Teza Final Biodiesel
-
Upload
pernes-arin -
Category
Documents
-
view
81 -
download
5
description
Transcript of Teza Final Biodiesel
-
UNIVERSITATEA "POLITEHNICA" TIMIOARA FACULTATEA DE MECANIC CATEDRA DE TERMOTEHNIC, MAINI TERMICE I AUTOVEHICULE RUTIERE
TEZ DE DOCTORAT:
STUDII I CERCETRI PRIVIND PREGTIREA TERMIC
A COMBUSTIBILULUI LICHID NECONVENIONAL PENTRU
FOLOSIREA LA MOTOARELE CU APRINDERE PRIN
COMPRIMARE CU INJECIE DIRECT
DOCTORAND:
Ing. Mihaela Elena BUCULEI
CONDUCTOR TIINIFIC:
Prof. Dr. Ing. Mihai NAGI
2012
-
Cuvnt nainte
Lucrarea
STUDII I CERCETRI PRIVIND PREGTIREA TERMIC A COMBUSTIBILULUI LICHID
NECONVENIONAL PENTRU FOLOSIREA LA MOTOARELE CU APRINDERE PRIN
COMPRIMARE CU INJECIE DIRECT are la baz activitatea de cercetare de peste
10 de ani a autoarei nceput la Universitatea din Craiova,Departamentul de
Autovehicule Rutiere. Ea a putut fi elaborat datorit climatului de cercetare
tiinific existent n Universitatea din Craiova i datorit colaborrii de peste 8
de ani a autoarei cu Catedra de Termotehnic, Maini Termice i Autovehicule
Rutiere, de la Facultatea de Mecanic, Universitatea Politehnica din Timioara.
mi exprim mulumirile i consideraia fa de D-l prof. dr. ing. Mihai NAGI,
conductorul tiinific al acestei lucrri pentru ntreaga activitate de ndrumare
tiinific i profesional.
Mulumesc referenilor, d-lui prof. dr. ing. Nicolae BURNETE, d-lui prof.
dr. ing. Dnil IORGA, d-lui prof. dr. ing. Marin BIC pentru atenia deosebit
cu care au lecturat manuscrisul, pentru observaiile i sugestiile fcute.
Mulumesc pe aceast cale tuturor colaboratorilor de la INMA Bucureti i
de la Facultatea de Chimie din Craiova, colectivului catedrei de T.M.T.A.R. de
la Universitatea Politehnica Timisoara pentru sugestiile fcute la susinerea
referatelor.
Timioara, februarie 2012 Mihaela Elena Buculei
AUTOAREA
-
CUPRINS
PREFA..........................................................................................................................1
CAPITOLUL 1
NOIUNI INTRODUCTIVE PRIVIND BIOCOMBUSTIBILII SI PROCEDEE DE
OBINERE A ACESTORA......... 4
1.1 Standarde pentru biocombustibili.................4
1.2 Tipuri de biocombustibili...........................................................................................8
1.3.Sisteme integrate de producere de biocombustibili, refacerea solurilor si
reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera din sol. ..............................................21
1.4.Tehnologii de obtinere a biodieselului.......................... .........................................23
1.5 Procedee de producere a biodieselului............... ..................................................25
1.5.1. Procedee discontinue..........................................................................................25
1.5.2. Procede continue................................................................................................ .26
1.5.3. Procedee fara catalizatori....................................................................................26
CAPITOLUL 2
STADIUL ACTUAL AL CERCETARILOR PRIVIND SISTEMELE DE
PRENCALZIRE ALE BIODIESELULUI LA MOTOARELE CU APRINDERE PRIN
COMPRIMARE........................... 29
2.1. Generalitati privind formarea amestecului si a arderii biodieselului..............29
2.2. Necesitatea preincalzirii bidieselului....................................................................31
2.3. Concluzii..........35
CAPITOLUL 3: DETERMINAREA EXPERIMENTAL A PROPRIETILOR FIZICO-
CHIMICE ALE COMBUSTIBILILOR DE TIP BIODIESEL............................................36
3.1.Condiii generale privind utilizarea combustibililor de tip diesel.......................36
3.2.Standarde privind combustibili diesel..................................................................37
3.3. Standarde combustibili de tip biodiesel...............................................................39
3.4. Determinri experimentale...................................................................................43
3.4.1. Masa specifica.....................................................................................................43
3.4.2. Viscozitatea.........................................................................................................44
3.4.3. Determinarea curbei de distilare la probele de biodiesel...................................47
-
3.4.4.Determinarea stabilitii la oxidare prin metoda Hadorn i Zurcher
(Rancimat).......................................................................................................48
3.4.5. Determinarea Indicelui de refracie cu refractometrul Abbe......................50
3.4.6. Determinarea Indicelui de aciditate ...........................................................53
3.4.7. Punctul de tulburare.....................................................................................54
3.4.8. Punctul de congelare.................................................................................... 55
3.4.9. Cifra Cetanic....................................................................................... .......56
3.4.10. Coninutul de fosfor................................................................................ ..57
3.4.11. Punctul de inflamabilitate...........................................................................57
3.4.12. Compoziia elementar...............................................................................59
3.4.13. Analize termice............................................................................................61
3.5.Rezultate i concluzii.........................................................................................63
3.5.1.Masa specifica.................................................................................................63
3.5.2.Viscozitatea.....................................................................................................64
3.5.3.Curba de distilare la probele de biodiesel....................................................66
3.5.4.Stabilitatea la oxidare prin metoda Hadorn i Zurcher (Rancimat).........66
3.5.5. Indicele de refracie ..................................................................................... 66
3.5.6. Indicelui de aciditate......................................................................................67
3.5.7. Punctul de tulburare......................................................................................68
3.5.8. Punctul de congelare.....................................................................................68
3.5.9. Cifra cetanic.................................................................................................69
3.5.10. Coninutul de fosfor....................................................................................70
3.5.11. Punctul de inflamabilitate...........................................................................70
3.5.12. Compoziia elementar................................................................................71
3.5.13. Analize termice.............................................................................................73
3.6. Concluzii..............................................................................................................74
-
CAPITOLUL 4
STUDII I CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND PRENCLZIREA
BIODIESELULUI I INFLUENA PRENCLZIRII ACESTUIA ASUPRA NOXELOR
............................................. 76
4.1. Componenta standului experimental si a aparaturii folosite..........................76
4.2. Aparatura folosita la masuratori.......................................................................82
4.3. Masuratori efectuate..84
4.4. Simularea curgerii gazelor in amortizorul de zgomot si simularea transferului de
caldura in conducta de alimentare din cupru cu rol de preincalzire a
biocombustibilului.....................................................................................................100
4.5. Concluzii.105
CAPITOLUL 5
CERCETARI EXPERIMENTALE ASUPRA FUNCTIONARII MOTORULUI D115 CU
COMBUSTIBIL HIBRID MOTORINA- METILESTER DE
PALMIER..106
5.1. Cadrul tehnic de desfurare a ncercrilor.........106
5.2. Coninutul standard al ncercrilor..109
5.3. Datele calculate n timpul ncercrii.....112
5.4. Rezultatele ncercrii..... 118
5.5. Strategia ncercrilor......118
5.6. Concluzii.........131
CAPITOLUL 6
CONCLUZII GENERALE SI CONTRIBUTII PERSONALE ..... 134
6.1. Concluzii generale .............134
6.2. Avantajele si dezavantajele utilizarii biodieselului B20 din ulei de palmier
prenclzit.......134
6.3. Condiii pentru utilizarea biodieselului.............................................................135
6.4. Probleme uzuale n cazul operarii cu biodiesel pur:................................... 135
6.5. Concluzii privind prenclzirea biocombustibilului.......................................... 136
6.6. Contribuii personale ........................................................................................ 137
Bibliografie................................................................................................................ 138
Anexe......................................................................................................................... 146
-
LISTA ABREVIERILOR
1. [m2/s]; viscoziztatea cinematic.
2. K [mm2/s
2] constanta capilarei.
3. [s] timpul msurat.
4.n- indicele de refracie al lichidului analizat.
5. K- titrul soluiei de KOH 0,1N.
6. V [ml] - volumul de hidroxid folosit la titrare.
7. M [g]- masa de biodiesel folosit la titrare.
8. APId [grade API ]- densitatea combustibilului.
9. A- punctul de anilin al motorinei.
10. CC cifra cetanic.
11. mt [C.]- temperatura medie de fierbere a motorinei.
12. Td, - durata ntrzierii la autoaprindere.
13. Lp- distana de ptrundere.
14.b- limea jetului.
15. - unghiul de dispersie al jetului.
16.C- nucleul jetului, format din picturi de combustibil, a cror mrime descrete spre
exterior.
17.A- zona amestecurilor preformate inflamabile.
18.Z- zona amestecurilor srace neinflamabile, la exteriorul creia se gsete numai aer
( ).
19. taer [oC]- temperature atmosferic
20. paer [KPa]- presiunea atmosferic.
21. U [%]-umiditatea atmosferic relativ.
22. Pe, p [kW]- puterea efectiv a motorului.
23. Me,p [daNm] este momentul msurat la priz;
24. np [rot/min] este turaia arborelui prizei.
25. ce [g/kWh]- consumul specific efectiv de combustibil.
-
26. C [kg/h] este consumul orar de combustibil.
27. ps [kPa] este presiunea atmosferic a aerului uscat.
28. pvs = pvs(Tatm) [kPa]este presiunea vaporilor saturai de ap la temperatura Tatm, cu valori
extrase din tabele.
29. fa factorul atmosferic.
30. mc [g/ciclu]- doza medie de combustibil injectat n ciclul motor.
31. este numrul de timpi ai ciclului motor.
32. mcc, - doza de carburant corectat
33. Vt [l]este cilindreea total a motorului.
34. fm- factorul de motor.
35. c,- factorul de corecie a puterii.
36. f,- factorul de corecie a indicelui de fum.
37. Pec [kW]-puterea efectiv, corectat.
38. Mec [daNm] -momentul efectiv, corectat
39. cec[g/kWh] -consumul specific efectiv de combustibil, corectat
40. kc [m-1
]-indicele de fum, corectat
41. -abaterea standard empirica
-
LISTA FIGURILOR
Nr.crt. Denumirea figurii Pag.
1 Fig. 1.1. Evolutia noxelor in timp conform protocolului de la
Kyoto
7
2 Fig. 1.2. Necesarul mondial existent i estimat de petrol
comparativ cu producia existent i cea estimat
9
3 Fig. 1.3. Diagrama obinerii principalilor biocombustibili
10
4 Fig. 1.4. Alcooliza trigliceridelor
11
5 Fig. 1.5. Producerea de zaharuri i fermentarea lor prin hidroliz
enzimatic
13
6 Fig. 1.6. Principalele ri productoare de biocombustibili
14
7 Fig.1.7. Dinamica suprafeelor cultivate cu rapi n ultimii 10 ani
n Romnia
16
8 Fig.1.8. Reducerea emisiilor poluante 18
9 Fig. 1.9. Ciclu integrat de conversie biochimic i termochimic a
materialului vegetal n biocombustibili, amelioratori de sol, cldur i
energie electric
21
10 Fig. 1.10. Diagrama fluxului tehnologic pentru obtinerea
biodieselului
25
11 Fig. 1.11. Procedeul continuu cu reactor tubular
25
12 Fig 1.12. Reactor folosind aburi n contracurent
26
13 Fig. 1.13. Procedeul Biox 26
14 Fig. 1.14. Procedeul de esterificare la punct critic 27
15 Fig. 1.15. Procedeul de obinere a biodieselului cu catalizator
bazic
28
-
Nr.crt. Denumirea figurii Pag.
16 Fig. 1.16. Instalaia tehnologic CPU 1000 de producere a
biodieselului
28
17 Fig. 2.1. Filtru incalzitor tip Diesel-Therm
32
18 Fig. 2.2. nclzitor pentru motoarele camioanelor Volvo, licena
Volvo
32
19 Fig. 2.3. nclzitor tip Kaori 33
20 Fig. 2.4. Schema nclzitorului Kaori 33
21 Fig. 2.5. Principiul de funcionare al nclzitorului Kaori 33
22 Fig. 2.6. nclzitor Fuel Pro 384 Biodiesel cu Fluid Heater & 12
Volt Preheater
33
23 Fig. 2.7. Instalaie de prenclzire a aerului 34
24 Fig. 2.8. Instalaie de prenclzire a aerului
34
25 Fig. 3.1. Proprieti fizico-chimice ale combustibililor
36
26 Fig.3.2. Areometrul
43
27 Fig. 3.3. Aparat Ubbelohde pentru utilizat n experimentul
pentru determinarea viscozitii
45
28 Fig.3.4. Distribuia viscozitii cinematice a biodieselului din ulei
de pete, respectiv din ulei de palmier, n funcie de temperatur
46
29 Fig. 3.5. Curba de distilare pentru biodieselul obinut din ulei de
pete
47
30 Fig. 3.6. Curba de distilare pentru biodieselul obinut din ulei de
palmier
48
-
Nr.crt. Denumirea figurii Pag.
31 Fig. 3.7. Instalaia pentru determinarea stabilitii la oxidare a
biodieselului
49
32 Fig. 3.8 Stabilirea perioadei de inducie 49
33 Fig. 3.9. Perioada de inducie a probelor analizate
50
34 Fig. 3.10. Refractormetrul Abbe utilizat n determinarea indicelui
de refracie
52
35 Fig. 3.11. Dispozitivul utilizat pentru determinarea punctului de
tulburare i a punctului de congelare
54
36 Fig. 3.12. Spectrul de emisie a fosforului n proba de biodiesel
57
37 Fig. 3.13. Aparat Pensky-Martens cu cup nchis utilizat la
determinarea punctului de inflamabilitate
58
38 Fig. 3.14. Analizorul elementar COSTECH ECS 4010 CHNS-O
60
39 Fig. 3.15. Derivatograful Pyris Diamond TG/DTA utilizat n
analizele termice
61
40 Fig. 3.16. Termogram motorin 62
41 Fig. 3.17. Termogram biodiesel ulei de pete
62
42 Fig. 3.18. Termogram biodiesel ulei de palmier
63
13 Fig. 3.19 .Masa specific a probelor analizate
63
44 Fig. 3.20. Viscozitatea probelor analizate
64
-
Nr.crt. Denumirea figurii Pag.
45 Fig. 3.21. Variaia viscoziti la biodieselul din ulei de pete 65
46 Fig. 3.22. Variaia viscoziti la biodieselul din ulei de palmier 65
47 Fig. 3.23. Valorile indicelui de aciditate determinate pentru
biodieselul din ulei de pete respectiv palmier
67
48 Fig. 3.24. Valorile punctului de tulburare determinate pentru
biodieselul din ulei de pete respectiv palmier
68
49 Fig. 3.25. Valorile punctului de congelare determinate pentru
biodieselul din ulei de pete respectiv palmier
69
50 Fig. 3.26. Valorile cifrei cetanice determinate pentru biodieselul
din ulei de pete respectiv palmier
69
51 Fig. 3.27. Valorile punctului de inflamabilitate determinate pentru
biodieselul din ulei de pete respectiv palmier
70
52 Fig. 3.28. Valorile coninutului de carbon din probele de
biodiesel din ulei de pete, respectiv biodiesel din ulei de palmier,
analizate
71
53 Fig. 3.29. Valorile coninutului de hidrogen din probele de
biodiesel din ulei de pete, respectiv biodiesel din ulei de palmier,
analizate
72
54 Fig. 3.30. Valorile coninutului de oxigen din probele de
biodiesel din ulei de pete, respectiv biodiesel din ulei de palmier,
analizate
72
55 Fig. 4.1. Motorul cu aprindere prin comprimare pe cares-au
realizat experimentele
77
56 Fig . 4.2. Filtru biodiesel utilizat n experimente
79
57 Fig. 4.3. Filtru si carcasa filtru biodiesel
79
-
Nr.crt. Denumirea figurii
Pag.
58 Fig. 4.4. Serpentina de cupru montat n interiorul amortizorului
de zgomot
80
59 Fig. 4.5. Amortizor de zgomot secionat
80
60 Fig. 4.6. Amortizor de zgomot modificat cu serpentina de
prenclzire a biodieselului
80
61 Fig. 4.7. Serpentina cupru preinclzire
81
62 Fig. 4.8. Filtru al amortizorului de zgomot
81
63 Fig. 4.9. Poziionarea serpentinei n interiorul amortizorului de zgomot
81
64 Fig. 4.10. Aparat utilizat pentru msurarea noxelor
82
65 Fig. 4.11. Tahometrul digital DT-2234C
83
66 Fig. 4.12. Pirometrul professional
83
67 Fig. 4.13. Schema de msurare a temperaturii biodieselului i a
componentelor motorului cu pirometrul optic pe motorul de test
84
68 Fig. 4.14. Variaia temperaturilor n cazul alimentrii cu motorin
prenclzit
86
69 Fig. 4.15. Variaia temperaturilor n cazul alimentrii cu motorin
neprenclzit
86
70 Fig. 4.16. Variaia temperaturilor n cazul alimentrii cu biodiesel
de pete prenclzit
88
71 Fig. 4.17. Variaia temperaturilor n cazul alimentrii cu biodiesel
de pete neprenclzit
88
-
Nr.crt. Denumirea figurii Pag.
72 Fig. 4.18 Variaia temperaturilor n cazul alimentrii cu biodiesel
de palmier prenclzit
90
73 Fig. 4.19 Variaia temperaturilor n cazul alimentrii cu biodiesel
de palm. neprenclzit
90
74 Fig. 4.20 Variaia temperaturii de iesire a combustibilului pentru
motorin, biodiesel de pete i biodiesel de palmier
91
75 Fig . 4.21. Determinarea debitului de combustibil
91
76 Fig. 4.22. Variaia debitului pentru combustibilul prenclzit
92
77 Fig. 4.23. Emisii CO funcie de turaia arborelui cotit
96
78 Fig. 4.24 Emisii de CO2 funcie de turaia arborelui cotit
97
79 Fig. 4.25. Emisii de hidrocarburi funcie de turaia arborelui cotit
98
80 Fig. 4.26. Emisii de O2 funcie de turaia arborelui cotit
99
81 Fig. 4.27. Captur ecran din softul COSMOS FLOW , secvena-Stabilirea condiiilor generale
100
82 Fig. 4.28. Captur ecran din softul COSMOS FLOW, secvena -proprietaile aerului i biocombustibilului
101
83 Fig. 4.29. Captur ecran din softul COSMOS FLOW ,secvena -
definirea conditiilor limita pentru materialului din care e e
confectionat amortizorul de zgomot
101
84 Fig. 4.30. Captur ecran din softul COSMOS FLOW, secvena parametrilor termodinamici ai gazelor de ardere
102
-
Nr.crt. Denumirea figurii Pag.
85 Fig. 4.31. Captur ecran din softul COSMOS FLOW, secvena -domeniul de lucru al fluidului
102
86 Fig. 4.32. Captur ecran din softul COSMOS FLOW, secvena -distribuia temperaturii gazelor de ardere in amortizorul de zgomot
103
87 Fig. 4.33. Captur ecran din softul COSMOS FLOW ,secvena -Viteza gazelor
ardere si distributia temperaturii gazelor de ardere si a
temperaturii
biodieselului n serpentina din cupru
103
88 Fig. 4.34. Traseul parcurs de gazele de ardere in amortizor i distribuia presiunii lor
104
89 Fig. 4.35. Distribuia temperaturii biodieselului la intrare n conducta de cupru a biodieselului
104
90 Fig. 4.36. Distributia temperaturii biodieselului la ieirea din conducta
de cupru a biodieselului
105
91 Fig. 5.1. Imagine a standului mobil de frnare cu laminare
hidraulic
107
92 Fig. 5.2. Dispozitiv pentru msurarea consumului orar gravimetric
combustibil
108
93 Fig. 5.3. Opacimetru pentru determinarea opacitatii gazelor de
evacuare EUROGAS , 8020, SMOKE MODULE
108
94 Fig. 5.4. Vedere general a postului de ncercare. 109
95 Fig. 5.5. Variaia turatiei la priza de putere, momentului
efectiv,puterii effective la patm = 100,325 kPa tatm=28,4 C, U
= 39,0 %
121
96 Fig. 5.6. Reprezentarea momentului efectiv corectat, a puterii
efective corectate, a consumului de combustibil corectat si a
indicelui de fum corectat functie de turatia la priza de putere
conform Anexelor 21-24, ncercrile I2A
121
97 Fig. 5.7. Variaia turatiei la priza de putere, momentului efectiv ,
puterii efective n condiiile de mediu la patm = 100,528 kP,
tatm=28,3 C , U = 34,5 %
122
-
Nr.crt. Denumirea figurii Pag.
98 Fig. 5.8. Reprezentarea momentului efectiv corectat, a puterii
efective corectate, a consumului de combustibil corectat si a
indicelui de fum corectat functie de turatia la priza de putere,
conform anexelor 21-24, ncercrile I2B
122
99 Fig. 5.9. Variaia turatiei la priza de putere, momentului efectiv ,
puterii efective n condiiile de mediu la patm = 100,524 kPa ,tatm =
27,8 C, U = 39,8 %
123
100 Fig.5.10. Reprezentarea momentului efectiv corectat, a puterii
efective corectate, a consumului de combustibil corectat si a
indicelui de fum corectat functie de turatia la priza de putere,
conform anexelor 21-24, ncercrile I2C
123
101 Fig. 5.11. Variaia turaiei la priza de putere, momentului efectiv ,
puterii efective n condiiile de mediu patm = 100,551 kPa
tatm = 26,7 C, U = 47,1 %
124
102 Fig. 5.12. Variaia turatiei la priza de putere, momentului efectiv,
puterii efective n condiiile de mediu patm= 100,524 kPa , tatm=
26,4 C, U = 43,7 %
124
103 Fig. 5.13. Variaia turatiei la priza de putere, momentului efectiv ,
puterii efective n condiiile de mediu patm =100,511 kPa tatm =
25,4 C, U = 44,7%
125
104 Fig. 5.14. Variaia puterii efective, transmis la priza de putere,
corectat,Pepc [kW ]
126
105 Fig. 5.15. Variaia consumului specific efectiv de combustibil,
corectat,
cec [g/kWh], n cadrul ncercrilor I2.
(alimentare 80% motorin, 20% metilester de palmier
127
106 Fig. 5.16. Variaia coeficientului de absorbie a luminii n gazele
de evacuare (indicele de fum), corectat, kc [m-1
]
127
-
Nr.crt. Denumirea figurii
Pag.
107 Fig. 5.17. Comportarea medie a motorului de test la ncercrile I2.
(alimentare cu mixtur 20% metilester de palmier, 80% motorin)
128
108 Fig. 5.18. Variaiile momentului motor efectiv, Mepc [daNm]
fa de valorile de referin n dependen cu turaia
128
109 Fig. 5.19. Variaiile puterii efective, Pepc [kW] fa de valorile de
referin
129
110 Fig. 5.20. Variaiile consumului specific efectiv de combustibil,
cec [g/]
130
111 Fig. 5.21. Variaiile coeficientului de absorbie a luminii n
gazele de evacuare (indicele de fum), kc [m-1
]
130
-
LISTA TABELELOR
Nr.crt. Denumirea tabelului Pag.
1 Tabelul 1.1. Obiective ce trebuie indeplinite conform
protocolului de la Kyoto
5
2 Tabelul 1.2. Valorile EroEI pentru biocombustibili.
19
3 Tabelul 1.3. Proprietile principalelor materii prime
24
4 Tabelul 3.1. Standardul pentru motorina tip Euro Diesel
38
5 Tabelul 3.2. Standard EN 590 motorin
39
6 Tabelul 3.3. Standardul European pentru Biodiesel EN 14214
40
7 Tabelul 3.4. Specificaii standard pentru combustibil biodiesel
ASTM D6751
41
8 Tabelul 3.5. Proprietile compuilor din motorin i biodiesel
42
9 Tabelul 3.6. Masa specific determinat pentru
diferite tipuri de combustibili
44
10 Tabelul 3.7.Viscozitatea determinat pentru diferii
combustibili la 40oC
45
11 Tabelul 3.8. Variaia viscozitii n funcie de temperatur
46
12 Tabelul 3.9. Valorile Indicelui de refracie pentru probele de
biodiesel
52
13 Tabelul 3.10. Aciditatea probelor de biodiesel
53
-
Nr.crt. Denumirea tabelului Pag.
14 Tabelul 3.11. Valoarea punctului de tulburare la probele
analizate
54
15 Tabelul 3.12. Valoarea punctului de congelare la probele
analizate
55
16 Tabelul 3.13. Cifra cetanic la probele analizate
56
17 Tabelul 3.14. Punct de inflamabilitate diferii combustibili 59
18 Tabelul 4.1. Principalele caracteristici ale motorului pe care s-
au realizat experimentele
78
19 Tabelul 4.2. Specificaii tehnice tahometru digital 82
20 Tabelul 4.3. Msurarea temperaturilor combustibilului cnd
motorul este alimentat cu motorin
85
21 Tabelul 4.4. Msurarea temperaturilor combustibilului cnd
motorul
este alimentat cu biodiesel de pete
87
22 Tabelul 4.5. Msurarea temperaturilor combustibilului cnd
motorul este alimentat cu biodiesel de palmier
89
23 Tabelul 4.6.Debitele combustibililor utilizati funcie de
turaia la mers n gol forat
92
24 Tabelul 4.7. Emisii gaze de ardere motorin fr prenclzire
93
25 Tabelul 4.8. Emisii gaze de ardere motorin cu prenclzire
93
26 Tabelul 4.9. Emisii gaze de ardere ardere la utilizarea B20
(20%Biodiesel palmier+80%Motorin) fr prenclzire
94
-
Nr.crt. Denumirea tabelului Pag.
27 Tabelul 4.10. Emisii gaze de ardere la utilizarea B20
(20%Biodiesel palmier+80%Motorin) cu prenclzire
94
28 Tabelul 4.11. Emisii gaze de ardere ardere la utilizarea B20
(20%Biodiesel pete+80%Motorin) fr prenclzire
95
29 Tabelul 4.12. Emisii gaze de ardere ardere la utilizarea B20
(20%Biodiesel pete+80%Motorin) cu prenclzire
95
30 Tabelul 5.1. Caracteristicile funcionale ale frnei 107
31 Tabelul 5.2. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu: patm = 100,325 kP, tatm=28,4
C, U=39 %
146
32 Tabelul 5.3. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu: patm = 100,528 kP, tatm=28,3
C , U = 34,5 %
147
33 Tabelul 5.4. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu: patm = 100,524 kPa tatm =
27,8 C, U = 39,8 %
148
34 Tabelul 5.5. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu patm = 100,551 kPa tatm = 26,7
C, U = 47,1 %
149
35 Tabelul 5.6. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile 100,524 kPa , tatm = 26,4 C, U = 43,7
150
-
Nr.crt. Denumirea tabelului Pag.
36 Tabelul 5.7. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu100,511 kPa tatm = 25,4 C, U
= 44,7%
151
37 Tabelul 5.8.Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu 100,991 kPa tatm = 29,9 C, U
= 41,9 %
152
38 Tabelul 5.9. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu 100,873 kPa , tatm = 29,8
C, U = 42,6 %
153
39 Tabelul 5.10. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu patm = 100,924 kPa, tatm =
29,7 C, U = 42,4 %
154
40 Tabelul 5.11. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu100,924 kPa, tatm = 31,7 C,
U = 39,0 %
155
41 Tabelul 5.12. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu 100 ,858 kPa, tatm = 28,1
C, U = 40,4 %
156
-
Nr.crt. Denumirea tabelului Pag.
42 Tabelul 5.13. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu patm = 100,858 kPa, tatm =
30,5 C, U = 36,6 %
157
43 Tabelul 5.14. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu patm = 100,925 kPa, tatm =
30,5 C, U = 35,4%
158
44 Tabelul 5.15. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu patm = 100,815 kPa, tatm= 29,7
C, U = 40,1%
159
45 Tabelul 5.16. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu patm = 100,991 kPa, tatm =
28,1 C, U = 39,6 %
160
46 Tabelul 5.17 . Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu patm = 100,871 kPa, tatm =
29,7 C, U = 35,9 %
161
47 Tabelul 5.18. Comportarea de referinta a motorului de test 162
48 Tabelul 5.19. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu patm = 101,325 kPa, tatm =
15,4 C, U = 69,6%
164
-
Nr.crt. Denumirea tabelului Pag.
49 Tabelul 5.20. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu patm = 101,325 kPa, tatm = 15,4
C, U = 69,6%
165
50 Tabelul 5.21. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului
efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de
combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de
evacuare n condiiile de mediu patm = 101,325 kPa, tatm =
15,4 C, U = 69,6%
166
51 Tabelul 5.22 Evoluiile momentului motor efectiv, transmis la
priza de putere,
corectat, Mepc [daNm]-ncercrile I2
167
52 Tabelul 5.23. Evoluiile puterii efective, transmis la priza de
putere,
corectat, Pepc [kW]-ncercrile I2
168
53 Tabelul 5.24. Evoluiile consumului specific efectiv de
combustibil, corectat,
cec [g/kWh]-ncercarile I2
169
54 Tabelul 5.25. Evoluiile coeficientului de absorbie a luminii n
gazele de evacuare
(indicele de fum), corectat, kc [m-1
]
170
55 Tabelul 5.26. Comportarea medie a motorului de test la
ncercrile I2
171
56 Tabelul 5.27. Variaiile momentului motor efectiv, Mepc
[daNm] , n cadrul
ncercrilor I2, fa de valorile de referin
172
-
Nr.crt. Denumirea tabelului Pag.
57 Tabelul 5.28. Variaiile puterii efective, Pepc [kW] , n cadrul
ncercrilor I2 fa de valorile de referin.
173
58 Tabelul 5.29. Variaiile consumului specific efectiv de
combustibil, cec [g/kWh],
n cadrul ncercrilor I2 fa de valorile de referin.
174
59 Tabelul 5.30. Variaiile coeficientului de absorbie a
luminii n gazele de evacuare (indicele de fum), kc [m-1
],
n cadrul ncercrilor fa de valorile de referin.
175
-
1
PREFA
n condiiile schimbrilor climatice dramatice la nivel mondial i a scderii resurselor
natural petrolifere se contureaz necesitatea gsirii urgente a soluiilor alternative la combustibilii
folosii pentru autovehicule..
Nocivitatea noxelor este unul din scopurile urmrite deoarece HC hidrocarburile, nu au
un efect direct asupra sntii, cu excepia hidrocarburilor policiclice aromate, al cror caracter
cancerigen este demonstrat. S-a stabilit c aceste hidrocarburi nearse care sunt evacuate de
motoarele cu ardere intern au un rol important n formarea smogului fotochimic. Smogul
fotochimic reprezint o cea, caracteristic unor regiuni geografice (California, Tokyo).
Denumirea provine de la combinarea cuvintelor de origine englez smoke + fog i este produs n
atmosfer sub aciunea razelor solare, n special datorit hidrocarburilor i oxizilor de azot.
Smogul este iritant pentru ochi i mucoase, reduce mult vizibilitatea i este un pericol pentru
traficul rutier. Mecanismul de formare este generat de 13 reacii chimice catalizate de prezena
razelor solare [12].
Aldehidele sunt substane organice prezente n gazele de evacuare n proporie relativ
sczut pentru combustibili clasici de natur petrolier, dar cu o pondere mult mai mare pentru
combustibilii provenii din alcooli. Sunt substane iritante pentru organism, iar dintre acestea
formaldehida are un important potenial cancerigen.
CO (oxidul de carbon) are un efect toxic generat de fixarea hemoglobinei n snge prin
care se mpiedic alimentarea cu oxigen a creierului. O mare influen o are la persoanele
cardiace, care pot avea crize cardiace cu o frecven mult mai mare.
Oxizii de azot, NO i NO2, au efecte duntoare prin contribuia adus la formarea
smogului, precum i prin efect direct asupra omului. Principalele efecte sunt legate de fixarea
hemoglobinei.. De asenenea, oxizii de azot mpreun cu oxizii de sulf contribuie la formarea
ploilor acide.
Particulele nemetalice n special cele de funingine, sunt emise mai ales de motoarele cu
aprindere prin comprimare. Aceste particule pot fi inhalate n plmni, unele din ele putnd avea
i efect cancerigen.
Particulele de plumb au o aciune foarte duntoare asupra omului i este bine cunoscut
nc din antichitate. Concentraii sczute de plumb provoac tulburarea albuminelor i glucidelor,
-
2
atac rinichii i sistemele nervos i central. Intoxicaia cronic de Pb se numete saturnism i
provoac colit, insuficien renal,etc. Plumbul se gsete n combustibilii etilai pentru
motoarele cu aprindere prin scnteie. Bioxidul de carbon este prezent n aerul atmosferic, iar la
concentraii de pn la 3-4 la mie este util n procesul de fotosintez. Aspectul ngrijortor al
creterii concentraiei de bioxid de carbon este dat de apariia efectului de ser (reducerea
cantitii de energie radiate de pmnt ctre spaiul cosmic, datotorit reinerii cldurii n unele
gaze). Acest efect de ser poate conduce la creterea temperaturii medii la nivelul solului, iar
motoarele cu ardere intern au o mare pondere n creterea concentraiei de dioxid de carbon.
Dei cunoscute nc de la apariia motorului cu aprindere prin comprimare, soluiile
combustibilor alternativi au fost mai puin studiate n ceea ce privete optimizarea condiiilor lor
de pregtire pentru injecia n motor ntruct petrolul oferea o soluie la ndemn i studiile s-au
canalizat n aceast sfer de interes.
ntruct n condiiile actuale piaa autovehiculelor se confrunt cu poluarea i scderea
resurselor de petrol lucrarea de fa i-a propus o cercetare teoretic i experimental n acest
domeniu al biocombustibililor, viznd optimizarea condiiilor de pregtire a acestora pentru
injecie.
Lucrarea elaborat ca tez de doctorat este structurat n 6 capitole i bibliografie ce cuprinde
112 titluri cu cele mai reprezentative lucrri publicate n domeniu (inclusive cele publicate de
autoare). De asemenea, lucrarea este nsoit de 29 de anexe cu rezultate experimentale efectuate
de autoare.
n capitolul 1, Noiuni introductive privind biocombustibilii i procedee de obinere ale
acestora s-a realizat o sintez a tipurilor de biocombustibili utilizai la nivel mondial i diverse
tehnologii de obinere a acestora.
n capitolul 2, Stadiul actual al cercetrilor privind sistemele de prenclzire ale biodieselului
la motoarele cu aprindere prin comprimare s-a fcut o analiz i o sintez documentar a
cercetrilor i realizrilor tehnice obinute pn n prezent la nivel mondial. Abordarea ea fost
realizat din perspectiva optimizrii condiiilor termice ale biocombustibililor tiut fiind faptul ca
acetia au nevoie de pregtire termic naintea injectrii n cilindrii motorului, soluiile gsite
fiind att prin transfer de cldur ct i de tip electric.
n capitolul 3, Determinarea experimental a proprietilor fizico-chimice ale
combustibililor de tip biodiesel s-au determinat experimental principalele proprieti fizice i
-
3
chimice ale bidieselului din ulei de pete i ale biodieselului din ulei de palmier i influena
acestora asupra noxelor.
n capitolul 4, Studii i cercetri experimentale privind prenclzirea biodieselului i influena
prenclzirii acestuia asupra noxelor s-a prezentat metoda de prencalzire a biodieselului propus
n lucrare de autoare, msurarea noxelor pentru cele trei tipuri de combustibil folosii (motorin,
biodiesel din ulei de pete, biodiesel din ulei de palmier) i concluzii privind poluarea mediului
n contextul folosirii acestor combustibili.
n capitolul 5, Cercetri experimentale asupra funcionrii motorului de test cu combustibil
hibrid motorin-metilester de palmier s-a creat metodologia de msurare a momentului efectiv, a
puterii efective, a indicelui de fum i a consumului de combustibil n funcie de turaia la priza de
putere. Se realizeaz efectiv msurtorile n diverse condiii de mediu se concluzioneaz cu
privire la valorile obinute n comparaie cu folosirea clasic a motorinei.
n capitolul 6, Concluzii generale i contribuii personale s-au prezentat concluziile
generale, contribuiile originale i, n final, se expun direciile viitoare de cercetare pentru
extinderea i aprofundarea cercetrilor privind optimizarea calitilor biodieselului pentru
injecie.
Timioara, 2012 Ing. Mihaela Elena BUCULEI
-
4
CAPITOLUL 1
NOIUNI INTRODUCTIVE PRIVIND BIOCOMBUSTIBILII SI
PROCEDEE DE OBINERE ALE ACESTORA
1.1. Standarde pentru biocombustibili
Convenia-cadru a Naiunilor Unite privind schimbrile climatice i Protocolul de la
Kyoto asigur un cadru internaional privind abordarea schimbrilor climatice, definirea
obiectivelor i arat modul n care acestea pot fi atinse. United Nations Framework Convention
on Climate Change (UNFCCC) stabilete prin aceasta responsabiliti comune, dar difereniate
pentru rile dezvoltate i pentru cele n curs de dezvoltare, recunoscnd faptul c rile
industrializate trebuie s preia conducerea n lupta mpotriva schimbrilor climatice i efectelor
acestora. n fond, ele sunt responsabile de majoritatea acumulrii de gaze cu efect de ser din
atmosfer i dispun de resursele financiare i tehnologice necesare reducerii emisiilor lor [9].
Sub UNFCCC, semnatarii stabilesc programe naionale de reducere a emisiilor de gaze cu
efect de ser i depun rapoarte periodice. rilor industrializate semnatare, mai puin rilor n
curs de dezvoltare, li s-a cerut ca pn n 2000 s-i stabilizeze emisiile cu efect de ser la
nivelurile nregistrate n 1990, scop pe care l-au atins, ca grup. Semnatarii UNFCCC se reunesc
anual pentru a progresul i pentru a discuta msuri ulterioare, iar un numr de mecanisme de
monitorizare i de raportare la nivel internaional au fost nfiinate pentru a obine informaii
despre emisiile de gaze cu efect de ser.
Protocolul de la Kyoto stabilete limite obligatorii privind emisiile de gaze cu efect de
ser pentru rile industrializate. De asemenea, protocolul a introdus mecanisme inovatoare
bazate pe teoria schimbului aa numitele mecanisme flexibile prevzute de Protocolul de la
Kyoto pentru a pstra costurile legate de reducerea emisiilor ct mai mici cu putin. [9]
n cadrul protocolului, rilor industrializate, ca ansamblu, li se cere s-i reduc emisiile a
ase gaze cu efect de ser (CO2, metan, protoxid de azot, hidrofluorocarburi, perfluorocarburi i
exafluorur de sulf) cu aproximativ 5% sub nivelele nregistrate n 1990, pe parcursul primei
-
5
perioade de angajament cuprins ntre 2008-2012. S-a optat pentru o perioad de cinci ani, n
detrimentul unui an int unic, pentru a compensa fluctuaiile anuale ale emisiilor datorate unor
factori care nu pot fi controlai, precum condiiile meteo [94]. Protocolul nu prevede obiective de
emisii pentru rile n curs de dezvoltare.
Tabelul 1.1. Obiective ce trebuie indeplinite conform protocolului de la Kyoto
Contribuia fiecrui Stat Membru al UE-15 la
obiectivul de reducere colectiv cu 8% a emisiilor
din cadrul Protocolului de la Kyoto
Statele membre UE cu obiective individuale de
reducere a emisiilor n cadrul Protocolului de la
Kyoto
Austria -13% Bulgaria -8%
Belgia -7,5% Republica Ceh -8%
Danemarca -21% Estonia -8%
Finlanda 0% Ungaria -6%
Frana 0% Letonia -8%
Germania -21% Lituania -8%
Grecia +25% Polonia -6%
Irlanda +13% Romnia -8%
Italia -6,5% Republica Slovac -8%
Luxemburg -28% Slovenia -8%
rile de Jos -6%
Portugalia +27%
Spania +15%
Suedia +4%
Regatul Unit -12,5%
Cu excepia Ciprului i a Maltei, toate cele 12 ri care au aderat la UE din 2004 au
obiective individuale privind emisiile n cadrul Protocolului.
La sfritul anului 2005, emisiile UE-15 s-au situat cu 1,5% sub nivelul din 1990, n timp
ce emisiile combinate ale celor 27 de state membre s-au meninut la un nivel cu 7,9% mai jos
[86].
n decembrie 2008, statele membre UE au adoptat o serie de obiective ambiioase, ca
parte dintr-un pachet de msuri concrete de lupt mpotriva schimbrilor climatice.
-
6
Acestea includ un angajament de a reduce, pn n 2020, emisiile globale de gaze cu efect de ser
ale UE cu 20% fa de nivelurile din 1990 i de a crete cota energiei regenerabile n consumul de
energie cu 20% pe teritoriul UE. Fiecare stat membru are un obiectiv individual care reflect
potenialul su de a produce energie regenerabil. Obiectivul UE de reducere a emisiilor va crete
cu 30% dac alte ri dezvoltate sunt de acord s fac acelai lucru printr-un acord global.
La Conferinta Natiunilor Unite privind schimbarile climatice de la Copenhaga din 2009
liderii din majoritatea statelor lumii au incercat sa puna la punct strategia pe termen lung privind
controlul incalzirii globale [97,99].
Conform noilor tendinte conturate la nivel global, tarile dezvoltate ar trebui sa investeasca
n tehnologii verzi, cu ajutorul carora s reduc emisiile de gaze cu 25 30 la suta pn in 2020.
La rindul ei, UE isi propune atingerea acestei tinte numai daca i alte ri ii iau angajamente
similare.
Contextul in care se urmareste atingerea acestor deziderate vitale este complicat. Astfel, la
nivel global, China este cel mai mare emitator de gaze cu efect de ser. Pe locurile urmatoare se
claseaz SUA, UE, India si Japonia. Ca raspuns la inta de reducere a polurii naintat de
Uniunea Europeana, Coreea de Sud a anunat ca i-a propus s-i reduc emisiile la nivelul din
2005 sau cu 4 la sut mai jos de acesta pina in 2020. n acelai timp, Banca Mondial a oferit 1,1
miliarde de dolari pentru adaptarea Africii la schimbrile climatice.
Potrivit unui studiu publicat la jumtatea lunii noiembrie 2009, de Centrul de Cercetare
Economic i Social (ESRC) din Marea Britanie, emisiile de gaze cu efect de ser vor fi mai
mici cu 9%, la nivel mondial, fa de previziunile din 2012. Pe de alt parte, Organizaia
Meteorologic Mondial (OMM) a informat c, n 2008, concentraia gazelor cu efect de ser n
atmosfer a atins un nivel record, de 385,3 pri per milion (ppm), n cretere cu 2 ppm fa de
2007 [92].
-
7
Fig. 1.1. Evolutia noxelor in timp conform protocolului de la Kyoto
Totodat, ntr-o prognoz a International Energy Agency (IEA), se arat c emisiile
globale de gaze de sera urmau sa scad cu 2,5% n 2009, dup ce, n anii precedeni, au crescut
rapid. Schimbrile de clim rezult din acumularea gazelor, nu din simpla emitere a acestora, iar
o scdere permanent de 10% a emisiilor de gaze ar reduce volumul existent de gaze cu efect de
ser cu numai 0,1% n 2 ani i cu 2% pn n 2040.
n aceste circumstane, la Copenhaga, statele participante au ncercat s ajuna la un acord
pentru a prelungi angajamentele Protocolului de la Kyoto asupra climei, a crui prim faz expir
la sfritul anului 2012.
n SUA standardele referitoare la biocombustibili i produsele secundare ale producerii
acestora sunt: ASTM D-6751-02 care se refer la calitile B100, ASTM D 2709 referitor la ap
i sedimente, ASTM D-2500 punctul de tulburare, ASTM D 664 glicerina si ASTM D-6584
glicerina.
Potrivit Directivei Europene pentru Calitatea Combustibililor (FQD), un combustibil
trebuie s reduc emisiile cu cel puin 35% fa de combustibilii fosili pn n 2020 pentru a
conta n targetul de energii regenerabile. Formula de calcul include prile negative emisiile din
producie, transportare i procesare, din arderea plantei i altele i prile pozitive culturile de
-
8
plante pentru biocombustibili scad emisiile, fiind culturi agricole care, n sezonul de producie, au
capacitatea de a reduce nivelul de CO2 prin fotosintez sau nu, provin din rile arabe, precum
combustibilii fosili.
n accepiunea Asociaiei de Biocombustibili din Romnia [42] (A.B.R), producia intern
de biocombustibili trebuie s acopere cel puin cerinele transportului auto urban, dar s asigure i
autonomia energetic (combustibili pentru mainile agricole i de transport) din mediul rural.
Pentru aceast autonomie ar trebui lucrate 0,1 milioane hectare de teren arabil din cele 3 milioane
hectare disponibile, ceea ce nu pune probleme de ordin etic, ecologic, economic, etc., ci numai
probleme de capacitate a decidenilor de a gestiona criza alimentar i a preului combustibililor
petrolieri destinai transportului auto i mainilor din agricultur. Cu cca 0,5 milioane ha teren
arabil sar asigura ntreg necesarul de biocombustibili cerut de economia naional i, probabil
vor fi i unele disponibiliti pentru export
1.2. Tipuri de biocombustibili
Biocombustibilii [84], sunt combustibili pentru transport sub forma lichid sau gazoas,
produi din biomas. Biomasa este partea biodegradabil din produse, deeuri i reziduuri din
agricultur (inclusiv substante vegetale si animale), sectorul forestier i industria aferent i parte
din deeurile industriale i municipale.
Conform reglementrilor existente, numai produsele prezentate mai jos pot fi considerate
ca biocombustibili:
bioetanolul: etanol produs prin fermentaie din biomas i/sau din partea
biodegradabil a deeurilor;
biodiesel: un metil-ester produs prin transesterificare din ulei vegetal sau animal,
de calitatea dieselului;
biogaz: un combustibil gazos rezultat din biomasa i/sau din partea biodegradabil
a deeurilor, care poate fi purificat la calitatea gazului (natural) pur;
biometanol: metanol produs prin fermentaie din biomas i/sau din partea
biodegradabil a deeurilor;
biodimetileter: dimetilester produs din biomas;
-
9
bio-ETBE (etil-terto-butil-ester): ETBE este produs pe baz de bioetanol.
Procentul n volum de bio-ETBE socotit ca biocombustibil este de 47%;
bio-MTBE (metil-terto-butil-eter): un combustibil pe baz de biometanol.
Procentul n volum de bio-MTBE socotit ca biocombustibil este de 36%;
biocombustibilii sintetici: hidrocarburi sintetice sau amestecuri de hidrocarburi
sintetice care au fost produse din biomas;
biohidrogen: hidrogen extras din biomas i/sau din partea biodegradabila a
deeurilor, pentru a fi folosit ca biocombustibil;
ulei vegetal crud: ulei vegetal produs din culturile oleaginoase, prin presare,
extracie sau proceduri comparabile, brut sau rafinat, dar nemodificat chimic, atunci cnd este
compatibil cu motoarele la care este folosit si cnd este conform cerinelor normelor privind
noxele.
Sistemul cel mai utilizat pentru propulsarea mijloacelor de transport [51,52] este motorul
cu ardere intern. Motoarele cu ardere intern cu piston sunt cele mai folosite pentru mijloacele
de transport terestre i utilizeaz n prezent drept carburant hidrocarburile petroliere [99]. n
funcie de tipul motorului carburanii sunt: benzina pentru motoarele cu aprindere prin scnteie
(Otto), respectiv motorina pentru motoarele cu aprindere prin comprimare (Diesel) [13].
Fig. 1.2. Necesarul mondial existent i estimat de petrol comparativ cu producia existent i
cea estimat
Un dezavantaj major al motoarelor cu ardere interna este dependena acestora de
resursele limitate de hidrocarburi. Studiile efectuate n acest domeniu au demonstrat c, o data cu
-
10
dezvoltarea transportului auto bazat pe motoarele cu ardere intern, a crescut i necesitatea
producerii unei cantiti mai mari de carburani din hidrocarburi. Din pcate resursele de petrol,
pe care se bazeaz obinerea carburanilor auto, sunt limitate. O comparaie ntre necesarul de
produse petroliere i producia acestora pentru urmtorii ani este prezentat n figura 1.2. Dac
producia de carburani petrolieri prezint o pant descendent de-a lungul timpului, nu acelai
lucru se observ la necesarul de petrol, care crete odat cu dezvoltarea permanent a societii.
Diferena dintre cererea de petrol dictat de dezvoltarea, n principal, a transporturilor auto, i
disponibilul mpuinat datorit declinului produciei trebuie acoperit din alte surse, iar
biocombustibilii reprezint una din aceste surse. Principalul avantaj al biocombustibililor este
compatibilitatea lor cu soluiile tehnice larg utilizate actual i cu infrastructura existent (de
fabricare, transport i distribuie).
Biocombustibilii sunt, de asemenea, neutri din punct de vedere al efectului de ser. Se spune
despre un combustibil c este neutru atunci cnd nu se produce un surplus de CO2 n atmosfer
prin arderea lui. Biocombustibilii sunt neutri pentru c, la arderea lor, se elibereaz n atmosfer
cantitatea echivalent de bioxid de carbon care a fost fixat fotosintetic de plante cnd s-a produs
materia prim vegetal din care s-au obinut biocombustibilii.
Fig. 1.3. Diagrama obinerii principalilor biocombustibili.
Extinderea producerii si utilizrii biocombustibililor nu se datoreaz numai aspectelor
legate de reducerea efectului artificial de ser. Exist i aspecte ale producerii i utilizrii
biocombustibililor care sunt mai puin evidente la o analiz superficial. Preul petrolului,
excedentele agricole, volatilitatea zonei Orientului Mijlociu (principala zon exportatoare de
-
11
petrol), atitudinea Rusiei (principalul furnizor de gaze naturale) i dependena (de risip) de
energie au determinat guvernele europene (i ale celorlalte state industrializate) s stimuleze
producerea i utilizarea de biocombustibili. Principalii biocombustibili care sunt larg utilizai n
prezent sunt: uleiul crud (pentru motoarele cu aprindere prin comprimare neperfecionate, de pe
autocamioane i tractoare); biodieselul (pentru motoarele cu aprindere prin comprimare cu ramp
comun sau cu pomp duz); bioetanolul (pentru motoare Otto sau pentru amestecul cu motorin
sub forma de E-diesel); biometanolul (pentru motoare Otto i pentru producerea de biodiesel).
n fig. 1.3. este prezentat diagrama obinerii acestor biocombustibili.
Biodieselul este un amestec de esteri metilici ai uleiurilor vegetale [30], care se obine
printr-o serie de reacii de transesterificare. n general esterii acizilor grasi se pot obine prin
tehnologii de derivatizare chimic (esterificarea direct a acizilor grai rezultai ca subproduse la
fabricarea spunurilor sau rafinarea uleiurilor vegetale brute [43]) sau prin semisinteza (prin
alcooliza trigliceridelor naturale prezente n uleiuri vegetale i grsimi animale), [18, 21]. n cazul
utilizrii tehnologiilor de semisintez, esterii acizilor grasi se pot obine printr-un proces
necostisitor i eficient din gliceride cu coninut mare de acizi grai. Sinteza acestora implic
reacia de transesterificare a trigliceridelor coninute n surse de origine animal sau vegetal cu
alcooli C1-C4, obtinndu-se alchilesteri C1-C4 i glicerina brut ca subprodus. Reaciile de
alcooliz (metanoliz) a trigliceridelor pentru producerea de biodiesel sunt prezentate mai jos, n
fig. 1.4.
Fig. 1.4. Alcooliza trigliceridelor
-
12
n reacia de transesterificare de mai sus se pot utiliza o mare varietate de catalizatori cum
ar fi: catalizatori acizi, enzime, sruri metalice sau catalizatori alcalini. Se prefer catalizatorii
alcalini ca hidroxizii de sodiu sau de potasiu sau alcoxizi, datorit faptului ca sunt eficieni, se
separ uor din produsul de reacie i sunt compatibili cu sistemele tehnologice
convenionale.
Glicerina brut rezultat din procesul de tranesterificare se poate acidula, degresa i usca
parial sau complet. Calitatea glicerinei se poate mbunti prin distilare cu vapori, distilare la
vid, decolorare pe carbune, etc.
Procedeele sunt ns costisitoare i energofage (din apele glicerinoase se elimin apa prin
fierbere). Producerea de glicerin la fabricarea biodieselului a dezechilibrat deja piaa de glicerol
datorit excedentului introdus pe pia. Sunt necesare noi utilizri pentru glicerin, pentru a limita
efectele dezechilibrului produs pe pia datorit producerii de biodiesel.
Cercetrile privind obinerea combustibilului biodiesel s-au axat n principal pe
transesterificare grsimilor cu metanol, utilizarea etanolului pentru producerea de biodiesel prin
tranesterificare fiind puin studiat. Din punct de vedere al normelor de securitate a muncii i
pentru mediu, etanolul este mult mai convenabil dect metanolul. Metanolul este foarte toxic, nu
produce scnteie vizibil atunci cnd arde, este 100% miscibil cu apa i penetreaz pielea cu
uurin, genernd probleme grave pentru organisme i mediu [58].
Etanolul prezint n plus avantajul c se poate utiliza pentru a produce prin tranesterificare
un biodiesel prin utilizarea exclusiv a resurselor naturale regenerabile i a tehnologiilor
biochimice [36].
Bioetanolul se obine prin distilarea fermentatului unor zaharuri simple (glucoza,
maltoza, rafinoza). Aceste zaharuri simple se obin din:
- plante zaharifere (sfecla-de-zahr, trestie de zahar, sorg-zaharat);
- plante amidonoase (porumb, gru, cartof);
- material lignocelulozic (biomasa rezidual).
Amidonul i materialul lignocelulozic (de fapt hemiceluloze si celuloze) se transforma n
zaharuri simple prin procedee de degradare (hidroliz) enzimatic (fig.1.5). Soluia de zaharuri
fermentescibile se trateaz cu drojdie de bere (sau, n tehnologiile avansate cu bacterii
Zygomonas mobilis) i se las la fermentat. Fermentaia alcoolic dureaz 2-3 zile n cazul
drojdiilor, cteva ore n cazul bacteriilor. Vasele n care se produce fermentaia trebuie rcite,
-
13
deoarece prin fermentarea fiecrui kg de zahr fermentescibil se degaja 133 kcal. Bioxidul de
carbon format n acest timp poate fi colectat n gazometre (i ar trebui colectat pentru c altfel
contribuie negativ la efectul de ser).
Prin fermentaia alcoolic se produce un lichid, numit plmad, care conine pn la 18%
alcool, restul fiind ap, cantitai mici de glicerin, alcool propilic, butilic, amilic etc. Acest lichid
este supus unei prime distilri, n urma creia rezult etanolul brut, de 90% concentraie. Reziduul
de la distilare se numeste borhot i este folosit ca furaj, deoarece conine proteine, grsimi, etc.
Alcoolul brut este supus rectificrii, n coloana de rectificare, obinndu-se ca produs de distilare
un alcool de 95,6%, iar ca reziduu de distilare glicerina i fuzelul, un lichid uleios, format din
alcooli superiori (propilic, butilic, amilic).
Fig. 1.5. Producerea de zaharuri i fermentarea lor prin hidroliz enzimatic
Alcoolul de 95,6 % este un amestec azeotrop, cu punct de fierbere 78,15 oC; de aceea,
pentru obinerea unui alcool pur (alcool absolut, necesar pentru a fi utilizat ca bioetanol) nu se
poate recurge la nc o distilare (pentru ca azeotropul distil ca o substan pur), ci se aplic
metode speciale de deshidratare (de exemplu tratarea cu substane care se combin cu usurin cu
apa ca: oxidul de calciu, sulfat de calciu calcinat etc., urmat de distilare.
Producerea biocombustibililor [53] implic un lan ntreg, care pornete cu fermierul care
cultiv planta energetic i sfrete la pompa de combustibil. n lume, principalele ri
producatoare de biocombustibili sunt: Brazilia (bioetanol din trestie de zahr); SUA (bioetanol
din porumb); China (bioetanol din sorg); Uniunea Europeana (biodiesel din rapi). n fig. 1.6
sunt prezentate principalele zone productoare de biocombustibili.
-
14
Fig. 1.6. Principalele ri productoare de biocombustibili
Principalele culturi energetice pentru Romnia sunt: rapia, floarea-soarelui (cu coninut
ridicat de acid oleic), sorgul zaharat i porumbul.
Dintre plantele de cultur de mai sus condiiile cele mai favorabile le au n Romnia
floarea-soarelui (Helianthus annuus L.) i porumbul (Zea mays L.) Floarea-soarelui ns produce
un ulei alimentar cu o bun acceptabilitate n rndul populaiei, iar excedentul de semine i
gsete rapid valorificarea pe pieele externe. Porumbul are de asemenea multe alte ntrebuinri,
iar interesul pentru producerea de bioetanol este mic att n rndul productorilor de combustibili
ct i al agricultorilor. Considerente fiscale (nivelul ridicat de accizare al alcoolului, lipsa unor
structuri eficiente de colectare a veniturilor statului) fac ca bioetanolul s nu beneficieze nc de
nici un fel de faciliti fiscale - ceea ce reduce din start interesul pentru acest biocombustibil.
Oricum, planta cea mai convenabil pentru producerea de bioetanol n condiiile
Romniei este sorgul zaharat. Sorgul zaharat este cultivat n ultimii 25 de ani numai
experimental n Romnia.
Sorgul zaharat este o planta anual asemanatoare cu porumbul, foarte rezistent la secet,
cu un ciclu vegetativ rapid, cu exigene mult mai reduse pentru ngraminte n comparaie cu
porumbul.
Principalele argumente n sprijinul extinderii cultivarii i industrializrii integrale a
sorgului zaharat n Romnia sunt:
eficientizarea suprafeelor extinse de teren agricol neexploatate sau ineficiente prin
culturi masive de sorg si crearea de noi locuri de munca;
-
15
cultivarea sorgului poate produce cantiti foarte mari de biomas (80-120 t/ha) cu
coninut de 15-30% zahar (5-7 t zahar/ha), materie prima regenerabil pentru industria chimic,
petrochimic, agricultur, industria alimentar, farmaceutic i altele.
prin industrializarea total a sorgului se pot obine: bioetanol (biocombustibil
pentru mijloace de transport, utilaje agricole mobile si fixe), sirop, oet i alcool alimentar,
celuloz i hrtie, acid acetic si etilen, fibre naturale, proteine vegetale, furaje pentru zootehnie,
etc.;
biocarburantul produs din sorg este ecologic, contribuind la reducerea emisiilor de
bioxid de carbon, principalul responsabil pentru efectul de ser suferit de atmosfera terestr n
ultima perioad;
tehnologiile industriale pot utiliza instalaii existente sau puin adaptate din
industria chimic, nu produc deeuri toxice sau reziduuri neutilizabile.
Conform estimrilor tehnico-economice, n Romnia s-ar putea produce bioetanol din
sorg zaharat prin tehnologiile convenionale, la un pre total mai mic de 200 euro pe ton, inclusiv
taxe vamale, costul transportului, comisioane, etc., pre concurenial pe piaa european, n cazul
obtinerii unei producii de circa 5 tone etanol la
hectar. mpreun cu producia de ulei de rapi, estimat la o ton la hectar, cele dou tipuri de
biocombustibil completeaz spectrul necesarului energetic al fermelor agricole, cele doua specii
de plante fiind complementare n asolamentul culturilor agricole.
Reziduul sau pulpa (bagasa) ramas dupa extracia sucului dulce din tulpini contine
celuloza n proportie de circa 31-35% si o serie de alte glucide convertibile n bioetanol dupa
hidroliza enzimatic cu enzime specifice.
Uniunea Europeana este ns o zon cu preponderen a biodieselului. Pentru biodiesel
cultura de baz este rapia. Pe plan mondial, n anul 2004, suprafaa cultivat cu rapi a fost de
27.558 mii ha, pe plan european de 857 mii ha, iar n ara noastr suprafeele cultivate cu rapia
au fost de 83 mii ha.
Producia mondial de rapi este n cretere, dupa rapoartele FAO au fost obinute 36 de
milioane de tone n sezonul 2003-2004 si 46 milioane tone n 2004-2005.
-
16
n Romnia rapia s-a cultivat pe suprafee mai mari nainte de primul razboi mondial i
ntre cele doua razboaie mondiale. Astfel, n anul 1913, ea a ocupat 80,38 mii ha, iar n anul 1930
cca. 77,32 mii ha. Zone de favorabilitate:
zona foarte favorabil (zff): partea de vest i de est a rii, Podiul Transilvaniei i
zonele colinare adapostite;
zona favorabil (zf): partea de sud a rii, n condiii de irigare.
Este de ateptat ca suprafeele cultivate cu rapi sa se extind i mai mult n viitor i, din
aceasta perspectiv, este necesar o evaluarea corespunztoare a impactului produs de aceast
extindere asupra mediului n general i asupra solului, n special.
La fabricarea biocombustibililor rezult urmtoarele produse secundare:
Biodiesel din rapi: glicerin i roturi de rapi;
Bioetanol din sorg zaharat: bagasa de sorg (tulpini de sorg stoarse de zahr)
i drojdie de fermentaie / borhot;
Bioetanol din porumb: borhot de porumb i drojdie de fermentaie.
Fig.
1.7. Dinamica suprafeelor cultivate cu rapi n ultimii 10 ani n Romnia
-
17
Aplicarea Directivei 2003/30/EC (publicat n Official Journal of the European Union, L
123/42, din 17.05.2003) la nivelul Romniei implic un necesar de circa 400.000 tone de
biodiesel - necesar care genereaz concomitent peste 200.000 tone de glicerin i peste 500.000
tone de roturi de rapi, roturile de rapi nu pot fi folosite n proporii mari n hrana animalelor
(conin tioglicozizi goitrogeni i urme de acid erucic cardiotoxic), iar glicerina, dei este un
produs valoros, nu are utilizri care s acopere toat cantitatea (care va fi produs).
Soluia tehnologic clasic de recuperare a glicerinei presupune distilarea apei la presiune
normal, urmat de distilarea glicerinei sub vid i purificarea final prin filtrare. Pe o instalaie
Crown Iron Works (recunoscut ca fiind una dintre cele mai eficiente) consumurile de abur sunt
de 612 kg abur 6 bar pentru 450 kg glicerina farmaceutic i 45 kg glicerin sub-standard.
Costurile energetice (la o cldur specific de 2257kJ/kg abur si 35700 kJ/Nm3 de gaz metan) se
menin sub valoarea de 1000 lei, adica sub 2.5% din valoarea de piat a produsului. Creterea
previzibil a costurilor energiei (practic dublarea lor) va menine costurile energetice sub valoarea
de 5% din valoarea de pia, meninnd procedeul viabil din punct de vedere economic. Problema
nu este ns cea a costurilor energetice a recuperrii glicerinei. O instalaie de tipul celei
menionate cost milioane de euro i este furnizat dupa 12-18 luni de la lansarea comenzii ferme
- pentru a recupera un produs care este oricum excedentar n Uniunea Europeana.
Producerea n Romnia a circa 500 milioane de tone de bioetanol [62] din sorg zaharat va
genera peste 1 milion tone de bagas. Folosirea bagasei ca surs de hran pentru rumegatoare nu
este foarte recomandat pentru ca bagasa de sorg zaharat favorizeaz producerea de metan (gaz
cu efect de sera mai pronunat dect bioxidul de carbon).
Sunt necesare noi abordri, care s permit noi utilizari ale acestor sub-produse rezultate
de la fabricarea biodieselului [73].
Glicerina brut / apele glicerinoase rezultate de la fabricarea biodieselului poate intra n
componena unor amelioratori de sol (mpreuna cu hidroxid de sodiu i acid acetic sau catalizator
i acid citric) care se aplic prin pulverizare pe soluri. Acest tip de produs ajut la dezvoltarea
plantelor, reducnd agresivitatea solurilor acide si stimulnd dezvoltarea microorganismelor
benefice (de ex. fixatori de azot). De asemenea, regenereaz solul, faciliteaz absorbia
substanelor nutritive n esuturile plantelor i contribuie la sporirea recoltelor. Tratamentul
-
18
solurilor nisipoase cu un astfel de ameliorator pe baz de glicerin brut, urmat de irigarea
acestuia, permite retenia umiditii timp ndelungat.
Apele glicerinoase pot fi utilizate i ca adjuvant la aplicarea produselor agrochimice
condiionate ca pulberi de prfuit i, n special, a pesticidelor granulate, transformnd
ingredientele active solide sub form de pulberi n particule fine, lipicioase, foarte adecvate
pentru aplicri de refacere a structurii solului.
Valorificarea optim (din punct de vedere a protecie solului) a surplusului de biomas
rezultat din culturile tehnice folosite pentru producerea de biocombustibili este compostarea lor
i utilizarea compostului ca ameliorator de sol.
Rezult astfel creterea emisiilor de gaze cu efect de ser din sol datorit extinderii
produciei de biocombustibili.
Utilizarea composturilor rezultate din resturile vegetale ale culturilor tehnice folosite
pentru fabricarea biocombustibililor trebuie analizat i sub aspectul producerii de gaze cu efect
de ser. Oricum, culturile energetice pentru biocombustibili determin i o cretere a gazelor cu
efect de ser din agricultur. Aceste culturi tehnice produc i ele gaze de ser i, n special,
protoxid de azot.
Fig. 1.8. Reducerea emisiilor poluante (rou - n funcie de eficiena global de
producere; albastru - n funcie de capacitatea culturii de fixare de CO2)
-
19
n afara acestor aspecte, care in de eficiena global a producerii de biocombustibili, mai
trebuie luate n considerare i aspectele care in de valoarea EroEI a biocombustibililor (ERoEI
= Cta energie se obine din energia investit).
Pentru a extrage un baril de petrol, a-l prelucra si a-l transporta acolo unde este nevoie de
el, se folosete ntre a aizecia parte i a zecea parte din energia acelui baril. Cu alte cuvinte, ca s
se extrag, s se prelucreze i s se transporte 10 barili de petrol se consum ntre 0,17 si 1 baril
de petrol. Estimrile precaute ale ERoEI pentru energia cu care funcioneaz economia noastr
actual sunt mult peste 10:1 (cu o mare parte a economiei funcionnd n jurul lui 30:1).
La determinarea EroEI cad cele mai multe alternative energetice dup o simpl
examinare. Hidrogenul comercial este un bun exemplu despre cum s consumi mai mult energie
dect produci. Sursa cea mai comun pentru hidrogen este gazul natural. Gazul natural este tratat
cu abur. Aburul este obinut prin fierberea apei folosind i mai mult gaz natural, petrol, carbune,
prin ardere producndu-se de bioxid de carbon cu efect de ser. Bunul sim spune ca hidrogenul
comercial produs din gaze naturale nu este o soluie de reducere a emisiilor de gaze cu efect de
ser.
Biocombustibilii au un ERoEI mic, dac se ia n calcul i eficiena motoarelor (TTW -
tank to wheel) atunci, eficiena energetic a biodieselului din alge se aproprie de cea a benzinei.
Tabelul 1.2. Valorile EroEI pentru biocombustibili.
WTT TTW WTW
Benzina 10 0.3 3.0
Biodiesel din rapita 3.2 0.45 1.44
Biodiesel din uleiuri alimentare uzate 5 0.45 2.25
Biodiesel din alge >5 0.45 >2.25
Bioetanol din amidon de porumb 1.34 0.3 0.402
Bioetanol celuloza (iarba grasa) 2.2 0.3 0.66
Hidrogen din gaz natural 0.528 0.405 0.214
-
20
n tabelul 1.2 , s-au facut notaiile:
WTW - eficiena producerii i distribuirii;
TTW - eficiena motorului cu ardere intern;
WTW- eficiena de producere, distribuire i utilizare.
n cazul combustibililor trebuie luate n considerare i mrimea suprafeelor care trebuie
cultivate. 1 ha de rapi produce circa 1 tona de biodiesel. Un camion pentru un singur drum
Bucureti-Timioara (550 km la 25 litri/100 km) consum 137,5 litri de motorin. Un singur
drum, un singur TIR = 0,137 ha cultivate timp de un an.
Din motivele prezentate mai sus (impact negativ asupra mediului i, n special asupra
solului, intensificarea producerii de gaze cu efect de ser din sol) soluiile optime din punct de
vedere ecologic sunt sistemele integrate, n care sunt urmrite concomitent producerea de
biocombustibili, refacerea solurilor i reducerea emisiilor de gaze cu efect de ser din sol.
1.3. Sisteme integrate de producere de biocombustibili, refacerea solurilor i
reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera din sol.
Aceste sisteme se bazeaz pe (bio)conversia multipl a co-produselor rezultate de la
fabricarea biocombustibililor i implic:
un procedeu de utilizare a bagasei de sorg pentru producerea de bagas
comestibila lignocelulozic;
un bioproces de conversie a substratului pentru cultivarea ciupercilor in
amelioratori de sol cu eticheta ecologic;
o instalaie nou creat pentru producerea amelioratorilor de sol ;
bioproduse cu eliberare controlat pe baza tulpinilor biologic active de Bacillus
subtilis si Trichoderma viride;
cultivarea microorganismelor pe medii avnd ca surs de carbon apa glicerinoas;
un proces inovativ de condiionare a produselor biologice prin coacervare;
biopesticide pe baza tulpinilor active de Bacillus subtilis, Burkholderia cepacia,
Trichoderma viride, procesul de cultivare a microorganismului pe medii cu pe apa glicerinoas;
condiionare pe bagas de sorg sterilizat prin iradiere gamma;
-
21
biofertilizani pe baza de Rhizobium spp., Pseudomonas fluorescens, Azospirillum
spp., rezultai de la procesul de cultivare al microorganismelor pe medii cu apa glicerinoas i
(vii) condiionare pe bagas de sorg sterilizat prin iradiere gamma;
un bioinsecticid volatil produs printr-un proces de extracie a glucozinolatilor de la
roturi de rapita.
n fig. 1.9 este prezentat un alt proces integrat de fabricare a biocombustibililor, din care
rezult inclusiv amelioratori de sol. Procedeul implic un proces biochimic, de solubilizare a
carbohidrailor din biomas i procedee termochimic, de distilare uscat i de gazeifiere a
materialelor vegetale care nu sunt hidrolizabile enzimatic. Din procesul de distilare uscat rezult
un crbune vegetal cu proprieti foarte bune de absorbie, care este folosit pentru absorbia
gazelor poluante (NOx si SOx) emise de termocentrale (cu generarea unui fertilizant N-S cu
eliberare controlat).
Fig. 1.9. Ciclu integrat de conversie biochimic i termochimic a materialului vegetal
n biocombustibili, amelioratori de sol, cldur i energie electric
-
22
De menionat c subprodusele rezultate la distilarea bioetanolului fabricat din fermentarea
zaharurilor hidrolizate din biomas sunt i ele valorificate, prin producerea de biogaz i de
compost.
Ultimele tipuri de sisteme integrate care vor fi prezente aici sunt cele care iau n
considerare fixarea de ctre alge a bioxidului de carbon n vederea producerii de biodiesel,
biopesticide si amelioratori de sol.
n perioada anilor '80, Departamentul Energiei al SUA a finanat considerabil activiti de
C-D din "Programul speciilor acvatice", pentru producerea de carburani din cianobacterii sau din
microalge (biodiesel) pe scar mare, n sisteme consacrate. Acest efort a culminat cu operarea
unei instalaii pilot pe 0,2 ha in Roswell, New Mexico, cnd s-a demonstrat capacitatea tulpinilor
selectate de alge/cianobacterii de a fixa foarte eficient CO2 n bazine joase agitate de roi cu pale.
n timpul anilor '90, Japonia a sponsorizat RITE (Cercetari pentru Tehnologii Inovative
ale Pamntului), fiind fcut un foarte mare efort de C-D privind cianobacteriile / microalgele
utilizate pentru fixarea CO2 din gazele de ardere de la termocentrale i reducerea GHG, cu
accentul pe folosirea fotobioreactoarelor nchise cu diferite modele, n special din fibr optic i
producerea unor produse secundare cu valoare mare. n final, s-a dovedit c bazinele deschise
(majoritatea de tipul celor joase agitate de roi cu pale) constituie o metod de producie cu cost
mai eficient dect fotobioreactoarele.
Europa este, de asemenea, o parte din eforturile de cercetare a diminurii impactului GHG
prin fixare cu cianobacterii / microalge. Se vor prezenta aici cteva exemple. EniTecnologie
(Italia) a dezvoltat n 2005 un sistem pilot pentru utilizarea CO2 fosil emis de la o termocentral
NGCC pentru a produce biomas cianobacterian.
n cadrul reelei EUREKA, proiectul BIOFIX E3650, Institutul de Microbiologie de la
Academia Ceh de tiine, Institutul pentru Cercetarea Carburanilor de la Praga i Institutul
pentru Procesarea Cerealelor, departamentul Alge din Germania au nceput, pe 1 ianuarie 2006,
un proiect pentru utilizarea CO2 din gazele de ardere pentru creterea recoltei produse de
microalge.
Un studiu de fezabilitate a nceput recent (n vara anului 2005) la Universitatea
Internaional Bremen.
-
23
Proiectul va investiga perspectiva dezvoltrii unui sistem fotosintetic pe scar larg pentru
controlul gazelor de ser. Scopul este utilizarea cianobacteriilor ca sechestrani naturali pentru
emisiile de CO2 de la o termocentral pe carbune EON Ruhrgas de 350 MW la Bremen.
Toate aceste noi cercetri sunt menite s dezvolte noi ci de fixare (eficient i
sigur pentru mediu) a bioxidului de carbon, n paralel cu producerea de biocombustibili.
1.4. Tehnologii de obinere a biodieselului
Biodieselul exist de peste 100 de ani, de cnd la Expoziia Mondial de la Paris n 1900,
Dr Rudolf Diesel, inventatorul motorului diesel a pus n funciune primul motor care funciona cu
un combustibil derivat din uleiul de alun-biodieselul original.
Biodieselul a fost implementat n Africa de Sud nainte de cel de-al doilea rzboi mondial
pentru funcionarea motoarelor vehiculelor grele. La mijlocul anilor 70 penuria de combustibil a
readus n actualitate biodieselul ca alternativ la motorin.
n 1991 Comunitatea Europeana a propus o taxa de 90% pentru utilizarea
biocombustibililor incluznd biodieselul.
Astzi, ngrijorarea crescnd n legtur cu schimbrile climatice, calitatea din ce n ce
mai slab a aerului i a apei i consideraii serioase legate de sntatea uman sunt surse de
impuls pentru utilizarea biocombustibililor, ca o surs mai curat din punct de vedere al noxelor
i prin urmare a ncalzirii globale.
Biocombustibilii cei mai cunoscui n prezent sunt biodieselul (obinut din plante
oleaginoase precum rapia i floarea soarelui) i bioetanolul (obinut din zahr i amidon,
respectiv din recoltele de sfecl i cereale).
Aceti doi combustibili de transport lichizi au capacitatea de a nlocui, n mare msur,
motorina i benzina.
Cercetarea este pe cale s descopere tehnici de producie de a doua generaie care pot
produce biocombustibili din materiale lemnoase, din ierburi i unele tipuri de deeuri.
AVANTAJE BIODIESEL:
Este biodegradabil, reduce emisiile cu 50%; emisiile sale de hidrocarbon i dioxid de
carbon sunt neutre, este sigur (punctul de aprindere este de 1700C), este uor de amestecat cu
motorina obinuit
-
24
METODA:
Biodieselul se formeaz ca urmare a unei reacii chimice numit transesterificare, ceea ce
nseamn c glicerolul din ulei e substituit de alcool n prezena unui catalizator.
Cu ajutorul metodei se produce un biodiesel de calitate.
Materia prim folosit la fabricarea biodieselului trebuie s rspund cerinelor minimale
exprimate n standardul EN 14214, conform celor prezentate n tabelul.1.3.
Tabelul 1.3. Proprietile principalelor materii prime
DENUMIRE CERIN VALOARE DUP EN 14214
Trigliceride 99,1-99,4%
Coninutul de fosfor Maxim 20 mg/Kg
Acizi grai liberi (FFA) Maxim 1,5%
Nesaponificabile Maxim 2%
Polimerii Maxim 2%
Reziduuri Maxim 0,1%
Coninutul de ap Maxim 0,1%
Numrul iodin (g/100g) Maxim 120
Solide (particule mrime
-
25
Cu toate c la nceputul reaciei este necesar o amestecare puternic pentru a aduce n
contact uleiul, catalizatorul i alcoolul, la sfritul reaciei, o amestecare mai uoar mrete
randamentul reaciei, datorit separrii glicerolului. Randamentele sunt de 85-95%.
Fig. 1.10. Diagrama fluxului tehnologic pentru obtinerea biodieselului
1.5.2. Procede continue
Procedeul continuu [92] este o variaie a procesului pe arje i folosete mai multe
reactoare cu amestector n serie. Aceste reactoare pot avea volume diferite pentru a permite o
meninere mai ndelungat a amestecului i deci, un timp de reacie mai mare. Randamentul
reaciei n primul reactor este de obicei destul de mare, iar n cel de-al doilea reacia este foarte
rapid, cu transformare de peste 98% [4].
Fig. 1.11. Procedeul continuu cu reactor tubular
-
26
Fig 1.12. Reactor folosind aburi n contracurent
1.5.3. Procedee fr catalizatori
Procedeul Biox
Acest procedeu folosete ca solvent, tetrahidrofuran (THT), pentru solubilizarea
metanolului. Rezultatul este o reacie rapid, cu timp de 5 -10 minute, i se difereniaz de
celelalte metode prin faptul c nu exist reziduu catalitic. THT este ales ca co-solvent deoarece
are punctul de fierbere foarte apropiat de cel al metanolul. Dup ce reacia este
complet, excesul de metanol i tetrahidrofuran este recuperat ntr-o singur etap. Sistemul
necesit o temperatur relativ mic.
Fig. 1.13. Procedeul Biox
-
27
Procedeul supercritic
Un astfel de procedeu a fost utilizat n Japonia [60]: un amestec de ulei i metanol n
exces a fost supus timp de 3 minute la temperaturi i presiuni foarte ridicate, formndu-se esteri i
glicerol. Produii rezultai trebuie rcii imediat pentru a evita descompunerea lor. Reactorul
folosit a avut ns dimensiuni reduse 5ml, i a fost introdus n metal topit, dup care rcit.
Rezultatele sunt foarte interesante, dar mrirea la scar a acestuia este foarte dificil. n fig.1.14.
este prezentat configuraia unui procedeu de esterificare la punct critic.
Fig. 1.14. Procedeul de esterificare la punct critic
Procedeul de obinere a biodieselului cu catalizator bazic
Acest procedeu are dou puncte separate de intrare a materiei prime. Dac uleiurile
obinute au mai puin de 2,5% acizi grai liberi, esterificarea nu este necesar.
Lucrrile de cercetare au artat posibilitatea sintezei biodieselului prin transesterificare n
cataliza bazic omogen a trigliceridelor coninute n uleiul de rapi, cu metanol, cu formarea
esterilor metilici ai acizilor grai din ulei.
Date tehnice:
se obine biodiesel [25] din grasimi de origine vegetal si animal precum i din
uleiuri uzate;
produce 1000 litri de biodiesel /or;
efectueaz testarea calitii biodieselului naintea livrrii [88].
-
28
Fig. 1.15. Procedeul de obinere a biodieselului cu catalizator bazic
Fig. 1.16. Instalaia tehnologic CPU 1000 de producere a biodieselului [101]
-
29
CAPITOLUL 2
STADIUL ACTUAL AL CERCETRILOR PRIVIND
SISTEMELE DE PRENCLZIRE ALE BIODIESELULUI
LA MOTOARELE CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE
2.1. Generaliti privind formarea amestecului i a arderii biodieselului
Parametrii eseniali ce caracterizeaz procesul de injecie i definesc cel mai bine
calitile unui echipament de injecie sunt: doza de combustibil injectat pe ciclu, presiunea de
injecie, durata de injecie i caracteristica de injecie [56].
Doza ciclic de combustibil Qi reprezint cantitatea de combustibil introdus n cilindrul
motorului, la un anumit regim de funcionare, n timpul unui ciclu motor.
Presiunea de injecie reprezint presiunea combustibilului din amontele orificiului de
pulverizare. n timpul procesului de injecie presiunea este variabil.
Presiunea la care ncepe injecia combustibilului n cilindru se numete presiune iniial de
injecie sau presiune de deschidere a acului pulverizatorului (cnd orificiile de pulverizare sunt
controlate de o supap n form de ac). Presiunea maxim de injecie depete de 1.55 ori
presiunea iniial de injecie, la sisteme cu pomp de injecie pentru toate injectoarele iar la
pompa-injector presiunea poate fi cu mult mai mare.
Arderea biodieselului n motorul cu aprindere prin comprimare se face cu aer n exces
(=1.11.6); amestecul aer combustibil este srac.
Pentru formarea unui amestec aer-combustibil ct mai omogen, biodieselul trebuie
pulverizat n picturi foarte mici, vaporizat rapid i amestecat intim cu aerul admis n motor.
ntruct biodieselul se vaporizeaz relativ greu, pulverizarea trebuie fcut ct mai fin posibil.
Pulverizarea ct mai fin a biodieselului se obine prin injecia acestuia n camera de ardere a
motorului, utiliznd n acest scop un echipament de injecie format, n cel mai general caz, din
pomp de injecie, conduct de injecie i injector, biodieselul fiind n prealabil fitrat cu filtru
special pentru biodiesel i prenclzit.
Biodieselul este introdus n camera de ardere a motorului n form de jet, prin intermediul
injectorului. Jetul de biodiesel se caracterizeaz prin patru parametrii fundamentali: fineea
pulverizrii, omogenitatea pulverizrii, penetraia i unghiul de dispersie. Parametrii menionai
-
30
constituie caracteristicile jetului; acestea depind de caracteristicile constructive i funcionale ale
echipamentului de injecie i de starea tehnic a acestuia.
Fineea pulverizrii reprezint gradul de frmiare a jetului de biodiesel n particule i
se apreciaz prin diametrul mediu al acestora. Cu ct diametrul mediu al picturilor de biodiesel
este mai mic, cu att fineea pulverizrii este mai nalt. Diametrul mediu este cu att mai mic, cu
ct diametrul orificiului de pulverizare din injector (pulverizator) este mai mic i cu ct viteza
prin acest orificiu este mai mare. De asemenea, pulverizatorul cu mai multe orificii determin o
finee mai nalt a pulverizrii.
Prin omogenitatea pulverizrii se nelege frecvena de apariie a unor picturi cu
diametre cuprinse ntr-un interval determinat, centrat n jurul diametrului mediu. Omogenitatea
este maxim cnd toate picturile din jetul pulverizat au acelai diametru (pulverizarea este
perfect).
Penetraia jetului reprezint distana parcurs de partea frontal a jetului ntr-un timp
determinat. Penetraia optim se realizeaz atunci cnd jetul de biodiesel strbate ntreaga camer
de ardere fr s ating pereii reci ai cilindrului i fr s apar zone periferice cu a