Bio Masa in agricultura

8/9/2019 Bio Masa in agricultura

1/23

B I O M A S A

Biomasa este, sub rezerva unei exploatri durabile a acesteia, un tip de energie regenerabil,care furnizeazbiocombustibili (n general sub formsolid) i biocarburani (n general sub formlichid).

Consumul de biomas, ca energie primar, este n Frana de 10-11 Mtep (la nceputul anilor

2000), n principal sub formlemnoas. Frsse constituie culturi energetice specifice, potenialulde biomas ar putea fi dublat, doar prin recuperarea sistematic a tuturor deeurilor organice:deeuri menajere i industriale ne-reciclabile, tratarea prin metanizare a filtrelor de epurare i adeeurilor agricole, care ar genera biogaz. Potenialul energetic este de 60 TWh/an, adic15% dinconsumul final de electricitate din Frana.

Biomasa este frecvent utilizatn sistemele de cogenerare care produc electricitate ca i ncentralele clasice, prin valorificarea cldurii, altfel pierdut, din diverse aplicaii: nclzirea

ncperilor, nevoi industriale, agricultur. Aceast tehnologie permite creterea randamentuluiconversiei energetice.

Biocarburanii lichizi, mai scumpi din punct de vedere al obinerii, produi pe baza unorculturi energetice (stuf, trestie de zahr, floarea soarelui, gru, porumb etc,), sunt cel mai bine pui

n valoare n aplicaii din domeniul transportului. Ei sunt utilizai n prezent, mai ales pentrualimentarea motoarelor termice, fiind amestecai cu mici cantiti de carburani tradiionali, pentru ale ameliora caracteristicile.

Se apreciaza ca Romania are un potential de biomasa evaluat la circa 7594 mii toneechivalent petrol/an reprezentand aproape 19% din consumul total de resurse primare la nivelulanului 2000. Biomasa este reprezentata de: reziduuri din exploateri forestiere si lemn de foc, deseuridin industria de prelucrare a lemnului (rumegus, talaj), deseuri agricole(tulpini), biogaz, deseuri sirezidiuri menajere. Valorificarea potentialului energetic al biomasei ar putea sa acopere aproximativ70% din angajamentele Romaniei referitoare la aportul surselor regenerabile in energia totalconsumata. Obiectivul principal privind utilizarea biomasei consta in asumarea unui consumechivalent de circa 3347,3 tone echivalent petrol pana in anul 2010 cu o productie medie anuala deenergie de 1134 Gwh. Acest obiectiv se poate materializa prin realizarea de capacitati noi de

productie a energiei pe baza de biomasa. Pe termen mediu si lung, cresterea cantitatii de biomasa sepoate asigura din plantatii (arbori si arbusti cu crestere rapida) pe terenuri degradate sau scoase dincircuitul agricol, precum si din valorificarea integrala a resurselor existente (plante oleaginoase cuprocesare la biodiesel si valorificarea energetica a turtelor, glicerinei si deseurilor de la recoltare).

Principalii biocombustibili care pot fi folositi in Romania sunt: bioetanolul, uleiurilevegetale, biodieselul, biogazul, biocombustibilii de sinteza (amestec de hidrocarburi rezultat dinprelucrarea produsului pirolizei materialelor ligno celulozice), biometanol, hidrogen. Principalelesurse de materii prime pentru biocombustibili sunt: uleiuri vegetale pentru productia de biodiesel,sfecla de zahar sau sorgul zaharat (pentru productia de etanol de fermentatie), deseurile organice,uleiuri comestibile uzate, deseurile animale, gunoiul menajer, masa vegetala (care pot fi folositepentru productia de biodiesel, biogaz, hidrogen).

Se estimeaza ca la nivelul consumului actual, rezervele de titei ar putea acoperi consumul

mondial pe cel mult 44 ani. Resursele fosile neuniform repartizate pe glob pot duce uneori larestrictionarea accesului. Poluarea in crestere este ea insasi alarmanta pentru viitorul omenirii. Toateacestea pot constitui motive puternice pentru dezvoltarea unor tehnologii pentru obtinerea deenergie din resurse regenerabile.

In Romania oportunitatile pentru aplicarea unor asemenea tehnologii sunt sprijinite deurmatoarele aspecte:

- circa 45% din populatie traieste in mediul rural si se ocupa cu agricultura;- suprafata agricola este mare (15 mil. ha. din care 9 mil. ha pamant arabil);- circa 1,5 mil. ha pamant ramane necultivat;- pentru asigurarea consumului de carburanti Romania importa titei;


2/23

- numarul de vehicule cu motor este in crestere;- prin aderarea la UE Romania este obligata sa aplice reglementarile de reducere a noxelor.Ca adaus in combustibilii conventionali, biodieselul poate fi utilizat in motoarele standard

fara modificari, cu reale imbunatatiri ale combustiei si reducerea noxelor generate de acestea.Productia de bioetanol prin metode fermentative urmata de operatiile de concentrare, cere

cheltuieli serioase legate de calitatea materiei prime si de procesele energofage implicate. In acesteconditii etanolul s-ar putea sa nu fie biocombustibilul potrivit pentru Romania.

Alternativa viabila din punct de vedere al asigurarii materiei prime regenerabile pentruRomania este producerea de biodiesel cu valorificarea integrala a subproduselor(srot proteic furajer,deseu de blaz energetic, piroliza deseurilor celulozice).

Modul de organizare al agriculturii romanesti si tendintele manifestate in ultimii ani prinaparitia multor firme de marime mica si medie precum si discutiile purtate cu fermieri, sugereaza cainitiativa realizarii unor platforme de uz local/regional pentru producerea de biodiesel ar fi foartebine receptata de piata.


3/23

CONVERSIA BIOMASEI

Procesele de conversie ale biomasei sunt : biologice si termice. Cele biologice suntprocesele de hidroliza, fermentatie si digestie anaeroba. Cele termice sunt : combustia, gazifierea,piroliza, lichefierea.

Procesele de conversie termica a biomasei incep cu o reducere a continutului de umiditate amaterialului, ceea ce duce la o crestere a capacitatii calorice a acesteia.

Procesul de piroliza rapida formeaza un produs lichid sau semilichid care poate fi procesatmai departe pentru obtinerea de carburanti sau pentru producerea de gaz de sinteza.Piroliza lenta este cunoscuta in general pentru producerea de carbune.Conversia compusilor organici din masa de alimentare in produsi lichizi are loc la

temperaturi de 300 5000C, iar in procesul catalitic la presiune ridicata (50 350 bar), realizat in

atmosfera reducatoare( H2

sau CO) sau utilizand un sistem donor de hidrogen.

Gazefierea biomasei este un proces ce se desfasoara la temperatura ridicata in care uncombustibil solid reactioneaza cu abur, CO

2, oxigen sau aer. Cele mai importante reactii sunt :

C + 1/2 O2

= CO

C + O2

= CO2

C + H2O(vap) = CO + H2C + H

2O(vap) = CO

2+ 2 H

2

C + CO2

= 2 CO

CO + 3 H2

= CH4

+ H2O(vap)

C + 2 H2

= CH4

Piroliza biomaseieste procesul de rupere a moleculelor acesteia sub influenta caldurii, intr-oatmosfera inerta, pentru a obtine un produs gazos continand CO

2, CO, H

2, CH

4, C

2H

6, C

2H

4,

benzen, etc., un produs lichid alcatuit din gudron, hidrocarburi cu masa moleculara mare, apa,precum si un produs solid format din carbune.

Piroliza rapidaa biomasei consta in incalzirea rapida( la nivel de sute de grade pe secunda,

normal in jur de 500 0C/s) a biomasei solide intr-o atmosfera inerta pentru a produce combustibiligazosi, lichizi si solizi. Intr-un gazificator in pat fluidizat, piroliza rapida este reactia initiala abiomasei. Transferul de caldura intre particule are loc cu viteze ridicate rezultand biocombustibili la

temperatura de operare ridicata, de obicei intre 750 9500C.

Experimental s-a realizat piroliza rapida si lenta a biomasei la temperaturi de 800 10000C

si la temperaturi mai joase de 400 8000C, principalul obiectiv fiind productia de gaz si carbune.

Materiile prime au fost : lemn de mesteacan si plop, srot din seminte de rapita rezultat dupastoarcerea uleiului, paie de grau, etc.

Sistemul experimental a fost construit dintr-un reactor tubular cu diamentrul interior de 40mm si lungimea de 1200 mm, un sistem de alimentare cu dozator, un rezervor la baza reactorului

pentru carbune si un filtru pentru produsul in faza de gaz vapori. Gazul purtator, azotul(1530L/h), a fost si el incalzit inainte de a fi introdus in reactor. Viteza de incalzire in sistem a fost de 350C/s. Produsul sub forma de gaz vapori este racit pentru a condensa compusii mai grei care se

separa ca fractie lichida(gudron).Pe parcursul experimantarilor s-a observat ca o incalzire rapida a biomasei creste productia

de volatile si descreste productia de carbune( mangal).Lucrul la temperaturi mai inalte duce la cresterea cantitatii de gudron si la scaderea celei de

carbon. La temperaturi mari creste si viteza de transformare a gudronului in produsi volatili.


4/23

Micsorand granulatia materiei prime supusa procesului de piroliza s-a obtinut o scadere aproductiei de carbune si o crestere a celei de gaz. Micsorarea dimensiunilor particulelor pirolizateduce la un transfer mai bun de caldura.

Rezultatele experimentale arata o relatie directa intre concentratia de lignina din materiaprima supusa pirolizei si productia de mangal obtinuta prin piroliza rapida. Astfel o proba continandnumai lignina a dat 22% mangal, in timp ce din una continand numai celuloza a rezultat numai0,3% mangal. Srotul de rapita continand circa 15% lignina a dat prin piroliza rapida 3,9% mangal

restul fiind produse volatile.Analiza mangalului obtinut arata ca o data cu cresterea temperaturii de piroliza, continutulde carbon creste iar cel de hidrogen si oxigen scade.

Reactivitatea mangalului in reactia cu vapori de apa este cu atat mai mare cu cat temperaturade piroliza a fost mai mare, timpul de reactie mai scurt, iar materia prima a fost constituita dinparticule de dimensiuni mai mici.

Mangalul obtinut prin piroliza lenta are o structura fibroasa, pe cand cel obtinut prin pirolizarapida are o structura poroasa.

Compozitia gazelor produse in cursul pirolizei arata cresterea procentului de hidrogen siscaderea procentului de hidrocarburi cu cresterea temperaturii de piroliza datorita intensificariireactiilor de cracare termica. Asemanator, la piroliza rezidurilor agricole se constata o scadere acontinutului de CO

2si o crestere a celui de CO, o data cu cresterea temperaturii.

Cresterea temperaturii de contact dintre faza gazoasa si cea solida favorizeaza cracareahidrocarburilor alifatice si formarea de asemenea a hidrogenului si a hidrocarburilor aromatice(benzen, toluen).

Particulele de dimensiuni mici favorizeaza cracarea hidrocarburilor cu o crestere aproductiei de hidrogen.

Daca scopul gazificarii biomasei este producerea gazului de sinteza pentru fabricareametanolului sau a carburantilor prin procedeul Fischer Tropsch, metoda care se pare ca a inceputsa fie aplicata consta in lichefierea biomasei lignocelulozice prin piroliza rapida. Se obtine o

suspensie densa de aproximativ 1300 Kg/m3

continand mangal in ulei de piroliza. Aceasta suspensiecolectata de la mai multe instalatii de piroliza este transportata la o instalatie centrala mare degazificare. Aici suspensiile sunt pompate intr-un gazogen si tranformate in gaz de sinteza la

temperatura si presiune mai ridicate.In cursul unor experimentari de gazificare a srotului de rapita cu aer, s-a obtinut un produs

gazos ce continea 1824% H2, 1822% CO, 79% CH

4, 13% hidrocarburi C

2

+, deci in jur de 33%

gazul este format din compusi cu putere calorica superioara care poate fi valorificata pentruproducerea de energie.

Dupa cum se poate deduce din cele expuse pana aici, cercetarile facute demonstreaza caposibilitatea aplicarii in practica a proceselor de recuperare si valorificare a biomasei in cadrul unorplatforme de procesare integrate, este reala putand aduce beneficii privind reducerea dependentei decombustbilii fosili, micsorarea poluarii, valorificarea integrala a materiilor agricole, stimulareaculturii plantelor tehnice in vederea obtinerii de profituri mai mari pe suprafata cultivata, crestereanivelului de trai in localitatile rurale prin productia locala de combustibili, energie termica si

electrica.


5/23


6/23

- Procedeele BIO de obtinere a metanolului vor capata aplicabilitate practica odata cueficientizarea acestora si cu epuizarea resurselor de gaze naturale.

BIOETANOLUL

Utilizarea bioetanolului drept carburant pentru motoarele cu ardere interna nu este o inventierecenta, fiind practicata de aproape un secol si jumatate. Ideea folosirii bioetanolului drept carburant

pentru motoarele cu aprindere prin scnteie dateaza din primele decade ale secolului al XIX-lea. n1860 Nicolaus A. Otto a utilizat etanolul pentru alimentarea prototipului motorului sau, precursorulmotoarelor cu aprindere prin scnteie de azi.

Marele constructor de automobile Henry Ford a proiectat motorul modelului T (1908) ca safunctioneze cu etanol si a construit mpreuna cu Standard Oil o uzina pentru producerea acestuicarburant n Midwest. Astfel, s-a ajuns ca n anul 1920 etanolul sa reprezinte cca. 25 % dinvnzarile firmei Standard Oil. Ford a continuat promovarea folosirii etanolului, dar n 1940 uzina atrebuit sa fie nchisa sub efectul preturilor extrem de scazute oferite de industria petroliera.

Din 1925 etanolul o fost comercializat n Germania ca si aditiv pentru cresterea cifreicetanice.

"Redescoperirea" n ultimii ani a bioetanolului ca si carburant s-a datorat necesitatii degasire a unor surse de energie alternative care sa nlocuiasca treptat resursele minerale Mai mult

productia de bioetanol asigura att o dezvoltare sustenabila, ct si garanteaza disponibilitateaviitoare a combustibilului alaturi de o contributie semnificativa la reducerea emisiilor de CO2.

Criza titeiului din anii '70 a determinat guvernele multor tari sa promoveze producerea siutilizarea biocarburantilor.

Astazi bioetanolul este, de departe, cel mai important (cantitativ) produs de fermentatie. Lanivel mondial se produc anual 45,6 milioane litri (2005) din care peste 95,5 % sunt de originebiogenica. Brazilia si SUA sunt cei mai mari producatori dnd mpreuna cca. 90 % din totalulmonidial (fig. 9.9), Europa situndu-se deocandata la un nivel modest.

Totodata cca. 80 % din productia mondiala de etanol a fost utilizata drept car-burant pentrumotoarele cu ardere interna.

Productia mondiala de bioetanol pentru autovehicole este dominata de Brazilia si SUA, eaatingnd n 2006 nivelul de 32 milioane tone (cca. 51 milioane litri), avnd o crestere de 150 % fata

de 1998 (fig. 1.6).Este de remarcat ca n Brazilia bioetanolul (produs din trestie de zahar, fara a afecta

productia de alimente) asigura cca. 40 % din consumul de carburanti pentru motoarele cu aprindereprin scnteie, cca. 75 % din motoarele automobilelor noi fiind de tip flex-fuel.

n SUA bioetanolul este produs n principal din porumb, dar n acest caz balanta energeticaeste mai putin favorabila dect n cazul sfeclei de zahar sau trestiei de zahar.

n tarile UE utilizarea bioetanolului drept combustibil este facuta ca atare sau prin obtinereaetil-tertbutileterului (ETBE) din bioetanol (45%) si izobutene (55%). Ultima varianta, desi nu este

n ntregime bazata pe surse regenerabile, are avantajul ca foloseste un produs petrolier de valoarerelativ scazuta si procese chimice foarte bine stapnite.

Proiectul demonstrativ al UE BEST (Bioethanol for Sustainable Transport) urmaresteconfirmarea avantajelor date de folosirea bioetanolului si ncurajarea conversiei autovehiculelor labioetanol. Suedia este un pionier n domeiu avnd cca. 13.000 autovehicule pe amestecuri debioetanol si 200 statii de distributie (la nivelul anului 2005), iar aproape 60 % din statiile dedistributie a carburantilor sunt pregatite sa ofere consumatorilor E85 pna n 2009. Totodata,mentionam ca transportul public din orasul Stockholm este bazat n exclusivitate pe biocarbburanti.

Totodata se preconizeaca ca la finele anului 2008 n Franta vor circula cca. 200 000 deautovehicule de tip flexfuel, ce pot utiliza att benzina, ct si bioetanol (Alain Prost Lisabona2006). n acelasi timp, pna la sfrsitul anului 2007 vor functiona cu bioetanol E85 ntre 20000 si40000 autovehicule alimentate de la cca. 500 de statii de distributie pentru combustibili.


7/23

n Anglia planurile stimulative pentru bioetanol au devenit operante ncepnd din data 1ianuarie 2005. Ca urmare, la nceput a avut loc o crestere a pietiei mai importanta dect n cazulbiodieselului, mai ales pe baza bioetanolului de import.

Asociatia Europeana pentru Bioetanol (European Bioethanol Fuel Association EBIO)evidentiaza importanta optiunii pentru largirea bazei de materii prime regenerabile pentru obtinereabioetanolului prin urmatoarele avantaje:existenta unei potentiale baze majore de materii prime (sfecla de zahar, sorg zaharat, etc.)

dezvoltarea unei infrastructuri industriale care a acumulat o experienta necesara trecerii la productiape scara mare a bioetanolului. c. Impactul redus al bioetanolului asupra mediului ambiant (existapotential de redu-cere a emisiilor de CO2 cu pna la 70%) modificarile ce trebuie aduse motoarelorcu ardere interna pentru a folosi bioetanol sunt minore (unele amestecuri de combustibili petrolierisi etanol nu necesita nici un fel de modificari) motoarele cu ardere interna sunt mai eficiente si au oviata mai lunga.

Principalele companii Europene producatoare de bioetanol:Abengoa Bioenergy, Agroetanol (Spania),Sdzucker Bioethanol, KWST (Germania),Royal Nedalco (Olanda),Wessex Grain (Marea Britanie

Atingerea nivelului de 10 % n 2020 impune o crestere semnificativa a productiei de

biocarburanti si a nivelului de ncorporare a acestora dupa 2012.

Etanolul poate fi fabricat sintetic din petrol sau prin conversia microbiana a biomasei nprocesul de fermentatie. n 1995, aproximativ 93% din etanolul de pe glob a fost produs prinfermentatie si numai 7 % prin metoda sintetica.

Utilizarile actuale ale etanolului drept combustibil (pentru motoare) necesita concentratiimult mai mari ale acestuia fata de cele 8 10% ale etanolului brut obtinut din fermentatie, iarconcentrarea acestuia este realizata n prezent prin procedee de fractionare-distilare. Se poate avea

n vedere o crestere considerabila a eficientei energetice a etanolului din biomasa, promovnd deciutilizarea sa drept combustibil eficient (indirect) regenerabil si prietenos pentru mediu n sursele deenergie curata.

O noua tehnologie ce ar permite utilizarea etanolului diluat provenit din biomasa drept

combustibil ar crea totodata o piata largita pentru produsele agricole. O astfel de tehnologie noua arputea pune la dispozitie o sursa alternativa de energie comoda, eficienta si nepoluanta pentrucomunitatile mici sau rurale izolate sau surse de alimentare cu energie electrica n cazurile deurgenta.

Etanolul este usor de transportat si are o toxicitate redusa, ceea ce l face avantajos din punctde vedere al protectiei mediului. Etanolul este o importanta sursa regenerabila. Etanolul bioderivateste de regula produs sub forma unei solutii apoase continnd ntre 8 si 12 % masa etanol. Poate fiutilizat sub forma de combustibil alternativ, ca materie prima pentru producerea altor substante(etilena, acetaldehida, acetona etc.) sau poate fi convertit n hidrogen care sa alimenteze pile decombustie n scopul producerii de electricitate, mentionnd faptul ca apa este necesara ca materieprima.

Avnd n vedere proprietatile sale adecvate si disponibilitatea sa cvasi-universala, etanolul afost considerat ca un carburant posibil pentru motoare, practic n cursul ntregii istorii a motoarelorcu explozie .

Din totalul biomasei pentru fabricarea etanolului se deosebesc doua tipuri fundamentale dematerii prime:

- direct fermentescibile- amidonoase si celuloziceDin materiile prime direct fermentescibile cea mai mare utilizare o au sfecla de zahar si

diferite produse intermediare ale fabricarii zaharului. n tara noastra exista o bogata traditie privindobtinerea alcoolului din melasa de sfecla de zahar.


8/23

Obtinerea alcoolului etilic din materii prime amidonoase (cartofi, porumb, gru, orz)presupune transformarea amidonului in zahar fermentescibil proces ce se realizeaza sub actiuneaenzimelor aminolitice. Pentru favorizarea procesului de hidroliza este necesara fierberea subpresiune a materiilor prime, tratament care determina gelificarea amidonului, care necesita unconsum ridicat de energie.

Sursa cea mai importanta de alcool o reprezinta materiile prime celulozice sub forma dedeseuri agricole, deseuri industriale, vegetatie nevalorificata.

Productia de biobenzine de generatia I se bazeaza pe aplicarea biotehnologiilor, fie prinfermentarea materiilor prime zaharoase, fie prin hidroliza amidonului din cereale sau a meteriilorligno-celulozice (fig. de mai jos).

Avnd n vedere conditiile agropedologice din tara noastra, precum si experienta fermierilordin tara noastra, cultura sfeclei de zahar poate furniza materia prima pentru producerea catitatii debiobenzine necesare satisfacerii cerintelor Directivei UE privind energia regenerabila fara a periclitaaprovizionarea cu alimente a populatiei.

Astfel, un hectar cultivat cu sfecla de zahar poate furniza materia prima pentru producerea acca. 6240 l de biobenzine (fig. 2.2) ce nlocuiesc 4160 l benzina minerala.

Materia prima de baza utilizata n tara noastra pentru obtinerea etanolului, respectiv abiobenzinei, este melasa. Ea rezulta de la fabricile de zahar fiind o valoroasa materie prima pentruindustria fermentativa si de asemenea un valoros furaj pentru vite.

Productia de bioetanol din sfecla de zahar (fig. 2.3) cuprinde doua faze distincte:a. producerea n fabricile de zahar a sucului (zemii) si a siropului "verde". Zeama se obtine

prin spalare di difuzie, iar siropul dupa purificare, evaporare si cristalizareb. distilarea zemii si a melasei prin fermentare cu drojdii urmata de distilare nalta pentru a

creste concentratia etanolului si de dehidratare pentru obtinerea bioetanolului anhidru.Procesul tehnologic de producere a bioetanolului din sfecla de zahar nu este unul de sine

statator, dedicat n totalitate productiei de bioetanol deoarece n decursul sau rezulta o serie de alteproduse. Astfel, taieteii de sfecla sunt un subprodus extrem de important al procesarii sfeclei dezahar, ei putnd fi folositi n mai multe moduri:

- la producerea biogazului (n fermentatorul anaerobic);- la completarea hranei n zootehnie (pentru acesta fiind uscati n prealabil);- la procerea de caldura prin ardere dupa uscare;

- la producerea suplimentara de alcool prin zaharificare si fermentare.n faza de purificare se obtin spume care pot fi folosite ca si fertilizanti organici.Avnd n vedere aceste considerente industriale si comerciale, ntregul lant de procesare a

sfeclei de zahar trebuie divizat ntre obtinerea etanolului si cea a zaharului. n Franta (taraEuropeana care se afla actualmente pe primul loc la procesarea sfeclei de zahar) 50 % din productiade bioetanol provine din prelucrarea zemii, iar cealalta jumatate din prelucrarea siropului. Cu acestraport la fiecare kg de bioetanol se produc 3,96 kg zahar

Bioetanolul este etanol (C2H5OH) produs prin fermentarea biologica a carbohidratelorderivate din materii vegetale. El poate fi folosit fie ca aditiv, fie ca substituent pentru benzina.Etanolul anhidru (continut de apa < 1 %) poate fi combinat cu benzina in orice proportii, pna laeatnol pur 100 %. n Brazilia se utilizeaza motoare care pot functiona cu etanol hidratat, care esteun amestec azeotrop ntre etanol (cca. 93 % v/v) si apa (7 %). Acesta poate fi utilizat n amestec cubenzina n cazul motoarelor flexibile.

Din punct de vedere practic exista urmatoarele alternative de a folosi bioetanolul nmotoarele cu ardere interna:

- aditiv pentru benzine (ETBE). Procedeul este simplu si ieftin, dar actualmente nu existasuficiente capacitati de productie pentru ETBE;

- prin adaugarea (blending) etanolului, n cantitati moderate, direct n benzina sau motorina(pna la 15...25 %, combustibili cunoscuti sub codul E15, E25). Exista temeri privind calitateacombustibilului astfel obtinut (Directiva 2003/17).


9/23

- prin folosirea amestecurilor bogate n etanol (E85, E95, 85-95% etanol de fermentatie);asemena amestecuri pot fi folosite ca atare nlocuind benzina sau motorina

- prin folosirea etanolului 100%, direct n motoare (experienta Braziliana n materie estendelungata si relevanta).

- precursor pentru combustibili oxigenati;- hidrogen pentru celule de combustieEste de subliniat ca la nivelul consumurilor, cca. 1,5 litri etanol nlocuiesc 1 litru benzina.

Aceast raport se are n vedere la stabilirea necesarului de productie de biocombustibili si lantocmirea bilanturilor de mediu.Analiza proprietatilor fizico-chimice ale produsilor organici oxigenati de tip alcooli

evidentiaza o serie de diferente considerabile fata de carburantii lichizi de origine petroliera.Utilizarea eficienta a alcoolilor n calitate de combustibili impune, n consecinta, modificari deordin constructiv si privind reglarea motoarelor, att pentru atenuarea uror influente negative, ct sipentru valorificarea unor proprietati favorabi1e.

Dintre problemele principale care se ridica la utilizarea a1coolilor drept carburanti ca ataren motoare1e cu aprindere prin scnteie, se pot enumera:tendinta de reducere a puterii efective la un debit constant de alcooli, ca urmare a puterii calorificemai recluse a acestora, comparativ cu benzina (la arderea metanolului, se degaja o cantitate deenergie cu circa 50 % mai mica dect n cazul arderii unei cantitati echivalente de benzina, iar prin

arderea etanolului rezulta doar 66 % din energia degajata la arderea benzinei); prezenta oxigenu1uin structura moleculara a alcoolilor asigura, pe de alta parte, micsorarea necesaru1ui de oxigenpentru ardere, astfel ca n ansamblu, puterea calorifica a amestecului combustibil-aer, raportata lavolumul de amestec, este putin modificata (metanolul necesita cu 44 % mai putin aer pentrucombustie, comparativ cu benzina, iar etanolul doar 61 % din aerul necesar arderiii benzinei); prinurmare, se poate asigura mentinerea neschimbata a puterii motorului cu o cilindree data, prinmarirea corespunzatoare a debitului de carburant (pentru mentinerea razei de actiune aautomobilului trebuie marita, totodata, capacitatea rezervorului de carburant);

dificultatea pornirii la rece, determinata de presiunea redusa de vapori la temperaturi joase;n cazul utilizarii alcoolilor puri, pornirea la rece poate fi solu-tionata prin folosirea de carburantiauxiliari (benzina sau gaz petrolier lichefiat) sau ameliorarea pulverizarii (metanolul necesita pentruvaporizare de 3,7 ori mai multa caldura, iar etanolul de 2,6 ori, comparativ cu benzina);

tendinta de nrautatire a vaporizarii n sistemul de admisie, la motoarele cu carburator,determinata de valorile ridicate ale caldurilor de vaporizare ale alcoolilor si care necesitareproiectarea sistemului de admisie;

tendinta de crestere a frecventei incidentelor survenite la functionarea motorului la cald caurmare a formarii dopurilor de vapori si a emisiilor de alcooli (punctele de fierbere ale alcoolilorfiind coborte, comparativ cu benzina);

calitati defavorabile de ungere, determinate de viscozitatea redusa a alcaoli-lor si careafecteaza direct cuplurile de frecare, n primul rnd la nivelul pompei si n sectiunea de naltapresiune a instalatiei de alimentare;

incompatibilitatea compusilor organici si ndeosebi a alcoolilor cu uleiul de ungere si cumateriale de tipul elastomerilor cu care acestia vin n contact nemijlocit;coroziunea, determinata de alcooli si, de asemenea, de atacul chimic direct al unor compusispecifici, rezultati n cursul arderii;

toxicitatea alcoolilor si, ndeosebi, a metanolului; metanolul poate patrunde n organism pecale respiratorie, digestiva si cutanata; provocnd, n general, intoxicatii cu efecte grave, caredepind de conditiile expunerii si de susceptibilitatea individuala; concentratia limita de vapori demetanol n atmosfera, admisa la o expunere continua timp de 8 ore pe zi, este de 2600 mg/m3;efecte fiziologice pot, nsa, interveni si prin expunere la concentratii de 1,71-1,46 mg MeOH/m3.

Utilizarea bioetanolului are un efect extrem de benefic asupra nivelului reduceriiprincipalelor emisii poluante ale MAI


10/23

Cel mai important biocarburant din clasa alcoolilor; Se obtine in prezent preponderent din materii prime amidonoase sau bogate in zahar, prin procesefermentative; Materii prime traditionale: cereale (porumb, grau, orz, orez, etc.), sfecla de zahar, trestie de zahar,topinambur, sorg zaharat;Fazele tehnologiei clasice de obtinere a bioetanolului carburant1. Macinarea materiei prime;

2. Hidroliza enzimatica cu alfa-amilaza si amiloglucozidaza a amidonului (numai pentru materiileprime amidonoase);3. Fermentarea plamezii cu drojdie;4. Distilarea plamezii (se obtine alcool etilic de concentratie 60-80%)5. Rectificarea alcoolului etilic (alcool etilic de conc. max. 96,4% - azeotrop)6. Anhidrizarea bioetanolului (Distilare azeotropa cu benzen, tricloretilena, dietileter, n-pentan;

Distilare extractiva cu etilenglicol sau benzina; Pervaporatie prin procedeemembranare).OBS. Operatia de anhidrizare este obligatorie pentru utilizarea bioetanolului ca biocarburant, apacontinuta de alcoolul rectificat diminuand performantele in procesul de combustie.

DEZAVANTAJELE TEHNOLOGIEI CLASICE IN RAPORT CU UTILIZAREABIOETANOLULUI CA BIOCARBURANT

1. Tehnologia este energofaga, fiind afectat astfel raportul energie consumata pentruproducere/energie eliberata prin ardere;

2. Se obtin cantitati mari de deseuri si ape uzate;3. Multe din materiile prime sunt destinate alimentatiei umane; prin industrializarea excesiva

acestea sunt scoase din circuitul normal, afectand pretul alimentelor si ducand la cresterea inflatiei(se estimeaza ca la nivel global 100 milioane de oameni sunt afectati de cresterea pretuluialimentelor ca urmare a industrializarii exagerate);

4. Marirea suprafetelor cultivate pentru biomasa destinata obtinerii bioetanolului poateafecta biodiversitatea, prin distrugerea unor habitate naturale.

TENDINTE ACTUALE IN PRODUCTIA DE BIOETANOLOBTINEREA DE BIOETANOL DIN RESURSE CELULOZICE (solutie REVOLUTIONARA in

domeniul biocarburantilor)

Materii prime:Deseuri lignocelulozice paie (grau, orz, orez), tulpini de porumb, rumegus, frunze,stuf.Tehnologie: Macinarea materiei prime Hidroliza enzimatica a materialelor lignocelulozice cuLigninaze si Celulaze Fermentatia biomasei Distilarea primara Rectificarea Anhidrizarea.Utilizarea bioetanolului obtinut: NUMAI ca biocarburant.

AVANTAJE1. Valorificarea superioara a deseurilor lignocelulozice;2. Diminuarea emisiilor de gaze cu efect de sera cu 85% fata de cele emise prin arderea benzinei;3. Eficienta energetica de 5 ori mai mare decat bioetanolul obtinut din porumb4. Protejarea resurselor alimentare;5. Reducerea impactului asupra mediului prin protejarea biodiversitatii.

REPERE ALE DEZVOLTARII INDUSTRIEI DE BIOETANOL CELULOZIC- 5,3 MILIOANE DE LITRI productia de bioetanol celulozic preconizata pentru anul 2008 defirma Verenium Corporation, Louisiana, SUA;


11/23

- 35 MILIOANE $ - valoarea investitiei facute de firma Abengao Bioenergy/Nebraska pentruconstruirea unei fabrici-pilot pentru dezvoltarea proceselor de productie a bioetanolului din biomasalignocelulozica;- 130 MILIARDE LITRI BIOETANOL tinta de productie fixata de SUA pentru anul 2017;alocarea unei sume totale de 3,6 miliarde $ pana in acest an pentru atingerea scopului.

Este folosit in prezent ca biocarburant sub urmatoarele forme: E10; E15; E20; E85; E95 si

E100 (nr. precizat reprezinta % bioetanol si diferenta % benzina);La folosirea amestecurilor alcool benzina apar urmatoarele probleme;- Startul este mai redus ca urmare a vaporizarii mai lente a alcoolului;- Lubrificatia este diminuata ca urmare a condensarii vaporilor de alcool;- Coroziune si eroziune mai avansata ca urmare a formarii acidului acetic la arderea

alcoolului in prezenta unei cantitati insuficiente de aer.- Vaporii amestecului etanol-benzina din rezervor sunt mai usor explozibili decat cei de

benzina.

BIOBUTANOL-Reprezinta un biocarburant de viitor, avand proprietati similare cu ale benzinei;-Se poate folosi in motoarele cu ardere interna fara a se face modificari constructive ale acestuia;

-Prezinta avantajul fata de bioetanol ca este mai putin higroscopic, absorbind mai putina apa dinaer;-Se obtine prin procedee biotehnologice utilizand ca substrat de fermentare biomasa bogata inglucoza (zahar, amidon) si ca microorganisme specii de Clostridium.

PROCEDEE DE OBTINERE A BIOBUTANOLULUIProcedeul ABE (Acetona-Butanol-Etanol):-procedeu cunoscut din anul 1916;-a fost folosit pana in anul 1960 cand datorita dezvoltarii tehnologiilor bazate pe produse

petrochimice a devenit ineficient economic;-foloseste ca substrat porumbul sau melasa;-microorganisme utilizate: Clostridium Acetobutylicum; Clostridium Beijerinckii,

Clostridium Tetanomorphum.Dezavantajele procedeului:- Este discontinuu si ineficient economic;- Utilizeaza materii prime de tipul alimentelor;- Necesita conditii deosebite: mediu anaerob, steril, fermentatoare de dimensiuni mari;- Butanolul obtinut este toxic si pentru microorganismele producatoare, ceea ce limiteaza

concentratia acestuia in mediul de fermentatie.

PROCEDEUL ABE IMBUNATATITUtilizeaza materii prime mai ieftine:a) Zer substrat bogat in lactoza;b) Tescovina de mere deseu agricol cu un continut de 10% carbohidrati transformati in proportiede 80% in butanol;c) Biomasa obtinuta din alge;d) Deseuri lignocelulozice.-Studii recente se bazeaza pe utilizarea de sisteme celulare imobilizate in scopul asigurariicontinuitatii procesului.-Utilizarea biobutanolului ca biocarburant este inca in stadiul de cercetare.


12/23

BIODIESELUL

Rudolf Diesel a rulat, pentru prima dat, un vehicul pe baza biodieselului. Este uncombustibil asemntor cu dieselul, dar care nu este derivat din petrol, ci din uleiuri vegetale igrsimi animale. Motoarele actuale diesel pot folosi combustibili biodiesel fr a fi necesaremodificri structurale. Biodiesel-ul poate fi folosit n procent de 100% sau poate fi amestecat cudiesel-uri pe bazde petrol.

Biodiesel-ul este un combustibil mai eficient din punct de vedere al emisiilor de CO2 dectdiesel-ul pe baz de petrol. Biodiesel-ul are proprieti de dizolvare diferite fa de cele alecombustibilor diesel pe baz de petrol, motiv pentru care motoarele mai vechi ce conin dinconstrucie furtune i garnituri din cauciuc pot fi degradate mai repede dect n cazul folosiriidiesel-ului normal. Motoarele mai noi nu sunt afectate de biodiesel, cauciucul fiind inlocuit cuFKM. Este recomandat, totui, nlocuirea filtrelor de ulei la un motor care a folosit combustibildiesel pe bazde petrol nainte de a se face trecerea la biodiesel.

Unul dintre avantajele biodiesel-ului este proprietatea mai bun de lubrifiere, ce cretedurata de via a injectoarelor. Biodiesel-ul ptrunde ncet, ncet pe pia, mai multe modele deautomobile fiind certificate pentru a folosi biodiesel n diverse concentraii.Folosirea biodiesel-uluinu se limiteazla automobile, fiind utilizat i de trenuri i avioane.

Lucrarile de cercetare au aratat posibilitatea sintezei biodieselului prin transesterificare in

cataliza bazica omogena a trigliceridelor continute in uleiul de rapita, cu metanol, cu formareaesterilor metilici ai acizilor grasi din ulei.

H2C-OCOR

R

COOCH

3H

2C-OH

| NaOH

|

H2C-OCOR

+ 3 CH

3OH R

COOCH

3+ HC-OH

| |

H2C-OCOR

R

COOCH

3H

2C-OH

Ulei Metanol Metilesteri ai Glicerinaacizilor grasi

(biodiesel)

Reactia de transesterificare este reversibila si moderat exoterma.Studiul caracteristicilor cinetice ale reactiei de transesterificare in cataliza cu hidroxid de

sodiu, la raportul molar ulei/metanol de 1/6 si la temperaturi intre 50 si 650C, a relevat faptul ca

reactia este de ordin cinetic global doi( ordinul unu in raport cu fiecare dintre reactanti). Reactia sedesfasoara cu viteza mare in primele 10 30 minute, apoi evolueaza mai ncet, apropiindu-se deechilibru pe care il atinge dupa mai multe zeci de minute in functie de proportia de catalizatorfolosita si de temperatura. Spre exemplu la un raport molar ulei molar de 1/6, o cantitate decatalizator( hidroxid de sodiu) reprezentand 0,3% din cantitatea de reactanti si la o temperatura de

600C, timpul necesar antingerii conversiei maxime este de doua ore.

O crestere a temperaturii de reactie cu 10

0

C, duce la o crestere de aproximativ 2,5 ori avitezei de reactie.Studiile experimentale pentru decantarea fazei glicerinice au aratat ca in aproximativ 30

minute, se separa majoritatea glicerinei rezultata in proces.Epuizarea metanolului ramas in biodiesel dupa reactie( 0,5 5%) necesita un singur

echilibru teoretic de separare.Spalarea cu apa a biodieselului pentru indepartarea alcalinitatii si a urmelor de glicerina este

o operatie care poate crea probleme foarte mari datorita formarii emulsiilor. Urmele de glicerina sialcalinitate continute de biodiesel pot fi indepartate prin spalare cu apa demineralizata in 12 trepte,in functie de continutul de impuritati, la un raport volumic apa : biodiesel de 1/4 1/3. Experientele


13/23

au aratat ca centrifugand o proba de biodiesel brut, alcalinitatea si continutul de glicerina pot scadela valori de 0,1% pana la 0,004% la forte centrifuge relative de 7000 9000.

Uscarea biodieselului de urmele de apa, necesita un echilibru teoretic de separare si poate fi

efectuata sub vacuum (300 400 torr abs.) si la temperaturi de 120 1500C.

Cresterea aciditatii uleiului initial duce la cresterea cantitatii de faza glicerinica care maicontine in afara de glicerina, sapunuri si biodiesel solubilizat ca microemulsie.

Lucrarile de cercetare au aratat posibilitatea purificarii biodieselului cu adsorbanti. In

aceasta operatie sunt retinute urmele de catalizator (NaOH), sapunuri, glicerina, etc., din biodiesel.Purificarea prin adsorbtie intr-o treapta este eficienta daca se folosesc cantitati de adsorbant

de aproximativ 5% fata de biodiesel, daca acesta are alcalinitate de cel mult 0,5 mg NaOH/g. Acestlucru se poate realiza lucrand cu un ulei proaspat din seminte depozitate corespunzator, uleiul fiindstocat sub perna de azot. Prin aceste proceduri se asigura o aciditate redusa a uleiului cea ce il faceusor de prelucrat. De asemenea continutul de apa al materiilor prime trebuie sa fie cat mai redus, iarcantitatea de catalizator folosita cat mai mica( cu pastrarea unui timp de reactie in limiteeconomice).

Experientele au aratat ca ridicarea temperaturii de reactie defavorizeaza conversia finala prininfluenta ei asupra constantei de echilibru. Totodata cresterea raportului molar metanol / ulei, s-adovedit ca duce la avansarea conversiei, tot prin influenta pe care o are asupra constantei deechilibru.

Tehnologia propusa pentru obtinerea biodieselului cuprinde urmatoarele etape principale :reactia, recuperarea metanolului nereactionat, separarea fazei glicerinice, purificarea biodieselului,uscarea si filtrarea biodieselului.

Pentru reactie se propune o cantitate de catalizator, hidroxid de sodiu, de 0,3% greutatecalculata la masa totala a reactantilor, peste cantitatea necesara neutralizarii aciditatii uleiului.

Lucrand la temperatura de 600C, timpul necesar unei reactii complete este de doua ore.

Alimentarea unor autobuze cu amestec motorina biodiesel (5 20%) a dus la urmatoareleconcluzii : consumul de combustibil creste cu circa 3% ca urmare a puterii calorifice mai mici abiodieselului data de continutul de oxigen din molecula, coeficientul de opacitate a gazelor deesapament a scazut cu circa 20%.


14/23

BIOGAZUL

Un amestec de gaze compus din:Metanul, CH4 , n proporie de 55 70%;Dioxidul de carbon, CO2 , n proporie de 28 43%;Alte gaze ca hidrogenul sulfurat (H2S), azotul (N2), oxidul de carbon (CO), oxigenul (O2),

care, mpreun, nu depesc, n general, 2%.Puterea calorifica biogazului este determinatde coninutul acestuia n metan. Gazul

metan are urmtoarele proprieti termodinamice:Masmolecular16,04 kg/kmolDensitate 0,717 kg/Nm3Putere calorificanhidr-Superioar9516 kcal/Nm3

39.838 kJ/Nm3-Inferioar8.550 kcal/Nm3

35.797 kJ/Nm3Temperatura de topire -182,5 0CTemperatura de fierbere -161,6 0CSolubilitatea -n apla 200C 0,35 % n greutate

-n alcool etilic la 200C 47,1 % n greutate

Schema de producere a biogazului

Factorii care influeneazproducia de biogazMateria primTemperaturaPresiuneaAgitareapH ul


15/23

Producia specificde biogaz din diverse materii organice

Biogaz obinut n amestec de materii prime


16/23

Coninutul de C, N i raportul C/N pentru unele materii prime folosite la producerea

biogazului

Influena temperaturii asupra produciei de biogaz


17/23

Biogaz obtenabil din unele materii prime provenite din agricultur


18/23

Instalaie de biogaz dupsistemul Darmstadt

Instalaie de biogaz sistem UASB Vageningen (Anaerob de contact, Olanda 1979)


19/23

Instalaie de biogaz sistemSchimdt Eggersgluss

Instalaie de biogaz brevet J.J. Patel, India 1950


20/23

Instalaie de biogaz tip KVIC

Instalaia de biogaz sistem DOM din provincia Sichuan (China)


21/23

Instalaie de biogaz tip ICA de 5 si 10 m3


22/23

Principalii indicatori ai instalaiilor de biogaz de 5 i 10 m3, tip ICA, diseminai n Romnia

Instalaie de biogaz sistem Neukomm (Thayngen. Elveia)


23/23

Instalaie de producere a biogazului n flux orizontal. Schemde principiu.

BIOGAZUL I CO-GENERAREA

Bio Masa in agricultura

Documents

Transcript of Bio Masa in agricultura