Cursul 1Energii regenerabile

Noţiunea de energieEnergia reprezintă forma de existenţă a materiei legată direct proporţional de masă şi

de pătratul vitezei. Din punct de vedere ştiinţific, „energia este o mărime care indică capacitatea unui

sistem fizic de a efectua lucru mecanic când trece printr-o transformare din starea sa într-o altă stare aleasă ca stare de referinţă

Din punct de vedere cantitativ, energia reprezintă produsul dintre forţa generalizată şi deplasarea generalizată pe care această forţa o produce şi o controlează (în mecanică, produsul dintre presiune şi variaţia de volum; în termodinamică, produsul dintre temperatură şi variaţia de entropie).

În funcţie de diferite criterii, se vorbeşte despre diverse forme de energie. Din punctul de vedere al sistemul fizic căruia îi aparţine:

Energie Hidraulică, care, la rândul ei, poate proveni din energia potenţială a căderilor de apă şi mareelor, sau din energia cinetică a valurilor;

Energie nucleară, care provine din energia nucleelor şi din care o parte poate fi eliberată prin fisiunea sau fuziunea lor;

Energie de zăcământ, care este energia internă a gazelor sub presiune acumulate deasupra zăcămintelor de ţiţei;

Energie chimică, care este dat de potenţialul electric al legăturii dintre atomii moleculelor,

Energie de deformaţie elastică, care este energia potenţială datorită atracţiei dintre atomi;

Energie gravitaţională, care este energia potenţială în câmp gravitaţional.

După sursa de provenienţă, poate fi: Energie stelară, energie solară, energia combustibililor fosili, energie hidraulică, EO, energie geotermală, energie nucleară.

După faptul că urmează sau nu un ciclu se clasifică în: Energie neregenerabilă, care este energia obţinută resurse epuizabile, cum sunt considerate combustibilii fosili şi cei nucleari;

Energie regenerabilă, prin care se înţelege energia care se poate exploata ciclic, la diferite scări de timp estimate sau cunoscute, energie

considerată inepuizabilă, sub formă de EE (conversie directă), termică (încălzire directă), hidraulică, geotermală, eoliană, sau cea provenită

din biomasă.

După modul de manifestare a energiei se vorbeşte despre: energie mecanică, energie electrică, energie luminoasă.

După purtătorul de energie se vorbeşte de energie electrică, energie termică, etc.

GENERALITĂŢI PRIVIND UTILIZAREA SURSELOR REGENERABILE PENTRU ÎNCĂLZIRE

Conceptul de dezvoltare durabilă se referă la acel tip de dezvoltare economică ce asigura satisfacerea necesităţilor generaţiei prezente fără a compromite posibilitatea generaţiilor viitoare de a-şi satisface propriile lor cerinţe. Dezvoltarea durabilă pune în prim-plan, în ceea ce priveşte industria energetică, următoarele obiective:

Reorientarea tehnologiilor de producere a energiei şi punerea sub control a riscurilor acestora; conservarea şi sporirea bazei de resurse;

Reducerea emisiei de CO;

Dezvoltarea resurselor regenerabile;

Unificarea proceselor de luare a deciziilor privind energia, economia în general, şi protecţia mediului, în special.

SRE pot fi utilizate pentru generarea de EE în toate sectoarele de activitate, pentru generarea de ET necesară proceselor industriale şi încălzirii locuinţelor, pentru producerea de combustibili necesari transporturilor e.t.c. Tehnologiile de producere a energiei din resurse regenerabile se află pe diferite stadii de dezvoltare şi comercializareError: Reference sourcenot found. SRE sunt disponibile pe tot globul şi se găsesc din abundenţă. Tehnologiile energetice bazate pe SRE generează relativ puţine deşeuri sau poluanţi care să contribuie la ploile acide, smoguri urbane, sau care să determine probleme de sănătate şi nu impun costuri suplimentare pentru depoluarea mediului sau pentru depozitarea deşeurilor. Posesorii de sisteme energetice bazate pe SRE nu trebuie să fie îngrijoraţi de schimbările potenţiale

globale ale climatului generate de excesul de CO2 şi alte gaze poluante. Sistemele energetice solare, eoliene şi geotermale în procesul de conversie a energiei nu generează CO2 în atmosferă, iar biomasa absoarbe CO2 când se regenerează şi de aceea întregul proces de generare, utilizare şi regenerare a biomasei conduce la emisiuni globale de CO2 apropiate de zero. În prezent există deja mai multe tehnologii energetice regenerative, alternative la arderea combustibililor fosili de producere a energiei, şi anume: energia hidraulică, eoliană, nucleară, geotermică, tehnologia de conversie a energiei solare, biomasa, etc.

Cursul 2

RESURSE ENERGETICE REGENERABILE

Potenţialul teoretic al SRE din România este prezentat în Tabelul 1. Potenţialul utilizabil al acestor surse este mult mai mic, datorită limitărilor tehnologice, eficienţei economice şi a restricţiilor de mediu.

Tabelul 1 Potenţialul naţional al SRE.Sursă Potenţial anual Aplicaţie

Energie solară60 PJ

1,2 TWhETEE

Energie eoliană 23 TWh EEEnergie hidroelectricădin care sub 10 MW

36 TWh3,6 TWh

EE

Biomasă şi biogaz 318 PJ EE+ETEnergie geotermală 7 PJ ET

Sursa: M.E.C. Strategia energetică a României pentru perioada 2007-2020

Potrivit ultimelor evaluări, potenţialul hidroenergetic tehnic amenajabil al României este de 36.000 GWh/an, din care, raportat la situația actuală a prețurilor din piața de energie, se pot valorifica, în condiții de eficiență economică, circa 30.000 GWh/an (potențial economic amenajabil). La finele anului 2006, puterea instalată în centrale hidraulice era de 6.346 MW, energia de proiect pentru anul hidrologic mediu fiind evaluată la 17.340 GWh/an. Astfel, gradul de valorificare a potențialului tehnic amenajabil este în prezent de 48%, iar al potențialului economic amenajabil este de 57,8%.

Cartea Albă a ISES (International Solar Energy Society) din 2003 prognozează procentele fiecărui tip de sursă de energie regenerabilă în producerea de energie în lume astfel:

Energie din Biomasă: Aproape 11% din energia folosită în prezent pe plan mondial este obţinută din bioenergie. Se estimează pentru

potenţialul bioenergiei în 2050 o medie de 450EJ (ceea ce este mult mai mult decât cererea totală actuală de energie in plan mondial;

Energie geotermală: Poate fi o sursă de ER majoră pentru un număr mare de tari (cel puţin 58 de ţări: 39 pot fi alimentate 100% din EG, 4

cu peste de 50%, 5 cu peste de 20% şi 8 cu peste de 10 %);

Energia eoliană: Capacitatea globală a energiei eoliene va ajunge la peste 32000MW, iar procentul de creştere este de 32%/an. Ţinta de 12%

din cererea mondială de electricitate produsă din EO până în 2020 pare a fi deja atinsă;

Energie solară: A avut o rată de creştere din 1971 până în 2010 de cca. 38 %.

ENERGIA SOLARĂEnergia solară stă la baza majorităţii resurselor energetice. Grecii au utilizat ES încă

din anul 400 î.e.n. pentru aprinderea focului, folosind globuri de sticlă pline cu apă. În 200 î.e.n. greci şi chinezii foloseau oglinzi concave în acest scop. Energia solară care ajunge la

suprafaţa Pământului în 40 de minute este de ajuns pentru a acoperi nevoia de energie pentru un an întreg a întregii omenirii. S-a demonstrat că dintre sursele de energie care ar putea înlocui combustibilul fosil, ES oferă siguranţa şi acurateţea cea mai ridicată.

RADIAŢIA SOLARĂÎn traiectoria spre scoarţa terestră

RS trece printr-o serie de modificări fig. 10 Atmosfera reflectă aproximativ 30% şi absoarbe 20% din RS; astfel pe suprafaţa solului ajung doar 50 % din RS.

Chiar şi aşa însă, această cantitate este de 170 de milioane de ori mai mare decât productivitatea celor mai mari centrale.

FIG. 1EXPLICATIVĂ PRIVIND RS ŞI INTERACŢIUNEA CU ATMOSFERA

PĂMÂNTULUI

În zonele tropicale aceasta cauzează arderea tufişurilor, focul izbucnind datorită focalizării razelor solare prin picăturile de rouă, care se comportă ca nişte lentile optice. Grecii antici au utilizat ES încă din anul 400 î.e.n. pentru aprinderea focului, folosind globuri de sticlă pline cu apă.

În cuptorul solar modern, lumina solară este folosită pentru a găti, o oglindă concavă focalizează razele soarelui pe mâncare sau pe vas. În unele cuptoare se foloseşte un sistem de oglinzi plate pentru a direcţiona razele soarelui pe alimente.

Pe acelaşi principiu se bazează şi funcţionarea furnalului solar. În Mont Luis, Franţa, s-a construit o clădire cu mai multe nivele, cu o latură acoperită de oglinzi, astfel încât totalitatea lor să formeze o uriaşă oglindă concavă. Camera de încălzire din focar poate încălzi până la 3000°C – la această temperatură se topesc majoritatea metalelor.

La nivelul Pământului dincolo de limita atmosferică, cantitatea de energie care vine de la Soare este de 1,3 kW/m2, iar după ce străbate atmosfera, ES care ajunge la suprafaţa solului este de până la maxim 1,06 kW/m2. Această energie ajunsă la nivelul solului depinde de următorii factori: latitudinea, altitudinea, momentul din zi, sezonul, cantitatea de praf din atmosferă şi umiditatea din atmosfera (cantitatea de vapori din atmosferă).

Radiaţia solară este un flux de particule, fotonii, care se propagă cu viteza luminii, purtând energia de h, (h este constanta lui Planck, iar este frecvenţa radiaţiei).

(3.1)

(3.2)unde: co - este viteza luminii în vid,

n - este indicele de refracţie al mediului respectiv.

Pentru utilizarea acestei cantităţi de ES este nevoie de conversia energie solare într-o altă formă de energie.

Conversia energiei solare se clasifică în funcţie de tipul de conversie: Conversie fotomecanică;

Conversie fototermică (centrale termice solare);

Conversie fotoelectrică (centrale electrice solare);

Conversie fotochimică (stocarea energiei solare).

Radiaţia solară cuprinde trei domenii spectrale: ultraviolet 7%; vizibil luminos 47% şi infraroşu 46%. Dintre acestea radiaţia termică cuprinde domeniul vizibil şi infraroşu apropiat.

Din fluxul inepuizabil al energiei solare care depăşeşte 1011 MW, pe sol ajunge sub 20%, cu lungimea de undă de 0,4 – 2,5 m. Din această categorie, 16% este folosită de evaporarea apelor, 3% la fotosinteza vegetaţiilor terestre, 0,16% de fotosinteză vegetaţiilor subacvatice, 0,02% pentru formarea de combustibili fosili.

În condiţiile României densitatea de putere radiantă poate varia în limite foarte largi:

Valoarea minimă – 50 W / m – pentru zilele de iarnă şi cer acoperit, când nu există decât radiaţie difuză;

Valoarea maximă – 800 W / m2, pentru zilele senine cu Soarele aflat în poziţia cea mai înaltă.

Evident că în condiţiile în care modificările de climă din ultimii ani sunt din ce în ce mai imprevizibile, limitele de mai sus pot fi depăşite.

Variabilitatea direcţiei radiaţiei solare, determinate de mişcarea aparentă a Soarelui, implică utilizarea unor sisteme de orientare a captatoarelor, care complică şi scumpesc instalaţiile solare. Energia solară fiind dispersată, necesită suprafeţe mari de captare. Un aspect pozitiv ar fi că suprafeţele cele mai adecvate pentru captarea energiei solare sunt cel mai puţin adecvate pentru alte scopuri: acoperişurile clădirilor, deşerturile, suprafeţele întinse de apă.

FACTORI CARE INFLUENŢEAZĂ RSPurtătorii fosili de energie reprezintă combustibilul economiei mondiale. Dar

utilizarea cărbunelui, ţiţeiului, gazului şi uraniului este o transformare şi o epuizare a resurselor, cu efecte catastrofale asupra mediului şi omului. Noua economie ar trebui să mizeze asupra energiei inepuizabilă a Soarelui şi a celor regenerabile, fiind baza unui model civilizat şi durabil pe viitor.

În multe locuri pe Terra, Soarele oferă o alternativă posibilă la soluţionarea crizei de energie, din ce în ce mai accentuată odată cu creşterea populaţiei globului şi ridicarea standardului de viaţă, simultan cu epuizarea combustibililor fosili.

Dezavantajele principale ale acestei surse de energie sunt constituite de randamentele scăzute ale tuturor instalaţiilor solare şi costurile relativ ridicate, la care se adaogă faptul că RS este difuză ceea ce face necesare existenţa unor subsisteme de stocare a energiei şi depinde de o serie de factori meteorologici, geometrici şi geografici.

Energia solară poate fi convertită direct în EE utilizând efectul fotoelectric – mai precis, un caz particular al acestuia: efectul fotovoltaic. Deşi efectul fotovoltaic e cunoscut de mult timp – a fost descoperit în 1839 de Bequerel – realizarea unui dispozitiv cu caracteristici convenabile pentru conversia directă a energiei solare este de dată relativ recentă.

A. FACTORUL METEOROLOGICClimatul României este continental-temperat, caracterizat de un potenţial energetic

considerabil: mai mult de jumătate din teritoriul ţării noastre beneficiază de un număr de ore însorite mai mare de 1800 ore/an, ceea ce reprezintă limita inferioară necesară la realizarea instalaţiilor de captare şi stocare a energiei solare.

B. FACTORUL GEOMETRICDatorită mişcării diurne aparente a Soarelui pe bolta cerească, razele solare (RS) cad

asupra Pământului sub un unghi ce diferă de la un loc la altul, ceea ce face necesară la proiectarea instalaţiilor solare, precizarea poziţiei relative a Soarelui faţă de un anumit sistem de coordonate.

Soarele, stea de mărime mijlocie, cu diametrul D = l,39 – 106 km, se roteşte în jurul axei sale cu o rotaţie la 25 de zile; axa sa de rotaţie este deviată cu 7 faţă de normala pe planul elipsei pe care se află Pământul.

Mişcarea Pământului se poate descompune în două componente principale: o mişcare de rotaţie în jurul axei proprii şi o mişcare de revoluţie în jurul Soarelui.

Mişcarea de revoluţie în jurul Soarelui are loc pe o traiectorie eliptică (Soarele fiind plasat într-unul din focare), ceea ce determină o variaţie de ± 1,7% a distanţei medii Soare – Pământ şi o variaţie de ± 3 % a densităţii de putere radiantă. La 4 iulie Soarele se găseşte în poziţia cea mai apropiată de Pământ şi această poziţie se numeşte afeliu, iar pe 8 ianuarie este în periheliu, poziţia cea mai îndepărtată.

Axa de rotaţie a Pământului face un unghi de 23o47 cu planul elipticii, ceea ce implică variaţia unghiului de incidenţă a radiaţiei solare faţă de planul ecuatorial terestru, unghi numit

declinaţie.

ENERGIA TERMOSOLARĂ. Este din ce în ce mai prezentă datorită tehnologiilor avansate în domeniu care au ajuns

la preţuri accesibile. Într-o oarecare măsură orice casă este încălzită de soare, dar unele dintre ele sunt proiectate pentru a folosi cât mai bine această sursă de energie gratuită. Acestor locuinţe le-a fost atribuit numele de case pasive. Producerea de a.c.m. din ES a câştigat foarte mult teren în ultimii ani. Radiaţia solară încălzeşte agentul termic din circuitul secundar în panouri solare închise numite colectoare care apoi prin intermediul unui schimbător de căldură cedează energia termică apei de la reţea sau din diverse alte surse.

TURNURILE SOLARE “Hornurile (turnurile) solare” au devenit un domeniu aparte, în atenţia cercetărilor,

consideră S.A. Sherif, profesor de mecanică şi inginerie aerospaţială la Universitatea din Florida. Sherif a scris câteva lucrări pe tema acestei noi tehnologii la începutul anilor ’90 şi este editorul tehnic al jurnalului ştiinţific Solar Energy (Energie Solară).

Deşi costisitoare, turnurile solare “creează energie gratuit”. În plus, s-a dovedit că această tehnologie alternativă funcţionează: un turn solar, înalt de aproximativ 300 de metri, a fost construit în Spania în 1981 de către inginerul german Schlaich Bergermann producând 50 de kW putere electrică, acesta a funcţionat timp de şapte ani. Dar cum preţul petrolului era doar 15 dolari pe baril la mijlocul anilor ’80, nu au existat motive pentru a se dezvolta astfel de proiecte.

Anunţat de câţiva ani, Solar Tower este unul din cele mai ambiţioase proiecte de energie alternativă din istorie. Uzina urmează să producă la fel de multă energie ca un mic reactor nuclear, dar fără pericolele acestuia. Înălţimea acestuia va fi dublă faţă de cea mai înaltă clădire de pe Pământ. Solar Tower este o clădire goală pe dinăuntru, ca un horn. La baza sa se află un sistem de captare a energiei solare – o porţiune circulară, transparentă, ce măsoară în jur de 10 mii de hectare suprafaţă. Aerul de sub sistem se încălzeşte datorită radiaţiei solare şi se ridică prin convecţie, în clădirea sub formă de horn. Aici, în timpul ascensiunii, aerul accelerează până la viteza de 55 km/h, punând în funcţiune 32 de turbine, care generează EE în mod similar cu un sistem de mori de vânt. Solar Tower are un avantaj mare faţă de morile de vânt sau de generatorii solari deoarece poate funcţiona fără a fi nevoie de vânt, timp de 24 de ore pe zi. Datorită mulţimii de celule solare, aerul se încălzeşte în timpul zilei, permiţându-i să funcţioneze continuu şi în absenţa radiaţiei solare.

ZONAREA ENERGETICĂ SOLARĂ A ROMÂNIEIPornind de la datele disponibile s-a întocmit harta cu distribuţia în teritoriu a radiaţiei

solare în România Error: Reference source not found. Harta cuprinde distribuţia fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente pe suprafaţa orizontală pe teritoriul României. Sunt evidenţiate 5 zone, diferenţiate prin valorile fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente. Se constată că mai mult de jumătate din suprafaţa ţării beneficiază de un flux de energie mediu anual de 1275 kWh/m2.

Harta solară a fost realizată prin utilizarea şi prelucrarea datelor furnizate de către: ANM precum si NASA, JRC, Meteotest. Datele au fost comparate şi au fost excluse cele care aveau o abatere mai mare decât 5% de la valorile medii. Datele sunt exprimate în kWh/m2/an, în plan orizontal, această valoare fiind cea uzuală folosită în aplicaţiile energetice atât pentru cele solare fotovoltaice cât şi termice. Zonele de interes (areale) deosebit pentru aplicaţiile energetice ale energiei solare în ţara noastră sunt:

Primul areal, care include suprafeţele cu cel mai ridicat potenţial acoperă Dobrogea şi o mare parte din Câmpia Română;

Al doilea areal, cu un potenţial bun, include nordul câmpiei române, podişul getic, Subcarpaţii Olteniei şi Munteniei o bună parte din Lunca Dunării,

sudul şi centrul podişului moldovenesc câmpia şi dealurile vestice şi vestul Podişului Transilvaniei;

Cel deal treilea areal, cu potenţialul moderat, acoperă cea mai mare parte a podişului Transilvaniei, nordul Podişului Moldovenesc şi rama carpatică.

Îndeosebi în zona montană variaţia pe teritoriu a radiaţiei solare directe este foarte mare, formele negative de relief favorizând persistenţa ceţii şi diminuând chiar durata posibilă de strălucire a Soarelui, în timp ce formele pozitive de relief, în funcţie de orientarea în raport cu Soarele şi cu direcţia dominantă de circulaţie a aerului, pot favoriza creşterea sau, dimpotrivă determina diminuarea radiaţiei solare directe.

Cursul 3

ENERGIA GEOTERMALĂÎn literatura de specialitate, EG este definită ca fiind acea parte a energiei telurice care

poate fi exploatată eficient din punct de vedere economic, în prezent sau într-un viitor prognozabil. Această formă de energie este stocată în zăcăminte geotermale, definite ca “apa de convecţie din crusta superioară a Terrei, şi care, într-un spaţiu limitat, transferă căldura de la o sursă de căldură de profunzime la un rezervor de acumulare a ei şi care, de regulă, este suprafaţa liberă a Pământului”, conform definiţiei date de Hochstein în anul 1990.

Cercetările în domeniul utilizării potenţialului geotermal sunt deosebit de dezvoltate pe plan mondial, cunoscându-se realizări remarcabile în domeniu în Islanda, Italia, SUA, Israel, Japonia, Noua Zeelandă, Franţa, etc. Ţara cu cea mai mare dezvoltare a utilizării energiei geotermale este Islanda care obţine aproximativ 68% din energia primară cu ajutorul resurselor geotermale.

În Islanda, EG este utilizată în proporţie de 76% pentru încălzirea spaţiului şi 16% pentru producerea de EE , restul fiind utilizată pentru încălzirea serelor, piscicultură, topirea zăpezii şi balneologie. Ţări precum China, Turcia şi Tunisia sunt exemple recente ale creşterii utilizării directe a energiei geotermale. Pe plan mondial topul primelor ţări care utilizează direct EG (încălzirea spaţiilor, sere, utilizări industriale, balneologie) sunt: SUA, China, Islanda, Japonia, Turcia.

Dezvoltările recente ale aplicaţiilor cu pompe de căldură în sursele energetice de adâncime scăzută deschid noi dimensiuni ale utilizării căldurii Pământului. Sugestiv este faptul că rata de creştere pentru utilizatorii direcţi este în continuă ascensiune. Energia geotermală, cu tehnologia şi resursele ei abundente, îşi poate aduce o contribuţie importantă privind reducerea emisiilor poluante şi a efectului de seră. Este necesar ca guvernele să implementeze cadrul instituţional legal şi instrumentele financiare care să permită ca resursele geotermale să completeze sistemul energiilor convenţionale. Prognozele internaţionale estimează ca exploatarea resurselor de energie reînnoibilă va creste semnificativ, până la 30÷80% în 2100. Energia geotermală este utilizată în mare măsură pentru încălzirea cartierelor municipale în special în Islanda, Franţa, China şi Turcia. Încălzirea locuinţelor individuale este un lucru obişnuit în SUA.

Deşi cercetarea în domeniul energiei geotermale are o tradiţie semnificativă pe plan mondial, intensificarea activităţii de cercetare şi dezvoltarea aplicaţiilor geotermale sunt necesare, cu scopul de a grăbi progresul metodelor eficiente de conversie a energiei geotermale în EE şi de a realiza reduceri de cost considerabile. Un câmp geotermal şi, mai pe larg, o resursă geotermală se plasează în plăci tectonice specifice când există anumite condiţii tipice: geologice, hidrologice, structurale şi fizice.

Căldura sursei: De obicei, o intruziune magmatică de mică adâncime care generează anomalie termală. Gradientul termal în apropierea crustei de mică adâncime este mai mare decât 3°C/100 m care este un gradient normal.

Rezervorul: O rocă gazdă cu permeabilitate pe o scară mai mare de transmisivitate primară sau secundară care permite circulaţia fluidelor geotermale, dar are proprietăţi de reţinere pentru a permite fluidelor să se încălzească în interiorul rezervorului. Când are loc convecţia, vâscozitatea şi coeficientul de dilataţie a unui fluid sunt de asemenea, implicate,

sistemul ajunge la eficacitate maximă.Etanşare: O formă de acoperire, peste rezervor, cu impermeabilitate suficientă chiar

primară sau secundară care să izoleze sistemul geotermal de suprafaţa apei de termalitate scăzută.

Încărcarea: Pentru restaurarea (recondiţionarea) unui rezervor când are loc extracţia.Când condiţiile de mai sus sunt satisfăcute, apa din sistemul de reîncărcare se scurge

în rezervor şi atinge echilibrul termal la care roca gazdă este expusă de către sursa de căldură. Un transfer de căldură are o eficacitate maximă când în rezervor este declanşat un sistem de circulaţie convectiv. Această condiţie permite sistemului să obţină fluide calde la o mică adâncime şi face exploatarea depozitelor geotermale mai uşoară şi mai favorabilă economic. În (Error: Reference source not found) este prezentat schematic mecanismul unui sistem geotermal ideal. Înainte ca aceste concepte să poată fi dezvoltate comercial este necesar ca unele dificultăţi tehnice minore să fie rezolvate

Resursele de rocă caldă uscată se găsesc în regiuni de adâncime forabilă din punct de vedere economic, lipsite de prezenţa naturală a apei, unde temperaturile sunt destul de mari să încălzească apa ce este introdusă prin tubulatura de foraj către o temperatură ce poate fi folosită. Cele mai folosite regiuni investigate până acum nu au fost în totalitate “uscate “. În prezent, această tehnologie reprezintă o investiţie de viitor şi ar pute fi folosită în rezervoare de entalpie ridicată.

Resursele geopresurizate se găsesc în regiuni adânci, unde energia termală găsită în fluidul din roci este argumentată de o presiune foarte ridicată de la adâncime mare de îngropare şi separate sub un mare sifon impermeabil. Aceste resurse încă aşteptă evaluarea şi exploatarea adecvată.

Parametrul obişnuit pentru clasificarea resurselor geotermale este entalpia fluidelor geotermale. Entalpia este folosită pentru a determina potenţialul energetic energie termală a fluidelor.

Astfel, resursele geotermale sunt, în general, împărţite în resurse de entalpie joasă, medie şi înaltă, în funcţie de temperatura fluidului, în concordanţă cu diferite criterii (÷Tabelul 3.4):

Tabelul 3.2 Criteriul termal. Error: Reference source not foundMuffler & Cataldi,

1978

Hochstein,1990

Benderitter & Cormy, 1990

Haenel, Rybach & Stegena,

1988Entalpie joasă <90°C <125°C <100°C <150°CEntalpie medie 90÷150°C 125÷225°C 100÷200°C 150°CEntalpie înaltă >150°C >225°C >200°C >150°C

Tabelul 3.3 Criteriul de utilizare, în concordanţă cu disponibilitatea tehnologiei de exploatare.Entalpie înaltă Potrivită pentru generare de electricitateEntalpie joasă-medie Mult mai potrivită pentru utilizare directă în încălzire

Tabelul 3.4 Criteriul fizic, în concordanţă cu starea fizică a fluidului geotermal

Entalpie înaltăVapor/sisteme geotermale predominant de abur uscatSisteme geotermale predominant apă t>220°C

Entalpie medie-joasă Sisteme geotermale predominant lichid

În sisteme de tip predominant, apa lichidă este faza continuă şi de regulator de presiune. Vapori se pot găsi ca bule separate. Aceste sisteme geotermale sunt cele mai larg răspândite în lume, depinzând de condiţiile de temperatură şi presiune: apă caldă, mixtură de abur şi apă, abur umed şi, în unele cazuri, poate fi produs abur uscat.

În sistemele predominant–vapori (abur uscat), apa şi vaporii coexistă în rezervor, cu vaporii ca fază continuă şi regulator de presiune. Sistemele geotermale de acest tip, sunt reprezentate de cele de la Larderello, în Italia şi Geysers în California. Aceste sisteme de temperatură înaltă sunt rare. În aceste câmpuri este produs abur uscat şi supraîncălzit.

Instalaţiile de abur suprasaturat sunt cele mai simple şi cele mai folosite instalaţii din Italia, California, Japonia şi au putere mare, generând peste 70% electricitate din EG.

Energia geotermală este rezultatul a două fenomene diferite: radioactivitatea naturală a solului sau prezenţa unor roci fierbinţi în apropierea unor pungi de lavă. Resursele energetice geotermale includ vapori supraîncălziţi, apă fierbinte, pietre uscate fierbinţi, magma fierbinte şi zone încălzite ale suprafeţei Pământului.

Emisiile de dioxid de carbon sunt reduse considerabil (cu 25% faţă de cele mai bune centrale pe gaz şi cu 50% faţă de cele mai bune centrale pe păcură).

Energia geotermală poate fi: De înaltă temperatură (caracteristică zonelor vulcanice), pânzele de apă limitrofe ajungând la sute de grade, realizând o vaporizare parţială

care se utilizează într-o centrală electrică. Accesul la pânza de apă este dificil. Uneori, adâncimea de foraj poate depăşi 10.000 m;

De joasă temperatură, accesibilă în orice parte a globului. Temperatura scoarţei pământeşti creşte în adâncime cu 3°C la fiecare 100 m.

Diferenţa de temperatură creată ar putea fi aplicată în termoficare prin recircularea fluidului în pompe de căldură, nu în producerea energiei

electrice.

Energia geotermală a fost folosită în producerea energiei electrice încă din 1913, iar în următoarele patru decenii au fost produşi sute de MWh atât pentru generare de EE , cât şi pentru utilizatorii direcţi. Utilizarea energiei geotermale a crescut rapid în ultimele trei decenii. În anul 2000, resursele geotermale au fost identificate în peste 80 de ţări şi s-a înregistrat creşterea utilizării energiei geotermale în 58 dintre acestea. Energia electrică este produsă cu abur geotermal în 21 de ţări răspândite în toate continentele. Cinci ţări obţin 10÷22% din producţia lor de electricitate utilizând EG. Numai o mică parte din potenţialul geotermal existent s-a dezvoltat până în prezent, dar perioada actuală este o perioadă amplă pentru accelerarea utilizării energiei geotermale atât pentru producerea curentului electric, cât şi în aplicaţii directe. Energia geotermală, cu tehnologia şi resursele sale abundente, poate aduce contribuţii semnificative la reducerea emisiilor poluante şi a efectului de seră.

POTENŢIALUL ENERGETIC GEOTERMAL

Fluxul termic:

Cantitatea de căldura conţinută în interiorul Pământului este estimată la

. Acest lucru echivalează cu Dacă toată căldura ar fi degajată pe durata unui singur an ar rezulta o putere

echivalentă de Energia geotermală este înmagazinată de materia anorganică din interiorul pământului sub forma de căldură sensibilă şi produsă in cea mai mare parte din descompunerea lentă a substanţelor radioactive naturale existente in toate tipurile de rocă. Căldura provine din energia care se propagă radial de la centru către exteriorul Pământului şi este furnizată continuu (Fig. 3.1.).

Temperatura înaltă de la centrul Pământului se explică prin originea Pământului, prin existenţa izotopilor radioactivi de uraniu (U238, U235), thorium (Th232) şi potasiu (K40) în Pământ. Procesul de propagare se desfăşoară în permanenţă şi se poate spune că EG este o sursă de energie inepuizabilă. Energia geotermală este una din alternativele care pot satisface nevoia omului pentru energie, minimizând impactul asupra mediului.

În zona în care, din cauza temperaturii ridicate, rocile se găsesc in stare topită (de magmă), căldura se transmite în cea mai mare parte prin convecţie datorită mişcării masei topite si prin conducţie în proporţie mai redusă. În zonele cu temperaturi mai scăzute, caracterizate prin faptul că materia se găseşte în stare solidă, căldura se transmite numai prin conducţie.

Gradientul geotermal exprimă creşterea temperaturii cu adâncimea, valoarea medie fiind de 2,5-3°C/100 m, ceea ce corespunde unei temperaturi de 100 °C la 3000 m adâncime.

Există numeroase zone unde valoarea gradientului geotermal diferă considerabil faţă de valoarea medie. Spre exemplu în zonele unde platoul de rocă a suferit prăbuşiri rapide şi bazinul este umplut cu sedimente „foarte tinere” din punct de vedere geologic, gradientul geotermal poate fi mai mic de 1°C/100 m. Pe de altă parte în alte zone geotermale gradientul depăşeşte de câteva ori mediaError: Reference source not found.

In general, valoarea acestui gradient este de 25 0C/km, însă există numeroase zone în care gradientul termic din apropierea scoarţei este mult mai mare. Aceste zone sunt adevărate rezervoare termale subterane, de energie geotermică de potenţial ridicat, care, in anumite condiţii favorabile, pot fi exploatate pentru a deservi instalaţiile de încălzire si instalaţiile de preparare a a.c.m..

Fluxul termic mediu de căldură dinspre interiorul Pământului: 58 MW/km2.

Fluxul termic mediu de căldură pentru Europa: 62 MW/km2

FIG. 2

Fig. 3.1 Explicativă privind variaţia temperaturii cu adâncimea

Sursa: © 2000 Geothermal Education Office

Sistemele geotermale Error: Reference source not found pot fi găsite în zone cu un gradient geotermal normal sau aproape normal şi în regiuni joase, unde gradientul geotermal poate fi semnificativ mai ridicat decât media. În primul caz sistemele vor fi caracterizate de temperaturi scăzute, de obicei ajungându-se până la 100°C pentru adâncimi optime din punct de vedere economic. În al doilea caz temperaturile se pot situa într-o plajă largă, de la foarte scăzute până la foarte înalte, atingând 400°C.

Un sistem geotermal poate fi descris ca un sistem în care apa este folosită ca agent de transport, prin intermediul căruia căldura este preluată de la sursa din subsol şi transmisă la suprafaţă către un consumator.

Un sistem geotermal este compus din 3 elemente principale: o sursă de căldură, un rezervor şi un fluid. Sursa poate fi o intruziune de rocă magmatică de temperatură foarte înaltă (> 600°C), situată la adâncimi relativ mici (5-10 km). Rezervorul este un volum de roci fierbinţi, permeabile, de la care fluidele transportoare extrag căldura. Rezervorul este de obicei acoperit de un strat de roci impermeabile şi conectat cu o zonă de încărcare de suprafaţă, prin care apa din precipitaţii poate înlocui total sau parţial fluidele ce se pierd din rezervor prin izvoare sau sunt extrase prin sonde. Fluidul geotermal este apa, în majoritatea cazurilor din precipitaţii, în stare lichidă sau vapori, funcţie de temperatură şi presiune. Această apă transportă şi dizolvă de asemenea elemente chimice şi gaze precum CO2, H2S etc. Sistemele geotermice se clasifică în funcţie de temperatura si presiunea sistemului si de modul in care energia termică este transferată spre sol. Se identifică următoarele tipuri de sisteme geotermice:

A. SURSE HIDROTERMALEAceste surse se bazează pe circulaţia apelor meteorice (de suprafaţă) care se

infiltrează în scoarţa Pământului până la adâncimi cuprinse în intervalul 100 m – 4 500 m. Circulaţia este asigurată în mod natural pe baza diferenţei dintre densitatea apei reci, respectiv a apei fierbinţi sau a vaporilor de apă.

O sursă hidrotermală necesită trei elemente principale: Sursă de căldură; Un rezervor de apă alimentat cu apa de suprafaţă; Un strat de roci impermeabile care să susţină rezervorul de apă.

În mod uzual o sursă hidrotermală este exploatată prin executarea unor foraje până la rezervorul de apă şi extragerea apei fierbinţi sau a vaporilor de apă. Apa din rezervor poate ajunge la suprafaţă şi prin mijloace naturale cum ar fi izvoarele calde (fumarolele si gheizerele).

Din punct de vedere al nivelului termic se disting: Surse hidrotermale de înaltă temperatură (temperaturi cuprinse în intervalul 180 – 350°C): încălzirea apei se datorează contactului cu roci

fierbinţi.

Surse hidrotermale de joasă temperatură (< 180°C): încălzirea apei se realizează prin contactul cu roci fierbinţi, dar şi datorită altor cauze

cum ar fi fisiunea unor substanţe radioactive.

În funcţie de starea de agregare a apei din rezervorul hidrotermal se întâlnesc următoarele situaţii: Rezervoare în care apa se găseşte predominant sub formă lichidă şi rezervoare în care apa se găseşte predominant sub formă de vapori.

Sursele hidrotermale sunt cvasi-regenerabile. O exploatare neraţională a acestora poate conduce la diminuarea potenţialului rezervoarelor subterane de apă.

B. SURSE SUB PRESIUNEApa conţinuta in aceste rezervoare are salinitate scăzută şi în compoziţia sa se găseşte

metan dizolvat. Apa şi metanul sunt ţinute captive de straturi de roci impermeabile în rezervoare existente la mari adâncimi (3 – 6 km) caracterizate prin valori deosebit de ridicate ale presiunii. Temperatura apei se situează în general în intervalul 90 – 200 oC.

Sursă geotermală sub presiune se caracterizează prin trei forme de energie: căldură; energie chimică datorată gazului metan dizolvat în apă; energie hidraulică (într-o mai mică măsură) datorată presiunii existente în rezervor.

Sistemele geopresurizate pot fi exploatate atât termic, cat si hidraulic. Cele mai importante surse geotermale sub presiune au fost descoperite în nordul Golfului Mexic.

C. ROCI FIERBINŢIAcest tip de sursă constă din straturi de roci fierbinţi existente în scoarţa terestră. Spre

deosebire de sursele hidrotermale în acest caz nu există rezervoare subterane de apă sau posibilităţi de infiltrare a apelor de suprafaţă.

Exploatarea se realizează prin forare. În zona rocilor fierbinţi, se pompează apa rece în scopul constituirii unui rezervor. Apa preia căldura de la roci şi este adusă ulterior la suprafaţă printr-un puţ de extracţie.

Ţinând cont de aceste aspecte, această resursă este practic nelimitată şi este mai accesibilă decât resursele hidrotermale.

D. MAGMAMagma reprezintă cea mai mare resursă geotermală, fiind formată din roci topite

situate la adâncimi mai mari de 3 – 7 km. Temperatura magmei se situează în general în intervalul 700 – 1200 oC.

Utilizarea resurselor geotermaleLa sfârşitului secolului XX, când EG era folosită pe scară largă pentru încălzirea

spaţiilor, utilizări industriale şi balneologie, Prinţul Piero Ginori Conti a iniţiat o centrală electrică cu abur geotermal la Larderello, Toscana, în 1904. Pentru prima dată EG a fost utilizată pentru încălzirea pe scară largă a unui cartier municipal în Islanda, în 1930. După opt ani, EG a fost produsă comercial şi în ultimele patru decenii s-au produs sute de MWh pentru producerea de EE şi utilizatorii direcţi. Utilizarea energiei geotermale a crescut rapid în timpul ultimelor trei decenii. În 2000 resursele geotermale au fost identificate în peste 80 de ţări şi s-a înregistrat utilizarea energiei geotermale în 58 de ţări din întreaga lume.

Resursele geotermale sunt potrivite pentru o serie de tipuri de utilizări. Următoarele

diagrame din (Fig. 3.2). (Diagrama Lindal) rezumă utilizările posibile. Această diagramă accentuează câteva aspecte importante ale utilizării resurselor geotermale.

Exploatarea resurselor geotermale poate fi împărţită în două clase importante potrivit cu tipurile de aplicaţie:

Utilizări directe (conversia energiei geotermale în EE ), care este posibilă peste 100°C;

Utilizări indirecte.

Prin utilizarea sistemelor cascadă, prin combinarea aplicaţiilor, este posibilă mărirea utilizării căldurii, a proiectelor geotermale, înaintea reciclării fluidului epuizat.

Temperatura resursei poate limita utilizările posibile la temperaturi egale sau mai mari de 15°C; în cazul temperaturilor scăzute, resursele sunt exploatate doar în condiţii speciale sau prin utilizarea pompelor de căldură.

20

30

40

50

90

60

70

80

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

[°C]

LICHID

ABURSATURAT

Energie electrică(cu turbine de abur)

Energie electrică(centrale electrice binare)

Încălzire(cu pompe de căldură)

Evaporarea solutiilor super concentrateRefrigerarea prin absorbtia amoniacului

Apa grea prin procedeul hidrogenului sulfuratUscarea diatomitului

Uscarea cherestelei

Alumina prin procedeul Bayer

Uscarea produselor alimentare

Conservarea alimentelorRafinarea zahărului

Extractia sărurilor prin evaporare si cristalizareApă potabilă prin distilare

Conservarea solutiilor saline

Uscarea betoanelor uzuale

Uscarea vegetalelor: legume, fructe, nutretSpălarea si uscarea lânei

Uscarea pestelui

Încălzire centrală: sere, locuinte

Refrigerare (limita inferioară)

Încălzirea fermelor zootehniceÎncălzirea serelor (aer si sol)

Cultivarea ciupercilorBalneologie

Încălzirea solului

PiscineBiodegradare, fermentare

Deszăpezire, dezghetarePiscicultură, cresterea puietului de peste

FIG. 3

Fig. 3.2 Diagrama Lindal

În continuare se prezintă descrierea sintetică a fiecărei direcţii de utilizare a resurselor energetice geotermale.

A. ÎNCĂLZIREA SPAŢIILOR.Capacitatea instalată este de 4,158 MWt iar energia utilizată anual este de

52,868.TJ/an. Islanda, Turcia, China şi Franţa sunt lideri în domeniul încălzirii districtuale, la fel şi Australia, Rusia, Japonia şi Statele Unite. Japonia domină prin utilizarea sistemului individual de încălzire.B. ÎNCĂLZIREA SOLULUI ŞI A SERELOR

Capacitatea instalată actualmente în lume este de 1,348 MWt iar energia utilizată anual este de 19,607TJ/an. Un total de 30 de ţări raportează o încălzire geotermală pentru sere, principalele ţări fiind: Georgia, Rusia, Turcia, Ungaria, China şi Italia. Câteva ţări, ca Macedonia, au raportat o scădere în utilizarea energiei geotermale în sere datorită problemelor economice.C. USCAREA CULTURILOR AGRICOLE.

Un număr de 17 ţări au raportat utilizarea energiei geotermale pentru uscarea diferitelor cereale, legume şi fructe în anul 2000. Exemple de astfel de produse sunt: ceapa (USA), paste şi alte cereale (Serbia), fructe (Guatemala şi Mexic), lucernă (Noua Zeelandă), nuci de cocos (Philipine). Există un larg potenţial şi interes privind utilizarea energie geotermale pentru uscarea culturilor în regiunile tropicale.

D. UTILIZĂRI INDUSTRIALE

Aceasta reprezintă categoria care are aplicaţii în 15 ţări unde instalaţiile tind să fie mari consumatoare de energie. Exemple incluse în această categorie sunt: îmbutelierea sticlelor cu ape şi sucuri carbogazoase, pasteurizarea laptelui, industria pielăriei, extracţii chimice, creşterea ciupercilor, extracţia de sare, etc. O uzină pentru extragerea zincului în zona Văii Imperiale din California de Sud a pornit operaţia dar a fost oprită după o scurtă perioadă datorită problemelor economice şi tehnice. Utilizarea energiei geotermale a crescut semnificativ încă din anul 2000 cu o capacitate instalată de 489 MWt şi 11,068 TJ energie utilizată anual.

E. TOPIREA ZĂPEZII ŞI RĂCIREA SPAŢIULUI.În această zonă sunt doar câteva aplicaţii limitate cu privire la proiecte de pavare cu

zăpadă topită. Un total de aproape 1 milion de metrii pătraţi de pavaje sunt încălzite prin utilizarea energiei geotermale, majoritatea fiind aflate în Islanda. Un proiect utilizând topirea zăpezii prin abur se află în Argentina pentru a ţine legătura pe timpul iernii între comunităţile din munţii Andes. Puterea necesară variază de la 130 la 180W/m². Răcirea spaţiului este limitat, doar 6 ţări au raportat utilizarea a 288,5TJ/an şi o capacitate instalată de 55,6 MWt. Topirea zăpezii nu este inclusă în acest proces.

F. BALNEOLOGIE ŞI AGREMENT.Aproape fiecare ţară deţine piscine (inclusiv tratamente balneologice) dar multe

permit scurgerea continuă a apei prin utilizarea ei continuă. Capacitatea instalată a crescut cu 24% în ultimii 5 ani dar energia utilizată anual a scăzut cu aproximativ 5% datorită schimbărilor raportate în Japonia. Datele din Japonia exclud hotelurile care utilizează apă termală pentru agrement, care probabil contează pentru scăderea energiei anuale.

G. POMPE GEOTERMALE DE CĂLDURĂ.Capacitatea instalată este de 15,723 MWt şi energia utilizată anual este de

86,637TJ/an cu un factor de capacitate de 0,17 în modul de încălzire. Echivalentul numărului unităţilor instalate de 12 kWt este de aproximativ 1.3 milioane, aproape dublu faţă de numărul unităţilor din anul 2000. Mărimea unităţilor individuale măsoară circa 5.5 kWt de la utilizare rezidenţială până la 150 kWt pentru instalaţii comerciale şi instituţii.

H. ALTE UTILIZĂRI.Capacitatea instalată de 86 MWt şi energie utilizată anual de 1,045TJ/an, au fost

raportate de 6 ţări; utilizări în cadrul fermelor (Argentina şi Tunisia), cultivarea spirulinei şi desalinizare (Grecia) şi extracţie de metan (Bulgaria).

Energia geotermală are, în prezent, un considerabil potenţial economic, numai în ariile unde zăcămintele geotermale sunt concentrate la adâncimi mai mici de 3 km. Prin utilizarea pompelor de căldură, EG poate fi folosită aproape în toate statele lumii, atât pentru asigurarea condiţiilor de confort termic şi prepararea a.c.m., deoarece pompa de căldură, prin caracteristicile sale, necesită temperaturi scăzute ale fluidului geotermal, fluid care, în aceste condiţii, se găseşte la adâncimi economic exploatabile. Trebuie accentuat că pompele de căldură pot fi folosite oriunde.

În ultimii ani un număr de ţări au încurajat utilizatorii casnici individuali să-şi instaleze pompe de căldură în sursele din pământ pentru asigurarea condiţiilor de confort termic şi prepararea a.c.m.. Metodele de stimulare financiară au fost propuse în comun de guverne şi centralele electrice, iar pompele de căldură reduc necesarul pentru puterea de vârf şi înlocuiesc noile capacităţi generatoare de energie.

ENERGIA EOLIANĂ Energia eoliană este o sursă de ER caracteristică mişcării maselor de aer. La sfârşitul

anului 2006, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 73 904 MW, acestea producând ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de EE .

Deşi încă o sursă relativ minoră de EE pentru majoritatea ţărilor, producţia energiei eoliene a crescut practic de cinci ori între 1999 şi 2006, ajungându-se ca, în unele ţări, ponderea energiei eoliene în consumul total de energie să fie semnificativ: Danemarca (23%), Spania (8%), Germania (6%).

Pentru consumatorii solitari EO poate fi utilizată atât pentru asigurarea consumului de EE cât şi a celui de ET prin conversia energiei electrice.

Fenomenul de formare al vântului apare deoarece Soarele nu încălzeşte Pământul uniform, fapt care creează mişcări de aer. Energia cinetică din vânt poate fi folosită pentru a roti turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine pot produce 5 MW, deşi aceasta necesită o viteză a vântului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilometri pe oră. Puţine zone pe pământ au aceste viteze ale vântului, dar vânturi mai puternice se pot găsi la altitudini mai mari şi în zone oceanice.

Energia eoliană este folosită extensiv, şi turbine noi de vânt se construiesc în toată lumea, EO fiind sursa de energie cu cea mai rapidă creştere în ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25% din timp, acest procent crescând iarna, când forţele eoliene sunt mai puternice.

Se crede că potenţialul tehnic mondial al energiei eoliene poate să asigure de cinci ori mai multă energie decât este consumată acum. Acest nivel de exploatare ar necesita 12,7% din suprafaţă Pământului (excluzând oceanele) să fie acoperite de parcuri de turbine, presupunând că terenul ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vânt pe km2. Aceste cifre nu iau în considerare îmbunătăţirea randamentului turbinelor şi a soluţiilor tehnice utilizate.

Energia electrică obţinută cu ajutorul generatoarelor eoliene Whisper, poate susţine foarte uşor necesarul de energie pentru iahturi, bărci, cabine, case la ţară, cabane, mici ferme sau birouri fără posibilitatea conectării la reţeaua naţională de energie.

Adăugarea unor panouri solare pentru EE , poate compensa lipsa vântului în zilele şi lunile calme. Fiecare sistem poate include un sistem EZ-Wire care este un controler de încărcare a bateriilor integrat. Pentru zonele cu potenţial eolian ridicat se poate produce ET prin conversia energiei electrice produsă din sursă eoliană

ZONAREA ENERGETICĂ EOLIANĂ A ROMÂNIEI

S-a considerat necesara şi oportună abordarea unor activităţi de reevaluare a potenţialului eolian al României, prin utilizarea unor mijloace şi instrumente adecvate (aparatura de măsura, softuri adecvate etc.) pornind de la datele de vânt măsurate la 22 staţii aparţinând ANM..

La staţiile meteorologice măsurarea celor doi parametri ai vântului, direcţia şi viteza, se efectuează, conform recomandărilor OMM (Organizaţia Meteorologică Mondială), la înălţimea de 10 m deasupra solului.

Din păcate, recomandările UE în domeniu, precum si practica actuală , a dovedit însă că viteza de la care este eficientă exploatarea vântului ca resursă energetică trebuie să se refere la viteza vântului de la înălţimea rotorului turbinelor centralelor eoliene, situat în prezent de obicei la înălţimi mari (50, 70, 80, 90 m deasupra solului).

Ca urmare, a fost elaborată Harta eoliană a României care cuprinde vitezele medii anuale calculate la înălţimea de 50 m deasupra solului.

Distribuţia pe teritoriul României a vitezei medii a vântului scoate în evidenţă ca principală zonă cu potenţial energetic eolian aceea a vârfurilor montane unde viteza vântului poate depăşi 8 m/s.

A doua zonă cu potenţial eolian ce poate fi utilizat în mod rentabil o constituie Litoralul Mării Negre, Delta Dunării şi nordul Dobrogei unde viteza medie anuală a vântului se situează în jurul a 6 m/s. Faţă de alte zone exploatarea energetică a potenţialului eolian din această zonă este favorizată şi de turbulenţa mai mică a vântului.

Cea de a treia zonă cu potenţial considerabil o constituie Podişul Bârladului unde viteza medie a vântului este de circa 4-5 m/s. Viteze favorabile ale vântului mai sunt semnalate şi în alte areale mai restrânse din vestul ţării, in Banat si pe pantele occidentale ale Dealurilor Vestice.

BIOMASA SI BIOCOMBUSTIBILII Biomasa este partea biodegradabilă a produselor, deşeurilor şi reziduurilor din

agricultură, inclusiv substanţele vegetale şi animale, silvicultură şi industriile conexe, precum şi partea biodegradabilă a deşeurilor industriale şi urbaneError: Reference source not found]. Biomasa reprezintă resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă. Aceasta include absolut toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelor vii. Biomasa se enumeră printre primele forme de energie utilizată de om, odată cu descoperirea focului.

Energia înglobată în biomasă se eliberează prin metode variate, care însă, în cele din urmă, reprezintă procese chimice de oxidareError: Reference source not found..

Forme de valorificare energetică a biomasei: Arderea directă cu generare de ET .

Arderea prin piroliză, cu generare de singaz (CO + H2).

Fermentarea, cu generare de biogaz (CH4) sau bioetanol (CH3-CH2-OH)- în cazul fermentării produşilor zaharaţi; biogazul se poate arde

direct, iar bioetanolul, în amestec cu benzina, poate fi utilizat în motoarele cu combustie internă.

Transformarea chimică a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool şi generare de esteri, de exemplu metil esteri (biodiesel) şi

glicerol. În etapa următoare, biodieselul purificat se poate arde în motoarele diesel.

Degradarea enzimatică a biomasei cu obţinere de etanol sau biodiesel.

Celuloza poate fi degradată enzimatic la monomerii săi, derivaţi glucidici, care pot fi ulterior fermentaţi la etanol.

Biomasa reprezintă componentul vegetal al naturii, ca formă de conservare a energiei solare în formă chimică. Este unul din cele mai populare şi universale resurse energetice.

Ca şi compoziţie chimică biomasei este descrisă astfel: 25% lignină şi 75% glucide (celuloză şi hemiceluloză) sau zaharide. Fracţiunea glucidică este compusă din molecule de zaharide, unite între ele prin lanţuri lungi polimerice. Una din cele mai importante glucide este celuloza. Componenta ligninică este compusă din molecule nesaharizate. Natura utilizează moleculele polimerice lungi de celuloză la formarea ţesuturilor, care asigură integritatea plantelor. Lignina apare în plante cu scopul de a crea legături între moleculele

celulozice.Energia Solară prin procesul de fotosinteză, in prezenţa bioxidului de carbon din

atmosferă şi apa din sol participă la procesul de obţinere a glucidelor (saharidelor), care formează „blocurile de construcţie cu valoare energetică” a biomasei. Oxidarea carbonului din biomasă în prezenţa oxigenului din atmosferă produce energie, apă şi degajă bioxid de carbon reutilizat în procesele de fotosinteză rezultând un proces ciclic. Apa şi bioxidul de carbon participă din nou la procesul de formare a biomasei.

Ca adăugare la sensul său estetic de floră a planetei, biomasa reprezintă o resursă sigură şi regenerabilă pentru om. Pe parcursul a mii de ani oamenii extrăgeau energia soarelui, arzând biomasa în calitate de combustibil sau utilizând-o în alimentaţie, utilizând energia zaharidelor şi celulozei. Pe parcursul ultimelor secole omenirea a învăţat să obţină tipurile fosile de biomasă, în deosebi, în formă de cărbune artificiali. Combustibilii fosili prezintă rezultatul reacţiei chimice foarte încete de transformare polizaharidelor în compuşi chimici asemănătoarei fracţiei ligninice. Toate tipurile de combustibil fosil, utilizate de către omenire – cărbune, petrol, gaze naturale – reprezintă tot o formă de biomasă. Timp de milioane de ani pe Pământ resturile plantelor (vegetale) se transformă în combustibil. Deşi combustibilul extras constă din aceleaşi componente – hidrogen şi carbon - ca şi biomasa ”proaspătă”, el nu poate fi atribuit la surse energetice reînnoibile întrucât scara de timp la care are loc procesul nu poate fi raportată la scara de timp al unei societăţii.

Utilizarea biomasei creşte cu tempuri rapide. În unele state dezvoltate biomasa este utilizată destul de intens, spre exemplu, Suedia, care îşi asigură 15% din necesitatea în surse energetice primare. Suedia planifică pe viitor creşterea volumului biomasei utilizate concomitent cu închiderea staţiilor atomo-electrice şi termo-electrice, care utilizează combustibil fosil. În SUA 4%, unde din energie este obţinută din biomasă, aproape de cantitatea obţinută la staţiile atomo-electrice, astăzi funcţionează instalaţii cu capacitatea totală de 9000 MW, unde se arde biomasa cu scopul obţinerii energiei electrice. Biomasa cu uşurinţă poate asigura peste 20% din necesităţile energetice a ţării. Altfel spus, resursele funciare existente şi infrastructura sectorului agrar permite înlocuirea completă a tuturor staţiilor atomice, fără a influenţa preţurile la produsele alimentare. De asemenea utilizarea biomasei la producerea etanolului poate micşora importul petrolului cu 50%.

În statele în curs de dezvoltare biomasa este utilizată neefectiv, obţinându-se, ca regulă, 5-15% din necesitatea totală.

Utilizarea biomasei poate fi periculoasă pentru sănătate şi mediu. Spre exemplu, la prepararea bucatelor în încăperi puţin aerisite se pot forma CO, NOx, formaldehide, particule solide, alte substanţe organice, concentraţia cărora poate întrece nivelul recomandat de Organizaţia Mondială a Sănătăţii. În plus, utilizarea tradiţională a biomasei (de obicei arderea lemnului) favorizează deficitul în creştere a materiei lemnoase: Sărăcirea de resurse, de substanţe hrănitoare, problemele legate de micşorarea suprafeţelor pădurilor şi lărgirea pustiurilor.

La începutul anilor '80 aproape 1,3 mld oameni îşi asigurau necesitatea în combustibil pe baza micşorării rezervelor forestiere. Există un potenţial enorm a biomasei, care poate fi inclus în circuit în cazul îmbunătăţirii utilizării resurselor existente şi creşterea productivităţii. Bioenergetica poate fi modernizată datorită tehnologiilor moderne de transformare a biomasei iniţiale în purtători de energie moderni şi eficienţi (E E , combustibili lichizi şi gazoşi, solid finisat).

În general, centralele energetice bazate pe biomasă Error: Reference source not found produc prin valorificarea (co-arderea) reziduurilor agricole, industriale sau menajere, în arzătoare, alături de cărbune, ţiţei sau gaze, sau prin conversia biomasei în gaze combustibile care pot substitui arderea gazelor naturale. Puterea instalată în asemenea centrale este de circa 20 MW, randamentul global al procesului de conversie în energie este de circa 20%. Cercetările în domeniu se concentrează pe dublarea sau chiar triplarea randamentului de conversie, pe reducerea preţului de cost şi pe soluţionarea depozitării cenuşilor rezultate. În

urma conversiei biomasei provenite din diverse surse (culturi de plante tehnice, ferme de animale, deşeuri menajere, deşeuri tehnologice e.t.c.) în gaz de combustie de bună calitate, care este folosit drept combustibil pot fi alimentate diverse zone locale cu energie din biomasă. Spre exemplu o fermă de 900 de porci produce biogaz ce înlocuieşte anual 300.000 litri de motorină prin procesarea a 4000 m3 bălegar lichid, 2000 t deşeuri porumb şi 5000 t alte reziduuri Error: Reference source not found. Încă un efect pozitiv îl constituie diminuarea poluării mediului. În anii 1950, un fermier britanic, Harold Bate, a inventat un dispozitiv numit "digester" ("digeratorul"), care transforma dejecţiile animaliere în gaz metan, folosit drept carburant pentru punerea în funcţiune a unei autocamionete. Masa vegetală constituie o altă posibilă resursă.

Oamenii de ştiinţă întreprind în prezent un studiu asupra obţinerii de bioetanol din "heather", vegetaţie măruntă tipică reliefului scoţian. În Franţa, bioetanolul în amestec cu benzina este folosit pe post de combustibil la anumite tipuri de maşini. În Brazilia, un număr de autovehicule sunt puse în mişcare cu ajutorul etanolului obţinut din frunzele care învelesc ştiuleţii de porumb. O alta soluţie alternativă o constituie uleiul comestibil, care poate înlocui cu succes motorina. După ce a fost folosit la gătit în lanţurile de restaurante de tip fast food şi nu numai, uleiul comestibil care se adună în mari cantităţi poate fi utilizat şi ca biocombustibil.

Astăzi combustibilul din biomasă poate fi utilizat în diferite scopuri – de la încălzirea încăperilor până producerea energiei electrice şi combustibililor pentru automobile.

Estimări privind resursele de biomasă la nivel global Error: Reference source notfound

Masa totală (inclusiv umid.) - peste 2000 miliarde tone;

Masa totală a plantelor terestre - 1800 miliarde tone;

Masa totală a pădurilor - 1600 miliarde tone;

Cantitatea energiei acumulate în biomasa terestră - 25.000*1018

J;

Creşterea anuală a biomasei - 400.000 milioane tone;

Viteza acumulării energiei de către biomasa terestră - 3000*1018

J pe an;

Consumul total anual a tuturor tipurilor de energie - 400*1018

J pe an;

Utilizarea energiei biomasei - 55*1018

J pe an (1,7 TWt).

Cursul 4

BIOMASĂ ŞI BIOCOMBUSTIBILINTRODUCERE

Emisia gazelor cu efect de seră reprezintă o ameninţare serioasă în ceea ce priveşteproducerea schimbărilor climatice, cu efecte potenţial dezastruoase asupra omenirii. Utilizarea surselor regenerabile de energie (SRE), împreună cu îmbunătăţirea eficienţei energiei (EE), pot contribui la reducerea consumului de energie, la reducerea emisiilor gazelor cu efect de seră şi, în consecinţă, la prevenirea schimbărilor climatice periculoase.Potenţialul neutilizat de biomasă, energie solară, hidro, eoliană şi geotermală reprezintă o cantitate importantă. Cu toate acestea, în ultimii ani, datorită unor mecanisme financiare de suport, cum ar fi mecanismul feed-in-tariff sau cel de acordare a certificatelor verzi, în multe ţări europene acest sector s-a dezvoltat progresiv.

UE a adoptat o strategie proprie de luptă împotriva schimbărilor climatice, prin adoptarea unui plan pentru creştere durabilă, Europa 2020, în care a stabilit un set de obiective ambiţioase în domeniul energiei (aşa numitele obiective 20-20-20). Drumul către o

economie cu emisii scăzute de carbon înseamnă dezvoltarea unui sector public local capabil să identifice şi să sprijine oportunităţile economice. În particular, sectorul public local poate juca un rol strategic ca administrator al teritoriului şi aplicant final al politicilor publice. De aceea, în domeniul energiei durabile, este esenţială consolidarea cunoştinţelor angajaţilor din sectorul public local.

Energia are un rol important în viaţa noastră atât din punct de vedere economic cât şi din punct vedere social. Dezvoltarea durabilă este influenţată în mare măsură de dezvoltarea industriei energetice.

Dezvoltarea durabilă este acea dezvoltare care corespunde necesităţilor prezentului, fără a compromite posibilităţile generaţiilor viitoare de a le satisface pe ale lor.

Sensul de “durabil ” – trainic, rezistent - care aparent este contrar “dezvoltării” trebuie interpretat ca o dezvoltare raţională făcută astfel încât să poată fi menţinută pe timp îndelungat, chiar permanent, continuu, deci durabil.

Conceptul de “dezvoltare durabilă” este strâns legat de utilizarea durabilă a resurselor naturale regenerabile. Aşa cum ciclurile apei sau vegetaţiei (ambele reprezentând resurse regenerabile) sunt permanente cu păstrarea şi conservarea cantitativă, la fel modelul de dezvoltare durabilă încearcă să transpună ciclurile închise naturale în cadrul unor activităţi umane, inclusiv în utilizarea durabilă a resurselor naturale regenerabile.

Prin utilizare durabilă se înţelege folosirea resurselor regenerabile într-un mod şi o rată care să nu conducă la declinul pe termen lung al acestora, menţinând potenţialul lor în acord cu necesităţile şi aspiraţiile generaţiilor prezente şi viitoare.

Biomasa este partea biodegradabilă a produselor, deşeurilor şi reziduurilor din agricultură, inclusiv substanţele vegetale şi animale, silvicultură şi industriile conexe, precum şi partea biodegradabilă a deşeurilor industriale şi urbane. Biomasa reprezintă resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă. Aceasta include absolut toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelor vii. Biomasa se enumeră printre primele forme de energie utilizată de om, odată cu descoperirea focului.

Energia înglobată în biomasă se eliberează prin metode variate, care însă, în cele din urmă, reprezintă procese chimice de oxidare.

Forme de valorificare energetică a biomasei: arderea directă cu generare de ET;

ardere prin piroliză, cu generare de singaz (CO + H2).

fermentarea, cu generare de biogaz (CH4) sau bioetanol (CH3-CH2-OH) - în cazul fermentării produşilor zaharaţi; biogazul se poate arde

direct, iar bioetanolul, în amestec cu benzina, poate fi utilizat în motoarele cu combustie internă.

transformarea chimică a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool şi generare de esteri, de exemplu metil esteri (biodiesel) şi

glicerol. În etapa următoare, biodieselul purificat se poate arde în motoarele Diesel;

degradarea enzimatică a biomasei cu obţinere de etanol sau biodiesel;

celuloza poate fi degradată enzimatic la monomerii săi, derivaţi glucidici, care pot fi ulterior fermentaţi la etanol.

Biomasa reprezintă componentul vegetal al naturii, ca formă de conservare a energiei solare în formă chimică. Este unul din cele mai populare şi universale resurse energetice.

Ca şi compoziţie chimică biomasei este descrisă astfel: 25% lignină şi 75% glucide (celuloză şi hemiceluloză) sau zaharide. Fracţiunea glucidică este compusă din molecule de zaharide, unite între ele prin lanţuri lungi polimerice. Una din cele mai importante glucide este celuloza. Componenta ligninică este compusă din molecule nesaharizate. Natura utilizează moleculele polimerice lungi de celuloză la formarea ţesuturilor, care asigură integritatea plantelor. Lignina apare în plante cu scopul de a crea legături între moleculele celulozice.

Energia Solară prin procesul de fotosinteză, în prezenţa dioxidului de carbon din atmosferă şi apa din sol participă la procesul de obţinere a glucidelor (saharidelor), care

formează „blocurile de construcţie cu valoare energetică” a biomasei. Oxidarea carbonului din biomasă în prezenţa oxigenului din atmosferă produce energie, apă şi degajă bioxid de carbon reutilizat în procesele de fotosinteză rezultând un proces ciclic. Apa şi bioxidul de carbon participă din nou la procesul de formare a biomasei.

Ca adăugare la sensul său estetic de floră a planetei, biomasa reprezintă o resursă sigură şi regenerabilă pentru om. Pe parcursul a mii de ani oamenii extrăgeau energia soarelui, arzând biomasa în calitate de combustibil sau utilizând-o în alimentaţie, utilizând energia zaharidelor şi celulozei. Pe parcursul ultimelor secole omenirea a învăţat să obţină tipurile fosile de biomasă, în deosebi, în formă de cărbune artificiali. Combustibilii fosili prezintă rezultatul reacţiei chimice foarte încete de transformare polizaharidelor în compuşi chimici asemănătoarei fracţiei ligninice. Toate tipurile de combustibil fosil, utilizate de către omenire – cărbune, petrol, gaze naturale – reprezintă tot o formă de biomasă. Timp de milioane de ani pe Pământ resturile plantelor (vegetale) se transformă în combustibil. Deşi combustibilul extras constă din aceleaşi componente – hidrogen şi carbon - ca şi biomasa ”proaspătă”, el nu poate fi atribuit la surse energetice reînnoibile întrucât scara de timp la care are loc procesul nu poate fi raportată la scara de timp al unei societăţii.

Utilizarea biomasei creşte cu un ritm rapid. În unele state dezvoltate biomasa este utilizată destul de intens, spre exemplu, Suedia, care îşi asigură 15% din necesitatea în surse energetice primare. Suedia planifică pe viitor creşterea volumului biomasei utilizate concomitent cu închiderea staţiilor atomo-electrice şi termo-electrice, care utilizează combustibil fosil. În SUA 4%, unde din energie este obţinută din biomasă, aproape de cantitatea obţinută la staţiile atomo-electrice, astăzi funcţionează instalaţii cu capacitatea totală de 9000 MW, unde se arde biomasa cu scopul obţinerii energiei electrice. Biomasa cu uşurinţă poate asigura peste 20% din necesităţile energetice a ţării. Altfel spus, resursele funciare existente şi infrastructura sectorului agrar permite înlocuirea completă a tuturor staţiilor atomice, fără a influenţa preţurile la produsele alimentare. De asemenea utilizarea biomasei la producerea etanolului poate micşora importul petrolului cu 50%.

În statele în curs de dezvoltare biomasa este utilizată neefectiv, obţinându-se, ca regulă, 5-15% din necesitatea totală.

Utilizarea biomasei poate fi periculoasă pentru sănătate şi mediu. Spre exemplu, la prepararea bucatelor în încăperi puţin aerisite se pot forma CO, NOx, formaldehide, particule solide, alte substanţe organice, concentraţia cărora poate întrece nivelul recomandat de Organizaţia Mondială a Sănătăţii. În plus, utilizarea tradiţională a biomasei (de obicei arderea lemnului) favorizează deficitul în creştere a materiei lemnoase: Sărăcirea de resurse, de substanţe hrănitoare, problemele legate de micşorarea suprafeţelor pădurilor şi lărgirea pustiurilor.

La începutul anilor '80 aproape 1,3 mld oameni îşi asigurau necesitatea în combustibil pe baza micşorării rezervelor forestiere. Există un potenţial enorm a biomasei, care poate fi inclus în circuit în cazul îmbunătăţirii utilizării resurselor existente şi creşterea productivităţii. Bioenergetica poate fi modernizată datorită tehnologiilor moderne de transformare a biomasei iniţiale în purtători de energie moderni şi eficienţi (E E , combustibili lichizi şi gazoşi, solid finisat).

În general, centralele energetice bazate pe biomasă produc prin valorificarea (co-arderea) reziduurilor agricole, industriale sau menajere, în arzătoare, alături de cărbune, ţiţei sau gaze, sau prin conversia biomasei în gaze combustibile care pot substitui arderea gazelor naturale. Puterea instalată în asemenea centrale este de circa 20 MW, randamentul global al procesului de conversie în energie este de circa 20%. Cercetările în domeniu se concentrează pe dublarea sau chiar triplarea randamentului de conversie, pe reducerea preţului de cost şi pe soluţionarea depozitării cenuşilor rezultate. În urma conversiei biomasei provenite din diverse surse (culturi de plante tehnice, ferme de animale, deşeuri menajere, deşeuri tehnologice e.t.c.) în gaz de combustie de bună calitate, care este folosit drept combustibil pot fi alimentate diverse zone locale cu energie din biomasă. Spre exemplu o fermă de 900 de porci

produce biogaz ce înlocuieşte anual 300.000 litri de motorină prin procesarea a 4000 m3

bălegar lichid, 2000 t deşeuri porumb şi 5000 t alte reziduuri Error: Reference source notfound. Încă un efect pozitiv îl constituie diminuarea poluării mediului. În anii 1950, un fermier britanic, Harold Bate, a inventat un dispozitiv numit "digester" ("digeratorul"), care transforma dejecţiile animaliere în gaz metan, folosit drept carburant pentru punerea în funcţiune a unei autocamionete. Masa vegetală constituie o altă posibilă resursă.

Oamenii de ştiinţă întreprind în prezent un studiu asupra obţinerii de bioetanol din "heather", vegetaţie măruntă tipică reliefului scoţian. În Franţa, bioetanolul în amestec cu benzina este folosit pe post de combustibil la anumite tipuri de maşini. În Brazilia, un număr de autovehicule sunt puse în mişcare cu ajutorul etanolului obţinut din frunzele care învelesc ştiuleţii de porumb. O alta soluţie alternativă o constituie uleiul comestibil, care poate înlocui cu succes motorina. După ce a fost folosit la gătit în lanţurile de restaurante de tip fast food şi nu numai, uleiul comestibil care se adună în mari cantităţi poate fi utilizat şi ca biocombustibil.

Astăzi combustibilul din biomasă poate fi utilizat în diferite scopuri – de la încălzirea încăperilor până producerea energiei electrice şi combustibililor pentru automobile.

Estimări privind resursele de biomasă la nivel global Masa totală (inclusiv umid.) - peste 2000 miliarde tone;

Masa totală a plantelor terestre - 1800 miliarde tone;

Masa totală a pădurilor - 1600 miliarde tone;

Cantitatea energiei acumulate în biomasa terestră - 25.000*1018

J;

Creşterea anuală a biomasei - 400.000 milioane tone;

Viteza acumulării energiei de către biomasa terestră - 3000*1018

J pe an;

Consumul total anual a tuturor tipurilor de energie - 400*1018

J pe an;

Utilizarea energiei biomasei - 55*1018

J pe an (1,7 TWt).

Situaţia energetică actualăResursele energetice folosite actualmente, de exemplu: cărbunele, petrolul, gazele

naturale sunt pe cale de epuizare. Pe lângă aceste resurse sunt folosite şi alte surse cum ar fi energia hidraulică, energia nucleară, sau chiar lemnul. Pentru a exemplifica utilizarea energiilor primare furnizate pe glob, în tabelul 1. Sunt redate ponderile surselor de energie primară. TABELUL 1 – PONDERILE SURSELOR DE ENERGIE PRIMARĂ ÎN PERIOADA 1973 – 2009Nr. crt.

Forma de energie Ponderea [%]1973 2009

1. Cărbune şi turba 24.6 27.22. Petrol 46.0 32.83. Gaze naturale 16.0 20.94. Hidro 1.8 2.35. Nuclear 0.9 5.86. Combustibili regenerabili şi deşeuri 10.6 10.27. Alte forme de energie 0.1 0.8

0306090

1973 2009

Fig. 4 – Utilizarea energiilor primare în perioada 1973 - 2009

BIOMASA

Biomasa, constă în plante şi materiale derivate din plante care se utilizează la producerea de biocombustibili, bioenergie şi produse chimice biologice fără să genereze emisii de gaze cu efect de seră.

Bioenergia nu este o sursă în tranziție, cum se prezintă în marea majoritate a cazurilor, ci o resursă care primeşte o importanţă deosebită ca purtător de energie modernă. În următoarele capitole se va studia biomasa şi potenţialul acesteia ca fiind sursa cea mai mare de energie regenerabilă.

Rolul actual al biomasei

În zilele noastre resursele de biomasă continuă să fie cele mai importante resurse energetice, sub forma lor naturală, asigurând sursa energetică pentru ¾ din populaţia globului. Aplicaţiile moderne ale energiei de biomasă, creşte rapid atât în ţările industrializate cât şi în ţările în curs de dezvoltare, având o pondere de 20 – 25 % utilizare din totalul resurselor de biomasă. De exemplu, în SUA 4 % în Finlanda şi Suedia 20% energia primară se obţine din biomasă.

Energia de biomasă, nu este un combustibil de tranziţie, ci un combustibil, care continuă să rămână o sursă primară de energie pentru mulţi oameni şi în viitorul apropiat. De exemplu, „peste 2,6 miliarde de oameni din ţările în curs de dezvoltare folosesc biomasa pentru gătire şi încălzire şi în 2030…….aceasta este o creştere faţă de consumatorii actuali, de 240 milioane de utilizatori.”

Succesul oricărei formă de energie rezultată din biomasă, mai mult ca sigur că va depinde de tehnologii avansate rezonabile. Într-adevăr, dacă, bioenergia va avea un viitor pe termen lung, va putea oferi tot ce-şi doresc oamenii, adică, confort, curăţenie, eficienţă sub formă de energie electrică, lichidă sau gazoasă. De asemenea, acest lucru presupune, competiţia directă cu alte surse de energie.

Biomasa este o materie organică, aflată în păduri, culturi agricole, ierburi şi plante. În structura biomasei o importanţă deosebită au hidrocarburile, adică componentele organice care se formează în plante. Biomasa de fapt este o formă a energiei solare, acumulată sub formă de material organic.

Prin procesul de fotosinteză care foloseşte energia soarelui se va converti CO2 în hidrocarburi, adică în zahăruri, celuloză.

Fotosinteza deci, este procesul de fixare a dioxidului de carbon din atmosferă de către plantele verzi (cu clorofilă), în prezența radiațiilor solare, cu eliminare de oxigen și formare

de compușilor organici de o varietate foarte largă (glucide, lipide, proteine). Deși, apa ca și dioxidul de carbon participă în fotosinteză, nu constituie, nici în cantități mici, un factor limitant pentru toate speciile. Intensitatea fotosintezei se exprimă cantitativ prin volumul de gaz degajat pe unitate de timp.

ROLUL APEI ÎN FOTOSINTEZĂ

Fără apă viața plantelor, ca de altfel a tuturor viețuitoarelor de pe Terra, este imposibilă. După cum se știe, globul pământesc este aprovizionat cu apă în mod foarte diferit. Cele mai puține precipitații, inegal distribuite în cursul anului, cad în deșerturi. Deșerturile se găsesc aproape în toate continente, ocupând suprafețe mai mari sau mai mici, populate cu o floră și o faună specifică. Toate procesele metabolice depind de cantitatea de apă din țesuturi. Un deficit de apă în țesuturile asimilatoare, influențează direct procesul fotosintezei atât în faza luminoasă, cât și în faza întunecoasă, provocând inhibarea acestuia. Deoarece principalul rezultat al pierderilor turgescenței îl constituie închiderea stomatelor, schimbul de gaze care are loc în fotosinteză, respirația și fotorespirația, este mult îngreunat. Totuși, și alți factori nonstomatici intervin în reducerea fotosintezei sub influența deficitului și stresului de apă.

ADAPTĂRI ALE ORGANISMELOR

Deși speciile de plante care cresc în ținuturile aride aparțin mai multor familii botanice, ele capătă mai mult sau mai puțin același aspect. Astfel datorită apei insuficiente, o parte din plantele din deșerturi și-au pierdut frunzele care s-au transformat în spini pentru a împiedica transpirația, asimilația clorofiliană fiind preluată de către tulpinile verzi ce au clorofilă. Tulpinile verzi, asimilatoare, pot fi sferice, lățite ca niște frunze sau cilindrice și ramificate ca niște candelabre. Deși suculente, conținând o mare cantitate de apă acumulată de țesutul acvifer, animalele nu se pot atinge de ele datorită spinilor puternici ce constituie o bună armă de apărare, acești spini nu sunt altceva decât frunzele reduse la nervura principală. Aceste forme de adaptare se întâlnesc mai ales la plantele de deșert, cele din familia Cactaceae numite simplu – cactuși și care sunt caracteristice (cu unele excepții) deșertului Mexican. Dacă nu chiar toate speciile de plante care trăiesc în locuri secetoase au imitat, mai mult sau mai puțin, forma cactusului, în schimb toate au păstrat caracteristicile de bază: stomatele sunt deschise numai noaptea, cuticula frunzelor este groasă și impermeabilă, plasma celulară se păstrează întotdeauna, indiferent de temperatură, în stare hidratată.Unele alge produc in anumite condiții hidrogen în loc de oxigen.

REACȚII

REACȚII FOTOCHIMICE

În stadiul dependent de lumină (reacția la lumină), clorofila absoarbe energia luminoasă, stimulând electroni moleculelor de pigment, transferându-i pe straturi cu niveluri mai ridicate de energie. Aceștia părăsesc clorofila și trec printr-o serie de molecule, formând NADPH (o enzimă) și molecule de ATP care stochează energia. Oxigenul rezultat în urma reacțiilor chimice este eliberat în atmosferă prin porii frunzelor.

REACȚII NEFOTOCHIMICE

Ciclul Calvin (descoperit de Melvin Calvin) reprezintă o serie de reacții biochimice, care au loc în stroma (grup de lamele între care se găsește clorofila unor plante) organismelor fotosintetice, în timpul fazei de întuneric. În cadrul acestui proces, energia cinetică a fotonilor

este transformată în energie chimică de legătură. NADPH și ATP sunt compușii care conduc la cel de al doilea stadiu al fotosintezei, (sau ciclul Calvin). În acest stadiu, glucoza este produsă folosindu-se dioxid de carbon din atmosferă.

ASPECTUL ENERGETIC AL FOTOSINTEZEI

Au trecut încă 44 ani pentru ca aspectul energetic al fotosintezei să fie cunoscut. Meritul revine medicului și fizicianului german Robert Mayer, care a aplicat legea conservării energiei la viețuitoare. Astfel, în 1845 el a publicat lucrarea "Mișcarea organică în relație cu metabolismul", în care, a explicat clar transformarea energiei în procesul fotosintezei. În timpul efectuării fotosintezei, plantele înmagazinează energia razei solare sub formă de energie chimică. Plantele nu creează energie, ci numai o transformă pe cea primită de la soare. În plus, Mayer afirmă că viața animalelor este dependentă de această proprietate unică a plantelor verzi. Astfel energia consumată de animale în timpul vieții provine din radiații solare. Acest fapt stabilește ferm procesul de fotosinteză ca fiind unul dintre fenomenele cele mai importante din lumea viețuitoarelor. Ecuația generală a fotosintezei putea fi scrisă atunci:

6 CO2 + 6 H2O + lumină solară → C6H12O6 + 6 O2

Dioxid de carbon + Apă + Energie luminoasă → Glucoză + Oxigen

Fotosinteza are loc în cloroplaste (corpuscul de culoare verde, cu clorofilă, care se găsește în citoplasma plantelor și în care se produce asimilația clorofiliană) și în zona citoplasmei care le înconjoară. La nivelul cloroplastelor alături de clorofila, pigment activ în reacțiile fotochimice, se mai găsesc și alți pigmenți, cu rol de pigmenți accesorii:Mecanismul clorofilei include 3 procese principale:

Fotofosforilarea Fotoliza apei Fixarea și transformarea CO2 în glucide

FACTORIPOLUAREA AERULUI ŞI FOTOSINTEZA

Este poate necesar de reamintit că rolul epurator al aerului ambiant, atribuit plantelor este totuși limitat, astfel că este iluzoriu să considerăm că oxigenul produs de o pădure poate compensa pe cel consumat de către avioanele cu reacție la decolarea de pe un aerodrom. În schimb, rolul fizic al plantelor este mult mai important. Diferitele plantații de arbori, de garduri vii sau de masive împădurite vor avea un rol fizic de dispersare a poluanților, modificând asperitățile naturale ale solului, producând modificări higrometrice și de temperatură locale, toate favorizând o mai bună dispersare sau fixare la sol a diferiților poluanți emiși în atmosferă. Aceasta presupune în primul rând, cunoașterea mecanismelor de intoxicare a plantelor cu poluanții aerului, pentru a putea imagina apoi fie o modalitate de atenuare a efectelor, fie un mod de selecționare a speciilor rezistente. Astfel, principalii poluanți întâlniți sunt: dioxidul de sulf, derivații fluorului, oxizii de azot, ozonul și numeroase alte substanțe produse de diferite industrii, ca acidul clorhidric, pulberile, monoxidul de carbon. Ei limitează suprafața activă fotosintetic a frunzelor.

LUMINOZITATEAOZONUL ȘI AGENȚII OXIDANȚI

Ozonul și oxidanții sunt poluanți fotochimici care se formează sub acțiunea radiațiilor luminoase (în special UV) asupra unui amestec de poluanți de tipul SO2, NOx și hidrocarburi nesaturate. Ei sunt întâlniți adesea în regiuni cu poluare puternică, unde condițiile climatice de curenți slabi permit stagnarea unor mase poluante, creându-se astfel condiții favorabile reacției dintre diferiții poluanți. Plantele din aceste zone prezintă pete necrotice localizate între nervuri pe una sau alta din fețele frunzei,în funcție de poluantul în cauză. O expunere prelungită produce o cloroză a frunzei, îmbătrânirea prematură și eventual căderea frunzelor atacate. Pe lângă aspectul fundamental, cercetarea acțiunii ozonului și a oxidanților asupra fotosintezei, prezintă și o importanță practică. Se știe că prezența poluanților poate produce diminuarea creșterii plantelor prin reducerea fotosintezei, datorită distrugerii țesuturilor. Numeroși cercetători au observat o reducere a creșterii plantelor, expuse acțiunii oxidanților, chiar și în absența necrozelor. S-a observat o reducere a creșterii cu 10% la o varietate de tutun expusă timp de 3-4 săptămâni la concentrații ale oxidanților cuprinse între 0,03 și 0,22 ppm. Această diminuare afectează mai mult varietățile existente. O expunere de 3 săptămâni la concentrații comparabile celor înregistrate în natură, împiedică înflorirea la tomate. Numeroși alți factori ar putea și ei constitui cauza diminuării procesului de creștere, iar dintre aceștia amintim: modificările anatomice ale țesuturilor foliare, intensificarea respirației, diminuarea fotosintezei, scăderea cantității de clorofilă, creșterea permeabilității pereților celulari etc. Studiile efectuate asupra rolului stomatelor în absorbția ozonului și oxidanților au scos în evidență faptul că stomatele nu constituie singura cale de pătrundere a poluantului în plante.

MONOXIDUL DE CARBON (CO)

Influența acestui poluant asupra fotosintezei a fost studiată la alga verde unicelulară Chlorella. Rezultatele au arătat o inhibare reversibilă a procesului care depinde de presiunile parțiale ale monoxidului de carbon și ale oxigenului. S-ar părea că această inhibare a fotosintezei se datorează fixării monoxidului de carbon pe nucleul metalic al unei enzime care transportă oxigenul în procesul de fotosinteză. Inhibarea fotosintezei se accentuează sub acțiunea luminii.

După ce planta moare, urmează procesul de degradare, adică energia acumulată în plantă sub formă de hidrocarburi se descarcă ca şi bioxid de carbon ajungând înapoi în atmosferă. Deci, biomasa este o sursă de energie regenerabilă, deoarece creşterea plantelor şi copacilor noi asigură existenţa acesteia în mod continuu.

Importanţa biomasei

Utilizarea biomasei pentru obţinerea energiei are un rol important în lupta reducerii producerii CO2, astfel nu contribuie la emisia GHG – efectul de seră – reducând factorii care au rol în schimbarea climatului.

Biocombustibilii joacă un rol important în prosperarea mediului înconjurător. Folosind tehnologii noi, moderne în conversia energiei este posibilă înlocuirea combustibililor fosili cu biocombustibil echivalent. Atunci când biomasa se află în creştere durabilă privind energia, nu se ia în considerare CO2, presupunând că creşterea cantităţii este egală cu cea arsă, astfel CO2 provenit din ardere este compensat prin absorbirea culturilor aflate în creştere. Producţia durabilă a biomasei de aceea este o abordare practică privind protecţia mediului şi problemele de termen lung cum ar fi reîmpădurirea şi refacerea vegetaţiei a terenurilor degradate şi atenuarea încălzirii globale. Deci, bioenergia poate juca

un rol semnificativ atât în combaterea poluării cât şi folosirea acesteia ca o sursă de energie modernă.

Într-adevăr, combinarea consideraţiilor de mediu, a factorilor sociale, necesitatea de a găsi surse noi de energie alternativă, necesitățile politice şi tehnologii aflate în evoluţie rapidă deschid oportunităţi noi în obţinerea energiei din bioenergie într-o lume unde creşte conștiința faţă de mediu. Acest lucru se reflectă în interesul faţă de energii regenerabile şi în particular faţă de bioenergie.

Bioenergia face parte din energiile regenerabile existente pe pământ, materie care derivă din surse biologice. În 2010, pe plan global, au fost puse în funcțiune mai multe centrale ce folosesc bioenergia. Puterea produsă în total a fost estimată la 35 GW. Biocombustibilii fac parte din bioenergie care derivă din biomasa existentă în mediul înconjurător.

Clasificarea bioenergiei

Informaţiile asupra producerii şi utilizării bioenergiei sunt afectate de lipsa datelor fiabile. Chiar dacă datele sunt disponibile, acestea nu sunt exacte şi sunt prea specifice locaţiei. Energia din biomasă, în particular, în forma sa tradiţională este greu de măsurat datorită varietăţii mari de biomasă şi totodată este greu de comparat datele obţinute pentru diferite locaţii. Pe de altă parte, biomasa tradiţională este partea integrală a economiei informală, în cele mai multe cazuri nu intră în statisticile oficiale.

Resursele de biomasă fiind oferite de natură, elaborarea şi menţinerea unei baze de date care conţine toate tipurile de bioenergie este foarte costisitor. Biomasa, în general, este privită ca o sursă de energie care are un statut inferior. Utilizarea tradiţională a biomasei, de exemplu a lemnului de foc, a cărbunelui, a bălegarului de animal, a reziduurilor de cultură, deseori sunt asociate cu deşertificare şi cu despădurire.

În ciuda importanţei enorme a energiei obținută din biomasă, în multe state aflate în dezvoltare, planificarea, managementul, producţia, distribuţia şi utilizarea biomasei, nu prea are atenţie din partea legiuitorilor şi planificatorilor energetice.

În cazul în care sunt elaborate legislaţii, acestea sunt implementate greu în practică datorită multitudinii factorilor cum ar fi bugetul, lipsa resursei umane, prioritate redusă faţă de biomasă, lipsa datelor, etc.,

În ultimii ani, datorită unor eforturi considerabile depuse de unele agenţii internaţionale cum ar fi FAO – Food and Agricultural Organiztation of United Nations, IEA – International Energy Agency - , baza de date s-a îmbunătăţit semnificativ, mai ales în ţările industrializate, însă, în ţările mai sărace lipsa unei bune baze de date a rămas o problemă serioasă. Cauza este lipsa datelor economice, care nu sunt disponibile cu uşurinţă, sau sunt citate într-un mod care îngreunează comparaţia foarte mult. Incapacitatea de a ajunge la datele exacte care descriu capacitatea resurselor de biomasă, conduce la evaluarea incorectă a potenţialului energetic de acest tip.

O altă constrângere se află în confuzia de terminologie. În general, în ciuda importanţei primordială a bioenergiei, rolul acesteia nu este complet recunoscut.

FAO clasifică bioenergia în trei grupe mari:1. lemne de foc;2. agro-combustibil;3. combustibil urban uzat (Tabelul 1)

De asemenea, biomasa se mai poate clasifica şi în felul următor:- bioenergia tradiţională (lemne de foc, cărbune, reziduuri)- biomasă modernă (asociat cu reziduuri lemnoase industriale, plantaţii energetice.

Resursele de biomasă

Principala sursă de biomasă o reprezintă lemnul. Alături de lemn, există o largă varietate de resurse ca:

culturi cu scopuri energetice: copaci cu viteză mare de creştere: plopul, salia, eucaliptul;

culturile agricole: trestia de zahăr, rapița, sfecla de zahăr; culturi perene: miscanthus; plante erbacee cu viteza mare de creștere: Switchgrass sau Panicum virgatum (o

plantă perena ce creşte în America de Nord), Miscanthus sau iarba elefant (iarba de Uganda).

reziduuri: lemnul provenit din toaletarea copacilor şi din construcții; paiele şi tulpinile cerealelor; alte reziduuri provenite din prelucrarea unor produse alimentare (trestia de zahăr,

ceaiul, cafeaua, nucile, măslinele). deșeuri li sub-produse: deșeurile de la prelucrarea lemnului: talaș, rumeguș; deșeurile de hârtie; fracția organică din deșeurile municipale; uleiurile vegetale uzate şi grăsimile animale. metanul capturat de la gropile de gunoi, de la stațiile de tratare a apelor uzate şi din

bălegar.Există un potențial mare de biomasă ce poate fi şi mai mult mărit printr-o utilizare mai

bună a resurselor existente şi prin creșterea productivității culturilor.

Tabelul 1 – Clasificarea biocombustibililor

Producţie / aprovizionare Grupuri comune Utilizatori, necesităţi, exempleLemn direct

Lemn

Solid: lemne de foc (lemne dur, chipsuri, rumeguş, peleţi) cărbune

Lemn indirect Lichid: metanol, leşie neagră (soluţie alcalină rezultată din prin fierberea apei cu cenuşa de lemn), ulei pirolitic

Lemne de foc recuperat Gazeificare: produse obținute prin gazeificare şi gaze din piroliză, Combustibil rezultat din

lemnCulturile de combustibil

Biocombustibili

Solid: paie, tulpini, coji, bagasă, cărbune obținute din cele de mai sus

Produse agricole secundare Lichid: etanol, ulei vegetal crud, diester (ulei), metanol, ulei pirolitic

Produse secundare de origine animală

Gaze: biogaz, gaze de piroliză din combustibili agricoli

Produse secundare provenite din industria agricolăReziduuri din sectorul urban

Reziduuri din sectorul urban

Solid: deşeuri din sectorul urban

Lichid: nămolurile de epurare, ulei pirolitic din deşeurile urbaneGaze: gazul de depozit, gaz de nămol

Pentru a estima biomasa unui teritoriu specific, mai întâi, este necesar identificarea şi clasificarea acesteia.

Această clasificare poate avea la bază diferiţi parametri. În norma europeană asuprabiocombustibililor solizi, clasificarea se bazează pe originea / sursa biocombustibilului (CEN/TC- 335), care însă, nu indică provenienţa biomasei în ceea ce priveşte sectorul economic, cum ar fi agricultură, sectorul forestier, industria sau gestionarea deşeurilor.

Clasificarea biomasei este realizată pornind de la sectoarele menţionate anterior, cum ar fi: reziduuri / culturi agricole, deşeuri animaliere, reziduuri forestiere, deşeuri din industrie şi deşeuri din sectorul civil.

Fiecare clasă include diferite tipuri de biomasă, cele majore fiind produsele primare (biomasa recoltată) şi reziduurile (produse secundare provenite din cultivare, recoltare şi procesare).Este util să se adune date referitoare la disponibilitatea biomasei din diferite surse, în termenide tone/an.

O altă clasificare a biomasei ia în considerare conversia biomasei în biocombustibil.În termeni de productivitate, indicii de producţie sunt luaţi în considerare în relaţie cu tipul debiocombustibili şi exprimaţi în t/an, l/an şi m3/an.Este de asemenea important să se considere conversia bioenergetică a biocombustibililor înenergie produsă şi exprimată ca MJ or kWh ori tep produse pentru tone, litri sau m3 de combustibil utilizat.

În final, este util să se compare rezultatele în termeni de disponibilitate a biomasei4 (de exemplu t/an care se pot converti în Mj/an). O prezentare generală a clasificărilor biomasei este ilustrată în tabelul 2 a Fişelor pentru biomasă.

Cursul 6

1.1 Actualul procent al biomasei folosita in scopuri energetice

Se stie ca Romania are un potential mare de biomasa (in urma evaluarilor INL), aproximativ 318PJ/an. Conform celor mentionate inainte, biomasa este considerata ca:

-lemn de foc si reziduri in urma exploatarii materiei lemnoase( 50PJ)

-resturi de materie lemnoasa rezultata in urma industriilor specific ( 21PJ)

-resturi vegetale din cereal ( 199 PJ)

- resturi animale (25 PJ)

-deseuri urbane biodegradabile( 23 PJ)

Aceasta evaluare a potentialului biomasei, nu include culturile energetice plantate pe terenurile disponibile. Studiile recente arata un mare potential pentru lemnele si deseurile de padure, pana la 180 PJ.

-plantatiile dedicate-arabile 650PJ

-plantatiile dedicate-pasuni 200PJ

-lemne 200PJ

-ramasite din agricultura 150PJ

Total ( aproximativ) 1200PJ/an

In ceea ce priveste distributia geografica a biomasei, se tice a 66% din matreia lemnoasa ( lemn de foc si resturi) se afla in muntii Carpati si Subcarpati. Aproximativ 58% din resturile rezultate din agricultura sunt in Campia de Sud, Campia de Vest si Moldova ( 52% Campia de Vest si Campia de Sud ) .

Forme primade de energie ale biomasei

In present, o treime din totalul de 318PJ/an se foloseste in scopul incalziri in zonele rurale. Productia energiei primare fin biomasa solida s-a ridicat la 135PJ in 2006 si 137PJ in 2007. Se estimeaza ce 54% din productia primara de energie din biomasa este din lemn ( si resturi) si 46% din resturi rezultate din agricultura. Productia primara de energie din biomasa solida toe/ locuitor in Romania are valori mediocre in conformitate cu Uniunea Europeana.

Electricitate din biomasa: Consumul de biomasa pentru producerea energiei electrice in central este neglijabila.

Energie termica din biomasa: Mare parte din energia termica este produsa in sobe casnice. O mica parte se produce in centrale de cartier ( industria folosesta aproximativ 11-15PJ).

In present, in romania nu exista o piata international de biomasa. In principal Romania exporta combustibili fosili, petrol si gaze natural.

Potential……………………………………..318

Folosit…………………………………………135

Energie electrica din biomasa…….0.18

Energia termica totala………………..124

Industrie………………………………………11

Incalzirea cartierelor………………….5,4

1.2 Padurile

Suprafata acoperita de paduri in Romania este de 6300000 hectare ( 2007), ceea ce inseamna aproximativ 28% din suprafata totala a tarii. 66% din paduri se afla in zona muntoasa ( 30% din suprafata tarii ), 24% in zona de dealuri ( 37% din suprafata tarii) si 10% in campii ( 33% din suprafata tarii).

Speciile care constituie padurile variaza. Coniferele sunt in proportie de 30%, fag 30%, stejar 19%si arbusti 6%. Crearea unai “paduri natural” in ceea ce priveste compozitia

speciilor, este telul administratiei in present. Din 1960-1985 au fost plantate specii improprii mediului rezultand probleme ecologie in plantatiile de paduri si calitatea scazuta a lemnului.

1.3 Reziduuri industriale

A doua sursă de lemn ca resursă de bioenergie sunt deșeurile de lemn din industrie. În România silvicultură și industria lemnului crea posibilități de afaceri cu efecte economice și ocupării forței de muncă pozitive, dar, de asemenea, cu efecte negative legate, ca produse reziduale din industria nu au fost utilizate, până de curând, într-un mod adecvat. În loc de a considera deșeuri de lemn ca sursă de energie, multe industrii a rezolvat problema deșeurilor locale prin crearea de piloți sau de conducere rumeguș si alte produse de deșeuri în râuri și fluvii.

Industria de prelucrare a lemnului, reprezintă 3,9% din valoarea totală a producției industriale din România. De obicei, aceste deșeuri sunt deja uscate și colectate în depozite locale, care reduc costurile pentru transport și pregătirea lor în calitate de combustibil.

Industria lemnului produce cantități importante de deșeuri de lemn și rumeguș, care, a fost parțial aruncat / depozitat în aer liber. Aceasta biomasa poate fi utilizata pentru producerea de energie termică în cazane și de distribuție a căldurii în gospodăriile din localitățile învecinate.

Același studiu INL referindu-se la anul 1997 arată:

Tabelul 5b - Repartiție din biomasa folosită în categorii - de la industria de prelucrare a lemnului

Lemn de foc de la sortarea de lemn industrial:

1577 000 m3/an sau1230 Mt/an sau12872 PJ/an

Această parte a biomasei este de obicei direcționată pentru populație, ca lemn de foc, de asemenea. Astfel, modul în care partea de biomasă forestieră pentru încălzire ca lemn de foc se ridică la 38 PJ (din păduri) + 13PJ (de sortare) = 51PJ/an ( vezi figura 2).

Deșeuri de lemn din procesele industriale primare:

scoarță 20 000 m3/an sau12,6 Mt/an sau0.174 PJ/an

reziduuri de lemn masiv 656 000 m3/an sau413,3 Mt/an sau5.709 PJ/an

rumeguș și furnir reziduurilor 197 000 m3/an sau124.11 Mt/an sau1.714 PJ/an

praful de lemn 37 000 m3/an sau23.3 Mt/an sau

0.322 PJ/anDeșeuri de lemn din procesele industriale secundare:

reziduuri de lemn masiv 280 000 m3/an sau176.4 Mt/an sau2.437 PJ/an

rumeguș, așchii 234 000 m3/an sau147.42 Mt/an sau2.036 PJ/an

reziduuri de furnir 34 000 m3/an sau21.42 Mt/an sau0.296 PJ/an

praful de lemn 34 000 m3/an sau21.42 Mt/an sau0.296 PJ/an

cantitatea totală de deșeuri de lemn din procese industriale:

940 Mt/an sau12.95 PJ/an

Tendința în industrie este de a utiliza complet deșeurile proceselor industriale pentru procese tehnologice sau de energie, precum și de a crește cota de utilizare tehnologic de deșeuri din lemn si mai multe materii prime.Potențialul din industria resturilor din lemn din procesele industriale este în jur de 21 PJ (produse industriale solide 89% și rachiuri negru 11%).

Tabelul 7. Biomasă lemnoasă din industrie (de sortare + procese) în scopul pentru energie, PJ / an

Resursă (potențial) Utilizați pentru energie2008 33…38 262020 33…38 33…38

Concluziile capitolelor 1.2 și 1.3, biomasa lemnului, din păduri și din industrie, totalizează un potențial de 95 ... 140 PJ / an, din care aproximativ 80 PJ vor fi utilizati pentru energie până în 2020.

Volumul mediu de lemn pe ha este 217 m3. Un alt indicator specific este 0,27 ha pădure / locuitor.

Creşterea anuală a unei păduri (masa lemnoasă) este 33 mil. m3 / an.

Suprafaţa defrişată

2002 2003 2004 2005 2006 2007Regenerarea zonelor defrişate - total

62,2 68,8 82,2 83,5 86,1 84,2

lemne 52,1 57,0 67,1 68,7 70,6 69,5plantare succesivă

8,4 9,5 9,4 7,1 6,7 5,7

plantare progresivă

34,4 38,9 46,4 48,7 52,2 53,3

Plantarea parcurilor

3,1 3,5 4,7 5,3 5,5 4,4

Plantarea livezilor

4,1 4,3 4,2 3,6 4,1 3,4

Regenerarea plantaţiilor slab productive

1,5 1,6 1,8 17,7 1,3 1,0

Conservarea butaşilor

4,4 5,8 9,1 9,5 10,1 10,3

Operaţii de curăţare şi întreţinere

651,1 693,8 685,2 526,4 583,6 538,3

Înmulţirea butaşilor în pădurile tineri

175,8 170,3 182,2 161,8 155,5 135,5

Butaşi naturali 661,6 606,0 635,1 583,0 461,9 587,3

1.4 Reziduuri agricole

Zona din sol agricol din România este de aproximativ 148000 km2, din care 94200 km2 este teren arabil. Reziduurile de la culturile agricole, ar putea fi utilizate drept combustibil.

Tabelul 8. Calitatea terenului arabil din România

Calitatea terenului

Suprafața arabilă

Clasa Tipul Total Din care:Arabil Fânețe și

pășuniVii și livezi

Thou ha

% Thou ha

% Thou ha

% Thou ha

%

I Foarte bun

410.3 2.8 354.9 3.8 53.8 1.1 1.7 0.3

II Bun 3655.5 24.6 3352.7 35.8 220.1 4.5 82.8 15.7III Mediu 3082.6 20.8 2364.0 25.2 596.6 12.1 121.9 23.2IV Slab 3628.6 24.5 1737.8 18.5 1767.3 35.8 123.4 23.4V Foarte

slab4054.8 27.3 1569.9 16.7 2288.4 46.5 196.4 37.4

TOTAL 14831.8 100 9379.9 100 4926.1 100 526.3 100

Tabelul 9. Suprafața agricolă, utilizată, în 2007 (la sfârşitul anului)

Suprafața agricolă( thou ha )

Structura (%)

Total Din care: Total Din care:Proprietate privată

Proprietate privată

Total 14709.3 13998.9 100 100

Arabil 9423.3 9053.3 64.1 64.7Pășuni 3330.0 3045.7 22.6 12.8Fânețe 1531.4 1494.5 10.4 10.7Vii și pepiniere viticole

128.0 210.5 1.5 1.5

Livezi și pepiniere pomicole

206.6 194.9 1.4 1.3

Suprafața agricolă irigată

320.2 241.1 100.0 100.0

Din care:Arabil 315.8 239.2 98.6 99.2

Reziduurile rezultate din recolta agricolă, pot fi utilizate ca biocombustibili. După recoltare şi ambalare reziduurile sunt transportate la locurile de prelucrare. Reziduurile care pot fi prelucrate sunt: paie, triunchiul copacelor, ştiuleţii de porumb, crengile de la viţa de vie. Din procesele industriale, deşeurile rămase care pot fi prelucrate şi pot fi utilizate ca sursă de energie sunt următoarele: cojile de seminţe de floarea soarelui, rapiță, cânepa, praful de la in.

Reziduurile provenite din agricultură sunt utilizate în marea majoritate a cazurilor în ferme şi în alimentarea animalelor.

Pentru estimarea potenţialului reziduurilor agricole utilizate pentru producerea energiei termice, sunt utilizate diferite idei pentru fiecare tip de reziduuri.

Potenţialul energetic se evaluează cu următoarea presupunere: deşeurile agricole sunt calculate ca fiind o parte din cantitatea produsului

principal (cereale, struguri); se acceptă ca (30 – 60) % din cantitatea totală a deşeurilor să fie folosită

pentru scopuri energetice; valoarea calorică variază de la o resursă la alta.

Tabelul xx - Caracteristicile energetice a biomaselor

Deşeuri agricole vegetale

Valoarea calorică[MJ / kg]

Umiditatea[%]

Perioada recoltării

Paie 14,511,610,3

103040

Iulie

Coceni şi ştiuleţi de porumb

17,5108,2

104050

Septembrie - Octombrie

6 60Tulpina porumbului 12,4…..8,5 10….40 SeptembrieTulpina tutunului 9,2 40 OctombrieCrengi din tăierea pomilor fructiferi

10,5 40 Decembrie - Martie

Crenguţe de la vita de vie

10,5 30 Octombrie - Martie

De exemplu, se estimează că în anul 2004, contribuţia porumbului la potenţialul de biomasă ca şi sursă de energie, se calculează astfel:

necesarul de tulpină de porumb se determină cu relaţia între cantitatea de tulpină de porumb şi cantitatea de cereale fiind egal cu 1,3;

se acceptă că 50% din cantitatea totală de tulpină de porumb se foloseşte pentru scopuri energetice;

valoarea calorică se presupune ca fiind 10,0 MJ/kg la o umiditate de 40%. suprafeţe cu porumb 3274 t / ha; productivitate medie14441 kg/ha; tulpină de porumb pt. energie 9200000 t; potenţial energetic 92 PJ

din aceeaşi considerente, pentru recolta principală potenţialul de biomasă din deşeuri agricole se estimează ca fiind 200 PJ / an. Din acest potenţial, 65 PJ/an se utilizează în aplicaţii termice rurale.

Pentru anul 2020, se aşteaptă o creştere importantă de utilizare de energie din deşeuri agricole.

Biomasă din agricultură PJ/an

Resursă (potenţial) Utilizare energie2008 200 …. 250 652020 200 …. 250 95….110

Culturi energetice

Este important să menţionăm că pentru producerea de biocombustibil sau producere de căldură sau energie, din culturi energetice presupunerile trebuie corelate pentru ambele domenii.

România are posibilități serioase pentru culturile energetice, producând materii prime pentru energie electrică şi termică sau chiar pentru transport. Astăzi, în România culturile energetice sunt folosite pentru obţinerea biocombustibililor şi nu pentru scopuri de energie electrică sau termică.

Culturi energetice pentru energie electrică şi termică

Mai multe tipuri de copaci acoperă un domeniu larg de regiuni ecologice din Europa: plopul salcia eucaliptulÎn zonele care sunt corespunzătoare culturilor de acest gen, să fie cultivat salcia care are

un timp de rotaţie redus.Plantaţia de culturi energetice necesită 4 ani de stabilitate şi de creştere înaintea

recoltării. Apoi recolta poate fi făcută din 3 în trei ani. Deci, salcia are o durabilitate de 22

ani. Recolta tipică este 10 – 12 t/ha/an, ca masă uscată, însemnând o medie de 200 GJ/ha anual.

Rezultă că pentru România există un potenţial de 40 PJ / an ca energie primă sub formă de recoltă lemnoasă, sau 959 ktoe / an.

Culturi energetice pentru biocombustibili de transport

Se estimează că în cazul cel mai rău 400.000 ha până la 1400 000 (cazul cel mai bun) ha din terenuri poate fi utilizat pentru producţia de biomasă folosită ca biocombustibil.Din diferite motive, numai 50 % din terenul arabil al României se utilizează actualmente pentru producere de alimente. Mai puţin de 8 % din terenul arabil trebuie să îndeplinească ţintele impuse de UE - Directive de biocombustibil – 10% în 2020. Dacă acele terenuri arabile care nu sunt folosite astăzi pentru cultivarea cerealelor folosite pentru biocombustibili lichizi, şi dacă ar fi folosite s-ar putea acoperire consumul de combustibili pentru transport în toată România (4,5 milioane t / an).

Rapiţa este cel mai promiţător biocombustibil pentru România. Deşi potențialul rapiţei este mare până în anul 2005 rapiţa se utiliza numai în limite reduse, mai puţin de 100.000 ha. Scopul era producerea de ulei sau exportul de seminţe. În 2007, 365.000 ha a fost cultivat cu rapiţă, 980.000 ha cu floarea soarelui şi 130.000 ha cu soia.

Alte tipuri de plante din care se poate obţine biocombustibil sunt redate în tabelul xx.

Tabelul xx – mii t

An Floarea soarelul

Rapiţă Soia Grâu Sfecla de zahăr

Porumb (boabe)

Cartofi

2006 1526,2 175,1 344,9 5526,2 1152,2 8984,7 4015,92007 546,9 361,5 136,1 3044,5 748,8 3853,9 3712,4

Suprafaţa totală utilizată pentru cultivarea oleaginoaselor (floarea soarelui, rapiţa, boabe de soia):

Fig. xx – Evoluţia producerii medie a plantelor oleagionoase din România

Resurse pentru producerea biogazului prin reacţii anaerobe

Biogazul se obţine din materii prime, care provin din agricultură sau din industrie, dar şi din deşeuri municipale, care pot fi folosite pentru producere de energie.

Sectoarele agricole şi industriale au cantităţi mari deşeuri cum ar fi fermele de animale, fabricile de bere, apele uzate urbane, sectoare din care rezultatul poate fi folosit pentru producerea energiei.

Din creşterea animalelor poate urma obţinerea bălegarului umed de la bovine, oi, porci, şi uscat de la păsări. În cazul creşterii animalelor numai 50 % din bălegarul umed poate fi folosit pentru producere de energie.

Tabelul xx – cantitatea umedă de bălegar pe categorie de animale

Categorii de animale Cantitatea de bălegar pe 1000 kg de animale / zi

Totalul bălegarului solide [%]

Vacă 86 0,14Viţel 62 0,08Porc 84 0,13

Tabelul xx – bălegar disponibil de la ferme (conform ICIA)

Valoarea totală a potenţialului de biogaz în România

Dacă, se consideră şi deşeurile vegetale din agricultură pentru producerea biogazului, se mai poate adăuga la valoarea din tabel încă 12400 Nm3 / an biogaz.

Bălegar din crescătorii de animaleSubstanţă umedă – potenţial energetic [PJ/an] Substanţă uscată – potenţial energetic [PJ/an]

Sursă de deşeuri organice

Potenţialul de biogaz

Energie primară din biogaz

Potenţial teoretic

Potenţialul energiei produse

Potenţialul energiei termice produse

Crescătorii de animale 2005

Industria alimentară 2005

Tratarea apelor reziduale 2006

Deşeuri biodegradabile

Alte surse

Fig. xx – potenţialul teoretic de biogaz la centralele combinate pentru producere de căldură şi electricitate folosind biogaz obţinut din gunoi de grajd7500 ore / an, 40% electricitate

Partea biodegradabilă a deşeurilor municipale poate fi folosită pentru producerea compostului, combinat cu alte deşeuri pentru obţinerea biogazului. Biogazul poate fi obţinut direct de la depozitele de deşeuri cu nămolul obținut din tratarea apei menajere, din deşeurile obţinute din industria alimentelor.

Potenţialul de biogaz obţinut din deşeurile municipale se estimează la 11 PJ / an.

Deşeurile municipale

Numai o parte din populaţie este racordat la canalizarea oraşului. Pentru anul 2007 avem:

suprafeţe urbane – 79,68 % suprafeţe rurale – 16,37 %

În 2006, deşeurile municipale se estimează ca fiind 8.660.000 t.

Compoziţia standard a deşeurilor municipale:

Potenţialul teoretic în gunoiul de grajd (MWe)

Oi şi capre

Cai

Porci

Bovine

Păsări de curte

După anul 2013 va fi început construcția centralelor pentru recuperarea energiei din deşeurile municipale. Aceste tipuri de centrale vor avea capacitate medie, 150.000 t/an, localizate lângă oraşe de peste 350.000 locuitori. Distanţa maximă de transport va fi 100 km, pentru încercarea eficienţei tehnologiei şi impactul asupra mediului înconjurător. Între anii 2015 – 2020 vor fi implementate următoarele capacităţi:

Bucureşti – 600.000 t/an Cluj-Napoca – 300.00 t/an Bacău - 300.00 t/an

În 2020, folosind incinerarea cu recuperare de energie se va putea obţine un potenţial de 25 – 40 PJ/ an, considerând 12 GJ / t material uscat.

Cursul 7

PROCESE DE CONVERSIE A BIOMASEI

Procesele de conversie termică a biomasei

Metale

sticle

Textile

Hârtie

Materiale

Materiale organice

Altele

Acest proces cuprinde una sau toate procesele enumerate mai jos:

Piroliza – Biomasa + căldură cărbune de lemn, ulei, gaze

Gazeificarea – Biomasa + oxigen limitat combustibil gazos

Arderea – Biomasa + oxigen stoichiometric (cantitatea necesară pentru reacţia chimică completă)

Orice biomasă are în compoziţia sa următoarele: Celuloză – este un polimer liniar din unităţi de anhidroglucoză Hemiceluloza – este o compoziţie de glucoza 5-6 de carbon (zahăruri) Lignina – polimer iregular din unităţi de fenil propan.

În biomasă aceste trei componente se află în structura peretelui celuleiÎn fig. următoare se prezintă relaţia între stările lichide, gazoase sau solide, unde

concentrația atomică relativă a C, H, O sunt trasate pentru diferite tipuri de combustibili.

Fig. xx - Diagrama de fază care arată proporţia relativă de C, O, H în combustibil lichid, gazos şi solid

În diagrama de mai sus concentraţia relativă a carbonului, oxigenului şi a hidrogenului sunt determinate pentru diferiţi combustibili. De aici se observă că, combustibilul solid, cărbunele şi cărbunele de lemn se află în segmentul stâng al diagramei; hidrocarburile lichide şi gazoase sunt în partea de sus a secţiunii din stânga; CO şi H2 sunt alăturate de bisectorul triunghiului, iar produsele arderii combustibilului CO2 şi H2O sunt pe linia verticală din dreapta.

Conversia termică pentru biomasă sunt indicate de săgeţi de pe fig. b.

TurbăCărbuneMangal

Combustibili lichizi

Combustibili solizi

Combustibili gazoşi

Produse de combustie

Procesul de gazeificare pentru convertirea combustibililor solizi în combustibili gazoşi:

Fig. b

Procesul de conversie mută compoziţia chimică a biomasei în regiunea combustibilului lichid sau solid, ori prin metoda biologică ori prin metoda termică. În unele cazuri, cum ar fi‚ gazeificarea oxigenului / aerului, procesele sunt spontane, în alte cazuri, cum ar fi gazeificarea aburului, este necesar de o cantitate de energie considerabilă ca să aibă loc schimbarea.

Prin piroliză, materialul se descompune la încălzire. Piroliza e primul pas în arderea sau gazeificarea biomasei. La încălzirea biomasei la 350 oC, în absenţa aerului (piroliza), se formează cărbune (C), gaze (CO, CO2, H2, H2O, CH4) şi vapori de gudron (având o structură aproximată CH1.2O0.5). La temperatura pirolizei, vaporii de gudron se află sub formă gazoasă, dar cu scăderea temperaturii se condensează şi se transformă în fum, format din picături mici.

Toate etapele procesului de piroliză, gazeificare și ardere pot fi urmărite prin arderea unui chibrit. (fig. 18 )

Fig. 5 - Piroliza, gazeificarea şi arderea la chibritul aprins

Faza de Oxigen

Faza de hidrogenFaza de abur

Piroliza

Produse de combustie

Combustibili gazoşi

Difuzia aerului

Produse provenit din ardere

Produse de gaz, gudron şi funingine

Gaze din funingine (luminoase)

Vapori de ulei care se descompun în hidrocarburi şi gudron

Vapori de şi gaz

Piroliza lemnului

Flacăra va produce căldură suficientă pentru piroliză, iar gazele şi vaporii rezultanți vor fi arse în flacără, proces denumit ardere cu flacără. După ce temperatura flăcării a atins şi a depăşit un anumit punct, cărbunele format poate sau nu continua procesul de ardere (depinde de tratarea chimică a chibritului, oprind arderea fără flăcări). După ce chibritul s-a stins, chibritul rămas continuă piroliza reziduală, generând un fum vizibil, compus din gudron format din picături mărunte.

O imagine mult mai detaliată despre piroliză se poate obţine prin analiza cu termogravimetru. În această tehnică o mică bucată de biomasă se pune pe o tavă care se introduce în cuptor, şi se va creşte treptat temperatura. Schimbarea masei reziduale poate fi urmărită la o bucată de in, expus la încălzirea cu o treaptă de încălzire de 40 oC / min. fig. 19

La 100oC va fi evaporată umiditatea, apoi materialul devine volatil între 250 – 450 oC, aceste temperaturi sunt importante ca să înţelegem fenomenul pirolizei, gazeificării şi arderii. Conform figurii, o fracţiune de cărbune şi cenuşă va rămâne la sfârşit. În cazul în care, se va permite contactul cu aerul, arderea se va continua, prin arderea cărbunelui, astfel, în faza finală va rămâne numai cenuşa, ca şi produs final. Fiecare formă de biomasă, va produce diferite cantităţi de carbon, material volatil şi cenuşă.

Rezultatele obţinute sunt calitativ similare cu analiza aproximată, însă nu sunt identice, pentru că raporturile de încălzire sunt mai mari iar bucăţile de biomasă în termogravimetru sunt mai mici.

Curba, din fig. 19 reprezintă piroliza pură în prezenţa unui gaz inert (argon, sau azot). Dacă, piroliza se petrece în aer, curba va scădea mai abrupt la temperaturi între 250 – 400 oC, pentru că atât cărbunele cât şi celelalte produse se oxidează. După arderea cărbunelui, se poate ajunge la temperaturi între 400oC şi 500 oC.

Din fig. 19 reiese că, mai mult ca 80 % din substanţa totală de masă uscată, proba se volatilizează sub 500oC, din care 10 – 20 % din masa originală se consumă pentru conversia sa în gaz. Materialul volatil se compune din monomeri celulozei, hemicelulozei şi ligninei. Din masa uscată a biomasei 65% poate fi convertit în „uleiul de apă” solubilă în apă, care poate fi baza unui nou proces de lichefiare a lemnului.

Arderea

Arderea este o reacţie chimică exotermă, care generează cantităţi mari de căldură. Prin utilizarea tehnologiilor de ardere 90% din energia obţinută se realizează din biomasă, care converteşte biomasa în diferite forme de energie utilizabile, ex. căldură, apă caldă, aburi şi electricitate. Instalaţiile comerciale şi industriale prin ardere pot transforma o gamă largă de tipuri de biomasă. Cea mai simplă tehnologie de combustie se petrece într-un cazan unde se arde biomasa în camera de ardere. Facilităţile combustiei de biomasă care generează electricitate prin turbină de aburi are o eficienţă de conversie între 17 – 25 %. Cogenerarea poate mări eficienţa chiar până la 85%. Alegerea şi proiectarea oricărui sistem se determină de caracteristica combustibilului, de caracteristicile mediului, costul echipamentului şi dimensiunea instalaţiei. Un scop important este reducerea emisiilor şi creşterea eficienţei.

Reacţia generală în cazul arderii biomasei se poate scrie astfel:

CH1.4 O0.6 + 1,05O2 + (3,95 N2) CO2 + 0,7 H2O + (3,95 N2)

unde

CH1.4 O0.6 este formula generală pentru o biomasă. Azotul s-a reprezentat între paranteze pentru că este partea inertă a aerului şi nu face parte din reacţie.

umiditate

Această ardere va rezulta 20,9 kJ / g când temperatura produsului de ardere este destul de joasă (HHV – high heat combustion). În general, în instalaţţile de ardere, apa se elimină în atmosferă sub formă de aburi, iar căldura folosită pentru evaporarea apei nu se va recupera. Valoarea minimă de încălzire LHV este 20,4 kJ/g.

Tabelul xx - proprietăţile termice a biomasei tipice

Formula tipică a biomasei uscate CH1.4

O0.6

Fără umezeală şi cenuşă

C H O

Compoziţia (masa %) 52,2 4,3 41,7Compoziţia (mol %) 33,3 46,7 20,0HHV 20,9 kJ/gLHV 20,4 kJ/g

Valoarea de HHV – valoarea termică maximă – se măsoară în laborator, şi se obţine în timpul arderii din condensarea apei.

Valoarea LHV – se obţin vaporii din apă. Între LHV şi HHV există următoarea relaţie:

HHV = LHV + Fm hw

unde Fm – este o fracţie de umiditate provenită din combustia gazuluihw – este căldura necesară pentru vaporizarea apei, 2283 J/g.

Chimia gazeificării biomasei

În fig. b, se reprezintă schimbarea compoziţiei produs de gazeificarea aerului sau oxigenului. În mod ideal, ar fi bine adăugarea unei cantităţi mici de oxigen pentru a putea obţine

compoziţia solidă, conform formulei

CH1.4 O0.6 + 0,2 O2 CO + 0,7 H2

se obţine un amestec de CO şi H2.

Din păcate, în CO şi H2, este cantitate mai mare de energie decât în biomasă, astfel, această reacţie va necesita transfer de energie de la o sursă externă, care va complica procesul.

În practică, excesul de oxigen trebuie folosit la gazeificare (ca reacţia să ajungă în punctul O fig. b, şi se va obţine CO2 şi H2O conform reacţiei de mai jos:

CH1.4 O0.6 + 0,4 O2 0,7 CO + 0,3 CO2 + 0,6 H2 + 0,1 H2O

De asemenea se va forma şi un procent mic de CH4.Proprietăţile chimice tipice a gazelor provenite din biogaz sunt redate în tabelul de

mai jos:

Componenta Simbol Gaz [vol %] Gaz uscat [vol %]

Monoxid de carbon CO 21,0 22,1Dioxid de carbon CO2 9,7 10,2Hidrogen H2 1405 15,2Apa H2O 4,8 -Metan CH4 1,6 1,7Azot (nitrogen) N2 48,4 50,8

Valoarea termică max a gazului: Generator gaz (baza umedă) 5506 kJ/Nm3

Generator gaz (baza uscată) 5800 kJ/Nm3

Raportul de aer necesar gazeificării: 2,38 kg lemne / kg aerRaportul de aer necesar pentru arderea gazului: 1,15 kg lemne / kg aerRaportul CO / CO2 (sau H2 / H2O) este măsura calităţii gazului produs. Aproximativ

30% din arderea biomasei este folosită pentru gazeificarea resturilor. Cantitatea exactă a excesului de oxigen necesar, depinde de eficienţa procesului. Îmbunătăţirea arderii în practică poate fi făcută prin izolare, uscare sau prin preîncălzirea reactanţilor.

Termodinamica gazeificării

Termodinamica este de fapt evidenţierea energiei. Deşi, termodinamica nu poate tot timpul să prevadă ce se va întâmpla în cazul unui proces, dar poate determina multe lucruri care nu pot apărea.

La temperatură mare, unde are loc gazeificarea – 700 – 1000 oC -, numai câteva combinaţii ale elementelor biomasei - C, H, O – sunt stabile. Acestea sunt C, CO, CO2, CH4, H2 şi H2O. Concentraţia relativă acestor elemente care vor apărea la echilibrul atins, se poate determina din presiune, din cantitatea fiecărui element, iar constanta de echilibru se determină din proprietăţile termodinamice şi de temperatură. Rezultatele calculelor de acest tip sunt redate în fig. xx.

Fig.xx – a. Temperatura adiabatică în cazul biomasei cu compoziţia atomică CH1.4 O0.6

reactant cu oxigen şi aer, trasat în funcţie de raportul echivalenţă , raportul de oxigen necesar pentru ardere completă, b. compoziţia gazului în echilibru pentru reacţia aerul, c.

energia în solid şi gaz, d. energia pe volum de gaz

Temperatura adiabatică la biomasă în cazul reacţiei cu aerul şi oxigenul, se determină conform fig. a. Aceasta este temperatura la care se ajunge atunci când biomasa reacţionează cu o cantitate specifică de aer sau oxigen.

Oxigenul folosit în proces determină produsele şi temperatura de reacţie. Consumul de oxigen este reprezentat grafic ca fiind raportul de echivalenţă , adică oxigenul folosit în funcţie de arderea dorită. O cantitate foarte mică, sau o ardere fără oxigen este indicată la piroliză, arătat în partea stânga a figurii; aproximativ 0,25, este tipic regiunii de gazeificare la mijloc, iar la ardere este indicat un 1, în partea dreapta a figurii.

Compoziţia gazului produs se redă în fig. b. cantitatea energiei rămasă în cărbune şi convertirea din solid în gaz se vede în fig. c, iar în fig. d, se redă valoarea termică minimă a gazului. Din aceste grafice reiese, că la raportul de echivalenţă aproximativ 0,25 toată cantitatea de cărbune se converteşte în gaz, iar fracţia de energie în lemne convertit în gaz ajunge la maxim. Cu mai puţin oxigen, o parte din lemne nu este convertită, cu mai mult oxigen o parte din gaze este arsă, iar temperatura creşte rapid fig. a. Este de dorit ca să se opereze aproape de valoarea aproximativ 0,25.

Cum este posibil să se lucreze exact la această valoare de 0,25? În cazul unui gazeificator cu pat fix, funcţionarea la temperaturi mai mici a , va cauza producerea mangalului, iar peste 0,25 consumă cărbunele de lemn iar temperatura creşte rapid. Deci, a menţinerea patului la nivelul constant automatic asigură oxigenarea corectă.

Coarderea

Coarderea este o opţiune potenţială în utilizarea biomasei, care poate învinge problemele tehnice, sociale şi de alimentare. Coarderea biomasei cu alte tipuri de combustibili fosili, mai ales cu cărbune sau lignit, are o deosebită importanţă în Danemarca, Olanda şi SUA. De exemplu, în SUA, au fost realizate peste 40 de instalații comerciale şi s-a demonstrat că în cazul coarderii biomasei cu cărbune a înlocuit potenţialul tehnic şi economic cu cel puţin 8 GW generare pe cărbune în 2010, şi până în 2020 acesta va ajunge la 25 GW, acest lucru poate să reducă emisiile de carbon cu 16 – 24 MtC (milioane tone de carbon). Boilere pe scara largă cu domeniul între 100 MW la 1,3 GW, potențialul biomasei într-un boiler se află între 15 – 150 MW.

Biomasa poate fi amestecată cu cărbune în proporţii diferite, variind între 2 – 25% sau mai mult. Avantajele principale ale coarderii includ:

existenţa pe piaţă a centralelor pe cogenerare; investiţii relativ mici în comparaţie cu centralele care funcţionează numai pe biomasă; flexibilitate mare privind aranjarea şi integrarea componentelor principale într-o

instalaţie existentă (adică se utilizează infrastructura şi capacitatea unei instalaţii existente);

impacturi favorabile asupra mediului în comparaţie cu instalaţiile numai pe cărbune; costuri reduse de materii prime (s utilizează reziduuri agricole, forestiere, culturi

energetice, productivitatea creşte semnificativ); disponibilitate potenţială de cantitate mare de materii prime (biomasă / deşeuri) care

pot fi utilizate în aplicaţia coardere, dacă logistica de alimentare poate fi rezolvată; eficienţă mai mare privind convertirea biomasei în electricitate în comparaţie cu

100% boilere pe lemne (33 – 37 % cu ardere pe cărbune); consimțământ de planificare nu este necesară în cele mai multe cazuri.

Gazeificare

Gazeificarea sau gazeificare termochimică este procesul de convertire al biomasei solide în gaz sau singaz (gaz chimic provenit din materii prime).

Gazeificarea este una din cele mai importante dezvoltări în domeniul generării energiei din biomasă, fiind alternativa principală în combustia directă. Gazeificarea este o conversie tehnologică endotermă, în care combustibilul solid este convertit în gaz. Importanța acestei tehnologii constă în faptul că se profită de avantaje şi dezavantaje ale proiectării turbinelor şi generatoare de aburi cu recuperare de căldură pentru obţinere de înaltă eficiență energetică. Nu este o tehnologie nouă, acest proces se foloseşte de 2 secole. De exemplu, în anii 1850, Londra a fost iluminată de turnuri de gaz, produs de cărbune gazeificat. În întreaga lume există peste 90 de centrale care funcţionează pe gazeificare şi peste 60 de producători. Avantajele cele mai importante privind gazeificarea:

eficienţă electrică mai mare (cu 40% mai mare în comparaţie cu arderea 26-30%) la costuri similare;

dezvoltări importante în viitor, cum ar fi turbine pe gaz şi pile de combustie; o posibilă înlocuire a gazului natural sau a motorinei folosită în boilere industriale şi

cuptoare; generare de energie distribuită unde necesitatea de putere este redusă; înlocuirea gazolinei sau a motorinei în motoare cu ardere internă.

Clasificarea metodelor de gazeificare:

Clasificare Factori de condiţiePresiunea gazeificării Presiune normală (0,1 – 0,12 MPa), înaltă presiune (0,5 – 2,5

MPa)Temperatura gazeificării Temperaturi joase ( 700oC) temperaturi înalte (700oC)

Descompunere la înaltă temperatură Agent de gazeificare Aer, oxigen, aburi şi combinaţia acestora, CO2 pentru un

anumit timpÎncălzire (formarea zonei calde)

Gazeificare directă (generare căldură din reacţia biomasei cu oxigen)Gazeificare indirectă (material biomasă cu agentul de căldură extern)

Tipuri de instalaţii de gazeificare

Cu pat fix, cu flux, pat antrenat, cuptor rotativ, cuptor de topire

Fig 1

Fig 2

Echipament de gazeificare şi un exemplu practic

În acest caz se va prezenta o instalaţie de gazeificare cu pat fix, a cărei funcţionare se bazează pe gazeificarea sau combustia unui combustibil solid (fig.3).

Strat produs

Stratul de volatilizare şi de descompunere

Uscare şi eliminarea gudronului250oC

Stratul cărbunelui

Stratul cenușii

Unitatea principală a gazeificatorului (cu pereţi izolaţi

Cenușă

Grătar rotativ

Agent de gazeificare(aer, oxigen şi aburi

Conţinut de materiale volatileGazeificarei 250800 oC

Gazeificarea cărbunelui 8001000oC

Arderea cărbunelui 10001200oC

Instalaţie este alimentată cu chipsuri de lemne având dimensiuni între 2,5 - 5 cm; alimentarea instalaţiei se întâmplă de sus; agentul de gazeificare – aer, oxigen, vapori sau amestecul acestora – se întâmplă din partea de jos a instalaţiei. Reacţia de gazeificare se întâmplă de jos în sus. Dinspre partea de jos în sus, se formează nivele datorită schimbărilor însoţite de gazeificarea materialului de biomasă. Gazul se obţine în partea de sus a instalaţiei.

Fig.3 - Schema principială a unui gazeificator cu pat fixPiroliza

Caracteristicile pirolizei

În cazul pirolizei, prima dată se va evapora umiditatea la 110oC, apoi se va descompune hemiceluloza la 200 – 260oC, urmat de descompunerea celulozei la 240 - 340oC, şi a ligninei la 280 – 500 oC. Când temperatura ajunge la 500oC se termină şi reacţiile pirolizei. În (fig.4) este prezentată schema procesului de piroliză.

Interesul direcționat spre piroliză constă în faptul că prin această tehnologie pot fi obţinute produse multiple: de ex. combustibil lichid care poate fi stocat şi transportat uşor, numeroase chimicale (adezive, chimicale organice, arome) oferind venituri mai mari. Încă în secolul trecut au fost începute cercetările în direcţia pirolizei (Kaltschmitt şi Bridgwater, 1997). Oricare formă a biomasei poate fi supus acestei tehnologii, totuşi celuloza e acel tip de biomasă care dă randamentul cel mai mare 85 – 90% din masa uscată. Uleiul obţinut prin această metodă, a fost testat în turbine şi motoare de gaz, însă, testarea pe termen lung încă lipsește.

Alimentare cu biomasă(chipsuri de lemne, aprox. 5 cm)

Gazul produs

Fig. 4 - Schema procesului de piroliză a biomasei

Carbonizarea

Carbonizarea este metoda sau tehnologia de obţinere a cărbunelui de lemn, ca fiind produsul principal al încălzirii biomasei cum ar fi lemne, diferiţi coji, bambus, coji de orez, la

400 – 600 oC, în general în lipsa completă sau parţială a oxigenului.Carbonizarea este transformarea clasică a biomasei în energie, similară cu arderea.

Deoarece, obiectivul principal este obținerea unei valori calorice mari al produsului – lemnului de carbon – se compune din lichefierea şi din gazeificarea biomasei. Metoda lichefierii este similară cu cea a pirolizei clasice, deoarece „păcura” / gudronul obţinut are randament redus sub 30%, adică de calitate inferioară; procesul a fost exclus cu apariţia pirolizei rapidă, care asigură cantităţi mari de ulei, oferind valori calorice mai mari. Metoda de gazeificare privind producerea combustibililor este inferioară proceselor actuale, datorită temperaturii scăzute de reacţie.

Gazeificarea hidrotermică

Această metodă constă în tratarea biomasei în apă fierbinte comprimată; apa are temperatura peste 350oC, la o presiune de 200 MPa, la sfârşitul procedurii se obţine gazul.

Pe diagrama de fază a apei (fig.5) se observă că echilibrul gaz – lichid începe la intersecţia a celor trei stări, în punctul A şi se termină în punctul critic. Condiţia hidrotermică se află în jurul punctului critic. Dacă, atât temperatura cât şi presiunea este mai mare decât temperatura şi presiunea critică, apa se află în starea numită supracritică, gazeificarea în starea supracritică se numeşte „gazeificare în stare supracritică”. Această apă fierbinte compresată se caracterizează de o înaltă capacitate de reacţie, atunci când biomasa se aşează în această apă fierbinte, aflată sub presiune, unde va avea loc gazeificarea acesteia prin hidroliză şi piroliză.

Condiţii hidrotermice

Fig. 5 – Diagrama de fază a apei

Caracteristicile gazeificării hidrotermice

Biomasa umedă se prelucrează cu ajutorul gazeificării hidrotermice. Când biomasa umedă este supusă gazeificării, gazeificarea termochimică nu va avea loc datorită conţinutului mare de umiditate a acesteia. Pe de altă parte, gazeificarea utilizează apa, ca fiind agent de reacţie, deci e un tratament ieftin. Deoarece, în aceste condiţii reactivitatea apei este mare, gazeificarea hidrotermică apare rapid şi asigură gazeificarea completă a biomasei.

Biometanizarea este folosită pentru obţinerea metanului din biomasă, care de regulă durează câteva săptămâni până când reacţia devine completă, iar tratarea materialelor neintrate în reacţie poate fi considerată o altă problemă.

Reacţia se petrece într-un rezervor uriaş, de unde nămolul nefermentat poate fi folosit pentru compostare, care de asemenea, este un reziduu care urmează să fie tratat. Uneori, agenţii ca cele alcaline sau cele metalice, catalizatorii de carbon sporesc reacţia.

Reactoare folosite pentru gazeificarea hidrotermică

În general se folosesc reactoare tubulare de un volum de câţiva ml şi autoclave. În fig. 6 se prezintă un reactor care este folosit în producţie industrială.

Fig. 6– Echilibrul termic în reactorul pentru gazeificarea biomasei

Apa supracritică

Punctul critic

Presiune [MPa]

Gheaţă Apă

Aburi

TripletTemperatura

A

BiomasăApă

BiomasăApă

Gaz produsApă

Gaz produsApă

Reactorul care se află sub presiune înaltă şi este alimentat cu biomasă, urmat de încălzirea biomasei la temperatura unde va avea loc reacţia. În condiţii hidrotermice, biomasa urmează să fie gazeificată, urmat de răcirea efluentului la temperatura mediului. Căldura obținută va fi captată de schimbătorul de căldură. La temperatura camerei, efluentul este depresurizat până la presiunea atmosferică, iar gazul produs va fi recuperat. Este necesar ca instalaţia să funcţioneze în mod continuu, deoarece, este nevoie de temperaturi înalte pentru a putea atinge condiţiile hidrotermice. Temperatura necesară pentru combustia biomasei se menţine în gazul produs iar căldura necesară pentru atingerea condiţiilor hidrotermice se va recupera, astfel nu va fi necesară creşterea temperaturii din exterior în decursul operaţiei de gazeificare. În practică, eficienţa schimbătorului de căldură nu poate fi unitară şi datorită reacţiilor endotermice este necesară aplicarea unei cantităţi de căldură din exterior.

Eficienţa energetică

În cazul reacţiei ideale fig. 6, eficienţa energetică a reacţiei hidrotermice este unitară. Eficienţa energetică a gazeificării hidrotermice este scăzută datorită cantităţii mari de căldură necesară pentru atingerea condiţiilor hidrotermice.

Lichefierea hidrotermică

Lichefierea hidrotermică este de fapt piroliza, care se petrece în apa fierbinte comprimată, aprox. la 300oC şi 10 MPa. Biomasa se va converti în gaz, lichid sau solid, ca şi în cazul pirolizei clasice.

Caracteristicile lichefierii hidrotermice

Deoarece lichefierea are loc în apă, nu este necesar uscarea materiei prime. De aceea, această procedură este aplicabilă biomaselor cu conţinut mare de apă, cum ar fi biomasa acvatică, gunoiul, nămolul organic, etc. astfel, pot apărea diferite reacţii la diferite temperaturi. În fig. 7 se prezintă reacţiile care au loc în apa fierbinte comprimată.

Fig. 7 – Reacţii în apa fierbinte comprimată

La 100oC se dizolvă fracţia solubilă în apă, căreia i se aplică extracţia. Hidroliza apare la 150oC şi polimerii - celuloza, hemiceluloză, proteinele - se vor degrada în monomeri. În jur

Punct critic

Punct de fierbere

Gazeificare

Lichefiere Carbonizare

Fluidificare Hidroliză

Extracţie

BiomasăMateriale dizolvabile în apă

Gaz

Degradare

Mangal

polimerizarepolimerizare

Ulei

degradare

de 200 oC şi 1 Mpa, solidul se transformă în pastă, nămol, iar la 300 oC se obţin produsele uleioase.

Schema de reacţie a lichefierii hidrotermice

Lichefierea hidrotermică, de fapt este un fel de piroliză, schema de reacţie se prezintă mai jos (fig.8).

Fig. 8 – Schema simplificată a lichefieriiÎn primul pas, biomasa se descompune în materiale dizolvabile în apă, care apoi, se

polimerizează în uleiuri, dacă reacţia se prelungeşte, uleiul format se va transforma în cărbune.

Cogenerare căldură – energie (CHP)

De peste 100 de ani se cunoaşte tehnologia cogenerării. Mai multe instalaţii de cogenerare au funcţionat încă în secolul al IX-lea, dar mai multe au fost abandonate din cauza dezvoltării tehnologiei.

Prin CHP se obţine simultan energie electrică şi termică, din aceeaşi sursă. În esenţă, CHP-urile conţin un schimbător de căldură care absoarbe căldura produsă, care

de altfel s-ar pierde, prin generatorul existent. Energia capturată, se va utiliza pentru a pune în mişcare un generator electric. CHP-ul devine important din următoarele motive:

eficienţă energetică – CHP are o eficienţă de peste 85% în comparaţie cu utilităţile electrice tradiţionale care au eficienţă de 35 – 55 %.

protecţia mediului înconjurător; decentralizarea energetică.Pentru obţinerea energiei electrice din biomasă, energia provenită din biomasă este

transformată în energie cinetică care urmează să acţioneze un dinam, producând energie electrică. Metoda principală prin care se transformă energia biomasei în energie cinetică este următoarea:

prin încălzirea biomasei se produce abur, acest abur va pune în mişcare o turbină; prin piroliză sau prin degradare microbiană a biomasei se formează gazul de

combustie, pornind turbina pe gaz sau motorul pe gaz;În ambele cazuri, căldura obţinută prin combustie va fi transformată în energie

cinetică.Aburii care se află la temperatură şi presiune înaltă, vor fi utilizaţi pentru încălzirea

apei. Colectarea şi furnizarea căldurii este mai uşor de realizat la temperaturi şi presiuni mai mici. Aburul şi apa fierbinte de asemenea poate fi utilizată în CHP, cu ajutorul unui boiler. În cazul proceselor la turbine şi boilere, se obţine 2,000 kW de energie electrică, iar în cazul gazeificării şi procesele de motoare, se obţine 50 kW sau mai multă energie electrică.

De exemplu, în fig. 9, se prezintă un CHP de scară mică, unde combustibilul este rest lemnos, de la o fabrică de mobilă; prin piroliză şi gazeificare se produce electricitate, apă

Combustibil

Siloz

Gazeificator

Cărbune de lemnCenuşă

Curăţitor de gazGenerator

Motor cu gaz

Schimbător de căldură

Evacuare

Electricitate

Aer cald pentru încălzire

Apă rece pentru aer condiţionat

Apă caldă pentru aer condiţionat

Schimbător de căldurăRăcitor de lichid (prin absorbţie)

caldă, apă rece, care este refolosit de fabrică. Diagrama de proces se redă în figura de mai jos (fig.9).

Fig.9 - Diagrama de procesPuterea electrică brută la ieşire este 175 kW iar puterea netă 157 kW. Căldura la ieşire

este: 174 kW sub formă de aer cald la 67oC, 116 kW sub formă de apă caldă la 80 oC şi 70 kW sub apă rece la 7 oC.

Uleiul produs prin lichefiere hidrotermică, are proprietăţile prezentate în tabelul 1.

Biomasa Lemne Nămol de epurareCompoziţie [procente în greutate %]Carbon 72 71Hidrogen 6 9Nitrogen (Azot) - 6Oxigen 22 16H/C 1,00 1,52Valoare calorică maximă [MJ/kg]

29-30 33-34

Viscozitate [MPa.s] 106 103 – 104

Reacţia a fost condusă fără reducerea cantităţii gazelor de hidrogen şi monoxid de carbon, pentru lemne cu catalizator alcaline şi pentru nămolul de epurare fără catalizator. Uleiul obţinut are o cantitate de oxigen aprox. 20 % procente în greutate, astfel, valoarea calorică max a uleiului este mai mică decât a uleiului obţinut din petrol.

Eficienţa energetică a lichefierii hidrotermice este în jur de 70% (randamentul energetic = puterea calorică a uleiului obţinut / puterea calorică a biomasei).

Biocombustibil

Biocombustibilii solizi se obțin cel mai simplu, din biomasa vegetală nevaloroasă. Există echipamente de producere a brichetelor (peleţilor), fixe, sau chiar şi mobile, care convertesc deșeurile celulozice (rumeguș, paie, alte produse vegetale, care nu sunt valorificate în alt mod, sau pur şi simplu sunt arse pe câmp fără a se folosi energia degajată.

Biocombustibilii solizi pot fi folosiți ca materie primă pentru centrale termice şi pot înlocui cărbunele, un combustibil foarte poluant.

Biocombustibilii lichizi sunt biodieselul şi bioetanolul.

Bioetanolul este definit ca fiind etanol produs din biomasă şi / sau fracţia biodegradabilă a deşeurilor, în vederea utilizării ca biocarburant. Este un biocombustibil ecologic, formula chimică fiind aceeaşi cu cea a alcoolului etilic.

Materia primă din care se produce bioetanol-ul este reprezentată de resturi din industria lemnului (cherestea, bucăţi de lemn, hârtie reciclată), trestie de zahăr, sfecla de zahăr, porumb etc. Bioetanolul este folosit ca o alternativă la benzină, în amestecuri de proporții diferite cu aceasta sau în stare pura (E100).Din punct de vedere al caracteristicilor bioetanolului, acesta are o cifră octanică mai mare decât benzina, de aici rezultând o ardere mai eficientă (implicit şi emisii de CO 2

mai reduse decât în cazul motoarelor care funcționează doar cu benzina, emisii fără sulfuri li hidrocarburi). Puterea energetică per litru este însă mai mică (34%), fiind nevoie de mai mult combustibil pentru același număr de kilometri. Pentru atingerea unei eficienţe cât mai ridicate, o mașină trebuie dotată cu un motor proiectat exclusiv pentru a funcționa cu bioetanol, adică un motor cu un raport de compresie mai mare (valori apropiate de 20:1). Singurele autovehicule actuale cu motoare special proiectate pentru a rula cu bioetanol sunt autobuzele şi camioanele.

Producerea biocombustibilului

În comparație cu alte surse de biomasă, uleiurile şi grăsimile obţinute din aceste tipuri de biomasă au o putere calorică mai mare, majoritatea acestora apar sub formă lichidă la temperatura mediului ambiant. Este preferabil utilizarea biocombustibilului în motoare, însă, caracteristicile ca vâscoelasticitatea (peste 30 mm2 / s, la 40oC), şi temperatura de aprindere (peste 300oC), sunt prea mari, biocombustibilul nu poate fi utilizat în motoare fără modificări. De aceea, uleiul şi grăsimea este supus transesterificării, care reduce punctul de aprindere şi vâscoelasticitatea la 160oC respectiv la 3 - 5 mm2/s, care este mai aproape de numărul de octan al dieselului – motorinei - 50 – 60. Acest produs gras se numeşte biodiesel sau biocombustibil.

Caracteristicile biodieselului

Biodieselul în comparaţie cu motorina este sărac în SOx, în fum şi în pulberi. De aceea, emisiile care iau naştere din arderea acestuia sunt relativ curate, în plus, există avantajul de a menţine echilibrul de carbon pe Terra. De asemenea, conţine oxigen sub formă de ester, care are o capacitate calorică cu 11% mai mică.

Reactoare folosite pentru producerea biodieselului

Pentru producerea biodieselului, uleiului vegetal i se aplică transesterificarea (reacţia 1).

Reacţia 1

unde sunt prezente trigliceridele cu esterii glicerinei sub formă de acizi graşi şi acizi graşi liberi. În general, uleiul se amestecă cu metanolul, utilizând catalizator alcanic, cum ar fi hidroxidul de potasiu, hidroxidul de sodiu, amestecul lor este agitat timp de o oră la o temperatură de 60 – 70oC. După terminarea reacţiei, porţiunile joase şi cele mai ridicate sunt separate, cu glicerină în porțiunea joasă şi prin esterificare pe porțiunea ridicată pentru obținerea metil esterului cu acid gras adică a biodieselului. Acizii liberi graşi apar în uleiurile din deşeuri, care pot fi reacţionate cu catalizatori pentru obţinerea produselor saponificate (reacţia 2) reducând astfel randamentul biodieselui.

Reacţia 2

Datorită acestui dezavantaj al metodei cu catalizator alcalinic, este oportun ca acizilor graşi liberi să fie aplicată esterificarea prima dată cu catalizator acidici, urmat de metoda catalitică cu alcanic.

Ca metode non catalitice, sunt propuse următoarele: metodă catalitică răşinoasă prin schimbare de ioni, metoda de catalizare cu lipază, metoda supercritică cu metanolPentru sporirea eficienţei esterificării, se foloseşte hidroliza trigliceridei cu apă subcritică,

urmată de esterificarea acizilor graşi cu metanol în starea lor supracritică (reacţiile 3, 4, şi fig. 1).

Reacţia 3

Uleiuri

Apă

Hidroliză

Pompă de înaltă presiune

Separator de fazăFaza de ulei(acid gras)

Regulator de presiune

Faza de apă (glicerină)

Esterificare

Vaporizator

Re-Esterificare

Vaporizator

Metanol/apă

Reacţia 4

Fig -1 - Metoda de re-esterificare în două trepte

Eficienţa energetică în producţia biodieselului

Transesterificarea trigliceridelor şi esterificarea acizilor graşi sunt reacţii exotermice, însă, capacitatea lor termică este mică. În procesul cu catalizator alcanic, energia folosită pentru creșterea temperaturii sistemului la 60 – 70oC, energia pentru producerea metanolului şi energia pentru diferite reacţii, este de asemenea importantă. Totodată este nevoie şi de o energie suplimentară pentru reacţia de purificare a glicerinei, ea fiind un produs secundar. În producerea biodieselului cu o capacitate de 2,2 kg/s (70.000 t/an) eficienţa energetică este de 62% pentru baza de valoare calorică maximă.

Stadiul actual

Producerea biodieselului în forma comercială se foloseşte în Europa şi America de Nord, şi producerea acestora, în principal, se bazează pe metoda cu catalizatori bazic. Pentru deşeurile uleioase de calitate redusă, se foloseşte metoda combinată cu catalizatori acidici.

Biodiesel din alge

Microalgele sunt nişte uzine celulare, care convertesc CO2 în diferite tipuri de biocombustibili. Astfel, procedura include producerea metanului, prin reacţii anaerobe existente în biomasă, a biodieselului produs din uleiul microalgei, precum şi a biohidrogenului obţinut din reacţii fotobiologice.

Un avantaj al metodei aplicate pentru obținerea biodieselului din alge, este legat de faptul că, algele cresc foarte rapid. Microalgele îşi dublează masa lor în 24 h. Conţinutul de ulei al algelor este peste 80%, pentru aceeaşi cantitate de biomasă. Producerea uleiului, depinde de creşterea algei şi a conţinutului de ulei al biomasei. Microalgele cu conţinut înalt de ulei sunt folosite pentru producerea biodieselului.

Producerea lipidelor, hidrocarburilor şi a altor uleiuri complexe, depinde de specia algelor. Nu toate tipurile de microalge sunt corespunzătoare pentru elaborarea biodieselului, însă fiecare conţine anumite cantitate de uleiuri.

Cotitură Alimentare Roata cu cupe

Scurgere CotiturăCotitură

Producerea biodieselului din microalge

Producerea biomasei din microalge, este mai costisitoare decât cultivarea cerealelor. Creşterea lor, bazată pe fotosinteză, necesită lumină, CO2, H2O şi săruri anorganice. Temperatura trebuie să fie constantă între (20 – 30)oC, iar pentru reducerea cheltuielilor, algele trebuie crescute la lumină naturală, independent de variaţia zi – noapte sau de anotimp.

Creşterea medie trebuie să furnizeze elemente anorganice care vor constitui celula algei. Elementele importante sunt N şi P, fierul şi în unele cazuri Si. Din formula moleculară a microalgei CO0,48H1,83N0,11P0,01, se poate estima nutriţia minimă; nutrientul P-ul trebuie adăugat în exces pentru că nu toată cantitatea de P va fi biodisponibil, datorită ionilor de metal.

Microalgele au un conţinut de carbon aprox. 50% în forma lor uscată care este derivat complet din CO2. Un produs de 100 t de alge fixează 183 t CO2. În mod continuu, ziua algele trebuie hrănite cu CO2. Hrănirea este urmărită de semnalele senzorului pH, care are avantajul că se reduc pierderile de CO2 şi variaţiile pH-ului. CO2 poate fi obţinut şi din degajarea centralelor energetice şi din arderea combustibililor fosili.

În mod ideal, biodieselul din microalge vor fi carbon neutru, pentru că întreaga energie necesară procesului şi producerii algelor va fi obţinută din biodieselul însăşi şi din CH4 produs prin digestia anaerobă a reziduurilor de biomasă rămasă după extragerea uleiurilor. Deşi biodieselul din microalge poate fi carbon neutru, nu va rezulta reducerea netă a CO2 obţinut din arderea combustibililor fosili.

Metoda eficientă pentru cultivarea microalgelor este cea a acvaculturii.

Acvacultura

Iazul pentru acvacultura microalgelor este de fapt un canal închis cu recirculare având o adâncime de 0,3 m. (fig. 2).

Evacuare

Coloana de degazare

Mediu curat

Apă de răcire

Aer

Pompă

Modul solar

Recoltare

Fig. 2 - schema unei acvaculturi

Agitarea şi circulaţia se realizează cu ajutorul roţii cu cupe, mişcarea fluidului se realizează cu cotituri din canalul de scurgere. Tubul este construit direct sau este compact cu pământul, şi poate fi construit dintr-un material plastic alb. În timpul zilei, cultura este alimentată în mod continuu, începând de la roata cu cupe unde de fapt începe mişcarea fluidului. Lichidul se adună din spatele roţii, ca fiind ultimul pas al buclei de circulaţie. Roata cu cupa se mişcă continuu, pentru prevenirea depunerilor.

În acvacultură răcirea se realizează numai prin evaporare. Temperatura fluctuează datorită ciclurilor diurne şi a celor sezonale. Pierderea de apă prin evaporaţie poate fi semnificativă şi datorită acestor pierderi acvacultura de acest tip – cu CO2 - este mai puţin eficientă decât metoda cu fotobiorectarul. Productivitatea poate să scadă datorită contaminării cu alte tipuri de alge şi microorganisme. Concentraţia de biomasă rămâne scăzută pentru că apa este amestecată greu şi nu suportă întunericul.

Fotobioreactorul

Spre deosebire de acvaculturi deschise, fotobioreactoarele permit culturi de microalge de o singură specie de lungă durată. Cu ajutorul lor pot fi obţinute cantităţi mari de microalge.

Fig. 3 – Fotobioreactor tubular

Fotobioreactorul tubular este construit din tuburi drepte, paralele confecţionate din plastic sau din sticlă. Modulul tubular sau colectorul solar captează razele solare (fig. 3). În general, tuburile colectorului solar, au un diametru mai mic de 0,1 m sau şi mai puţin. Diametrul tubului este limitat pentru că lumina nu va penetra adânc în lichid, lumină necesară pentru asigurarea unei productivităţi mari de biomasă în fotobioreactor. Lichidul cu microalge circulă din rezervor spre colectorul solar şi înapoi în rezervor.

De la coloana de degazare

Nord

Sud

Spre coloana de degazare

Aranjamentul tipic este aceea când tuburile sunt aranjate paralel şi ridicate una peste alta (fig. 4).

Fig. 4 – Colector solar tip gard

Colectorul solar este plasat în aşa fel încât să absoarbă cantitatea max de energie solară. Câteodată, tuburile paralele orizontale sunt aşezate asemănător cu un gard, cu scopul de a putea mări numărul tuburilor, care sunt orientate spre N-S. partea de jos a colectorului solar este alb sau acoperit cu plastic alb, pentru a creşte reflexia. Sedimentarea lichidului este prevenită printr-o turbulenţă înaltă, care se realizează cu o pompă mecanică sau cu o pompă de aer. Pompele mecanice dăunează algelor, însă e uşor de proiectat şi realizat, dar pompele cu aer sunt folosite cu succes.

CONVERSIA BIOCHIMICĂ A BIOCOMBUSTIBILULUI

Biometanizarea

Biometanizarea este de fapt obţinerea metanului – CH4 – prin fermentare sau prin digestie anaerobă. Este un proces complex microbial în cadrul căruia componentele organice se descompun în CH4 şi CO2, obținerea acestor gaze depinde de varietatea microbilor. Acest tip de biogaz are valoare calorică scăzută 20 – 25 MJ / m2/N, după desulfurarea hidrogenului sulfid poate fi folosit ca şi combustibil. Tehnica biometanizării se foloseşte pentru recuperarea biocombustibilului din biomasă şi la tratarea biomasei din deşeuri.

Caracteristicile biometanizării

În primul rând, componentele organice se vor descompune în acizi organici sau hidrogen în funcţie de tipul microbilor anaerobe. În stadiul final, hidrogenul acetat şi CO2 vor fi convertite în CH4.

Biometanizarea are loc în condiţii anaerobe, în special condiţii metanogene pentru obţinerea CH4. Este un proces microbiologic care are loc la temperatură şi presiune normală. Metoda poate fi aplicată pentru o gamă largă de biomasă.

Mecanismul biometanizării

În cazul în care, componentele organice sunt menținute la temperatura între 5 – 70oC şi la pH neutru, va avea loc în mod spontan biometanizarea. Deseori, biometanizarea are loc

în dedesubtul depozitelor de deşeuri. Gunoiul menajer sau nămolul d e epurare au fot folosite ca şi substraturile biometanizării. Apa menajeră organică de la fabricile de alimente care au conţinut de zahăr de asemenea sunt folosite pentru biometanizare.

Biometanizarea se compune din hidroliză, acetogeneză şi metanogeneză. În fig 5 este reprezentată diagrama schematică a biometanizrării.

Fig. 5 – Diagrama schematică a biometanizării

Polizaharidele se descompun în monozaharide, proteinele în amino acizi, iar grăsimile în acizi graşi şi glicerol. Bacteriile de fermentare sunt de ex. Bacteroides spp. Şi Clostridium spp. Zahărul şi amino acizii se descompun în acetat şi propionat prin acidogeni. În final, metanogenii convertesc acetatul sau hidrogenul şi CO2 în CH4. Acidogeneza este un proces complex în care microflora în mediul anaerob descompune componentele organice în acizi organici de molecule mici.

Reacţia clasică a descompunerii acidului acetic este:

CH3COOH CH4 + CO2

Formula de hidrogenizare este:

CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

Metanogeneza este un proces anaerob în care se produce metanul folosind acetatul sau hidrogenul. Metanogene reprezentative sunt Methanobacteria şi Methanosaeta.Metanogenele se distrug la expunerea lor la oxigen; de aceea reacţia trebuie să aibă loc strict în condiţii anaerobe.

Deşeuri menajere, nămol de epurare, deşeuri animaliere, apa uzate

Fermentare cu bacterii

Polizaharide (celuloză), proteine, grăsimi

Zahăruri, amino acizi, acizi graşi, glicerol

Bacterii acetinogenici

Acetat, hidrogen + CO2

Metanogeni Condiţii anaerobe

Metan + dioxid de carbon

Materiale necorespunzătoare

Descompunere Deşeuri de bucătărie

Selectare

Rezervor

Rezervor pt. fermentarea metanului

Biogaz

Desulfurizare

Îngrăşământ lichid, compost, apă reziduală

Rezervor de gaz

Căldură Motor pe gazCogenerare

Electricitate, căldură

Stadiul actual

Biometanizarea se comercializează pentru transformarea deşeurilor de alimente, de bovine, pentru nămolul de epurare şi a apelor uzate, reziduale. În ţările Europene această procedură se foloseşte la temperaturi joase, medii şi înalte, iar materia organică se împarte pentru fermentări uscate şi umede. Sistemele care funcționează la temperaturi înalte oferă înaltă performanţă de gazeificare.

Dezavantajul procedurii constă în raport scăzut de digestie, raport redus de eliminare a amoniacului şi fosfatului, timp lung de tratare şi necesitatea de înaltă temperatură.

Efluentul fermentat şi reziduurile sunt reciclate pentru agricultură sub formă de îngrășământ organic.

Dezvoltarea tehnologiei a învins aceste dezavantaje. În fig. 6 se prezintă diagrama de flux a transformării resturilor provenite de la

bucătărie.

Fig.6 – Diagrama de fluxFermentarea etanolului

În cazul fermentării etanolului, materialele cum ar fi glucoze, fructoza, sucraza (zaharoza) sunt metabolizate cu drojdie prin glicoliză. Din această reacţie ia naştere etanolul şi CO2 în condiţii anaerobe.

(1)

În această reacţie, două molecule de ATP sunt generate dintr-o moleculă de glucoză, energia produsă se foloseşte pentru creșterea celulelor de drojdie.

Fermentaţia etanolului este o reacţie biologică, la temperatura camerei şi la presiunea atmosferică. Saccharomices cerevisiae (fig.7), este aceea drojdie care se foloseşte în industrie şi în producerea combustibilului lichid.

Tulpina de drojdie produce 51,14 etanol din 100 g de glucoză, conform ecuaţiei (1); în cazul acestei reacţii, aproape 50% din masa glucozei se pierde sub formă de CO 2, însă, în jur de 91% din conținutul energetic (2872 MJ/mol) este reţinut în etanol. De aceea, fermentaţia etanolului este o reacţie biologică excelentă pentru transformarea biomasei în combustibil lichid. Celulele de drojdie, prima dată au fost izolate din bere, în 1883 în Danemarca.

Fermentarea etanolului din materiale zaharoase

Materialele zaharoase folosite pentru producerea etanolului pe scară largă, sunt lichidele şi melasa din trestia şi din sfecla de zahăr. Melasa este produsul secundar la producerea zahărului. Concentraţia de zahăr a melasei este 50%, componentele principale ale zahărului sunt glucoza, fructoza şi zaharoza. Aceste componente zaharoase sunt o bază foarte bună pentru fermentarea etanolului cu drojdie şi cu bacteria Zimomonas. (fig. 1).

În Brazilia, cel mai cunoscut proces de fermentare se numeşte proces Melle – Boinot, în cadrul căruia celulele de drojdie sunt recuperate din bere, prin centrifugare şi recirculate în rezervorul de fermentaţie, după ce au fost sterilizate cu acid sulfuric diluat, cu pH 3, de bacterii contaminante. Fermentarea etanolului cu drojdia concentraţie înaltă, duce la obţinerea berii cu un conținut de etanol de 6 – 8%, după 17 ore fermentare.

Fermentarea amidonuluiAmidonul este polimerul glucozei; hidroliza enzimatică a amidonului rezultă glucoză:

Materialele cu conţinut de amidon, în primul pas sunt încălzite la temperaturi între 100 – 130oC, apoi prin hidroliză sunt transformate în glucoză prin utilizarea - amilazei şi a gluco-amilazei.O mare cantitate de glucoză se produce din porumb în SUA şi în China.

Cu ajutorul procedurii la temperaturi scăzute se produce etanol din cartofi dulci folosită până în anii 1990 în Japonia.

Masa moleculară

Cea mai cunoscută tehnologie de producere a etanolului folosită în SUA, se practică din porumb. În procesul de măcinare în mediu umed, porumbul este băgat în soluţie de sulfit, fracţionat în amidon, gluten şi fibre, fig. 1. Amidonului apoi i se aplica hidroliza cu amilaza. Una din procedurile de fermentație este procedura de fermentare continuă, legate în serie cu mai multe rezervoare de fermentare, în care, celulele de drojdie sunt reciclate prin centrifugare.

Fig. 1 – Tehnologia de prelucrare a porumbului în mediu umed

Când valoarea amidonului ajunge la 63% (echivalent a 70% glucoză), iar randamentul de fermentare este de 90%, cantitatea necesară de porumb de a produce 1 m3 de 95% etanol, este în jur de 2,4 t material umed.

Obţinerea etanolului din fermentarea lignocelulozeiBiomasa lignocelulitic în general se compune din. (tabelul 1)

Celuloză Hemiceluloză Lignină

Tabelul 1 – Compoziţia biomaselor [%]Celuloză Hemiceluloză Lignină

Lemn moale 43 28 29Lemn tare 43 35 22Paie de orez 38 25 12Hârtie 69 2 11

Înainte de fermentare, biomasa este pretratată cu acizi sau cu baze, şi / sau cu celulaze hidrolizat în soluţie de glucoză.

a. Procesul cu acid sulfuric concentrat

Concentratul de acid sulfuric este pulverizat pe chipul de lemn, (având umiditate cca. 15%) care apoi se frământă bine la temperatura camerei. În decursul frământării, structura celulozei se decristalizează. Concentraţia acidului sulfuric se aduce la 20 30% concentraţie prin adăugare de apă, iar materialul lemnos se ţine la o temperatură de 90oC pentru un timp de 10 – 15 min pentru hidroliză. După ce fracţia solidă a fost eliminată prin filtrare, componentele zaharoase vor fi separate de acid prin metoda de cromatografie de schimb ionic. Soluţia de zahăr conţine hexoză şi pentoză, fermentate de drojdie Zymomonas, modificat genetic. Acidul sulfuric din nou va fi readus la concentraţia iniţială pentru reutilizare.

b. Procedura cu acid sulfuric diluat

Fracţia de hemiceluloză se degradează în zahăr, în principal compus din pentoză şi hexoză, în cazul când acidul sulfuric are concentraţia de 0,5 – 1.0 %, la temeperatura de 150 – 180 oC şi la presiunea de 1 MPa (10 atm). Fracţia reziduală care conţine celuloza şi lignina, din nou va fi tratată cu acidul sulfuric de aceeaşi concentraţie la 230 – 250 oC la 3 – 5 MPa (30 – 50 atm) producând glucoza. Randamentul zahărului după primul şi după cel de al doilea tratament este 90%, respectiv 50 – 60 %.

Obţinerea hidrogenului prin fermentare

Fermentarea anaerobă este o reacţie în care microorganismele anaerobe oxidative descompun materialul organic, din care va rezulta energie în condiţii anaerobe. Aceea reacţie, în care produsul final este hidrogenul, se numeşte reacţie de fermentare. În cadrul reacţiei de fermentare, pe lângă hidrogen se produce alcool şi câteva materiale organice. Cum oxigenul este acceptorul final de electron sau materialele anorganice, materialele organice oxidativ degradate şi dioxid de carbon, etc., din material sunt produsele finale ale fermentaţiei. De exemplu, produsele finale sunt etanolul, dioxidul de carbon care rezultă din glucoză prin fermentare. Sinteza ATP-ului, în cazul respiraţiei este cuplată cu lanţul de transfer de electroni, ATP-ul în reacţii se produce la nivelul substratului în cazul fermentării. Energia obţinută din fermentaţie este mai mică decât cea obţinută din respiraţia aceleaşi cantităţi de substrat.

Caracteristicile hidrogenului prin fermentare

Rolul hidrogenului în reacţie este reglarea reacţiei de oxidare reducerea nivelului în celule bacteriale prin transformarea excesului de putere în hidrogen. Există bacterii care se pot lua şi pot utiliza hidrogen de acest tip. Pentru creşterea cantităţii de hidrogen, reacţia inversă de consum de hidrogen va fi suprimată. În general, este necesar tratarea apelor reziduale cu hidrogen prin fermentare, pentru că, acest tip de fermentare include producerea unor materiale organice.

Reacţii cu hidrogen prin fermentare

Bacteriile care produc hidrogen sunt în două categorii clasificate privind enzimele de reacţie. O reacție cu hidrogeneză iar cealaltă cu nitrogeneză:

Conform reacţiilor de mai sus, hidrogeneza catalizează o reacţie reversibilă şi asimilare de hidrogen. Pe de altă parte, reacţia de nitrogeneză în fermentarea anaerobă, are nevoie de energie. În fermentarea anaerobă se investighează reacţia de hidrogeneză.

Reacţii de hidrogeneză mai importante sunt:

În fig. 2 se prezintă obţinerea hidrogenului prin fermentare.

Fig. 2 – obţinerea hidrogenului prin fermentareHidrogenul se obţine prin hidrogeneza din NADH (nicotinamid adenina dinucleotida)

şi ferredoxina, sau numai din ferredoxina sau liaza (enzime). În hidrogenul obţinut prin fermentare hidrogenul se produce din descompunerea oxidativă a substratului organic. Această procedură se foloseşte pentru tratarea deşeurilor şi a apelor uzate. În asemenea cazuri, este necesar utilizarea metodei de obţinerea a metanului prin fermentare sau a metodei de activare a nămolului, pentru că metoda folosită pentru obţinerea hidrogenului prin fermentare este acompaniată cu obţinerea metanului prin fermentare. Rata reacţiei de fermentare se compară cu cea a metanului.

Eficiența energetică a obţinerii hidrogenului prin fermentare

În reacţia de fermentare pentru obţinere hidrogenului, teoretic se produc 4 moli de hidrogen dintr-un mol de glucoză. (ec. 3). Dacă se produce acetatul , acesta se foloseşte pentru producerea metanului prin fermentare, conform reacţiei:

Reacţia totală, adică a producerii hidrogenului şi a metanului în două etape se prezintă în reacţia de mai jos:

Valoarea HHV este suma celor valorilor de căldură a celor două componente, 2924 MJ. Pe de altă parte, atunci când se produce numai metanul, reacţia arată astfel:

Valoarea HHV a produsului, este 2671 MJ. Este evident, că din reacţia de obţinerea a metanului şi a hidrogenului prin fermentare, producerea de energie este cu 10 % mai mare în comparație cu cel al cazului unde se produce numai CH4.

Gazele produse prin această metodă, pot fi utilizate la pilele de combustie care au o eficienţă de conversie de energie mai mare decât turbinele pe gaz sau motoarele cu gaz. Metanul obţinut, va fi transformat în hidrogen folosit în pile de combustie.

Reacţia de mai sus, este o reacţie endotermică, pentru realizarea reacţiei este necesar energie din exterior. În general, folosind catalizator de nichel, la 650 – 750oC, gazul metan se transformă în hidrogen.

Pe de altă parte, în reacţia obţinerii hidrogenului prin fermentare, energia obţinută este mai mare decât la obţinerea metanului iar conversia catalitică a metanului nu necesită furnizarea hidrogenului către pila de combustie.

Fermentarea prin acidul lactic

Acidul lactic conţine alcool (OH) şi grupa carboxil (COOH), conţine un atom de carbon în centrul moleculei,având doi izomeri D acid lactic şi L-acid lactic. Acidul lactic se produce cu ajutorul bacteriei de acid lactic din diferite tipuri de glucoze, care cresc în condiţii anaerobe şi convertesc zahărul consumat peste 50%. Următoarele 4 grupe de specii au rol în astfel de tipuri de reacţii:

Lactobacili Leuconostoc Pediococcus Streptococcus

Resurse de biomasă pentru lacto- acidic fermentare

Substratul major pentru acest tip de fermentare este glucoza, care se obţine prin fermentarea amidonului, care se obţine din porumb. Condiţiile necesare pentru realizarea fermentaţiei, în primul rând este necesar alimentarea constantă şi stabilă cu biomasă, apoi obţinerea zahărului cât mai uşor.

Lacto acidic fermentare folosită gunoiului de bucătărie

Fig. 3 –

Gunoiul de bucătărie conţine o gamă largă de nutrienţi inclusiv vitamine, care sunt bune în reacţia de fermentare de tip lacto acidic. Pentru purificarea acidului lactic se foloseşte deseori distilarea.

Silozul

Se produce prin fermentarea controlată a recoltei cu conţinut mare de umiditate. Siloza este un proces de fermentare şi de stocare, proces care însilozează forajul şi ierburile în siloz (fig. 4).

Silozurile industriale pot fi clasificate: Fără pereţi Turnuri Buncăr Plastic Role de balotă

Siloza provine din Egiptul antic. Siloza poate fi făcută din furaje şi ierburi care sunt recoltate la stadiul lor optim având un conţinut de umiditate de 50 – 70%. Materialul de siloza după recoltare va fi tăiate la lungime de 10 – 20 mm, apoi împachetate în xiloză.

Fermentarea silozei

Fermentarea depinde de producerea unei cantităţi suficiente de acizi, care împiedică activitatea nedorită a microorganismelor în condiţii anaerobe. Bacteria de acid lactic epiphtic, prezentă în mod natural în cereale transformă zahărul în acid lactic prin procesul de însilozare. La ferme, fermentaţia se bazează pe cea a bacteriei de acid lactic. Microbul transformă carbohidrații solubili în apă în acizi organici în decursul procesului de însilozare, reducând pH-ul furajul este conservat.

La deschiderea silozei, va predomina condiţia aerobă, siloza este expus la creşterea microbilor devenind siloza instabilă. În siloza deteriorată, va creşte umiditatea scăzând valoarea nutritivă.