Universitatea Politehnica din TimioaraFacultatea de Electrotehnic i ElectroenergticFacultatea de Electrotehnic i Electroenergtic

Curs 5

Combustibilii sintetici Metanolul Combustibilii organici naturali Combustibilii nucleari - uraniul

Titular disciplin: .l.dr.ing. Ioan BORLEA

S d di b i t i bit i i i i i f lti lt d Se produc din crbune, isturi bituminoase i nisipuri asfaltice, rezultnd gaze sintetice, benzine sintetice i gudroane.

Se mai pot obine i din bioxid de carbon i hidrogen molecular care la d l l bi di b t d l i i rndul lor se obin din carbonat de calciu i ap.

Metanolul se obine din biomas (resturi vegetale).

Procedee de obinere a combustibililor sintetici (benzin i motorin sintetic): Gazeificarea crbunelui

Pirogenarea crbuneluiG ifi i i b l i Gazeificarea propriu-zis a crbunelui

Lichefierea crbunelui Hidrogenarea crbunelui

Pi li b l i Piroliza crbunelui

Obinerea metanolului (nlocuitor al benzinei):Gazeificarea catalitic a biomasei Gazeificarea catalitic a biomasei

Este procedeul prin care crbunele se nclzete la o temperatur Este procedeul prin care crbunele se nclzete la o temperatur ridicat n absena aerului, obinndu-se gaze sintetice, gudroane i cocs: temperaturile de lucru de pn la 500-600 oC produc o

semicocsificare, iar ntre 600 oC i 1000 oC se produce cocsificarea complet. iar ntre 600 C i 1000 C se produce cocsificarea complet.

Acest procedeu se aplic n cocserii la producerea cocsului necesar industriei siderurgice.

Semicocsificarea se face cu scopul fie de a innobila carbunii inferiori (lignitii) si de a obtine semicocsul, fie de a obtine o cantitate cat mai importanta de gudroane nedescompuse.p g p

Cocsificarea sau prelucrarea la temperaturi inalte se face cu scopul de a obtine cocs metalurgic.

Pirogenarea carbunilor la temperaturi inalte se efectueaza in uzinele cocso-chimice sau in uzinele de gaz.

Gazeificarea crbunelui n subteran este un procedeu tehnologic care se aplic zcmintelor de crbune n straturi subiri ,cu exploatare difi il t idi t d dificil care au un procent ridicat de cenu.

Pentru aplicarea acestei tehnologii sunt necesare urmtoarele categorii de lucrri: pregtirea stratului de crbune prin foraje i crearea unor fisuri Care

s favorizeze circulaia gazelor. amorsarea arderii stratului de crbune prin crearea unui *cuib de foc* amorsarea arderii stratului de crbune prin crearea unui cuib de foc . alimentarea controlat, folosind compresoarele, a zonei active a

stratului de crbune, cu aer (oxigen) i vapori de ap (H2O) care s asigure condiiile necesare producerii gazului Aburul furnizeaz att asigure condiiile necesare producerii gazului. Aburul furnizeaz att oxigenul ct i hidrogenul necesare gazeificrii.

gazeificarea crbunelui n subterant l b tibil bi t i d i l t extragerea gazelor combustibile obinute prin arderea incomplet a

crbunelui n prezena hidrogenului din vaporii de ap.

Programe pentru aplicarea i mbuntirea acestei tehnologii se deruleaz mai ales nPrograme pentru aplicarea i mbuntirea acestei tehnologii se deruleaz mai ales n Rusia, Frana, Belgia, iar n Romnia primele experimentri au nceput n anul 1977.

Gazeificarea la suprafa se realizeaz n reactoare de gazeificare. Acestea se clasific dup felul cum are loc contactul dintre faza gazoas i cea solid.

D b d d fDeosebim patru tipuri de reactoare de gazeificare:

a. Reactorul cu pat fix (descendent)b. Reactor cu pat fluidizatc. Reactor cu pat antrenatd. Reactor cu pat de topitur

a. Reactorul cu pat fix (descendent) are form de cuv vertical n care prin partea i i d b l l i 5 80 superioar se introduce crbunele cu o granulaie ntre 5 80 mm. n partea

inferioar se insufl agentul de gazeificare format din oxigen, abur i aer. Crbunele are un mers descendent iar agentul de gazeificare i gazele produse au un mers ascendent Evacuarea cenuei se face cu un grtar rotativ Este au un mers ascendent. Evacuarea cenuei se face cu un grtar rotativ. Este folosit la procedeul Lurgi .

b. Reactor cu pat fluidizat utilizat n procedeul Winckler. n cadrul lui, mediul de ifi ( i i b ) i "fi b " i l l d b gazeificare (oxigen, aer i abur) menine n "fierbere" particulele de crbune

mcinate la o granulaie de 5 mm. Gazul se introduce vertical de jos n sus distribuindu-se printr-un grtar, iar cenua se evacueaz prin partea inferioar a reactorului inferioar a reactorului.

c. Reactor cu pat antrenat folosit la procedeul Koppers-Totzek. Reaciile chimice au loc n arztoare, n care praful de crbune este injectat mpreun cu aburul i i l (f t t lt t t ) Ti l d t t i oxigenul (fr aer pentru a nu crete mult temperatura). Timpul de contact

ntre carbon i gaze fiind foarte scurt (3 5 s), temperatura atinge o valoare de 1500 oC. Zgura i cenua se evacueaz din reactor n stare topit.

d. Reactor cu pat de topitur este specific procedeului Saaberg-Otto. Topitura este format din cenu, sruri minerale i metale topite. Crbunele cu granulaia de 3 mm antrenat de mediul de gazeificere (abur i oxigen) se injecteaz t i l t it li d t b l t itangenial n topitur realizndu-se o turbulen mare a acesteia.

Conversia prin hidrogenarea crbunelui n fraciuni similare petrolului a fost dezvoltat pentru prima oar de Bergius, n Germania anilor 1913 1914 i perfecionat ntre 1921 1938, cnd producia de benzin sintetic a atins valoarea de 1 5 mili n d t/ n 1,5 milioane de t/an.

Produsele astfel obinute sunt mai scumpe ca i cele naturale, ele devenind competitive i chiar avantajoase n cazul penuriei combustibililor naturali lichizi.

Randamentele de conversie ale carbonului n hidrocarburi lichide i gazoase se situeaz ntre 65 95%, cnd temperatura la care se desfoar reaciile atinge 800 oC.

Procedeele de lichefiere a crbunelui sunt: procedee directe Bergius, H-Coal, Coalcon care constau n hidrogenarea la

temperatur nalt a crbunelui; procedee indirecte unde n prima faz se produc hidrogen i CO cu procedeul p p p g p

Fischer-Tropsch; iar n a doua faz are loc sinteza hidrocarburilor lichide (benzina lichid) cu unul din procedeele Arge sau Synthol.

Cea mai mare uzin de producere a benzinei sintetice se gsete n Republica Sud p g pAfrican complexul Sasol, care este prevzut a produce n prima parte 200.000 t / an, n cea de a doua faz 1,5 milioane t / an iar n a treia faz 3 milioane t / an.

Piroliza este un procedeu relativ simplu de a obine din crbune doi p p combustibili diferii: unul lichid format din gudroane i uleiuri de piroliz care necesit o

hidrogenare nsoit de o eliminare a sulfului hidrogenare nsoit de o eliminare a sulfului altul solid cocsul.

Cele mai cunoscute procedee de piroliz a crbunelui sunt: procedeul Garret folosete reactorul cu pat antrenat; procedeul CS/R (Cities Service / Rockwell) bazat pe nclzirea extrem de

rapid (n 10 ms se ating 1000 oC) a crbunelui ntr-o atmosfer de p ( g )hidrogen;

procedeul O.P. (Occidental Petroleum) folosit la crbunii bituminoi are avantajul c nu necesit hidrogen i are loc la presiune joas;j g p j

procedeul COED (Char-Oil-Energy Development) este o piroliz cu nclzire indirect;

procedeul Toscoal utilizeaz un cuptor rotativ cu bile de porelan fierbini procedeul Toscoal utilizeaz un cuptor rotativ cu bile de porelan fierbini.

Metanolul este un alcool care se sintetizeaz prin substituirea n molecula de metan a unui atom de hidrogen cu o grupare - OH (hidroxil).

n nat r metanol l poate fi ntlnit n plante ca: b mbac l brnca rs l i ierb ri sa n natur metanolul poate fi ntlnit n plante ca: bumbacul, brnca-ursului, ierburi sau semine care conin uleiuri eterice.

Metanolul pur a fost pentru prima dat izolat n 1661 de ctre Robert Boyle care l-a b i i di il b l i ( b t) S b d i l i bobinut prin distilarea boxusului (arbust). Substana a devenit ulterior cunoscut sub

denumirea de spirt pirozilic. n 1834 chimitii francezi Jean-Baptiste Dumas i Eugene Peligot i-au determinat compoziia elemental.

Metanolul poate fi obinut prin fermentarea siropului produs din sfecla de zahr. n procesele de fermentare a fructelor se poate forma metanol prin descompunerea pectinelor.

Metanolul este un combustibil sintetic cu puterea calorific 4750 kcal/kg, care poate substitui uor o parte din benzina folosit de motoarele cu ardere intern (pn la 25 % benzina E25).

Metanolul are ns dezavantajul de a fi toxic i deci pe lng preul de cost mai ridicat ca al benzinei trebuie manipulat cu grij pentru a se evita otrvirea.

Brazila este ara cu cea mai mare producie de metanol din biomas Brazila este ara cu cea mai mare producie de metanol din biomas.

Metanolul se poate obine: Metanolul se poate obine: La presiune nalt de 150 200 atm i 350 600 oC, din gazele de sintez sau

din dioxid de carbon i hidrogen. 1 kg de metanol conine 437,5 g CH2 i 562 5 g H O562,5 g H2O.

La presiune medie unde gazul metan este comprimat la 25 atm, nclzit la 410 oC, dup care sufer o faz de purificare prin desulfurare; urmat adugarea de abur i CO i o ncl ire la 850 oC ntr un cuptor de adugarea de abur i CO2 i o nclzire la 850 oC ntr-un cuptor de reformare. n final metanolul brut este trecut ntr-o seciune de distilare.

Prin gazeificarea catalitic a biomasei la 750 oC pe catalizatori NiSiAl. Recent au fost extinse cercetrile pentru conversia metanolului n

hidrocarburi. n 2008, consumul global de metanol a fost de 45 milioane de tone, iar pn n 2012 008, co su u g oba de eta o a ost de 5 oa e de to e, a p 0

este de ateptat s se ajung la la o capacitate de producie apropiat de 85 milioane de tone.

China este n prezent cel mai mare productor i consumator de metanol Este de China este n prezent cel mai mare productor i consumator de metanol. Este de ateptat ca producia chinez n urmtorii civa ani s depeasc 60 milioane de tone.

n prezent metanolul este cel mai utilizat n sectorul chimic folosirea sa n cel al n prezent metanolul este cel mai utilizat n sectorul chimic, folosirea sa n cel al combustibililor nregistreaz creteri importante.

ntr-un an, n cadrul procesului de fotosintez plantele fixeaz din atmosfer 200 Gt carbon echivalentul a 3 trilioane GJ Aceast cantitate corespunde cu aproximativ de 10 carbon, echivalentul a 3 trilioane GJ. Aceast cantitate corespunde cu aproximativ de 10 ori consumul de energie anual mondial.

Randamentul de conversie al energiei solare prin fotosintez este foarte sczut fiind cuprins ntre 0,2 0,3 % iar n cazul terenurilor agricole se ridic la 0,5 %.p , , g ,

Prin fotosintez, vegetaia recicleaz natural carbonul n circa 300 de ani. Omenirea dispune n prezent de tehnologii bazate pe exploatarea intensiv a

combustibilului fosil consumnd ntr-un timp foarte scurt energia acumulat de plante n gdecursul milioanelor de ani. De aici pericolul apariiei unui dezechilibru ecologic prin creterea concentraiei atmosferice de bioxid de carbon.

Creterea preurilor combustibililor fosili i dezvoltare consumului de energie n diiil li it t d l id d lt ii i i lt i i condiiile unor rezerve limitate a condus la ideea dezvoltrii unei agriculturi n scopuri

energetice. Avantajele acestei opiuni sunt:

legate de existena tehnologiei de exploatare legate de existena tehnologiei de exploatare, de investiiile minime necesare, de costul rezonabil al energiei n comparaie cu alte surse posibile,

d f t l hilib l l i l l t i t i f t t de faptul c echilibrul ecologic al planetei este puin afectat. Principalul dezavantaj al agriculturii energetice const n faptul c resursele sunt limitate.

Biomas termen folosit pentru definirea resturilor de origine vegetal sau animal provenite din biosfer .vegetal sau animal provenite din biosfer .

Din biomas se pot produce n principal: Metanolul care poate nlocui benzina folosit mult n Brazilia. Biogazul obinut prin fermentaia metanic a biomasei n prezena

bacteriilor anaerobe. Biogazul este un amestec de gaze coninnd 65 70 % metan 25 % Biogazul este un amestec de gaze coninnd 65 70 % metan, 25 %

bioxid de carbon, hidrogen, azot etc. Substana rmas n urma fermentrii metanice este un ngrmnt

foarte bun pentru sol, bogat n humus i sruri minerale. Producerea de biogaz are nu numai o importan energetic ci i una

ecologic.ecologic. Producerea biogazului se recomand a fi utilizat n operaia de tratare

a reziduurilor i gunoaielor din orae precum i din combinatele de cretere a animalelorcretere a animalelor.

Lemn este numele unui material natural care provine din plantele lemnoase, arbori, arbuti, copacii, etc, fiind compus n majoritate din celuloz i lignin i n mic parte din gume i rini materii tanante materii colorantemic parte din gume i rini, materii tanante, materii colorante.

Suprafaa mpdurit a Terrei este de 4,1 milioane ha. La o populaie de 6 miliarde locuitori, fiecrui locuitor i revin n medie 0,7 ha de pdure.

De pe 1 ha de pdure, se pot recolta ntre 25 m3 i 165 m3 de mas lemnoas. Pdurile tropicale au un randament ceva mai redus, sub 100 t/ha, dect cele din zonele temperate la care se ajunge la peste 200 t/ha de pdure. Dintre pdurile cu

d idi f l d f i i i randament ridicat fac parte cele de foioase i rinoase. Totalul mondial al masei lemnoase poate apreciat la aproximativ 300 miliarde m3,

care la o cldur de ardere cuprins ntre 15003000 kcal/m3 n funcie de densitate i grad de uscare i care corespunde unei rezerve de circa 200 Gtcc.

n prezent lemnul acoper circa 10 % din necesarul de energie al omenirii. n Romnia revin 0 3 ha de pdure la 1 locuitor pdurile nsumnd un total de n Romnia revin 0,3 ha de pdure la 1 locuitor, pdurile nsumnd un total de

67 milioane ha, adic circa 30% din suprafaa rii. Ciclul de exploatare al pdurilor se situeaz ntre 8020 de ani.

d l d l l l 3 d Productivitatea anual a pdurilor rii este apreciat la 1015 milioane m3 i de ctre optimiti la chiar 30 milioane m3.

Peleii sunt un tip de combustibil lemn realizai prin compactarea la presiuni ridicate rumeguului sau a altor deeuri provenite de la prelucrarea lemnului, dar i a presturilor de arbori rezultate dup exploatare forestier.

Peleii sunt fabricai n mai multe forme i mrimi i sunt folosii drept combustibil pentru centralele electrice, termice la nivel de aplicaii industriale sau casnice.p , p

Peleii sunt extrem de deni si pot fi produi cu un coninut de umiditate sczut (sub 10% ), ceea ce le permite s fie ari cu un randament de ardere foarte ridicat (4000-4200 kcal/kg)./ g)

n plus, geometria lor regulat i mrimea redus a permite alimentarea automata a cazanelor. Densitatea lor mare le permite, de asemenea, stocarea i transportul n condiii avantajoase.condiii avantajoase.

Peletii au deasemenea o serie de avantaje comparativ cu arderea combustibililor fosili: provin dintr-o resursa regenerabila care nu aduce nici o contributie efectului de provin dintr-o resursa regenerabila care nu aduce nici o contributie efectului de

ser; Nu prezinta pericole la manipulari si transport; Nu polueaza solul sau aerul ln caz de accidente;Nu polueaza solul sau aerul ln caz de accidente; Costuri scazute si cu o evolutie constanta, previzibila.

Producie pelei (tone)ar 2006

Suedia 1 400 000Italia 550 000Germania 450 000Austria 400 000Danemarca 400 000Finlanda 50 000

Repartiia pdurilor pe suprafaa Pmntului

Continentul Suprafaa uscatuluiSuprafaa pdurilor

Ponderea pdurilorsau ara uscatului [106 ha]

pdurilor [106 ha]

pdurilor[%]

Europa (fr CSI) 471 138 3.4p ( )

CSI 2144 910 22.1

Asia (fr CSI) 2700 500 12.1Asia (fr CSI) 2700 500 12.1

Africa 2970 700 17

America de Nord 1875 713 17 3America de Nord 1875 713 17.3

America de Sud 1760 830 20.1

America Central 272 71 1 8America Central 272 71 1.8

Zona central 842 251 6.1

TOTAL 13034 4113 31 7TOTAL 13034 4113 31.7

Prin combustibili nucleari se neleg substanele care pot participa la reaciile nucleare exoenergetice.

Se cunosc dou tipuri de reacii nucleare exoenergetice: fisiune nuclear,fisiune nuclear, fuziune nuclear.

n reacia de fisiune nucleele atomilor cu mas mare sunt "rupte" (fisionate) n d f t i i i Di t t i f t iil d fi i dou fragmente mai mici. Din aceast categorie fac parte reaciile de fisiune a uraniului i a plutoniului.

Reacia de fuziune se produce prin unirea dou sau mai multe nuclee ale unor atomi cu mas mic rezultnd un nucleu cu mas mai mare. Cea mai cunoscut reacie din aceast categorie este reacia de fuziune nuclear dintre izotopii hidrogenului deuteriul i tritiul care dau natere heliului.

Omul este capabil s declaneze ambele reacii nucleare care se produc sub form exploziv, dar el nu poate controla dect reacia de fisiune.

Reacia de fisiune st la baza funcionrii reactoarelor nucleare din centralele nuclearo electrice (CNE) actuale.

Uraniu, n latin uranium, este un element chimic, un metal, din seria actinidelor a sistemului periodic al elementelor care are simbolul chimic U i numrul de ordine 92.Uraniul are cea mai mare mas atomic dintre toate elementele naturale. Uraniul este aproximativ cu 70 % mai dens dect plumbul i este uor radioactiv.

Uraniul a fost descoperit n 1789 n pechblenda de Boemia de ctre chimistul ceh Martin Kalproth sub forma unor pulberi negre.

n 1843 Eugen Peligot arat c pulberea neagr era de fapt oxid de uraniu i nu uraniu pur.

O contribuie important la studiul proprietilor uraniului revine lui Becquerel i cu p p p q totul deosebit soilor Piere i Marie Curie care au cercetat fenomenul de radioactivitate.

n 1939 fizicienii germani Hahn i Strassman au descoperit reacia de fisiune nuclear. n 1941 italianul Fermi a proiectat i construit la Chicago primul reactor nuclear moderat p g p

cu grafit. n 1945 explodeaz prima bomb nuclear. n 1954 intr n funciune prima central nuclearo-electric la Obninsk (Rusia), avnd n 1954 intr n funciune prima central nuclearo electric la Obninsk (Rusia), avnd

puterea de 5 MW. n prezent centralele nucleare sunt construite cu grupuri avnd puterea nominal ntre 500 MW i 1500 MW.

n Romnia, la Cernavod, n 1996 a fost pus n funciune primul grup cu o putere , , p p g p pnominal de 660 MW iar n 2007 a fost dat n exploatare al doilea grup de aceeai putere.

Rezervele actuale de substane fisile exploatabile n condiii economice Rezervele actuale de substane fisile, exploatabile n condiii economice, valorificate n reactoare nucleare cu neutroni leni pot satisface necesarul de energie pe o perioad de 30 50 de ani.

Folosirea reactoarelor reproductoare i a celor cu neutroni rapizi va prelungi c durata de epuizare a uraniului cu 150 300 ani.

l d dCele mai rspndite minereuri de uraniu sunt:

uraninitul (UO2) de culoare neagr violet; se gsete n Canada la Grote Bear Lake ;i n Congo regiunea Shaba;Grote Bear Lake ;i n Congo regiunea Shaba;

pechblenda (U3O8) are culoarea neagr;

d idit l t tit t d U i F fl l R di Hill A t li daviditul este titanat de U i Fe care se afl la Radium Hill n Australia;

brauneritul (UO i TiO) de la Blind River din Canada;

carnotitul descoperit n platoul Colorado S.U.A. conine pe lng uraniu i arsen, fosfor i vanadiu fiind galben verzui;

fosbenitul este un fosfat ce conine pe lng fosfor i uraniu fosbenitul este un fosfat ce conine pe lng fosfor i uraniu.

ar 2003 [tone]2005[tone]

2010[tone]

Mondial[%]

Kazahstan 3 300 4 357 17 803 33%

Evoluia produciei de Uraniu ntre 2003 i 2010

Kazahstan 3 300 4 357 17 803 33%

Canada 10 457 11 628 9 783 18%

Australia 7 572 9 516 5 900 11%

Namibia 2 036 3 147 4 496 8%Rezervele de Uraniu la nivel mondial - 2007

Namibia 2 036 3 147 4 496 8%

Niger 3 143 3 093 4 198 8%

Rusia 3 150 3 431 3 562 7%

Uzbekistan 1 598 2 300 2 400 4%Uzbekistan 1 598 2 300 2 400 4%

Statele Unite ale Americii 779 1 039 1 660 3%

Ucraina (estim.) 800 800 850 2%( )

China 750 750 827 2%

Malawi 670 1%

Africa de Sud 758 674 583 1%

India (estim.) 230 230 400 1%

Republica Ceh 452 408 254 0%

Brazilia 310 110 148 0%

Romnia (estim.) 90 90 77 0%

Pakistan (estim.) 45 45 45 0%

Frana 0 7 7 0%

Germania 104 94 0 0%

Total mondial 35 574 41 719 53 663Reasonably Assured Resources plus Inferred Resources, to US$ 130/kg U

from OECD NEA & IAEA, Uranium 2007: Resources, Production and Demand ("Red Book").

Principalele rezerve mondiale de uraniu sunt situate n Australia , Kazahstan Rusia Republica Africa de Sud Canada S U AKazahstan, Rusia, Republica Africa de Sud, Canada, S.U.A.

Romnia are rezerve de uraniu importante n zona oraului tei (pe vale Criului Negru) i n apropiere de Moneasa, la Rnua. g ) p p ,

Thoriul este un metal alb avnd densitatea de 11 g/cm3.

n natur se gsete mai cu seam sub form de minereu: n natur se gsete mai cu seam sub form de minereu:

thorita care este silicat de thoriu

thorianita conine 50 70 % oxid de thoriu restul fiind oxid de uraniu thorianita conine 50 70 % oxid de thoriu, restul fiind oxid de uraniu (U3O8).

Zcminte importante de thoriu se gsesc n India, Canada i S.U.A., Zcminte importante de thoriu se gsesc n India, Canada i S.U.A., rezervele mondiale fiind apreciate la 5*105 t.

Puterea instalat la nivel mondial n centralele nucleare a fost de 200 GW, asigurnd cam 10-15% din producia mondial de energie electric. n

unele ri dezvoltate industrial Frana, Suedia ponderea energie electrice furnizate de centralele atomo-electrice a ajuns s reprezinte j ppeste 70% din total energiei electrice consumate.

HIDROGENUL

ENERGIILE REGENERABILE:ENERGIILE REGENERABILE: Energia solar Energia hidraulicEnergia hidraulic Energia eolian Energia oceanicg Energia geotermic