE-etil-ester acid gras, NExBTL – combustibil de generația a 2-a produs de Neste Oil ( Finlanda ).

Bioombustibili din biomasă

Biocombustibilii obținuți din biomasă se pot clasifica în două mari categorii :

Biocombustibili convenționali , sau din prima generație de biocombustibili

Ulei vegetal pur

Biodiesel

Bioetannol

Biogaz

Bio-ETBE

Biocombustibili avansați , sau din a doua generație de biocombustibili

Combustibil (Diesel) Fischer-Tropsch

Bioetanol ( din biomasa lignocelulozică)

Ulei de piroliză

Hidrogen

Biometanol

Bio-DME

Bio-SNG ( prin gazeificarea biomasei )

Biohidrogen ( prin gazeificarea biomasei )

Biometan

Biobutanol

În tab. nr. 19 sunt prezentate caracteristicile biocombstibililor obținuți din biomasă și

efectul acestora.

Tabelul nr.19 – Caracteristicile combustibililor masici obținuți din biomasă și efectul lor

Ulei vegetal pur

Uleiul vegetal pur utilizat drept combustibil pentru motorul tip diesel are un potențial ecologic mare și cu beneficiile economice și sociale considerabile .

Procesul de producție duce la pierderi de energie mici, pentru că nu sunt implicate procese de tratament termic sau chimic. Acesta poate fi implementat în unități mici descentralizate, fără a pierde eficiența costurilor și oferă un potențial pentru generarea de venituri suplimentare la ferme, consolidând astfel structurile economice din mediul rural și coerență socială în UE, precum și în țările calde și aride tropicale.

Efectele de ne-toxicitate și inflamabilitate scăzută sunt avantaje suplimentare din punct de vedere logistic. Toate celelalte tipuri de biocombustibili au un lanț de producție mai mare și pierderile de energie asociate mai mari.

Toți biocombustibili, cu excepția uleiului vegetal pur prezintă, un risc mai mult sau mai puțin pronunțat pentru mediul înconjurător.

Inflamabilitatea redusă a uleului vegetal pur îl face impropriu pentru utilizarea în motoarele diesel convenționale în primul rând. Există diferite concepte de adaptare la motor care ajută să se depășească această dificultate în principiu, inclusiv preîncălzirea de ulei vegetal cât și un număr de modificări mecanice, în special a sistemului de injecție.

În afară de transesterificare uleiului vegetal pentru obținerea de biodiesel și cracare / hidrogenarea uleiului vegetal pur de BtLNEXT nu s-au făcut încercări până acum de a modifica ulei pur din plante, pentru a se potrivi mai bine cu cerințele motorului.

Proprietățile chimice și fizice ale uleiului vegetal , care sunt relevante pentru ardere în motor sunt puțin influențate de condițiile semințelor , dar depind puternic de parametrii de extracție a uleiului.

Probleme de funcționare ale motorului în proiectele demonstrative s-au făcut cu ulei vegetal conform normei germane DIN V 51605.

Atunci când este utilizat în motoarele ne-modificate, uleiul vegetal pur duce nu numai la daune de motor, în special în motoarele avansate, ci și în creșterea emisiilor , mai ales emisiile de particule de la pornire la rece care sunt extrem de ridicate.

Biodieselul

Biodieselul , este definit ca un amestec de esteri alchil ai alcoolilor inferiori cu acizii grași din uleiuri vegetale sau animale , uleiuri regenerabile în vederea utilizării ca biocarburant.Deci acest combustibil alternativ este produs din resurse regenerabile și reciclabile.

Biodieselul nu conține petrol , dar poate fi amestecat în orice proporție cu motorinele clasice pentru a crea un amestec combustibil ce poate fi utilizat drept carburant pentru motoarele cu ardere internă . Astfel , se poate utiliza în motoarele diesel cu sau fără modificări ale acestora , singur sau în amestec cu motorina.

Încă de la primele utilizări ale uleiurilor vegetale ca și combustibili , vâscozitatea foarte ridicată a făcut improprie utilizarea acestora.

Patru metode au fost folosite până în prezent pentru reducerea vâscozității mari a uleiurilor vegetale :

amestecarea cu motorină

piroliza

microemulsifierea

transesterificarea

Transesterificarea este cea mai uzuală metodă de producere a alchil-esterilor acizilor grași din uleiuri și grăsimi.Prima reacție a fost descrisă de Duffy P. în 1852.Henriques R. în 1898 au completat mecanismul reacției prin utilizarea KOH având rol de catalizator.

După cum este cunoscut, majoritatea compușilor uleiurilor vegetale o constituie trigliceridele(triacilgliceroli). Trigliceridele sunt esteri ai glicerinei ( un alcool ) cu acizi grași cu catenă lungă (saturați și/sau nesaturați ).Compoziția uleiurilor vegetale variază cu natura sursei.

Astăzi biodieselul se obține prin transesterificarea trigliceridelor cu un alcool. Procedeul constă în desfășurarea reacției de transesterificare ( mai exact transmetilare deoarece folosește alcool metilic ) . De regulă acest alcool este metanolul ( alcoolul metilic ) , dar se cunosc și alte procedee ce utilizează alți alcooli ( ex.etanol, isopropanol, butanol etc.).

Pentru realizarea într-un timp redus a reacției de transesterificare se utilizează un catalizator.

Acesta se adaugă în cantități mici , accelerează reacția și nu se consumă în cursul reacției.

În principal reacția de transesterificare constă în :

Triglicerida + Alcool + Catalizator → Biodiesel + Glicerină

(triacilglicerol) (Alchil-ester)

R –radical achil al diverșilor acizi grași

R´-radical CH3 în cazul utilizării alcoolului metilic sau C2H5 în cazul alcoolului etilic.

În fig.nr. 21 – este prezentat procesul tehnologic în detaliu de obținere a biodieselului.

Figura nr. 21 – Procesul de producere al biodieselului

După cum se observă baza materiilor prime în producerea biodieselului este

formată din :

ulei vegetal și/sau ulei vegetal recuperabil(epuizat )

și/sau grăsimi animale

alcooli ( alcool metilic , alcool etilic etc. )

catalizator ( sodă caustică – NaOH , potasă caustică – KOH , metoxid de sodiu – NaOCH3, metoxid de potasiu – KOCH3 )

În utilizarea uleiului vegetal , ca sursă principală de trigligeride (TG) s-a avut în vedere potențialul economic al României .În principal acesta cuprinde următoarele surse de plante oleaginoase ( oleifere ) :

– rapiță ( Brassica napus L. ) , varianta „ OO „ cea lipsită de acid erucic și glucozinați „

– floarea soarelui ( Helianthus annus L. )

– soia ( Glycine max.[L.] Merr.)

– muștar ( Brassica nigra [L.] Koch & Sinapis Alba L. )

– șofrănel ( Carthamus tinctorius L. )

– in ( Linus usitatissmum L. )

– ricin ( Ricinus communis L. )

Alte surse demne de luat în calcul sunt :

palmier

măsline

bumbac

arahide

cocos

dovleac

Caracteristicile productive ale principalelor surse de uleiuri vegetale sunt următoarele

( tab.nr.20) :

Tabelul nr.20 – Caracteristicile unor surse de ulei

Conținutul în acizi grași a principalelor surse de ulei ( tab.nr.21):

Tabelul nr. 21 – Conținutul în acizi grași a unor surse

După cum se cunoaște calitatea biodieselului la momentul de față este în conformitate cu următoarele acte normative :

Europa SR EN 14214 : 2012

SUA ASTMĂ D 6751 : 2008

Una din problemele puse în discuție este că standardul EN 14214 face o referire clară ca indicele de iod să fie de max. 120 ( gr. I2 / 100 g ).Din analiza cifrelor de iod ale uleiurilor vegetale menționate mai sus se observă că celelalte surse – uleiul de floarea-soarelui , soia nu se încadrează .O comisie europeană momentan lucrează la acestă problemă , urmând ca până la sfârșitul anului 2016 să se comunice soluția finală.

O soluție o reprezintă folosirea noilor soiuri de floarea soarelui cu conținut ridicat de acid oleic ( 70-80% C 18:1 ) și care au o cifră a iodului de 85.

Uleiurile vegetale brute , pe lângă trigliceride , conțin cantități variabile de substanțe însoțitoare , solubile și insolubile în ulei ( fosfatide , pigmenți colorați , hidrocarburi , vitamine , resturi din semințe ).

Rafinarea are ca scop obținerea de uleiuri rafinate , fără gust și miros , prin îndepărtarea substanțelor nedorite , urmărindu-se totodată menajarea maximă a trigliceridelor.Rafinarea comportă următoarele operații principale :

desmucilaginarea , cu sau fără recuperarea concentratului de fosfatide

dezacidifierea , spălarea și uscarea uleiului

decolorarea , cu sau fără recuperarea uleiului din adsorbant

vinterizarea ( deceruirea )

dezodorizarea , urmată de o filtrare , numită și polizare

Grăsimile animale alimentare trebuie să îndeplinească următoarele condiții :

– să nu aibă miros rânced, de putred , de mucegai , gust amar ori rânced , pronunțat de ars sau alt gust străin

– în stare fluidă trebuie să fie transparente până la slab opalescente și fără impurități vizibile

Normele fizico-chimice de protecție sanitară și indicatori de calitate ai grăsimilor animale alimentare sunt următoarele ( tab.nr.22 ) :

Tabelul nr.22 – Caracteristicile diverselor surse de grăsime

Până în prezent sunt utilizați ca alcooli pentru reacția de transesterificare metanolul ( alcoolul metilic CH3OH ) și etanolul ( alcoolul etilic CH3CH2OH ).

Costul actual al etanolului , destul de ridicat , îi limitează utilizarea . O serie de diferențe tehnice apar și la prepararea esterilor respectivi.

În cataliza alcalină principalii catalizatori sunt :

hidroxidul de sodiu NaOH(soda caustică)

hidroxidul de potasiu KOH(potasa caustică)

În România hidroxidul de sodiu (soda caustică , NaOH) este cel mai accesibil catalizator.

Cataliza acidă este preferată când sursa de trigliceride conține un procent mare de acizi grași liberi ( uleiuri reutilizabile , grăsimi animale etc. ).

Dintre catalizatorii acizi cel mai utilizat este :

acidul sulfuric concentrat H2SO4 96%

Capacitatea unei secții de producere a biodieselului în sistem semi-continuu este de 40

t/zi.

Folosirea de alimentări cu materii prime care nu întrunesc cerințele arătate ( de ex. un conținut mai mare de apă, o cantitate mai mare de mucilagii sau alte amestecuri) pot duce la rezultate slabe ale produsului finit.

Beneficiarul trebuie să se aprovizioneze în mod continuu cu utilitățile necesare și celelalte auxiliare conform cantităților și calității specificate . Analizele care se cer făcute trebuie furnizate de către cel care folosește secția.

Ulei de rapiță (00-rapiță), bine neutralizat, desmucilaginat, parțial albit

Acizi grași liberi max. 1.0

Valoare Iod (IV) max. 115

Valoare peroxid max. 2

Valoare de saponificare 185 – 195

Mucilagii ca P max. 20 ppm

Impurități și apă max. 0,1%

Punct aprindere min. 300° C

Total sulfuri max. 0,02%

Culoare max. 2 – 3 (Gardner)

Hidroxid de sodiu NaOH

Conținut min. 98 % , fulgi

Lipsit de apă

Metanol CH3OH

Metanolul folosit pentru esterificare trebuie să aibă următoarea puritate, calitate de asemenea cerută pentru metanolul care vine din coloana de rectificare

Conținut min. 99.9 %

Apă max. 0.2%

Acid fosforic H3PO4

Pentru condiționarea apei de spălare, recomandăm adăugarea de acid fosforic procesat prin încălzire cu o concentrație de 50%.

Acid sulfuric H2SO4 ( cataliză acidă )

Conținut min. 96.0 %

Apă max. 4.0 %

Apă proaspătă, apă pentru operare.

Apa de control pentru separatoare și alimentare adițională pentru apa de proces trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

Conținut sediment max. 10 mg/l

Mărime max. particule 50 μm

Duritate: mai mică de 15 grd (duritate Engleză) până la temperatura de separare de 55°C și mai mică de 7,5 (duritate Engleză) la temperatură mai mari de 55° C

Ioni de clor mai puțin de 100 mg/l

Valoare pH 6,5 – 7,5

fără urme de metanol sau glicerină

Apa de proces

Pentru a reduce cantitatea de apă pierdută, apa de la evaporarea din secția de glicerină poate fi refolosită, dacă întrunește următoarele condiții:

Glicerină: max. 0,01%

Metanol: max. 0,5%

Clor: max. 100 ppm

Ioni de Ca/Mg max. 10 ppm

Valoare pH 6 – 7,5

Apa de răcire

Recirculată, calculat ca Δt = 5K

Apă de răcire (pentru secția de esterificare)

Temperatura, intrare max. 25° C

Temperatura, ieșire aprox. 8 K peste temp. intrare

Presiune min. 3 bar, max. 6 bar

Duritate max. 15 grd. DH

Clor max. 400 ppm

Valoare pH 6,5 – 9,5

Abur

Saturat, uscat presiune joasă de min. 4,5 bar, înainte de supapa de reglare

Abur saturat, uscat presiune medie de min. 10 bar înainte de ejectorul pompei de vid.

Alimentare cu energie electrică

Voltaj 400 V max. +/- 5%

Frecvență 50 Hz max. +/- 2%

Aerul instrumental

Pentru operarea separatoarelor cu auto-curățire, supapele de dozare și supapele de curățare electro-pneumatice, uscat și fără ulei, aer comprimat :

Presiune 6 bar. g

Mărime particule max. 1,0 mm

Densitate particule max. 1 mg/Nmc

Conținut ulei max. 1 mg/Nmc

Punct de rouă la presiune – 20° C

Spațiu necesar

Dimensiuni maxime necesare:

Suprafață la orizonatală 15 x 6 m

3-4 nivele, inclusiv parter fiecare 4,5 m înălțime

Consumurile specifice

Ulei de rapiță 1.045kg/t biodiesel

Metanol 109 kg/t biodiesel

Hidroxid de sodiu 8 kg/t biodiesel

Apă (potabilă) aprox. o,6 mc/t biodiesel

Energie electr. aprox. 22 – 25 kW/t biodiesel

Acid fosforic (H3PO4)aprox. 1 kg/t biodiesel

Aer instrumental aprox. 200 kg/t biodiesel

Abur aprox. 200 kg/t biodiesel

Recirculare

Metanol (150% surplus)aprox. 167 kg/t biodiesel

Apă răcire aprox. 180 kg/t biodiesel

Bioetanol

Sub denumirea de BIOETANOL din prima generație este cunoscut acel alcool etilic

( etanol ) obținut având ca substrat zahărul ( sucroza ) obținut din diferite materii prime vegetale bogate în zaharuri ( trestia de zahăr , sfecla de zahăr etc. ) sau în amidon ( porumb , grâu etc. )

Tehnologia de obținere nu implică un pre-tratament chimic/fizic al biomasei înaintea hidrolizei enzimatice.Procesul poate fi optimizat prin utilizarea unor enzime comerciale disponibile.

Sub denumirea de BIOETANOL din generația a doua este cunoscut acel alcool etilic

( etanol ) obținut având ca substrat materiale lignocelulozice ( paie , tulpi de porumb , rumeguș , așchii de lemn etc. ) .

Tehnologia de obținere implică un pre-tratament chimic/fizic care facilitează hidroliza enzimatică.Procesul este costisitor , neexistând în momentul de față enzime comerciale.

Este cunoscut , că conversia biomasei în alcool etilic ( etanol ) include următoarele etape :

Pre-tratamentul biomasei

Hidroliza enzimatică

Fermentarea

Distilarea

Biomasa supusă pre-tratramentului este compusă în principal din :

Celuloză

Hemiceluloză

Lignină

Utilizarea bioetanolului în calitate de combustibil oferă următoarele avantaje:

Reducerea emisiilor gazelor cu efect de seră cu 35-45%;

Reducerea emisiilor de monoxid de carbon (CO) până la 25%, de dioxid de carbon (C02) cu până la 70% și a hidrocarburilor din gazele de evacuare;

Materia primă de producere a bioetanolului este disponibilă în cantități foarte mari, în special sub formă de plante celulozice;

Modificări minore ale motoarelor cu ardere internă ce utilizează bioetanol (unele amestecuri de combustibili petrolieri si etanol nu implică modificări);

Mărirea duratei de viață a motoarelor și sporirea eficienței acestora.

În tab.nr.23 se prezintă compoziția medie a principalelor surse de biomasă destinare

producerii bioetanolului din generația a II-a.

Tabelul nr. 23 – Compoziția biomasei

Celuloza și hemiceluloza sunt în principal polizaharide cu cicluri carbonice de tip C6 și C5.

În urma pre-tratamentului se obțin două faze :

faza lichidă [ hemiceluloză , celuloză care sunt în continuare supuse hidrolizei cu ajutorul unor enzime și apoi zaharurile sunt fermentate cu ajutorul microorganismelor pentru cele de tip C5 ( cercetările sunt în curs de dezvoltare deoarece metodele clasice de fermentare nu sunt aplicabile ) și cu ajutorul drojdiilor pentru cele de tip C6 ].În continuare alcoolul obținut este supus distilării , rectificării și deshidratării , obținându-se astfel BIOETANOLUL ( alcoolul etilic de conc. min. 99.5% ).

faza solidă ( lignina ) ce poate fi supusă combustiei în vederea obținerii de energfie electrică

Etapele pot fi sintetizate în modul următor :

Celuloză –––>(Enzimă) –->Glucoză (C6) –––>(Drojdii)––>EtOH + CO2↑

Hemiceluloză––>(Enzimă) –->Xiloză (C5) –––>(Drojdii)––>EtOH + CO2↑

În cazul valorificării fracției C6 și C5 cât și a ligninei + CO2 atunci materialele ligno-celulozice devin competitive cu cerealele și/sau cu cele bogate în zaharuri.

Un preț estimativ pentru o instalație de 5.000.000 L/a bioetanol din materiale ligno-celulozice este de :

Bioetanolul din generația a 2-a reduce emisiile de dioxid de carbon (CO2) cu 90-100%.

Principalele surse de bioetanol sunt prezentate în tab.nr.24.

Tabelul nr. 24 – Principalele surse de biomasă pentru bioetanol.

Procesul de obținere a bioetanolului din materiale lignocelulozice în cadrul biorafinăriilor face ca mmateria primă să aibă un grad foarte înalt de valorificare ( fig.nr. 22 ).

Figura nr. 22 – Valorificarea biomasei lignocelulozice ( EUBIA )

In general, pot fi evidențiate următoarele alternative de utilizare a bioetanolului în motoarele cu ardere internă:

aditiv pentru benzină (ETBE)

amestecul direct a etanolului cu benzină sau motorină (E15, E25, cu un conținut del5și 25% etanol)

amestecuri cu un conținut ridicat de bioetanol (E85, E95)

utilizarea etanolului în stare pură (E100)

Principalele aspecte referitoare la utilizarea amestecurilor de combustibili cu diferite cantități de bioetanol sunt prezentate în tab.nr. 25.

Biogazul și singazul

Există două modalități de conversie a biomasei în gaze combustibile :

fermentarea anaerobă – se obține biogaz

gazeificarea – se obține singaz

Biogazul reprezintă un amestec de gaze combustibile format în urma descompunerii microbiologice a produselor organice în condiții anaerobe (în lipsa oxigenului).El este cunoscut de sute de ani sub diferite denumiri:gaz de baltă sau gaz de mlaștină.

Pentru prima dată biogazul a fost identificat ca produsul unui proces de putrefacție (descompunere) a substanțelor organice de către savantul Volta la sfârșitul secolului al XVII-lea, când a și făcut primele descrieri ale acestuia.

Principalele surse de obținere a biogazului sunt:

deșeurile municipale,

nămolurile și apele reziduale,

biomasă vegetală,

deșeurile animaliere.

Compoziția biogazului este determinată de mai mulți factori: de tipul biomasei și componența acesteia, de tehnologia de producere.

Componentele de bază ale biogazului (metanul, dioxidul de carbon, azotul, oxigenul, hidrogenul etc.) se găsesc într-un anumit raport cantitativ.

Cu cât ponderea metanului în produsul gazos este mai înaltă, cu atât calitatea energetică este mai bună. In cazul producerii biogazului , o concentrație mai mare de metan este favorizată de o biomasă mai bogată în proteine și grăsimi. Acest lucru va genera o producție mai mică a dioxidului de carbon din biomasa considerată. Pe lângă metan și dioxid de carbon, biogazul include monoxid de carbon, azot, amoniac, sulf etc, conținutul lor procentual depinzând , în primul rând, de tipul biomasei folosite în calitate de materie primă.

Singazul este un alt produs gazos obținut în urma unui proces de conversie termică cu sau fără oxidarea materiei organice.

Singazul mai este denumit: gaz de gazogen , gaz de generator, gaz de sinteză , gaz de turn sau gaz de lemn.

Singazul este produs în instalații speciale de ardere, preponderent din biomasă solidă.

În tab.nr.26 sunt prezentate valorile medii ale componentelor de bază ale biogazului și singazului. In afară de compușii de bază, aceste gaze mai conțin și alte componente minore, care depind de tehnologia de extragere a gazelor din biomasă.

Singazul conține cantități mici de etan (C2H6), etenă (C2H), benzen (C6H6), gudron,particule de cenușă și alte hidrocarburi.

In componența biogaz-ului provenit de la rampele de gunoi pot fi găsite urme de diverși compuși emanați de deșeurile de origine chimică sau sintetică.

Căldura de ardere a biogazului și singazului este un parametru ce indică direct calitatea acestora. Dioxidul de carbon, vaporii de apă, hidrogenul și alți compuși prezenți în compoziția biogazului reduc calitatea gazului și, respectiv, căldura de ardere a acestuia, în comparație cu cea a gazelor naturale.

Pentru gazele combustibile obținute din biomasă rezultă următoarele valori orientative ale căldurii de ardere:

biogaz – 20-30MJ/m3N sau 5,5-8,3kWh/m3N,

singaz – 3-20MJ/m3N sauO,83-5,5kWh/m3N.

Căldura de ardere deci este influențată direct de tipul biomasei, dar și de tehnologia de producere a acestor biocombustibililor gazoși.

Producerea acestor combustibili gazoși oferă următoarele avantaje :

Oferă domenii largi de producere și aplicare (întreprinderi zootehnice,gospodării agricole,industrii alimentare, stații de salubrizare a deșeurilor urbane,stații de epurare a apelor reziduale, centrale de producere a energiei electrice și termice etc.)

Producerea proprie de energie contribuie la crearea unei independențe de combustibili fosili și de alți furnizori de energie.

Produce un impact benefic asupra mediului ambiant prin reducerea gazelor cu efect de seră și a altor emisii dăunătoare, reducerea poluării solului și a apei, înlăturarea mirosului neplăcut și soluționarea problemei deșeurilor.

Permite arderea gazelor obținute în instalații moderne și eficiente cum ar fi motoarele și turbinele pe gaze, pilele de combustie. Gazele pot fi utilizate și ca combustibil pentru transport.

Oferă beneficii economice producătorilor: energia rămasă poate fi livrată altor consumatori, reziduurile rămase în urma procesării biomasei pot fi utilizate ca fertilizatori în agricultură sau vândute.

Producerea biogazului și a singazului este posibilă din orice materie organică de origine vegetală sau animalieră, inclusiv din deșeuri.

Materia primă utilizată pentru producerea biogazului provine din următoarele surse:

biomasa din agricultură [ diverse ierburi, lucerna,reziduuri (paie de grâu întregi sau tăiate la 2 cm, frunze de copaci) , rădăcini, coji de copaci, sâmburi etc.]

plante energetice (rapița, trestia de zahăr, porumb, floarea-soarelui, sfeclă de zahăr) și silozurile din acestea.

produse zootehnice

dejecții animaliere (păsări, ovine, bovine, porcine, cai etc)

deșeuri organice municipale (apa și nămolul de canalizare, deșeurile plutitoare rezultate din salubrizarea apelor de suprafață, reziduuri municipale solide organice)

deșeuri organice de origine industrială ( reziduuri alimentare (provenite de la restaurante, cantine etc. , reziduuri și deșeuri agro-alimentare (frunze de sfeclă de zahăr, frunze de sfeclă furajeră; lujeri de tomate tocați; drojdie de la distilerii etc.) , deșeuri comerciale (deșeuri textile, hârtie, carton), reziduuri obținute în urma proceselor de producție (de ex. bere, zahăr, vin, lapte, alcool, sucuri, produse din carne), grăsimi.

Pentru sporirea productivității biogazului se practică combinarea diferitor tipuri de biomasă, de exemplu dejecțiile animaliere se amestecă cu unele reziduuri agricole. O altă metodă este pregătirea în prealabil a silozurilor din plante agricole de diversă maturitate cum ar fi porumbul, floarea-soarelui, sfecla și trestia de zahăr, altele verdețuri.

Sursele principale de proveniență a biomasei folosite la producerea singazului sunt:

produsele și deșeurile forestiere ( copaci sau tufari, în special, cei cu viteză de creștere mare ( plopul, salcia, eucaliptul ) , reziduurile din rumeguș, coji de copaci) .

reziduuri din agricultură (tulpini de lucerna, de bumbac, de floarea-soarelui, de porumb, de tutun, paie de grâu, paie de orez, știuleți de porumb, coarde de viță-de-vie, ramuri de copaci, coji de migdale, coji de alune de pământ, sâmburi de măsline, coji și

semințe de floarea-soarelui, coji de nuci, coji și semințe de orez.

reziduurile industriale ( toate tipurile de resturi de produse lemnoase, așchii, rumeguș, provenite de la fabricile de mobilă, diverse tâmplarii, întreprinderi de construcții)

Materia primă folosită la producerea combustibililor gazoși trebuie să corespundă anumitor cerințe. În dependență de tehnologia obținerii biocombustibililor gazoși, materia primă urmează a fi mărunțită și omogenizată. Umiditatea biomasei trebuie să corespundă tehnologiei

aplicate. In cazul producerii biogazului în instalații speciale, umiditatea biomasei trebuie să fie mai mare de 45%, pe când la producerea singazului, umiditatea materiei prime trebuie să nu depășească 20-25%.( tab.nr. 27).

Tabelul nr. 27 – Compoziția materialelor celulozice ( % substanță uscată ) [Demirbas 2005]

Utilizarea eficientă a resurselor existente și valorificarea productivității culturilor energetice poate spori cu mult potențialul biomasei în acest scop.

Modalitatea de bază aplicată pentru producerea biogazului este fermentarea anaerobă a biomasei.

Fermentarea anaerobă reprezintă un proces microbiologic de descompunere a materiei organice în lipsa aerului. Temperatura optimă pentru realizarea acestui proces este cuprinsă între 20-45°C. In urma fermentării anaerobe se obține un produs gazos (format în principal din metan și dioxid de carbon) și o masă reziduală ce nu mai poate fi supusă fermentării. Această masă este, de obicei, folosită ca fertilizator pentru sol.

Fermentarea anaerobă este privită ca o soluție foarte benefică din două puncte de vedere: a soluționării problemei deșeurilor și producerii energiei. In medie, la o stație de fermentare, dintr-o tonă de amestec de deșeuri se poate obține cea 100—600 m3 de biogaz, din care 50-70% va fi metan.

Întreg procesul de fermentare presupune parcurgerea a patru faze principale de descompunere a biomasei:

Hidroliza: microorganismele hidrolitice transformă moleculele organice grele în particule mai mici cum sunt zaharidele, acizii grași, aminoacizii, apă.

Acidogeneza: particulele formate la prima fază sunt destrămate în acizi organici, amoniac, sulfit de hidrogen și bioxid de carbon.

Acetogeneza: formarea hidrogenului și a bioxidului de carbon în rezultatul transformării amestecului complex de acizi grași în acid acetic.

Metanogeneza: formarea metanului, dioxidului de carbon și a apei.

Procesul de formare a metanului este sporit la începutul fermentării și încetinește la sfârșitul acesteia. Timpul de fermentare poate varia între 20 și 40 de zile, în dependență de concentrația biomasei și gradul de descompunere dorit.

Fermentarea anaerobă este considerată ca fiind una dintre cele mai atractive soluții de producere a energiei regenerabile din biomasă. Numărul fermierilor și agricultorilor care produc biogaz în instalații de fermentare este în continuă creștere.

Deșeurile reprezintă una din preocupările ecologice de bază ale unui oraș, instituții, ferme, întreprindere sau orice altă formă de gospodărire. Gestionarea corectă a deșeurilor, fără un impact negativ asupra mediului necesită eforturi considerabile, inclusiv bănești.

Posibilitatea producerii biogazului din deșeuri organice transformă această preocupare într-o soluție foarte avantajoasă atât la nivel global (reducerea gazelor cu efect de seră, evitarea poluării solului și apei), cât și la nivel local (soluționarea problemelor legate de depozitarea deșeurilor, îndepărtarea mirosului urât, obținerea de beneficii economice din urma producerea biogazului) de producere a energiei din surse regenerabile. Astfel, astăzi deșeurile organice sunt privite ca surse extrem de valoroase de energie, și nu ca niște grămezi de gunoi ce putrezesc și produc prejudicii mediului.

Principalele deșeuri urbane utilizate pentru producerea biogazului sunt:

nămolul și apele reziduale,

deșeurile organice menajere,

deșeurile industriale.

La stațiile de epurare a apelor reziduale, în rezultatul unei filtrări mecanice, chimice sau biologice, se obține o masă densă — nămolul. Acesta are un conținut foarte mare de deșeuri organice provenite din apa uzată de canalizare (deșeuri de la WC; frunze, hârtii, nămol de la canalizarea străzilor etc). După dehidratare, nămolul este transportat în reactorul de fermentare anaerobă, în care, sub acțiunea bacteriilor, se obține biogazul.

In medie , dintr-un m3 de apă încărcată cu substanțe organice se poate produce, prin fermentare anaerobă, cea 1,8-3,6 m3 de biogaz.

În tab.nr. 28 sunt prezeentați parametri de fermentare a nămolurilor în stațiile de epurare

Tabelul nr. 28 – Parametrii de fermentare a nămolurilor [Nicolik 2005]

La stațiile de epurare, în cele mai dese cazuri, biogazul este utilizat pe loc la producerea simultană a energiei electrice și termice. Energia termică este folosită pentru încălzirea biomasei din fermentator; energia electrică — pentru necesitățile proprii, iar surplusul, dacă există, este livrat în rețea.

Deșeurile industriale reprezintă resturile produselor organice rămase în urma procesării materiei prime. Deșeurile date pot fi sub formă de ape reziduale (zerul din producerea lactatelor, producerea înghețatei, producerea berii) sau resturi de materie primă propriu-zise (de la abatoare, prelucrarea fructelor și legumelor, producerea zahărului, fabricarea celulozei și a hârtiei etc).

Aceste deșeuri sunt supuse fermentării anaerobe pentru producerea biogazului. Biogazul obținut poate fi folosit drept combustibil pentru încălzire și gătit sau pentru producerea energiei în regim de cogenerare (tab.nr.29).

Tabelul nr. 29 – Producția de biogaz

Deșeurile organice menajere sunt resturile alimentare și deșeurile de bucătărie (coji de fructe, legume), hârtia, cartonul, textilele naturale, gunoiul ecologic din grădină (frunze uscate, iarbă verde sau uscată, coji de copaci, diverse plante) sau alte deșeuri organice.

În multe țări dezvoltate, colectarea separată a deșeurilor a devenit o normă a vieții. Pentru diferite tipuri de deșeuri sunt prevăzute containere speciale. Deșeurile de bucătărie sunt colectate în containere de gabarite mici, cu înălțimea de până la 85 cm. Aceste containere sunt închise și nu permit emanarea mirosului neplăcut.Pentru deșeurile de grădină sunt prevăzute containere comune mai mari.

Deșeurile colectate sunt transportate spre stațiile de biogaz, unde sunt procesate. Cantitatea medie de biogaz produsă dintr-o tonă de deșeuri organice menajere constituie circa 120 m3 și, respectiv, 240 m3 pentru deșeurile alimentare din restaurante. Biogazul obținut este valorificat, iar compostul format după extragerea biogazului este folosit în agricultură.

Emiterea necontrolată a gazelor rezultate din depozitele de deșeuri reziduale aduce prejudicii serioase mediului ambiant și societății. Emisiile se pot răspândi prin aer, apă și sol, fiind vorba aici atât despre particule toxice solide , cât și despre gaze.

În plus, microorganismele și alte animale care populează gunoaiele pot dăuna populației care locuiește în împrejurimi. Estimativ, metanul produs la rampele de gunoi constituie circa 12-15% din totalul de metan emis în atmosferă. Metanul este un gaz cu un efect de seră puternic – de 11 de ori mai mare decât capacitatea dioxidului de carbon. Pe de altă parte, metanul este o resursă energetică foarte calitativă. Iată de ce merită să ne ocupăm de captarea metanului la rampele de gunoi.

Colectarea și transportarea deșeurilor municipale solide în afara razei orașului, stocarea la rampele de gunoi și reciclarea lor presupune un efort considerabil.

La câteva luni de la depozitarea deșeului municipal , sub acțiunea bacteriilor și microorganismelor substanțele organice încep a putrezi și a se descompune, eliminând metan.

S-a estimat că pe o perioadă de 20 de ani, dintr-o tonă de deșeuri menajere depozitate la o rampă se emite cea 150-200 m3N de biogaz, care ar putea fi utilizat pentru producerea de energie.

Puterea calorifică a biogazului de rampă variază în dependență de calitatea deșeurilor între 14-27 MJ/m3. In mediu, 1 m3 biogaz este echivalent cu cea 0,51 de petrol.

Componentele principale ale gazului de depozit sunt metanul și dioxidul de carbon, celelalte componente fiind neînsemnate, însă decisive pentru a-i da biogazului un miros urât.

In compoziția biogazului mai intră, în volum foarte mic, alte gaze, cum ar fi compuși de clor sau sulf, care sunt aduse la rampă împreună cu deșeurile sau sunt produse în urma unor reacții chimice.

Producerea biogazului din biomasă vegetală și din deșeuri animaliere este, fără îndoială, una dintre cele mai promițătoare căi de producere a „energiei verzi". Masa vegetală și dejecțiile și sunt cele mai răspândite forme de biomasă existente, începând cu iarba din grădină și terminând cu deșeurile din agricultură, acvacultura și din domeniul forestier.

In UE, numărul agricultorilor care se decid în favoarea unei stații de biogaz crește de la an la an. Cheltuielile de investiție și întreținere a acestor instalații sunt diferite și depind, în mare parte, de dimensiunile acestora. Cu toate acestea, interesul agricultorilor este în creștere.

Energia obținută de la stațiile de biogaz este îndeajuns pentru acoperirea necesităților proprii, dar și pentru a obține venituri suplimentare de pe urma livrării excesului în rețea sau localităților învecinate. Totodată este rezolvată și problema diverselor deșeuri agricole care, de altfel, trebuiau pur și simplu aruncate, necesitând pentru aceasta eforturi suplimentare, inclusiv financiare.

Posibilitatea utilizării unei diversități mari de biomasă vegetală și deșeuri animaliere duce la creșterea considerabilă a potențialului acestei tehnologii.

Dejecțiile animaliere la fermele producătoare sunt colectate sub formă solidă, lichidă, semi-solidă sau suspensii. Pentru aceasta, se utilizează diferite sisteme de colectare și stocare a lor, respectându-se anumite cerințe sanitare și de mediu. Cu ajutorul unor pompe și mixere, masa este omogenizată și amestecată. Cantitatea necesară de bălegar este dozată printr-un program specific, pentru a contribui la buna funcționare a digestorului. O calitate mai bună a biogazului se obține atunci când deșeurile sunt „proaspete". Cantitatea de biogaz obținută din dejecții depinde de tipul dejecției și de calitatea hranei oferite animalelor. Dejecțiile de păsări, spre exemplu, conțin o cantitate mai mare de energie, deoarece păsările nu valorifică eficient hrana.(tab.nr.30)

Tabelul nr. 30 – Producția de biogaz și energie din deșeuri animaliere

Reziduurile vegetale agricole reprezintă cea mai mare parte din toate tipurile de reziduuri vegetale. Ele apar în urma procesării materiei prime și pot rezulta practic de la prelucrarea fiecărui produs agricol.

Cele mai semnificative reziduuri sunt:

Paiele de grâu, ovăz, orz, secară, rapiță, orez;

Frunzele verzi sau uscate de diverși copaci, sfeclă de zahăr, floarea-soarelui, sfeclă furajeră;

Pleavă de diferite boabe cerealiere (orz, ovăz, grâu, orez);

Diferite semințe;

Coji de nuci, de alune, de semințe de floarea-soarelui;

Coceni și știuleți de porumb;

Lujeri de roșii, cartofi, soia, fasole etc;

Resturi de trifoi, lucerna verde sau uscată;

Tulpini de in sau bumbac;

Resturi de teasc.

Reziduurile forestiere reprezintă masa verde rămasă în urma defrișărilor de pădure, după separarea lemnului, iarba sau fânul.

Reziduurile vegetale urbane sunt diverse frunze și lăstari verzi sau în formă uscată, strânse din numeroase parcuri sau rezultate în urma curățirii copacilor sau tufarilor, iarba tăiată de pe gazoanele orășenești etc.

O valoarea importantă o au reziduurile rămase în urma procesului de producere a altor tipuri de biocombustibili (biodiesel, bioetanol) din plante energetice cum ar fi rapița, porumbul sau alte culturi. După fermentare, aceste reziduuri pot da o cantitate mare de biogaz.

Reziduurile vegetale se dovedesc a fi resurse energetice foarte ieftine, deoarece, la obținerea lor, se fac doar cheltuieli de colectare, transport și depozitare. Cheltuielile mici vor genera un preț de cost al biogazului mai mic și, respectiv, venituri mai mari pentru producător.

Plantele energetice sunt culturi agricole cultivate pentru producerea silozurilor din care, ulterior, se va produce biogaz.

Principalele plante cultivate cu scopul producerii energiei sunt:

Porumbul,

Secara,

Sorgul zaharat,

Trestia de zahăr,

Floarea-soarelui,

Lucerna, trifoi

Plante acvatice (zambila de apă, nufărul, algele).

Toate aceste plante au o viteză de creștere foarte mare , ceea ce permite într-un timp relativ scurt obținerea unei cantități destul de mari de biomasă vegetală.

Unele plante acvatice, de exemplu algele, cresc foarte repede, ceea ce le face atrăgătoare pentru zonele respective.

In majoritatea cazurilor, plantele energetice utilizate la producerea biogazului pot fi recoltate de două ori pe an. De obicei, se face o rotație a acestora pentru a garanta o funcționare mai eficientă a stației de biogaz.

Pentru cultivarea plantelor energetice pot fi folosite terenurile arabile sau cele care nu au fost cultivate din anumite motive.

În cazul plantelor energetice, costul biogazului va fi mai mare, deoarece este necesar de a efectua cheltuieli ce țin de plantarea, întreținerea și recoltarea culturilor date. Indiferent de materia primă vegetală utilizată pentru producerea biogazului, aceasta trebuie să conțină un procent de umiditate nu mai mic de 50-60%, în unele cazuri chiar și peste 80%.

In UE, producerea biogazului și a altor biocombustibili din culturi agricole este reglementată astfel încât acest lucru să nu se reflecte negativ asupra producerii de alimente sau asupra mediului înconjurător.

În tab.nr. 31 sunt prezentate valoriile medii ale biogazului obținut din diverse tipuri de reziduuri agricole.

Tabelul nr. 31 – Valoriile medii de producțe a biogazului din diverse surse de reziduuri agricole

Gazificarea biomasei este un proces, în rezultatul căruia substanța organică solidă este transformată în gaze combustibile, prin intermediul unor reacții termochimice. Procesul se realizează la temperaturi foarte ridicate, cu cantități foarte mici de aer, pentru a nu permite arderea completă, dar care este îndeajuns pentru a transforma biomasa în combustibil gazos.

Gazele formate în acest proces poartă denumirea de gaze sintetice sau singaz.

Pentru producerea singazului sunt folosite mai multe tipuri de biomasa, însă cel mai des este utilizat lemnul și derivatele acestuia (biomasa solidă), în particular, reziduurile agricole și deșeurile de la industriile de prelucrare a lemnului.

In ultimii ani, s-a răspândit pe larg tehnologia de producere a singazului din diverse deșeuri organice solide de la platformele de gunoi. In acest scop, deșeurile organice sunt selectate de alte tipuri de deșeuri, apoi sunt dezaerate, presate și brichetate. Brichetele obținute sunt folosite pentru producerea singazului.

La moment, există probleme în vederea obținerii singazului din biomasa verde, din cauza umezelii sporite, care poate duce la unele pierderi de energie. Potențialul energetic mare pe care le poartă acestea sporesc insistența încercărilor de a obține, totuși, tehnologii eficiente pentru conversia lor în gaze de sinteză.

Volumul mare al biomasei și forma ei neomogenă creează unele dificultăți în ceea ce privește manipularea acesteia. De asemenea, sunt necesare spații mari pentru depozitarea și arderea nemijlocită a biomasei.

Pentru a obține o structură cât mai omogenă a materiei prime, dar și pentru sporirea unor calități ale biomasei, se realizează peletarea, brichetarea sau compactarea unor tipuri de biomasă. Pe lângă simplificarea procesului tehnologic, aceasta duce la creșterea randamentului producerii de singaz.

Pentru diferite instalații de gazificare sunt prestabilite anumite caracteristici ale biomasei, de exemplu, structura, dimensiunea sau conținutul de umiditate. Dacă o instalație de gazificare, planificată pentru arderea brichetelor va utiliza în schimb așchii de lemn, cantitatea de singaz produs va fi mai mică, însă va spori producția de gudron.

Peletarea se realizează prin mărunțirea practic până la praf a așchiilor, rumegușului, surcelelor sau cojilor de copaci, după care urmează presarea separată sau combinată a acestora. De obicei, peletele au formă cilindrică, cu diametrul de până la 25 mm.

Brichetarea se obține prin presarea diverselor reziduuri agricole sau forestiere într-o presă cu piston sau șurub. Brichetele au formă cilindrică sau rectangulară. Umiditatea peletelor și a brichetelor este de circa 10%, iar densitatea lor este de aproximativ 600-700 kg/m3. Căldura de ardere a peletelor sau brichetelor este de circa 17 GJ/t.

Compactarea biomasei simplifică considerabil procesul de transportare și depozitare a ei, precum și alimentarea gazificatoarelor.

În fig.nr.23 este reprezentat principiul de bază al producerii gazului sintetic din biomasă. Reactorul sau gazificatorul reprezintă o instalație mobilă sau fixă care poate fi construită din beton, oțel sau cărămidă și cuprinde câteva componente de bază: cameră pentru arderea combustibilului, intrarea agentului de oxidare, spațiu de captare a produselor gazoase, grătar.

Figura nr. 23 – Principiul de producere a singazului din biomasă

Conversia termică a biomasei în singaz se realizează prin două tehnologii: gazificare și piroliză. Aceste metode sunt desfășurate în condiții de temperaturi și presiuni înalte și pot fi folosite independent de alte procedee chimice sau împreună cu acestea.

Piroliza rapidă este realizată prin descompunerea termică la temperaturi moderate în absența aerului, cu viteze mari de încălzire și cu timpi de staționare mici ai vaporilor în zona de reacție. Primele instalații industriale de piroliză a biomasei au fost realizate în anii '90 ai sec. al XX-lea în SUA, Canada.

Gazificarea se realizează prin încălzirea biomasei cu o cantitate de oxigen egală cu 1/3 din cantitatea necesară arderii complete. Astfel se obține un amestec gazos ce conține îndeosebi CO și H2 numit gaz de sinteză sau singaz.

Indiferent de tehnologie, conținutul umidității în biomasa nu trebuie să depășească 35%. În acest scop, biomasa este supusă unui proces de uscare, pentru a spori calitățile combustibile ale acesteia.

Căldura de ardere a gazului de sinteză obținut poate avea valori cuprinse între 3-20 MJ/m3, ceea ce reprezintă 10-50% din căldura de ardere a gazelor naturale. Acest indicator depinde de un șir de factori cum ar fi conținutul de oxigen și hidrogen în materia primă utilizată, tehnologia și instalația de gazificare aplicate etc.

Valoarea calorifică este determinată de concentrația monoxidului de carbon și hidrogenului. Ceilalți compuși prezenți în singaz sunt preponderent C02 și alte gaze necombustibile.

Tehnologia de conversie a biomasei în biocombustibili gazoși este una ce se bucură de o atenție tot mai mare în ultimii ani, însă implementarea în practică a instalațiilor de gazificare este lentă din motive de costuri ridicate.

Principalele avantaje ale gazificării biomasei sunt următoarele:

Combustibilul gazos obținut dispune de un diapazon de utilizare mult mai larg decât combustibilii solizi. Combustibilul gazos poate fi utilizat direct în instalațiile de încălzire, instalațiile de turbine, motoarele cu ardere internă, celulele de combustie, precum poate fi distribuit prin conducte și chiar amestecat cu gazul natural.

Instalațiile de gazificare pot fi proiectate spre a utiliza o varietate largă de materii prime, de la resturi lemnoase până la deșeurile din industriile de prelucrare a cerealelor, fără modificări majore în structura tehnologică a acestora.

Gazul obținut prin gazificarea biomasei, poate fi bine purificat, utilizarea lui implicând

emisii extrem de reduse în comparație cu arderea directă a biomasei

Gazificarea poate fi utilizată și la procesarea deșeurilor municipale, industriale, contribuind astfel la eliminarea deșeurilor respective

Gazificarea biomasei reprezintă un proces termochimic de conversie prin oxidarea parțială a unei materiei organice solide într-un produs gazos.

Principalele reacții în procesul de gazifiere sunt:

Oxidarea parțială în procesul de gazificare se realizează utilizând aer, abur, oxigen sau amestecuri dintre acestea. Gazificarea cu aer este foarte solicitată, deoarece tehnologia dată este mai puțin costisitoare.

Gazificarea cu oxigen asigură obținerea unui gaz cu putere calorică mai mare – între 10-18MJ/m3N.

Gazificarea biomasei se poate realiza prin două tehnologii de bază: tratarea biomasei în strat fix și în strat fluidizat. Instalațiile de gazificare cu arderea biomasei în strat fix sunt mai simple, mai ieftine, mai ușoare în exploatare, însă calitatea combustibilă a gazului produs este inferioară celui obținut prin tehnologia gazificării în strat fluidizat.

Gazificatoarele cu strat fix dispun de un grătar fix, amplasat în camera de gazificare. Biomasa este distribuită deasupra stratului de materie primă parțial gazificată, cenușii și cocsului de pe grătar. In dependență de direcția de suflare a aerului sau oxigenului, există trei tehnologii de gazificare: în curent ascendent, descendent și contracurent.

În tab.nr.32 sunt prezentate principalele caracteristici , avantaje și dezavantaje.

Tabelul nr. 32 – Principalele caracteristici , avantaje și dezavantaje ale gazeificării

Costul total al instalației de gazificare, costul unei centrale de producere a singazului, precum și alte caracteristice de performanță sunt prezentate tab.nr.33.

Tabelul nr. 33 – Performanțele tehnologiilor de gazeificare

Piroliza biomasei reprezintă descompunerea moleculară a acesteia sub influența căldurii și în absența oxigenului.

Procesul are loc la temperaturi de circa 400-800°C, la care masa lignocelulozică conținută în biomasă se descompune, obținându-se, un produs gazos — gaze de ardere, un produs lichid — biouleiul și un produs solid — cărbunele, mangalul.

Combustia poate fi realizată prin piroliză rapidă sau piroliză lentă. Piroliza lentă este, de obicei, utilizată pentru producerea de cărbune, mangal. Pentru producerea singazului este folosită piroliza rapidă. Principiul de bază al tehnologiei pirolizei rapide constă în încălzirea rapidă a biomasei la o temperatură care poate varia între 400-800°C și la o presiune cuprinsă între 50-350 bar. In aceste condiții, sub influența unui flux puternic de căldură, biomasa este descompusă în substanțe gazoase, lichide și solide.

Temperaturile de circa 700°C favorizează producerea gazelor, care pot constitui până la 80% din materia primă în timp ce cantități mai mari de produse lichide sunt produse la temperaturi de aproximativ 600°C (circa 70% din biomasa introdusă).

Structura produselor rezultate în urma procesului de piroliză depinde de fluxul de căldură injectat în proces, timpul de expunere a materialului și de temperatura la care are loc piroliza. Viteza fluxului de căldură, în acest caz, are o importanță majoră. O încălzire mai rapidă a biomasei va asigura o creștere a producției de gaze și, respectiv, o descreștere a producției de cărbune (. Dimensiunea și forma biomasei supuse pirolizei, de asemenea, are o mare importanță. Cu cât este mai mică granulația biomasei, cu atât mai mare este producția de singaz.

Procedeul Fischer-Tropsch constă în producerea gazului de sinteză pentru transformarea lui în metanol sau alti biocarburanti.

O nouă metodă, bazată pe acest principiu constă în lichefierea biomasei prin aplicarea tehnologiei pirolizei rapide, în urma căreia se obține un produs uleios dens cu densitatea de circa 300 kg/m3. Pompată mai apoi într-un gazogen, la temperaturi și presiuni mai mari, această suspensie este transformată în gaz de sinteză.

Costul singazului obținut prin tehnologia de piroliză este variabil și depinde în mare măsură de tipul materiei prime, tipul tehnologiei, dimensiunile și construcția instalațiilor.

Gazul de sinteză obținut prin procesul de piroliză este supus unui proces de curățare, pentru a putea fi folosit după destinație.

Piroliză, din punct de vedere tehnologic, poate fi realizată pe diferite căi:

O parte din biomasă este arsă pentru a genera căldura necesară realizării pirolizei, iar cealaltă este procesată discontinuu. Această metodă este utilizată, de obicei, în cazul pirolizei lente, pentru obținerea cocsului, precum și a gudronului.

Materia primă este încălzită cu gazele de ardere, în lipsa oxigenului. Procesul este continuu; capacitatea de producție a instalației de piroliză este de cel puțin de o tonă de cocs pe oră. întreg procesul de piroliză este pornit prin arderea de combustibil lichid (păcură), dar odată cu apariția gazelor combustibile din biomasa, acest combustibil este înlocuit cu arderea gazelor produse. Această metodă permite un control mai eficient al emisiilor.

Biomasa supusă pirolizei este încălzită cu ajutorul unor materiale necombustibile fierbinți, spre exemplu nisipul. Această tehnologie este utilizată în cazul pirolizei rapide, pentru producerea combustibililor gazoși și lichizi.

În fig.nr. 24 este prezentată schema conversiei biomasei în singaz.

Figura nr. 24 – Conversia biomasei în singaz cu producerea ulterioară a energiei electrice și termice

De menționat că până în prezent nu există instalații comerciale pentru producerea uleiul de piroliză, care ar putea fi utilizat drept combustibil lichid la centralele electrice.

Anexe

CEN/TC 335 – Standarde pentru biocombustibili solizi

Anexa nr. 2 – Coeficienții de conversie a unităților de măsură a energiei

Anexa nr. 3 – Relații importante

Anexa nr. 4 – Scurt glosar de termeni

Bibliografie

Badea A., Necula , H. – Surse regenerabile de energie , Ed.AGIR , București , 2013

Brown , R.C. – Thermochemical Processing of Biomass , John Wiley and Sons , Ltd. Publ., West Sussex , 2011

Buzdugan , R., Tripșa , I. – Promovarea în România a surselor regenerabile de energie , CHIMINFORM DATA , București , 2006

CDM-EB 23 Report Annex 18 – Definition of renewable biomass , 2006

Crocker , M. – Thermochemical conversion of biomass to liquid fuels of biomass to liquid fuels and chemicals , RSC Publ. Cambridge , U.K., 2010

Dahiya , A. – Bioenergy – Biomass to Biofuels , Academic Press , Amsterdam , 2015

Damien , A. – La biomasse énergie , définitions , ressources et modes de transformation , 2e édition , Dunod , Éditeur de Savoirs , 2013

Demirbas A. , – Bioethanol from cellulosic materials , Energy Souces . 2005, 27 , 327-337

McGowan , T.F. – Biomass and alternate fuel systems , John wiley & Sons , Inc., New Jersey , 2009

Hood , E.E., Nelson , P., Powell , R. – Plant biomass conversion , Wiley-Blackwell , West Sussex , 2011

Kamm, B., Gruber , P.R., Kamm, M.- Biorefinery – Industrial Processes and Products , Wiley-VCH , Weinheim , vol.I-II, 2006

Klass , D.L. – Biomass for renewable energy , fuels , and chemicals , Academic Press , London , U.K., 1998

van Loo , S., Kopperjan , JJ. – The handbook of biomass combustion and co-firing , Earthscan , London , Sterling , 2008

Lowenstein , M.Z.- Energy application of biomass , Elsevier Applied Science Publ. , London and New York , 1985

Michalides , E.E.S. – Alternative Energy Sources , Springer , Heidelberg , 2012

Neamțu , G. – Biochimie vegetală , Ed.Ceres , București , 1981

Nikolić , V. – Producerea și utilizarea biogazului , Chiminform Data , București , 2005

Obernberger , I., Thek, G. – The Pellet Handbook , Earthscan , London , Washington DC 2010

Rosillo-Calle , F., ș.a. – The biomass assessment handbook , Earthscan , London , Sterling , 2007

Shaukat , S.S.- Progress in biomass bioenergy production , InTech , Rijeka , Croatia , 2011

Tripșa , I. – Gazificarea cărbunilor , biomasei și deșeurilor , Chiminform Data , București 2004

Vertes , A.A. ș.a.- Biomass to biofuels : strategies to global industries , John Wiley & Sons , Ltd., West Sussex , 2010

x x x – Directiva 2009/28/CE a Parlamentului European și a Consiliului din 23 aprilie 2009 privind promovarea utilizării energiei din surse regenerabile, de modificare și ulterior de abrogare a Directivelor 2001/77/CE și 2003/30/CE

x x x – Biomass Action Plan , COM(2005) 628 , OJ 49 – 28.02.2005

x x x – Strategia UE pentru producerea de biocombustibili , COM(2006) 34 final