Energie Din Biomasa

Aceasta lucrare ofera o imagine de ansamblu a si-tuatiei curente a bioenergiei in Europa. Sunt pre-

zentate avantajele folosirii biomasei in scopuri ener-getice si nivelul tehnologic atins de procesele de con-versie a biomasei in energie si produse energetice. Lu-crarea este impartita in trei capitole ce acopera resur-sele de biomasa, procesele de conversie si produsele energetice si ceea ce Uniunea Europeana intreprinde pentru a stimula bioenergia (legislatie, standardizare).

1. IntroducereBiomasa, ca energie solara acumulata sub forma

chimica in materia de origina vegetala sau anima-la este una dintre cele mai pretioase si diversificata resursa de pe pamant. Ea ofera nu numai hrana ci si energie, materiale de constructie, hartie, medicamen-te si chimicale. Biomasa a fost folosita in scopuri ener-getice de cand a fost descoperit focul. Termenul de bi-omasa acopera un domeniu larg de produse, subpro-duse si deseuri provenite din domeniul forestier, agri-cultura inclusiv cele provenite de la cresterea anima-lelor, precum si deseurile municipale si cele industria-le. Conform legislatiei Uniunii europene, “biomasa re-prezinta fractia biodegradabila a produselor deseurilor si reziduurilor din agricultura (inclusiv substantele ve-getale si cele animale), domeniul forestier si industriile conexe acestuia, precum si fractia biodegradabila din deseurile municipale si cele industriale” [1].

Biomasa este considerata una dintre resursele re-generabile de baza ale viitorului ce poate fi folosi-ta la scara mica si mare. Ea contribuie in prezent cu 14% la consumul mondial de energie primara. Pentru 3/4 din populatia globului ce traieste in tarile in curs de dezvoltare, biomasa reprezinta cea mai importan-ta sursa de energie. In cele 25 de state ale Uniunii europene, sursele regenerabile de energie au contri-buit cu 6% la productia totala de energie din 2002 [1]. tinta Comisiei Uniunii Europene este ca pana in 2010, energia regenerabila sa aibe o contributie de 12%. Circa doua treimi din energia din sursele regenerabi-le folosite in Europa revin biomasei (fig. 1).

Intreaga viata de pe pamant se bazeaza pe plantele verzi, care transforma dioxidul de carbon si apa din at-mosfera in materie organica si oxigen folosind energia oferita de soare. Acest proces se numeste fotosinteza. Dioxidul de carbon din atmosfera si apa de pe pamant sunt combinate prin procesul de fotosinteza rezultand carbohidratii care formeaza elementele constitutive ale biomasei. Energia solara este acumulata prin foto-sinteza in legaturile chimice ale componentelor struc-turale ale biomasei. Cand biomasa este arsa, oxige-nul din atmosfera se combina cu carbonul din plante producand dioxid de carbon si apa. Procesul este ciclic pentru ca dioxidul de carbon ajuns in atmosfera este absorbit din nou de plante (fig. 2).

In ultimele cateva sute de ani, omul a exploatat bio-masa fosilizata sub forma de carbune. Acest combusti-bil fosil este rezultatul unei transformari chimice foar-

te lente, ce converteste fractia polimerilor de glucide intr-o compozitie chimica ce seamana cu fractia ligni-na. Astfel, legaturile chimice suplimentare din carbu-ne fac din el ca si combustibil o sursa mai concentrata de energie. Toti combustibilii fosili-carbunele, pacura si gazul natural reprezinta o biomasa foarte veche. De-a lungul milioanelor de ani, pamantul a ingropat plan-tele si le-a transformat in acesti combustibili valorosi. Dar desi combustibilii fosili contin aceeasi constituen-ti-hidrogenul si carbonul ca si biomasa proaspata ei nu sunt considerati regenerabili pentru ca ei necesita un timp foarte indelungat ca sa se formeze.

O alta diferenta intre biomasa si combustibilii fo-sili este facuta de impacturile pe care le au asupra mediului. Cand o planta moare ea elibereaza cea mai mare parte din materia ei chimica inapoi in atmosfe-ra. Combustibilii fosili sunt inmagazinati in adancul pamantului si nu afecteaza atmosfera pamantului nu-mai daca ei sunt arsi.

Compozitia chimica a biomasei difera multa in functie de specie, insa se poate spune ca plante-le contin (15-30% in stare uscata) lignina (C40H44O6) si carbohidrati (zaharuri sau glucide). Fractia de car-bohidrati consta din mai multe molecule de glucide legate impreuna in lanturi lungi sau polimeri. Cele doua categorii de carbohidrati reprezentative sunt (40-45%) celuloza (C6H10O5) si (20-35%) hemi-celulo-za. Fractia de lignina consta din molecule diferite de cele ale glucidelor. Polimerii celulozei lungi sunt folo-siti de catre natura pentru a construi fibrele care con-

fera plantei soliditate. Fractia de lignina actioneaza ca un liant ce tine fibrele de celuloza legate.

Biomasa prezinta multe avantaje ca sursa de ener-gie. Ea poate fi folosita atat pentru producerea de electricitate si caldura cat si pentru producerea unei game largi de produse: combustibili lichizi pentru transport, combustibili solizi si gazosi si alte produ-se. Biomasa ca materie prima se prezinta sub diverse forme, care se gasesc din abundenta in toate partile lumii inclusiv Europa. In ultimii ani s-au dezvoltat teh-nologii avansate de conversie a biomasei in combus-tibili sau de ardere eficienta. De sigur, nu toate resur-sele de biomasa pot fi folosite in scopuri energetice. Biomasa reprezinta in acelasi timp o sursa importan-ta de alimente, cherestea, hartie si cateva chimicale valoroase. Din acest motiv, folosirea in scopuri ener-getice trebuie integrata cu alte aplicatii prioritare.

Utilizarea biomasei in scopuri energetice poate aduce beneficii semnificative sociale si economice atat pentru zonele rurale cat si pentru cele urbane. Lipsa actuala de acces la surse convenabile limitea-za calitatea vietii a milioane de oameni de pe intreg globul pamantesc, in special din zonele rurale din ta-rile in curs de dezvoltare. Cultivarea biomasei este o activitate rurala, intensa, care poate duce la crearea de locuri de munca in zonele rurale si poate opri mi-gratia de la sate la orase oferind in acelasi timp posi-bilitatea dezvoltarii altor industrii rurale.

Mai jos sunt date costurile viitoare estimate ale unui kWh produs prin diverse tehnologii inclusiv din biomasa.

Energie din Biomasa

Tehnologiacostul in 2020Euro cent/kWh

Tendinta costului in 2050

Pile de combustie nedeterminat reducere sustinuta

Producerea combinata a electricitatii si caldurii in unitati mari <3,2 reducere limitataProducerea combinata a electricitatii si caldurii in unitati mici 4,0-5,6 reducere sustinutaFotovoltaica 15,9-25,4 reducere sustinutaTurbine eoliene situate pe uscat 2,4-4,0 reducereTurbine eoliene situate pe apa in apropierea tarmului 3,2-4,8 reducereEnergie din biomasa 4,0-6,4 reducereEnergie din combustibili fosili 4,8-7,2 nesigurNucleara 4,8-6,4 reducereCiclu combinat cu turbine cu gaze (CCGT) 3,2-3,7 reducere limitataCiclu combinat cu gazificare integrata a carbunelui (Coal IGCC) 4,8-5,6 reducere

Sursa: Balkan OPET Energy Newsletter, Issue No5, July 2002

Fig.1. Productia de energie in cele 25 de state ale UE in 2002 cu precizarea contributiei biomasei

Fig. 2. Ciclul carbonului in natura

EnergieConsideratii teoretice

14Nr. 7(38)/2006

2. Resursele de biomasaPrincipala sursa de biomasa o reprezinta lemnul.

Alaturi de lemn exista o larga varietate de resurse ca:culturile cu scopuri energetice:

copaci cu viteza mare de crestere: plopul, sal-cia, eucaliptul;culturile agricole: trestia de zahar, rapita, sfe-cla de zahar;culturi perene: miscanthus;plante erbacee cu viteza mare de crestere: Swit-chgrass sau Panicum virgatum (o planta perena ce creste in America de Nord), Miscanthus sau iarba elefant (iarba de Uganda).

reziduuri:lemnul provenit din toaletarea copacilor si din constructii;paiele si tulpinile cerealelor;alte reziduuri provenite din prelucrarea unor pro-duse alimentare (trestia de zahar, ceaiul, cafea-ua, nucile, maslinele).

deseuri si sub-produse:deseurile de la prelucrarea lemnului: talas, rumegus;deseurile de hartie;fractia organica din deseurile municipale;uleiurile vegetale uzate si grasimile animale.

metanul capturat de la gropile de gunoi, de la sta-tiile de tratare a apelor uzate si din balegar.Exista un potential mare de biomasa ce poate fi si

mai mult marit printr-o utilizare mai buna a resurselor existente si prin cresterea productivitatii culturilor.

2.1. Potential si disponibilitateIn UE, suprafata impadurita acopera 137 milioa-

ne hectare, iar suprafata agricola reprezinta 178 mili-oane ha. Aceste resurse pot oferi, dupa ce se acope-ra necesarul de hrana si hartie 11% din totalul anual de energie ceruta in UE. Pentru atingerea obiective-lor propuse pentru energia regenerabila pana in 2010 este necesar pe langa exploatarea actualei resurse si stabilirea altora noi. Noile resurse, sub forma de cul-

»»

»

»»

»»

»»

»»»»»

»

turi realizate in scop energetic, pot oferi circa 60% ca biomasa pentru producerea caldurii si electricitatii si 40% ca biocombustibili. Aceasta este posibila prin-tr-un bun management agricol si utilizare a terenu-lui. Folosirea de terenuri improprii agriculturii pentru plantarea de copaci adecvati solului respectiv. Re-centele reforme agricole ale UE incurajeaza culturi-le destinate energeticii prin oferirea de subventii (45 euro/ha), asigurandu-se astfel o suprafata de 1,5 mi-lioane ha. In tabelul 1 sunt prezentate pentru cateva culturi, productiile la ha, iar in tabelul 2 sunt prezen-tate productiile de reziduuri agricole.

Lemnul este utilizat atat pentru producerea de cherestea, hartie si fibre cat si ca sursa de energie. Ciclul de viata normal a unui copac include o perioa-da de crestere rapida in inaltime urmata de o peri-oada de crestere constanta in diametru, inaltime si volum. Varsta de recoltare depinde de specie, dar in general atinge 30-80 de ani. Circa (20-45)% din lem-nul recoltat in fiecare an este sub forma de rezidu-uri, adica lemnul rezultat din toaletarea copacilor si caderile din paduri. Pentru cateva specii de copaci cu viteza mare de crestere se poate reduce ciclul de viata la 3-15 ani. Aceste specii sunt plopul, salcia si eucaliptul. Crearea unei scheme economice de pro-ducere a energiei din biomasa lemnoasa consta in stabilirea unor sisteme logistic efective de recolta-re, recuperare, compactare, transport, innobilare si stocare. Recoltarea si transportul pot avea o influ-enta semnificativa asupra costului si balantei ener-getice. Din acest motiv trebuie acordata atentie in alegerea metodei potrivite de transport si localiza-rea instalatiei de conversie cat mai aproape de sur-sa de biomasa.

Culturile cele mai utilizate in scopuri energetice sunt cele de grau, orz, secara, trestie de zahar, sfe-cla de zahar, plante leguminoase (lucerna sau trifoi), plante oleagenoase (rapita), plante erbacee (miscan-thus, switchgrass). Multe alte specii au fost studia-te in ceea ce priveste optimizarea productiei, recol-

tarea, pastrarea si procesarea. Aceste plante ofe-ra biomasa ce poate fi arsa direct sau supusa trans-formarilor termochimice sau biologice. Graul, seca-ra, orzul, trestia de zahar si sfecla de zahar sunt in general convertite in etanol. Plantele leguminoase si plante erbaceele pot fi procesate impreuna cu bale-garul sau deseurile pentru obtinerea de biogaz. Plan-tele oleagenoase sunt folosite pentru producerea de biodiesel. Exista plante care pot fi procesate pentru obtinerea simultana de material celulozic si bioeta-nol. Astfel de planta este sorgul dulce. Unele dintre plantele enumerate sunt perene, iar altele sunt anu-ale, dar toate sunt potrivite unei agriculturi conven-tionale. Ambele culturi, cele destinate productiei de energie si cele destinate alimentatiei trebuie reali-zate impreuna pentru a maximiza eficienta fermelor agricole. Avantajul celor destinate energeticii consta in faptul ca ele nu necesita cele mai bune terenuri si nici prea multa ingrijire, apa si fertilizatori. Acest lu-cru se datoreaza faptului ca importanta este cantita-tea si nu calitatea.

Reziduurile si sub-produsele agricole sunt cele pro-venite din prelucrarea lemnului (rumegus, talas, pla-caj, coaja, lesie rezultata din prelucrarea celulozei) si din recoltarea si procesarea plantelor alimentare (ce-reale, trestie de zahar, ceai, cafea, orez, bumbac, arbo-rele de cauciuc, palmierul de cocos). Numai 20% din productia de paie poate fi folosita in scopuri energeti-ce, restul de productie utilizata pentru acoperirea ne-voilor din sectorul agricol si altele. Balegarul este o alta sursa utila ce provine din sectorul agricol.

O sursa de biomasa care nu a fost exploata-ta pana acum o reprezinta biomasa marina, forma-ta din plancton si alge. Avand in vedere volumul ma-rilor, aceasta sursa poate constitui o sursa majora de energie pentru viitor.

Deseurile solide municipale rezulta in principal din activitatea domestica din gospodarii. Fiecare cetatean al UE produce in medie mai mult de 500 kg deseuri pe an. Cantitatea totala produsa in UE este de 225 milioane tone pe an. Puterea calorica a frac-tiei organice din deseurile solide municipale se ga-seste in intervalul (8000-12000) kJ/kg, ceea ce in-seamna circa o treime din puterea calorica a car-bunelui. Decizia asupra utilizarii acestora ca sursa de energie este legata de politica de gestiune lo-cala si nationala a deseurilor si de dispozitia popu-latiei spre reciclare si incinerare. Alegerea filierei de tratare a deseurilor intr-o localitate se face ti-nand cont printre altele de compozitia si proprieta-tile acestora, de tehnologiile disponibile si de pia-ta diferitelor materiale reciclabile. Intregul proces de gestiune trebuie sa fie integrat pentru a se evita conflictele intre diferitele filiere de tratare. In gene-ral, deseurile cu putere calorica mare sunt folosite pentru producerea de caldura si electricitate. Pentru asta, deseurile sunt fie incinerate, fie transformate in combustibili solizi, lichizi sau gazosi ce pot fi mai usor de transportat si folositi pentru producerea de caldura si electricitate sau pentru alimentarea au-tovehiculelor (fig. 3). Fractia biodegradabila poate fi folosita impreuna cu alte deseuri pentru producerea de biogaz prin compostare sau digestie anaeroba. Biogazul poate fi recuperat de la haldele de deseuri sau produs prin fermentatia atat a deseurilor solide municipale dar si a namolului de la statiile de trata-

Tabelul 1. Productivitatea unor culturi.

Productia de materie uscatat/ha

CulturaProductia echivalenta de petrol

l/ha

30 miscanthus, sorg, sorg dulce, stuf 12 000

20mazare, floarea-soarelui, canepa, ce-reale, papura, salcie, plop, eucalipt

8 000

10 rapita, hrisca, salcam 4 000

Tabelul 2. Productia de reziduuri agricole.

Planta Reziduul Productia de reziduu tone/tona de cultura

Orez paie 1,1-2,9

Grau paie 1,0-1,8

Porumb tulpina+stiulete 1,2-2,5

Sorg tulpina 0,9-4,9

Mei tulpina 2,0

Orz paie 1,5-1,8

Secara paie 1,8-2,0

Ovaz paie 1,8

Alune de pamant coji 0,5

Alune de pamant tulpina 2,3

Mazare tulpina 5,0

Bumbac tulpina 3,5-5,0

Iuta tulpina 2,0

16Nr. 7(38)/2006


re a apelor uzate, a balegarului si a efluentilor din agricultura si industria alimentara. Prin producerea si recuperarea biogazului, care contine in cea mai mare parte metan se realizeaza si reducerea emisi-ei unuia dintre gazele cu puternic efect de sera. In tabelul 3 este data compozitia masica orientativa a deseurilor solide municipale din UE.

In Romania exista doua zone de distributie a bi-omasei (ISPE SA Bucuresti, „Renewable Energy Country Profile”, 2002). Circa 90% din lemnele de foc si 55% din deseurile de lemn se gasesc in zona Carpatilor si a Subcarpatilor. Circa 54% din dese-urile agricole se gasesc in campiile de sud si Mol-

dova. Circa 52% din biogaz se gaseste in campii-le de sud si campiile de vest. Din suprafata tota-la a Romaniei, pentru agricultura se foloseste cir-ca 40%, iar cea impadurita reprezinta 27%. in pre-zent se foloseste circa 70% din resursele de lemn de foc. Din intreaga suprafata agricola, pentru cul-tura cerealelor se foloseste 66%, pentru culturi fu-rajere 14% si pentru culturi tehnice 13%. Potrivit Regiei Autonome a Padurilor ROMSILVA produc-tia anuala de cherestea poate ajunge la 18 000 000 m3 in anul 2020, cea mai mare parte fiind uti-lizata in constructii si industria hartiei. In tabelul 4 sunt date cele mai importante resurse de bioma-sa din Romania.

3. Conversia biomasei Exceptand cazurile in care arderea directa este

potrivita, biomasa bruta necesita transformarea in combustibili solizi, lichizi sau gazosi care pot fi fo-lositi pentru producerea de caldura, electricitate si drept combustibil pentru autovehicule. Aceas-ta conversie se realizeaza prin procese mecani-ce, termice sau biologice. Procesele mecanice nu sunt strict de transformare deoarece ele nu schim-ba natura biomasei. Exemple de astfel de procese sunt: sortarea si compactarea deseurilor, procesa-rea reziduurilor de lemn in baloti, pelete si briche-te, tocarea paielor si cocenilor, presarea semintelor oleagenoase. Astfel de procese sunt folosite pen-tru pretratarea biomasei. Arderea, gazificarea si pi-roliza sunt exemple de procese termice. Ele produc, fie caldura, fie un gaz sau lichid. Gazul poate fi folo-sit pentru alimentarea unui motor sau a unei pile de combustie. Lichidul poate fi transformat mai depar-te in combustibili lichizi sau gazosi. Fermentatia si digestia sunt exemple de procese biologice. Aces-tea se bazeaza pe activitatea microbiana sau enzi-matica de transformare a zaharului in etanol, sau a biomasei in combustibili solizi sau gazosi. In fig. 4 sunt schematizate principalele directii de conver-sie a biomasei.

Cele mai folosite tehnologii de transformare a bi-omasei folosesc caldura.

O comparatie intre purtatorii de energie produsi din biomasa poate fi realizata pe baza abilitatii aces-tora de a produce caldura, electricitate si combusti-bili pentru motoare. Un mijloc util de comparare a bi-omasei si combustibililor fosili se bazeaza pe rapoar-tele lor O:C si H:C, cunoscut ca diagrama Van Kre-vlen (fig. 5). Cu cat sunt mai mici rapoartele respec-tive, cu atat este mai mare continutul de energie al materiei respective.

Fig. 3. Filierele de tratare si conversie a deseurilor solide municipale.

Tabelul 3. Compozitia masica orientativa a deseurilor solide municipale din UE.

Materiale din hartie si carton 35 % Materiale feroase 6%

Materiale plastice 9 % Materiale neferoase 1%

Textile 2% Materiale combustibile 8%

Sticla 7% Materiale necombustibile 2%

Materiale putrescibile 19% Fractia fina 11%

Tabelul 4. Resursele de biomasa din Romania (FAO, FAOSTAT Database si „Forestry Information System”, 2002, www.fao.org).

Tipul de resursa de biomasaProductia totala

toneProductia medie

tone/1000 haPrincipalele 10 culturi agricolelucerna pentru furaj 7 846 000 341porumb 7 777 600 338leguminoase (amestec pentru furaj) 6 316 667 274grau 5 364 014 233plante de nutret 4 678 167 203cartofi 3 742 300 162leguminoase pentru boabe 2 949 367 128trifoi pentru furaj 2 704 367 117legume si radacinoase 1 244 867 54struguri 1 170 786 51Animale numar numar/1000 habovine 3 097 000 134pasari 69 312 000 3 009porcine 6 521 000 283Produse forestiere m3 m3/1000 halemn de foc si mangal 3 152 600 137reziduuri de lemn 243 500 15

19 Nr. 7(38)/2006

Consideratii teoretice Energie

3.1. Arderea biomaseiArderea este cea mai veche si utilizata. Eficienta

de transformare in electricitate este de 20-25%. Bi-omasa poate fi arsa direct (asa cum este ars lemnul pentru incalzire sau incinerate deseurile) sau arsa si-multan cu carbunele (co-ardere). Cazanele moderne sunt proiectate sa foloseasca co-arderea pentru a re-duce emisiile de CO2. La proiectarea sistemului de ar-dere se tine seama de caracteristicile combustibilu-lui ce urmeaza sa fie folosit, de legislatia de mediu, costul si performantele echipamentelor disponibile. In timpul arderii, o particula de biomasa trece prin mai multe faze, mai mult sau mai putin distincte. Mai intai are loc uscarea, pana la temperaturi de 100C, apoi pe masura ce incalzirea continua, are loc piroli-za si/sau gazificarea, urmata de arderea propriu-zisa si lichefierea.

Umiditatea limita a biomasei pentru sustinerea ar-derii nu trebuie sa depaseasca 60% din masa. Umidi-tatea este o proprietate a biomasei foarte importan-ta de care depinde proiectarea instalatiei de ardere si desfasurarea procesului de ardere.

In tabelul 5 sunt prezentate schematizat caracte-risticile biocombustibilior masici si efectele lor mai importante.

Biomasa este diferita de carbune in ceea ce pri-veste continutul de materii organice si anorganice, puterea calorica si proprietatile fizice. Fata de car-bune, biomasa are in general mai putin carbon, alu-miniu si fier si mai mult oxigen, silice si potasiu, are putere calorica mai mica, continut de apa mai mare, densitate mai mica si friabilitate redusa. Arderea bi-omasei implica modificarea procesului de ardere in orice instalatie, datorita compozitiei biomasei, mai ales continutului de volatile. Puterea calorica a bio-masei este mult mai mica decat cea a carbunelui da-torita continutului ridicat de umiditate si de oxigen.

Este recomandat ca biocombustibili solizi ce vor fi folositi in instalatiile casnice, comerciale si industri-ale sa fie supusi unor procese de pretratare cum ar fi: spalarea, uscarea, reducerea marimii si compactarea (fig. 6), pentru a se obtine o mai mare uniformitate, a face mai usoara manipularea si a reduce umiditatea la un nivel acceptabil.

Lemnul este cel mai folosit biocombustibil solid. Materialul brut poate avea urmatoarele forme: bus-teni, butuci, tulpini, frunze si ace din padure, scoar-ta, rumegus, surcele si talas din industria lemnului si lemnul recuperat din constructii. Acestea pot fi folosi-te cand este posibil direct ca un combustibil, sau pot fi procesate in forme mai usor de transportat, stocat si ars cum ar fi: peletele, brichetele si praful de lemn.

Lemnul de foc este combustibil forestier in forma de tulpina tratata sau nu de copac. Pentru manipula-rea mai usoara, tulpinele sunt facute snopi prin pre-sarea impreuna a ramurilor in snopi avand marimi egale, asemanatori unui bustean.

Peletele sunt produse prin maruntirea rumegusu-lui, aschiilor, surcelelor sau a cojii de copac si presa-rea prafului obtinut printr-o matrita. Caldura rezultata in urma frecarii este suficienta pentru inmuierea lig-ninei. Prin racire, lignina devine rigida si leaga mate-rialul. Peletele au forma cilindrica sau sferica cu dia-metrul mai mic de 25 mm.

Brichetele au forma rectangulara sau cilindrica si sunt obtinute prin presarea impreuna a rumegusului,

Fig. 4. Caile de conversie a biomasei.

Fig. 5. Diagrama Van Krevelen pentru diferiti combustibili fosili.

Tabelul 5. Caracteristicile combustibililor masici obtinuti din biomasa si efectele lor mai importante.

Caracteristica EfectulProprietatile fizicecontinutul de umiditate durata de stocare, puterea calorica inferioara, autoaprindrea, proiectarea instalatiei puterea calorica inferioara, puterea calorica superioara

utilizarea combustibilului, proiectarea instalatiei

continutul de volatile comportamentul la descompunerea termica

continutul de cenusaemisia de particule solide, manipularea cenusii, utilizarea/indepartarea cenusii, tehnologia de ardere

temperatura de topire a cenusii siguranta in functionare, tehnologia de ardere, sistemul de control a procesuluidensitatea in vrac stocarea, transportul si manipularea combustibiluluidimensiuni, forma manipulare, tehnologia de arderegranulatie uscare, formarea prafuluirezistenta la abraziune schimbarea calitatii, segregareaProprietati chimicecontinutul de C puterea calorica superioaracontinutul de H puterea calorica superioara, puterea calorica inferioaracontinutul de O puterea calorica superioaracontinutul de Cl coroziune, emisii de HCl, dioxine si furanicontinutul de N emisia de Nox, N2O, coroziunecontinutul de S emisia de Sox, coroziune

continutul de Kcoroziunea schimbatoarelor de caldura, reduce temperatura de topire a cenusii, formarea aerosolilor, utilizarea cenusii

continutul de Nareduce temperatura de topire a cenusii, coroziunea schimbatoarelor de caldura, formarea aerosolilor

continutul de Mg mareste temperatura de topire a cenusii, utilizarea cenusiicontinutul de Ca mareste temperatura de topire a cenusii, utilizarea cenusiicontinutul de metale grele emisii poluante, utilizarea cenusii, formarea aerosolilor

20Nr. 7(38)/2006


aschiilor, surcelelor sau a cojii de copac intr-o pre-sa cu piston sau surub. Continutul de energie al pe-letelor si brichetelor este de circa 17 GJ/tona cu un continut de umiditate de 10% si o densitate de cir-ca 600-700kg/m3.

3.1.1. Puterea calorica a biomaseiExista multe incercari de corelare a puterii calori-

fice cu compozitia. Celuloza are o putere calorica mai mica decat a ligninei datorita gradului mare de oxi-dare. Alti compusi, precum sunt hidrocarburile cu un grad redus de oxidare fac sa creasca puterea calorica a biomasei. Puterea calorica a biomasei este strans legata de continutul de lignina. astfel, puterea calori-ca superioara pentru o proba uscata si lipsita de ce-nusa se poate calcula cu relatia [7]:

Qs = 88,9 · (LC) + 16.821,8, kJ/kgunde (LC) reprezinta continutul de lignina raportat

la starea uscata si lipsita de cenusa, %.Puterea calorica superioara a biocombustibililor

poate fi calculata in functie de continutul de carbon fix, Cf (%) cu formula [7]:

Qs = 196 Cf + 14.119, kJ/kgIn literatura au fost dezvoltate formule de estima-

re a puterii calorifice pentru combustibilii din diferi-te materiale ligno-celulozice si uleiurile vegetale pe

baza analizei lor chimice. Pentru biocombustibilii so-lizi se poate folosi formula modificata a lui Dulong, ca functie de continutul de carbon, C (%), hidrogen, H (%), oxigen O (%) si azot, N (%) [7]:Qs = 33.500 C + 142.300 H - 15.400 O - 14.500 N, kJ/kg

in literatura de specialitate poate fi gasita si for-mula [6]:Qs

anh = 349,1·Canh + 1.178,3·Hanh + 100,5·Sanh - 15,1·Nanh - 103,4·Oanh - 21,1·Aanh, kJ/kgunde Canh, Hanh, Sanh, Nanh, Oanh, Aanh reprezinta continu-turile in procente de carbon, hidrogen, sulf, azot, oxi-gen si respectiv cenusa raportate la starea anhidra.

In tabelul 6 sunt date puterile calorifice superioare ale celor mai utilizati combustibili solizi.

3.1.2. Probleme ce apar la arderea biomasei in cazaneTehnologiile de ardere a biomasei prezinta cate-

va probleme. Cele mai importante tin de murdari-rea si coroziunea suprafetelor de schimb de caldu-ra. Zgurificarea si murdarirea reduc schimbul de cal-dura al suprafetelor si cauzeaza coroziunea. Coroziu-nea si eroziunea duc la scurtarea duratei de viata a echipamentelor. Depunerile sau murdarirea suprafe-telor este provocata de materia anorganica prezen-ta in biomasa ce arde. Sodiul, Na si potasiul, K co-boara temperatura de topire a cenusii si prin urmare

Fig. 6. Mostre de biomasa compactata.

Tabelul 6. Puterea calorica a unor combustibili solizi obtinuti din biomasa.

BiomasaPuterea calorica superioara ra-portata la starea anhidra, kJ/kg

Tulpini de lucerna (trifoi) 18 400

Coji de migdale 19 400

Tulpini de bumbac 15 800

Coji de alune de pamant 15 700-20 00

Samburi de masline 21 400

Coji seminte de floarea soarelui

16 120

Tulpini de floarea soarelui 21 800

Coji de nuci 21 100

balegar 14 800

Mangal 31 800

Deseuri vegetale 12 600

Paie de grau 17 200-18 900

Paie de orez 15 200

Coji seminte de orez 15 500-19 800

Lemn 15 500

Tulpini de porumb 15 700-16 200

Stiuleti de porumb 17 400

Tulpini de tutun 16 400 (7% umiditate)

Coarde de vita de vie 16 500 (7% umiditate)

Ramuri de mar 15 200 (7% umiditate)

21 Nr. 7(38)/2006


este intensificata depunerea de cenusa pe tevile ca-zanului. Calciul, Ca si magneziul, Mg fac sa creasca temperatura de topire a cenusii. Siliciul, Si se poate combina cu K producand silicati cu temperatura redu-sa de topire in particulele volatile. Acest proces este important pe de-o parte in evitarea sinterizarii/aglo-merarii si topirii cenusii pe gratarul de ardere sau in stratul fluidizat instalatiilor de ardere si pe de alta parte in impiedicarea zgurificarii cenusii pe suprafa-ta schimbatoarelor de caldura. Paiele de cereale si iarba au un continut ridicat de K, Cl si sulfati si re-dus de Ca. Arderea cojilor de migdale este insotita de murdarirea si corodarea puternica a suprafetelor de schimb de caldura. Desi acestea au un continut ri-dicat de metale alcaline, continutul lor in clor si sulf este redus fata de alti combustibili. Potasiul si sodiul combinate cu clorul si sulful au un rol determinant in mecanismul de corodare. Aceste elemente se evapo-ra in timpul arderii formand cloruri ce se condensea-za pe tevile schimbatoarelor de caldura si reactionea-za formand sulfati si eliberand clorul.

Clorul are o functie catalitica asupra reactiei de oxi-dare a tevilor schimbatoarelor de caldura, in special la temperatura redusa (100-150°C). Combustibilii ce pre-zinta un raport molar S:Cl mai mic de 2 provoaca coro-ziunea deoarece in acest caz se formeaza clorurile me-talelor alcaline. Volatilizarea urmata de condensarea metalelor volatile duce la formarea de cenusa zbura-toare de dimensiuni mai mici de 1μm (aerosoli) ce este greu de retinut in instalatiile de filtrare. Depunerea de cenusa pe suprafetele de schimb de caldura la arde-rea biomasei poate avea loc intr-o masura mai mare sau mai mica decat la arderea carbunelui. La arderea amestecului de biomasa si carbune, depunerea de ce-nusa are loc intr-o masura mai mica decat la arderea numai a unuia dintre combustibili. Aderenta si durita-tea depunerilor la arderea biomasei sunt mai ridicate decat cele de la arderea carbunelui.

Instalatiile de ardere in strat fluidizat circulant sunt potrivite pentru rearderea cenusii, pentru ca ele sunt flexibile la schimbarea combustibilului si produc cenu-sa fara combustibil nears. Continutul ridicat de carbon nears in cenusa reduce stabilitatea chimica a cenusii si mareste foarte mult volumul cenusii, ceea ce face sa creasca costul de manipulare, transportare si de-pozitare a cenusii. Pentru a diminua aceste efecte, ce-nusa trebuie recirculata in vederea rearderii sau tre-buie imbunatatit procesul de ardere. Rearderea cenu-sii duce la reducerea emisiei de NOx cu 20%, dar si la cresterea emisiei de CO la circa 100-140ppm. Cantita-tea de cenusa recirculata trebuie sa fie redusa pentru a evita cresterea tendintei de coroziune in cazan. Be-neficiile economice ale instalatiilor de ardere in start fluidizat circulant se rezuma la costul redus al combus-tibilului si manipularii cenusii. Cenusa rezultata poate fi reciclata si folosita drept nutrient pentru terenurile impadurite. Cenusa zburatoare de la arderea biomasei in strat fix are un continut ridicat de carbon nears si de aceea nu este potrivita reciclarii directe. Instalatiile de ardere in strat fix produc o cenusa zburatoare cu pes-te 50% carbon nears.

Coroziunea preincalzitorului de aer este provo-cata de prezenta speciilor higroscopice in depu-neri (in particular cloruri ale fierului) ce sunt supu-se unor variatii largi de temperatura determinate de functionarea intermitenta a instalatiei. S-a obser-

22Nr. 7(38)/2006


vat ca metalele alcaline in general si potasiul cu so-diul in particular au reactivitate mai mare in cenusa combustibililor obtinuti din biomasa decat in cenu-sa carbunilor. In comparatie cu depunerile genera-te in timpul arderii carbunelui, depunerile rezultate la arderea biocombustibililor sunt mai dense si mai greu de inlaturat. Coroziunea de inalta temperatu-ra a suprafetelor de schimb de caldura se datorea-za prezentei clorului in cenusa depusa. Continutul in clor al cenusii scade brusc cu cresterea continu-tului in sulf si de aceea la arderea simultana (co-ar-derea) biomasei cu continut ridicat de Cl si redus de S cu carbune ce contine S rezulta depuneri cu con-tinut redus de Cl, ceea ce faciliteaza controlul N2O. In concluzie se poate spune ca fenomenul de coro-dare depinde de continutul de Cl, de metale alcali-ne si S in combustibil.

In tabelul 16 sunt prezentate schematizat proble-mele pe care le ridica prezenta unor elemente in bi-ocombustibilii solizi, precum si posibilitatile tehnolo-gice de remediere a acestora.

3.1.3. Tehnologii de arderePrincipalele tipuri de instalatii de ardere a bioma-

sei sunt urmatoarele:

Focarele cu gratar, care in general au o pute-re de 20 MWt sunt folosite pentru arderea bio-masei cu continut mai mare de umiditate si ce-nusa si de dimensiuni variabile, dar nu prea mici. Pot fi arse amestecuri de biocombustibili pe baza de lemn dar nu si amestecuri ale acestora cu pa-iele datorita diferentei dintre caracteristicile de ardere, umiditate si temperatura de topire a ce-nusii. Arderea se realizeaza in trepte (fig. 7). Tur-bulenta in camera primara, de ardere a mangalu-lui, trebuie sa fie mica pentru a asigura un strat cu material incandescent stabil. Turbulenta in ca-mera secundara de ardere trebuie sa fie ridicata pentru a asigura o amestecare corespunzatoare intre gazele combustibile si aerul secundar. Func-tioneaza bine si la sarcini reduse de pana la 25% prin controlarea aerului primar. Gratarul poate fi racit cu apa.

In fig. 8 este prezentata o instalatie de uz casnic de incalzire ce foloseste arderea inversa a lemnelor de foc. Arderea inversa, adica curgerea gazelor de ardere de sus in jos prin stratul de ardere si cu ali-mentarea aerului atat deasupra gratarului cat si sub acesta este tot mai folosita in instalatiile casnice da-torita avantajelor pe care le prezinta:

reducerea emisiilor de compusi organici vo-latili;

»

procesul de ardere este continuu si stationar, spre deo-sebire de arderea obisnuita, care este nestationara, ci-clica determinata de alimentarea cu combustibil;oprirea alimentarii cu aer face ca arderea sa in-ceteze spre deosebire de arderea obisnuita, unde dupa intreruperea alimentarii cu aer se continua degajarea volatilelor cu evacuarea lor din came-ra de ardere;exploatarea si controlul sunt mai facile.

»

»

»

Fig. 7. Schema arderii in trepte.

23 Nr. 7(38)/2006


Focarele cu alimentare inferioara, ce reprezinta o tehnologie ieftina si sigura pentru instalatii pana la 6MWt sunt destinate arderii combustibililor cu conti-nut redus de cenusa si de dimensiuni mici ca: pelete, rumegus si talas. Alimentarea cu combustibil se face pe la partea inferioara a camerei de ardere cu ajuto-rul unui transportor elicoidal.

Instalatiile de ardere in strat fluidizat sunt folosi-te inca din 1960 pentru arderea deseurilor solide mu-nicipale si industriale. Camerele de ardere sunt verti-cale de forma cilindrica cu pereti refractari sau ecra-nati. Aceste instalatii folosite pentru biocombustibili pot depasi puteri de 30MWt. Biomasa este arsa intr-o suspensie formata din gaz si materialul inert gra-nular al stratului (nisip, alumina, olivina si dolomita) in care aerul de ardere este insuflat pe la partea in-ferioara. Sistemele cu strat fluidizat sunt flexibile in ceea ce priveste combustibilii. Arderea in strat flui-dizat este tot mai folosita deoarece materialul inert din stratul fluid, care reprezinta 90-98% din ames-tecul material inert-combustibil actioneaza ca un re-gulator termic ce compenseaza variatiile continutu-lui de umiditate si mentine constant fluxul de caldu-ra produsa si calitatea gazelor. De asemeni, mediul ofera avantajul unei bune amestecari si al unui trans-fer termic intens, ceea ce confera conditii uniforme de ardere cu un coeficient de exces de aer mic (1,1-1,2 pentru stratul recirculant si 1,2-1,4 pentru stratul stationar). In ciuda arderii la temperatura relativ re-dusa, regula “trei T” (temperatura, timp de rezidenta si turbulenta) pentru o ardere de inalta calitate este bine respectata, eficienta arderii fiind de 99-100%. Temperatura trebuie mentinuta sub 800C pentru a se evita sinterizarea in strat. Controlul temperaturii se face prin recircularea gazelor de ardere sau prin injectie de apa.

Co-arderea biomasei cu carbunele in cazanele proiectate pentru carbune este tot mai utilizata pen-tru ca se folosesc investitiile si infrastructura asoci-ate centralelor termoelectrice cu combustibili fosili si in acelasi timp se reduc emisiile de poluanti (SOx, NOx etc.) si de gaze cu efect de sera (CO2, CH4, N2O). Instalatiile existente de ardere a carbunelui pot folo-si pe langa carbune pana la 10% biomasa fara nici o modificare. Co-arderea poate fi directa atunci cand se realizeaza arderea biomasei impreuna cu carbu-nele intr-o camera de ardere si indirecta atunci cand

arderea biomasei se realizeaza intr-un focar separat iar gazele de ardere rezultate sunt trimise in caza-nul de abur pe carbune, sau cand biomasa este ga-zificata separat, iar gazele combustibile alimenteaza camera de ardere a carbunelui. Eficienta arderii bio-masei in cazul co-arderii este de 34% ca si la arde-rea carbunelui. Utilizarea biomasei in ciclurile combi-nate cu instalatie de gazificare se face cu o eficien-ta de 35-45%.

Tratarea gazelor de ardere a biomasei este simi-lara gazelor de ardere a carbunilor. Emisiile de NOx sunt controlate prin tehnici de ardere. Pentru elimina-rea SOx nu sunt necesare masuri secundare, deoare-ce prin arderea biocombustibililor nu se produce asa mult SOx ca la arderea carbunelui. Deoarece emisii-le de cenusa si funingine pot duce la formarea aero-solilor sunt necesare masuri suplimentare de curati-re a gazelor de ardere.

3.2. Gazificarea biomaseiProcesele de gazificare pot fi privite ca si conver-

sia prin ardere, dar la care participa mai putin oxigen decat la ardere. In functie de raportul dintre cantita-tea de oxigen ce intra in reactie si cea necesara arderii complete, denumit raport echivalent, se poate calcula compozitia gazului produs (fig. 9). Pentru un raport sub 0,1, procesul se numeste piroliza si numai o mica par-te din energia chimica a biomasei se regaseste in ga-zul produs, restul regasindu-se in carbonul si biouleiul produs. Daca raportul este cuprins intre 0,2 si 0,4, pro-cesul se numeste gazificare. Aici are loc transferul ma-xim de energie de la biomasa la gazul produs.

Gazificarea termochimica este procesul de conver-sie prin oxidare partiala la temperatura ridicata a ma-teriei ce contine carbon, ca biomasa sau carbunele, cu formarea unui gaz denumit gaz de gazogen, “gaz cu putere calorica medie” (MHV gas) sau “gaz de calita-te medie”. Acest gaz contine CO, CO2, H2, CH4 si can-titati mici de hidrocarburi mai grele ca etanul si ete-na, apa, azot (daca se foloseste aerul ca agent de oxi-dare) si diferiti contaminanti precum particule mici de cocs, cenusa, gudroane si uleiuri. Oxidarea partiala poate fi realizata utilizand aer, oxigen, abur sau ames-tecuri ale acestora. Gazificarea cu aer produce un gaz cu putere calorica redusa (4000-7000 kJ/m3N, putere calorica superioara), care este potrivit pentru utiliza-rea la cazane, motoare si turbine, dar nu este potrivit

transportarii prin conducte datorita densitatii energe-tice scazute. Gazificarea cu oxigen produce un gaz cu putere calorica mai mare (10000-18000kJ/m3N, pute-re calorica superioara), care este potrivit pentru o dis-tributie limitata cu ajutorul conductelor si pentru utili-zarea ca gaz de sinteza (amestecul format din CO, H2 si urme de CO2 obtinut prin curatirea gazului de gazogen). Acest gaz mai poate fi produs si prin gazificare piroli-tica sau cu abur, caldura necesara procesului fiind asi-gurata prin arderea produsului auxiliar-carbonul intr-un reactor secundar.

Gazificarea se poate aplica biomasei cu continut de umiditate mai mic de 35%.

Gazul de sinteza poate fi convertit in alti combusti-bili mai valorosi, chimicale sau materiale. Procesul Fis-cher-Tropsch converteste gazul de sinteza in combus-tibili lichizi pentru transport. O varietate de procese ca-talitice pot transforma gazul de sinteza intr-o mare nu-mar de chimicale sau alti combustibili si produse.

Gazificarea cu aer este tehnologia cea mai utiliza-ta deoarece sunt evitate costurile si pericolele asoci-ate producerii si utilizarii oxigenului aferente gazifi-carii cu oxigen, precum si complexitatea si costul re-actoarelor multiple de la gazificarea pirolitica sau cu abur, unde sunt necesare doua reactoare.

Gazul de sinteza poate fi transformat la presiune ridicata folosind catalizatori (pentru pastrarea rapor-tului stoechiometric optim dintre reactanti) in biome-tanol (CH3OH). Eficienta conversiei gazului de sinteza in biometanol este de circa 85%, iar cea a intregului proces incluzand conversia biomasei prin gazificare este de 40-45%. Biometanolul are aceeasi cifra octa-nica ca si bioetanolul, dar puterea calorica este mai mica (18.000 kJ/kg). Totusi eficienta motorului func-tionand cu biometanol este mai mare cu 20% fata de cel ce functioneaza cu benzina. Biometanolul poate fi folosit in amestec cu benzina in motoarele Otto nor-male sau in motoare Otto si Diesel modificate, cum ar fi motoarele cu aprindere prin scanteie functio-nand cu biometanol vaporizat, vaporizarea realizan-du-se cu caldura preluata de la agentul de racire a motorului. Biometanolul este mai toxic si mai agresiv pentru materialul motorului fata de bioetanol.

3.3. Piroliza biomaseiPiroliza reprezinta descompunerea termica ce are

loc in absenta oxigenului. Este primul pas in procesele

Fig. 8. Instalatie casnica de ardere cu gratar fix.Fig. 9. Compozitia calculata a gazului rezultat din reactia la echilibru dintre biomasa si aer.

24Nr. 7(38)/2006


de ardere si gazificare. Este cunoscuta de sute de ani ca tehnologia de producere a mangalului si a unor chi-micale. Au fost propuse mai multe cai si mecanisme. In fig. 8 este prezentat un model de piroliza a celulozei cu caile si posibilitatile de maximizare a produselor.

Produsele obtinute prin diferite procedee de piroli-za a biomasei sunt date in tabelul 7. Se poate observa cum temperatura si timpul de rezidenta influenteaza productia de mangal, produse lichide sau gazoase.

Cea mai folosita metoda este piroliza rapida. Aceas-ta consta in incalzirea rapida a biomasei la temperatu-ra bine controlata de circa 500°C urmata de racirea foarte rapida (<2sec) a volatilelor formate in reactor. Ofera avantajul unic al producerii unui lichid ce poate fi acumulat si transportat. Aceasta metoda desi este in dezvoltare cunoaste deja mai multe configuratii.

Cele mai folosite tipuri de reactoare sunt cu strat fluidizat stationar sau cu curgere globulara, strat flu-idizat circulant, con rotativ, strat miscator sub vacu-um si tip Auger.

Biouleiul produs prin piroliza este miscibil cu apa si este format din mai multe substante chimice or-ganice oxigenate. Principalele caracteristici ale bio-uleiului sunt:

culoare brun inchisputere calorica 17 000kJ/kgaciditate pHpH2,5densitate 1200kg/m3

miros puternic miscibilitate nemiscibil cu hidrocarburileviscozitate creste in timpvolatilitate scade in timpDatorita complexitatii si naturii biouleiului acesta are

unele proprietati mai putin comune (depunerile, creste-rea viscozitatii, scaderea volatilitatii si separarea faze-lor in timp). De aici rezulta necesitatea imbunatatirii ca-litatii biouleiului. Aceasta poate fi facuta prin metode fi-zice: retinerea mangalului prin filtrare, emulsionarea cu hidrocarburi, aditie de solvent si metode chimice: reac-tie cu alcooli si dezoxigenare catalitica.

Costul biouleiului poate fi calculat cu relatia [22]:

»»»»»»»»

Tabelul 7. Produsele pirolizei biomasei.

Procesul

Produsul% din biomasa uscata

Lichid Mangal Gaz

Piroliza rapidatemperatura moderatatimp de rezidenta mic

75 12 13

Carbonizareatemperatura redusatimp de rezidenta mare

30 35 35

Gazificareatemperatura inaltatimp de rezidenta mare

5 10 85

unde: CBU – costul biouleiului, lei/GJ;Cl – costul lemnului folosit pentru piroliza, lei/(tona

de lemn uscat);M – cantitatea de lemn uscat folosita pentru pro-

ducerea de bioulei, t/h.Biouleiul nu este mult utilizat din urmatoarele motive:costul este mai mare cu 10-100% decat al com-bustibililor fosili;disponibilitatea este limitata;

lipsa standardelor si calitatea schimbatoare inhi-ba utilizarea larga;nu este compatibil cu combustibilii conventionali;utilizatorii nu sunt familiarizati cu biouleiul;necesita manipulare speciala.Desi cele mai multe procese de piroliza sunt pro-

iectate pentru producerea biocombustibililor, hidro-genul poate fi produs in mod direct prin piroliza rapi-da, daca temperatura este ridicata si timpul de rezi-denta a fazei volatile este suficient.

Uleiul produs prin piroliza poate fi separat in doua frac-tiuni in functie de solubilitatea in apa. Fractia solubila in apa poate fi folosita pentru producerea de hidrogen.

3.4. Procese biochimice de conversie a biomaseiPrincipalele procese biochimice de conversie a bio-

masei sunt fermentatia si digestia anaeroba.Fermentatia este folosita pe scara larga in diferite

tari pentru producerea de bioetanol (C2H3OH) din tres-tie de zahar, sfecla de zahar, grau sau porumb. Fermen-tatia cuprinde urmatoarele etape: biomasa este zdrobi-ta si amidonul convertit in zaharuri de catre enzime, apoi zaharurile sunt convertite in bioetanol de catre drojdie (un organism ce secreta enzime catalitice) si in final se-pararea si purificarea bioetanolului prin distilare. Din-tr-o tona de boabe de porumb uscat se obtin circa 450 l de bioetanol. Reziduul solid al procesului de fermenta-tie poate fi folosit ca hrana pentru animale, iar in cazul trestiei de zahar, reziduul poate fi folosit drept combus-tibil in cazane, materie prima pentru gazificare sau pen-tru producerea placilor fibroase.

Conversia prin fermentatie a biomasei ligno-celulo-zice cum ar fi lemnul si plantele erbacee este un pro-ces mai complex datorita prezentei polizaharidelor cu molecula mare si necesita hidroliza acida sau enzima-tica inainte ca glucidele rezultate sa treaca in bioeta-nol prin fermentatie.

Motoarele cu aprindere prin scanteie normale pot functiona cu benzina amestecata cu bioetanol in pro-portie de 15%. Pentru utilizarea bioetanolului pur este necesara modificarea acestora. Motoarele modificate pot functiona cu amestec ce pot atinge 85% bioetanol,

»

»

»

»»»

amestec cunoscut ca E85. Costurile suplimentare ne-cesare construirii unui astfel de motor flexibil la com-bustibil reprezinta 150€. Folosirea de catre autovehi-cule a bioetanolului duce la reducerea emisiilor polu-ante. Folosirea amestecului format din 85% bioetanol si 15% benzina reduce emisia de gaze cu efect de sera cu 60-80% comparativ cu folosirea numai a benzinei. Amestecul de 10% bioetanol si 90% benzina duce la reducerea emisiei cu pana la 8%. Reducerea emisiilor depinde de materia prima din care a fost realizat bioe-tanolul. Amestecul cu 10% bioetanol produs din zahar face sa se reduca emisiile cu numai 4%.

Bio-ETBE (etil-terto-butil-ester) este un combustibil ce se obtine din bioetanol, are cifra octanica de 112 si poate fi amestecat cu benzina in proportie de pana la 17%. Bio-MTBE (metil-terto-butil-ester) este un com-bustibil ce se obtine din biometanol si are proprietati asemanatoare cu bio-ETBE.

Fermentatia materiei bogate in carbohidrati cu aju-torul bacteriilor anaerobe sau a algelor verzi la 30-80°C poate produce hidrogen, in special in lipsa luminii. Prin procesul ce foloseste fermentatia la intuneric se produce H2 si CO2 combinat cu alte gaze ca CH4 sau H2S, in functie de biomasa folosita si de reactiile din proces.

Digestia anaeroba este un proces ce are loc in absen-ta oxigenului, prin care o populatie mixta de bacterii cata-lizeaza scindarea polimerilor din materia organica cu for-marea unui gaz, numit biogaz, continand in principal me-tan si dioxid de carbon si mici cantitati de amoniac, hidro-gen sulfurat si mercaptani ce sunt corozivi, otravitori si au miros pronuntat. Procesul are loc in mai multe etape (fig. 9). Mai intai are loc descompunerea intr-un mediu nu ne-aparat anaerob a materialului biomasic complex de catre o populatie eterogena de microorganisme. Aceasta des-compunere cuprinde hidroliza materialului celulozic la glu-cide simple (utilizand enzimele produse de catre microor-ganisme drept catalizator), a proteinelor la aminoacizi, a li-pidelor la acizi grasi, a amidonului si ligninei la compusi aromatici. Rezultatul primei etape este o biomasa solubila in apa, cu o forma chimica mai simpla, potrivita pentru eta-pa urmatoare. In a doua etapa are loc inlaturarea atomilor de hidrogen ai materialului biomasic (conversia glucidelor in acid acetic), inlaturarea gruparii carboxil a aminoacizi-lor si scindarea acizilor grasi cu masa moleculara mare in acizi grasi cu masa moleculara mica, obtinandu-se din nou ca produs final acidul acetic. Aceste reactii sunt reactii de fermentatie realizate de catre bacteriile acidofile. Pentru desfasurarea optima este necesar un pH=6-7, dar pentru ca acizii deja formati reduc pH-ul solutiei este necesara corectarea pH-ului prin adaugare de CaO. In a treia etapa are loc formarea biogazului (amestec de metan si dioxid de carbon) din acid acetic, printr-un set de reactii de fermen-tare realizate de catre bacteriile metanogene. Aceste bac-terii necesita un mediu strict anaerob. Toate procesele pot avea loc intr-un singur container, dar separarea lor pe eta-pe face sa creasca eficienta. Primele doua etape pot dura cateva ore sau zile, iar ultima etapa cateva saptamani, in functie de natura materiei prime.

Tabelul 8. Raportul carbon-azot pentru diferite materiale.

Materialul Raportul C:N Materialul Raportul C:N

Namol de la ape uzate 13:1Reziduuri de trestie de zahar (dupa extragerea sucului) 150:1

Balegar de vaci 25:1 Plante marine 80:1Urina de la vaci 0,8:1 Fan de lucerna 18:1Fecale de porci 20:1 Iarba 12:1Urina de la porci 6:1 Tulpini de cartofi 25:1Deseuri de la fermele de gaini 25:1 Sucul de la silozuri 11:1Resturi menajere 6-10:1 Deseuri de la abatoare 3-4:1Rumegus 200-500:1 Trifoi 2,7:1Paie 60-200:1 Lucerna 2:1

26Nr. 7(38)/2006


Pentru ca digestia sa aiba loc trebuie indeplinite anumite conditii. Activitatea bacteriilor este inhibata de prezenta sarurilor ale metalelor, penicilinei, sulfu-rilor solubile, sau a amoniacului in concentratie mare. Raportul numarului atomilor de carbon din materialul ce urmeaza a fi transformat si de azot trebuie sa fie sub 15. Prea mult azot duce la otravirea bacteriilor cu amoniac, iar prea putin azot duce la dezvoltarea insu-ficienta a culturii de bacterii si la productia scazuta de biogaz. Pentru fiecare tip de biomasa corespunde un anumit raport C:N (tabelul 8). Amestecarea bioma-sei poate fi uneori dezavantajoasa din punct de vede-re al productiei de biogaz. Paiele si rumegusul ar tre-bui amestecate cu materiale ce au un raport C:N re-dus, cum ar fi urina provenita de la fermele de anima-le sau lucerna/trifoiul.

Digestia materialului celulozic necesita o durata de timp mai mare. La inceput sunt necesare cateva luni pana cand se atinge compozitia optima a bacteriilor. Desi viteza de reactie este redusa, recuperarea de energie este similara digestiei balegarului.

Reziduurile digestiei anaerobe sunt foarte buni fertili-zatori. Substantele organice insolubile sunt facute solubi-le, iar azotul este fixat de catre microorganisme.

Prin digestia anaeroba a deseurilor lichide proveni-te de la fermele de animale, populatiile patogene din acestea sunt reduse. Din aceste motive, digestia ana-eroba este aplicata larg in procesul de curatare a na-molului rezultat la tratarea apelor uzate, fie direct na-molului, fie dupa cresterea algelor pe namol pentru a creste potentialul de fermentare.

Biogazul are un continut energetic de circa 22.000 kJ/m3N, deci este un gaz de calitate medie.

Pentru producerea biogazului prin digestie anaero-ba se poate folosi namolul provenit de la tratarea ape-lor uzate, iarba si orice cultura agricola, balegar si de-seuri agricole si alimentare, inclusiv cele de la abatoa-re, restaurante, magazine alimentare si deseurile din in-dustria farmaceutica. Biogazul mai poate fi extras de la rampele de gunoi, unde acesta se formeaza spontan si daca nu este colectat poate provoca probleme de mediu pentru ca este un gaz cu puternic efect de sera.

In mod uzual, biogazul este folosit aproape de locul in care este produs. Principalele utilizari sunt producerea de caldura, electricitate si combinat caldura si electrici-tate. Principalul avantaj al biogazului fata de ceilalti bio-combustibili este ca poate fi ars direct in orice instalatie de ardere a combustibililor gazosi. El poate fi de asemeni injectat in conductele retelei de alimentare cu gaz natu-ral. In plus, biogazul poate fi folosit la autovehicule adap-tate sa functioneze si cu gaz. Stocarea biogazului se poa-te face in recipienti realizati din materiale zeolitice. Bene-ficiile de mediu rezultate prin inlocuirea benzinei si a mo-torinei cu biogaz sunt considerabile. Pentru a fi injectat in conductele de gaz natural sau folosit la autovehicule este necesara inlaturarea dioxidului de carbon din biogaz. Prin spalare cu jet de apa se elimina CO2 pana la 90%. Aceas-ta permite obtinerea biometanului sub presiune din bio-gaz ce poate fi folosit la autovehicule.

Prin digestie anaeroba poate fi produs si hidroge-nul. Se obtin 0,6 pana la 3,3 molecule de hidrogen din-tr-o molecula de glucide, in functie de bacteria utiliza-ta. Bacteriile termofilice, ce opereaza la temperaturi de pana la 70°C, dau o productie mai mare de hidrogen de-cat cele care opereaza la temperatura mediului ambi-ant. Productia poate fi marita daca se folosesc bacterii fototropice (isi realizeaza nutritia cu ajutorul luminii so-lare) ce convertesc acidul acetic in hidrogen.

Digestia aeroba sau compostarea este procesul prin care se obtine direct caldura din balegar si mai rar din reziduuri ale biomasei. Doua forme ale com-postarii sunt folosite, una foloseste balegar fluid (mai

putin de 10% materie uscata) si cealalta foloseste ba-legar solid (50-80% materie uscata). In ambele cazuri are loc descompunerea produsa de bacterii in conditii aerobe. Bacteriile necesare procesului sunt acidofile (producatoare de acid lactic) si se gasesc in mod nor-mal in balegar, cu conditia ca reziduurile antibiotice ce ucid bacteriile au fost retinute dupa unele tratamen-te veterinare. Procesele implicate in compostare sunt foarte complicate, dar se stie ca descompunerea car-bohidratilor are loc cu producere de caldura. O insta-latie de compostare a balegarului fluid consta dintr-un container cu insuflare uniform distribuita de aer proas-pat peste balegar si un canal de iesire a aerului incal-zit spre un schimbator de caldura. Un exemplu de va-riatie a temperaturii balegarului lichid cu temperatu-ra exterioara este prezentat in fig. 10. Energia necesa-ra vehicularii aerului (sub forma electricitate) reprezin-ta circa 50% din caldura obtinuta. Producerea de cal-dura in cazul balegarului solid este similara primului caz. Temperatura in mijlocul gramezii de balegar solid poate fi mai mare datorita capacitatii calorice mai mici a balegarului solid. Aerul poate fi ventilat de ventila-toare asezate sub gramada si pentru mentinerea cana-lelor de trecere prin gramada si eliminarea umiditatii este necesara rearanjarea periodica a gramezii. Extra-gerea caldurii este mai dificila, iar energia necesara vehicularii aerului este mai mare decat in cazul bale-garului lichid. Daca aerul insuflat este insuficient poa-te avea loc stoparea procesului de compostare inainte sa se extraga maximum de caldura.

Extractia mecanica este un proces de conversie fo-losit pentru producerea de ulei din semintele diverse-lor plante, cum ar fi rapita, bumbacul, alunele de pa-dure. In urma extractiei se obtine nu numai ulei dar si un reziduu solid, care este utilizat ca hrana pentru ani-male. Pentru producerea unei tone de ulei sunt nece-sare trei tone de seminte de rapita. Uleiul vegetal a fost folosit drept combustibil in motoarele Diesel inca din 1900, cand Rudolf Diesel a demonstrat functiona-rea unui motor Diesel cu ulei de arahide.

Pentru a putea fi folosit in motoarele Diesel conventi-onale, uleiul vegetal mai trebuie procesat in primul rand pentru a-i reduce viscozitatea. Cel mai utilizat proces este transesterificarea (producerea esterului) uleiurilor vege-tale utilizand alcool in prezenta unui catalizator. Pe langa uleiurile vegetale mai pot fi folosite si grasimile animale. Pentru fiecare 100 unitati de biodiesel produse prin acest procedeu se mai obtin 11 unitati de glicerina ca produs auxiliar. Glicerina se foloseste la producerea unor produ-se precum sunt cremele de maini, pasta de dinti si lubri-fiantii. Biodieselul mai poate fi obtinut si prin presarea la rece a semintelor de rapita, dar acesta are utilizari limita-te si nici glicerina nu mai este produsa ca produs auxiliar. Biodieselul poate fi folosit in stare pura sau in amestec cu motorina in motoarele Diesel normale.

Utilizarea biodieselului are mai multe avantaje ce pot fi grupate in strategice (cresterea independentei energetice a tarilor importatoare de petrol prin reduce-rea importului), economice (cresterea interesului pen-tru produsele agricole) si de mediu (biodieselul este biodegradabil, calitatea aerului se imbunatateste prin reducerea emisiilor de oxizi de sulf, dioxid de carbon, hidrocarburi si particule solide). Principalul dezavan-taj al biodieselului, in prezent este costul de produc-tie mai mare decat al motorinei.

4. Legislatia europeanaPe langa reglementarile individuale ale statelor

membre UE referitor la combustibili si deseuri, exista cateva directive europene ce acopera si biomasa, proce-sele de conversie si produsele ei. Acestea sunt:

Directiva 1999/31/EC (depozitarea deseurilor);»

Directiva 2000/76/EC (incinerarea deseurilor);Directiva 2001/77/EC (promovarea producerii elec-tricitatii din sursele regenerabile de energie);Directiva 2001/80/EC (limitarea emisiilor pentru cativa poluanti ai aerului de la instalatiile mari de ardere);Directiva 2003/87/EC (stabilirea unei scheme pen-tru comercializarea permiselor de emisii de gaze cu efect de sera);Directiva 2003/30/EC (promovarea biocombustibili-lor sau a altor combustibili reinoibili pentru transport). Aceasta este instrumentul EU de promovarea a com-bustibililor cu zero emisii de gaze cu efect de sera (car-bon-neutral). Aceasta directiva prevede ca pana in 2010 o cota de 5,75% din totalul de combustibili din transporturi utilizati in UE sa fie reprezentata de bio-combustibili. Fiecare stat membru UE are obligatia de a raporta anual Comisiei Europene masurile luate pen-tru promovarea biocombustibililor si cota de biocom-bustibili pusi pe piata in anul anterior. Directiva 2003/96/EC (restructurarea cadrului comu-nitar cu privire la impozitarea electricitatii). Aceasta stabileste nivelul minim al accizelor pentru combus-tibilul auto folosit in scop industrial sau comercial, pentru combustibilul pentru incalzire si pentru elec-tricitate. Ea exprima faptul ca atata timp cat legile Comunitatii Europene nu stabilesc obiective obliga-torii, statele membre pot excepta biocombustibilii de taxe sau pot aplica o taxa redusa. Legislatia ofera o baza solida pentru atingerea

obiectivelor ambitioase ale UE. In 2004, productia combinata de biocombustibili in cele 25 de state ale UE a fost de 2,4 milioane tone pe an (80 1015 J/an). Prin atingerea obiectivelor de mai sus, contributia bi-ocombustibililor va creste cu inca 17 milioane tone pe an (796 1015 J/an) pana in 2010.

StandardeFara standarde nu vor exista reguli care sa guverne-

ze compozitia si calitatea biocombustibililor si prin ur-mare nu va exista piata. Existenta standardelor simpli-fica comunicarea intre ofertantii si cumparatorii de bio-combustibili, permite ca echipamentele si combustibi-lii sa fie proiectati fiecare pentru celalalt, asigura ca bi-ocombustibilul oferit sa intruneasca cerintele tehnice, furnizeaza utilizatorilor unelte de determinare a valorii economice a biocombustibilior oferiti.

De dezvoltarea standardelor europene pentru bio-combustibili se ocupa Organizatia Europeana pentru Standarde (CEN) sub mandatul Comisiei Europene.

Standardele europene pentru utilizarea biodieselu-lui drept combustibil auto si combustibil pentru incalzi-re au intrat in vigoare din 2003. Sunt in curs de elabo-rare standarde pentru utilizarea bioetanolului in ames-tec cu benzina si pentru biocombustibilii solizi.

ConcluziiA fost descris potentialul existent de folosire a bi-

omasei ca sursa de energie in UE. Exista diferite tipuri de biomasa ce poate fi convertita printr-o diversitate de procese in produse utile. Multe dintre aceste procese sunt deja bine dezvoltate, iar altele sunt in dezvoltare. Exista o dorinta a UE si a statelor membre de a permite largirea productiei si utilizarea energiei produse din bio-masa in viitor. In 1997, UE a stabilit obiectivul de a pro-duce 12% din necesarul de energie pe baza resurselor regenerabile, mai ales pe seama biomasei. Intre timp au fost facuti pasi pentru a sprijini realizarea acestui obiec-tiv. A fost desfasurata o cercetare de succes pentru dez-voltarea si imbunatatirea proceselor, reducerea costuri-lor si sprijinirea dezvoltarii standardelor. Au fost luate un numar mare de masuri legislative. Cu toate acestea,

»»

»

»

»

»

28Nr. 7(38)/2006


analizele recente au aratat ca dezvoltarea este inca len-ta pentru realizarea obiectivului de 12% pana in 2010. Obiectivul UE de a produce 12% din necesarul de ener-gie din energia regenerabila a fost introdus prima data de Comisia Europeana in Cartea Alba “Energy for the future: renewable sources of energy”, COM(97)599, pu-blicata in 1997. In comunicatul Comisiei Europene ca-tre Consiliul si Parlamentul European “The share of Re-newable Energy in the EU”, publicat in mai 2003 sunt analizate realizarile din sectoarele individuale. Se recu-noaste ca utilizarea efectiva a bioenergiei in viitor va depinde de interactiunile potrivite dintre toate politicile asociate, cum ar fi cele pentru energie, agricultura, de-seuri, dezvoltare rurala, mediu, taxe fiscale si piata. Ac-tiunile viitoare de incurajare a utilizarii tot mai largi a bi-oenergiei vor cuprinde toate aceste domenii.

Biomasa va constitui principala sursa de energie re-generabila a UE. Comisia Europeana a stabilit in 2005 Planul de Actiune pentru Biomasa, pentru a asigura promovarea bioenergiei prin actiuni la nivel european, national si regional. Planul va co-ordona si optimiza mecanismele financiare ale Comunitatii Europene, va redirectiona eforturile si va elimina obstacolele in uti-lizarea biomasei in scopuri energetice.

Bibliografie[1]. EUROPEAN COMMISSION - EUR 21350 – BIO-

MASS - Green energy for Europe, Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 2005, http://publications.eu.int.

[2]. Demirbas A., Recent advances in biomass con-version technologies, Energy Edu Sci Technol 2000;6:19–41.

[3]. Demirbas A., Sustainable cofiring of biomass with coal, Energy Conversion and Management 2003;44:1465–79.

[4]. Demirbas A., Combustion characteristics of diffe-rent biomass fuels, Progress in Energy and Com-bustion Science 30 (2004) 219–230.

[5]. Demirbas A., Potential applications of renewable energy sources, biomass combustion problems in boiler power systems and combustion related en-vironmental issues, Progress in Energy and Com-bustion Science 31 (2005) 171–192.

[6]. Tillman DA., Biomass Cofiring: the technology, the experience, the combustion consequences, Biomass Bioenergy 2000; 19:365–84.

[7]. Van Loo S. and J. Koppejan, Handbook of Bio-mass Combustion and Co-firing, Twente Univer-sity Press, 2002.

[8]. Chum H.L., Overend R.P., Biomass and renewable fu-els, Fuel Processing Technology 71, 2001, 187–195.

[9]. McKendry P., Energy production from biomass (part 1): overview of biomass, Bioresource Tech-nology 83, 2001, 37–46.

[10]. McKendry P., Energy production from biomass (part 2): conversion technology, Bioresource Te-chnology 83, 2002, 47–54.

[11]. McKendry P., Energy production from biomass (part 3): gasification technology, Bioresource Te-chnology 83, 2002, 55–63.

[12]. Bent Sørensen, Renewable Energy. Its physics, engineering, use, environmental impacts, eco-nomy and planning aspects, Third Edition, Else-vier Science, 2004.

[13]. Meng Ni, Dennis Y.C. Leung , Michael K.H. Le-ung, K. Sumathy, An overview of hydrogen pro-duction from biomass, Fuel Processing Technolo-gy 87 (2006), pp. 461 – 472.

Ion V. Ion, Catedra de Termotehnica si Masini Termice, Universitatea „Dunarea de Jos” din Galati

Ion Dana-Ioana, Grupul scolar „Elena Doamna” din Galati

30Nr. 7(38)/2006


Energie Din Biomasa

Documents

Transcript of Energie Din Biomasa