23
PRODUCEREA SI UTILIZAREA A UNEI CANTITATI DE 25 M³ DE BIOGAZ PE ZI PROFESOR COORDONATOR:
PRODUCEREA SI UTILIZAREA A UNEI CANTITATI DE 25 M³DE BIOGAZ PE ZI
PROFESOR COORDONATOR:
CUPRINS
I. NOTIUNI GENERALE DESPRE BIOGAZII. OBIECTIVE GENERALEIII. STRATEGII SI DIRECTIVE EUROPENEIV. TEHNOLOGIA DE OBTINERE A BIOGAZULUI
V . STABILIREA NECESARULUI DE BIOGAZ (PENTRU INCALZIREA APEI MENAJERE, ENERGIA TERMICA PENTRU INCALZIT, PENTRU PREPARAREA HRANEI, NECESAR PENTRU INCALZIT )VI . STABILIREA POTENTIALULUI METANOGEN AL UTILIZATORULUI VII . ALEGEREA SI DIMENSIONAREA UNEI INSTALATII DE BIOGAZ
VIII. CONCLUZII VIIII. BIBLIOGRAFIE
I . NOTIUNI GENERALE DESPRE BIOGAZ
Biogazul reprezintă gazul care emană ca urmare a fermentaţiei subsţantelor organice, în lipsa oxigenului. Biogazul este un produs al fermentării anaerobe a produselor organice. El se produce pe cale naturală pe fundul bălţilor şi lacurilor ieşind la suprafaţă sub formă de beşicuţe. Este cunoscut de multă vreme sub denumirea de gaz de baltă sau gaz de gunoaie (se produce şi în timpul fermentării gunoaielor).
1
Produsul gazos rezultat în urma fermentării anaerobeîntr-un mediu cu umiditate și temperatură ridicată, în absența luminii.
Biogazul -un amestec de gaze atât combustibile cât și inerte, principalii constituenți fiind metanul și dioxidul de carbon, ambele în proporții variabile.
Mai simplu, sunt acele gaze care rezultă din descompunerea plantelor. Valoarea lor energetică nu este de neglijat, de aceea au fost inventate instalaţii speciale, menite să creeze condiţiile unei descompuneri controlate şi desigur captării gazelor rezultate din acest proces.Important este faptul că şi resturile procesului, respectiv cele rezultate în urma fermentării, pot fi folosite ca şi îngrăşamânt natural pentru culturi.
Compoziția aproximativă (în dependență de materia primă folosită):metan (50-90%), dioxid de carbon (8-48%), H2S (max. 2%), mici cantități din alte elemente: H2, O2, N, vapori de apă, particule solide, care, împreună, nu depăşesc, în general, 2%.Biogazul poate fi produs din aproape toate deșeurile organice:
•Dejecții animaliere –de la păsări, porcine, bovine, cabaline;
•Paie, fân, frunze; Plante energetice –rapița, sorgul zaharat;
•Reziduuri industriale alcoolice; Deșeuri din canalizare;
•Deșeuri din producția lactatelor, etc.
Producerea biogazului prin AD (Digestie Anaerobă) este utilizată pe scară largă de către societatea modernă, pentru tratamentul gunoiului de grajd şi altor reziduuri. Scopul este de a produce energie regenerabilă şi de a îmbunătăţi calităţile acestor materiale ca îngrăşăminte. În ţările cu producţie agricolă importantă, consolidarea legislaţiei de mediu şi a regulamentărilor cu
2
privire la gunoiul de grajd şi la reciclarea deşeurilor vegetale au crescut interesul pentru AD, ca o soluţie ieftină şi „prietenoasă” cu mediul. Cele mai recente evoluţii în Europa, Statele Unite ale Americii şi alte părţi ale lumii au arătat interesul în creştere în rândul agricultorilor pentru cultivarea de culturi energetice, utilizate ca materie primă pentru producerea de biogaz. AD reprezintă astăzi o tehnologie standard pentru stabilizarea nămolurilor de epurare primare şi secundare, de tratare a deşeurilor industriale organice din industriile de prelucrare a alimentelor şi de produse fermentate, precum şi pentru tratarea fracţiunii organice a deşeurilor municipale solide. Deşi se consideră că, în cadrul resurselor de Energie Verde, 65% din potenţialul României îl reprezintă biomasa, faţă de numai 1% energia solară, numărul de instalaţii de biogaz este mult mai mic decât al celor de obţinere a energiei solare. Legea 220/2008, cu modificările ulterioare, prevede susţinerea programelor pentru cogenerare prin obţinerea de biogaz.Deasemenea, Programul Uniuniii Europene numit POSCE sprijină pe cei interesaţi pentru a obţine informaţii tehnice şi fonduri pentru construcţia de instalaţii pentru producerea de biogaz. Acest program presupune însă ca minim 40% din energia obţinută să fie destinată vânzării către terţi.
Un avantaj pentru exploatarea biogazului îl reprezintă şi acordarea, de către Guvernul României, de certificate verzi pentru fiecare Megawatt produs.
În general, majoritatea instalaţiilor de biogaz din România sunt constituite în cadrul staţiilor de epurare a apelor reziduale, dată fiind compatibilitatea exploatării lor în cadrul acestora, dar şi a emisiei de gaze rezultate în urma proceselor de epurare, incluse în poluarea cu CO2.
O aplicaţie specială este recuperarea biogazului de la gropile de gunoi existente. Mai simplu, sunt acele gaze care rezultă din descompunerea plantelor. Valoarea lor energetică nu este de neglijat, de aceea au fost inventate instalaţii speciale, menite să creeze condiţiile unei descompuneri controlate şi desigur captării gazelor rezultate din acest proces.
Lipsesc însă instalaţiile de mici dimensiuni, care pot funcţiona în gospodăriile rurale sau în cadrul fermelor agro-zootehnice.
Deşi ecologizarea dejecţiilor din crescătoriile de animale presupune costuri însemnate, iar neutralizarea acestora este obligatorie, prea puţine societăţi de profil au înţeles eficienţa staţiilor de biogaz, care pot anula aceste costuri şi chiar aduc profit din această activitate.
Creşterea preţului la gaze naturale, precum şi cerinţele de protecţia mediului vor duce în viitor la creşterea numărului de instalaţii pentru obţinerea de biogaz. Pe lângă necesitatea elaborării unor programe naţionale de stimulare a producţiei de biogaz, este necesară şi iniţiativa fiecăruia dintre cei ce au la dispoziţie o sursă ieftină şi practic inepuizabilă de producere a energiei.
Biogazul este o sursă flexibilă de energie, potrivită multor aplicaţii. În ţările dezvoltate, una dintre cele mai simple aplicaţii ale acestuia o reprezintă gătitul şi iluminatul. În multe dintre ţările europene, biogazul este folosit pentru co-generarea energiei termice şi electrice (CHP). De asemenea, biogazul este îmbunătăţit şi folosit pentru alimentarea reţelei de gaze naturale, utilizat drept combustibil pentru autovehicule sau în tehnologiile pilelor electrice.In puturi mici de apă prin comparaţie cu alţi biocombustibili, biogazul necesită cele mai scăzute aporturi de apă tehnologică. Acest lucru este important, din punct de vedere al eficienţei energetice a biogazului, din cauza preconizatei crize a apei, prevăzută în multe regiuni ale lumii.Venituri adiţionale pentru fermierii implicaţi.
Producerea materiilor prime, combinată cu activitatea instalaţiilor de biogaz, fac tehnologiile biogazului atractive din punct de vedere economic şi contribuie la creşterea veniturilor fermierilor. În plus faţă de veniturile suplimentare, aceştia obţin noi şi importante funcţii sociale, precum cele de furnizori de energie şi de operatori pentru tratarea deşeurilor.
3
II. OBIECTIVE GENERALE
Potenţialul mondial al producţiei de energie pe bază de biomasă se estimează a fi la un nivel foarte ridicat. Evaluarea potenţialului energetic al biomasei se bazează pe numeroase studii, scenarii şi simulări, care demonstrează faptul că numai o mică parte a acestuia este folosită în prezent. Potrivit aceloraşi cercetări, gradul de utilizare a biomasei ar putea fi crescut semnificativ în viitorul apropiat. Asociaţia Europeană pentru Biomasă (AEBIOM) estimează că producţia europeană de energie, având ca bază biomasa, poate fi crescută de la 72 Mtep în 2004 la 220 Mtep în 2020. Cel mai mare potenţial de creştere corespunde biomasei de origine agricolă. implicite.
Spre exemplu, rata aproximativă de reciclare a deşeurilor de ambalaje provenite din consumul intern în anul 2002, a fost de 20 %. Valoarea totală a deşeurilor reciclate (hârtie, carton, plastic, sticlă, metal, lemn) a fost de 850 kt. În anul 2002 au fost reciclate de către societăţi autorizate 9000 t de deşeuri de ambalaje (7000 t ambalaje post-consum colectate din România şi 2000 t deşeuri tehnologice); 25000 t de deşeuri de sticlă colectate, au fost reciclate de două societăţi autorizate, SC Siltrom SA Bucureşti şi SC Sitmet SA Sighişoara. Patronatul Industriei de Celuloză şi Hârtie evaluează la 170 kt capacităţile actuale de reciclare a deşeurilor de ambalaje de hârtie şi carton.
În România, incinerarea deşeurilor nu reprezintă o practică obişnuită pentru tratarea/eliminarea deşeurilor municipale şi asimilabile. Directiva 2000/76/CE privind incinerarea deşeurilor reglementează desfăşurarea activităţilor de incinerare şi co-incinerare a măsurilor de control şi urmărire a instalaţiilor de incinerare şi coincinerare.
Reglementarea acestor activităţi are drepr scop prevenirea sau reducerea efectelor negative asupra mediului, în special poluarea aerului, solului, apelor desuprafaţă şi subterane şi a oricăror riscuri pentru sănătatea populaţiei. In România, din păcate, aceasta sursă de energie verde este prea puţin folosită, în ciuda susţinerii cu fonduri nerambursabile ale UE şi a existenţei pe scară largă a materiei prime pentru obţinerea sa. UE a promovat programul FARMAGAS, menit să susţină creşterea producţiei de energie regenerabilă prin producţia de biogaz.Uniunea Europeană are programe speciale de susţinere şi finanţare a producerii biogazului, acesta fiind considerat, pe bună dreptate, un sistem ieftin şi eficient de producere a energiei În momentul de faţă există aproximativ 109 milioane de hectare teren arabil în Europa. Conform AEBIOM, în ţările UE pot fi utilizate între 20 şi 40 de milioane de hectare (Mha) de teren pentru producţia agricolă de energie, fără a fi afectată producţia alimentară a Uniunii. Dacă 5% din acest teren ar fi folosit pentru culturile energetice, o rpoducţie de 15 tone de materie uscată solidă pe hectar ar putea oferi 23,4 Mtep (272 TWh) de energie în cazul în care aceasta ar fi convertită în biogaz, de 3 ori mai mult decât producţia actuală de biogaz a UE. 166 Mtep (1930 TWh) este potenţialul teoretic de producţie de energie primară din biogaz în 2020, potrivit unui studiu german. Comparativ cu utilizarea actuala de 8,7 Mtep (101 TWh), aceasta este o cifră teoretică, care nu va fi atinsă în următoarele decenii.
4
Potenţialul realist de metan provenit din gunoi de grajd, culturi energetice şi deşeuri este în jurul valorii de 40 Mtep (465 TWh) în 2020, comparativ cu o producţie de 8,7 Mtep (101 TWh) în 2010. Utilizarea de culturi secundare pentru producerea de biogaz nu a fost luată în considerare în calcul şi ar putea oferi un potenţial suplimentar. În 2020 biogazul ar putea oferi mai mult de o treime din producţia de gaze naturale ale Europei sau în jurul valorii de 10% din consumul european de 433,7 Mtep (5035 TWh) din 2007. Cele mai multe dintre ţările Uniunii Europene au elaborat o foaie de parcurs pentru biogaz, ca parte din Planul lor Naţional de Acţiune privind Energia din surse Regenerabile (PNAER). Aceste planuri au fost elaborate în cadrul Directivei privind Energia Regenerabilă (2009/20/EC). ECN (Centrul de Cercetare a Energiei din Olanda) a compilat toate datele extrase din documentele PNAER trimise la Comisia Europeană, în numele unui studiu finanţat de Agenţia Europeană de Mediu. Concluziile studiului arată că Uniunea Europeană este pregătită pentru o creştere bruscă a producţiei de electricitate din biogaz, care ar trebui să fie de la 12,5 TWh în 2005 la 63,3 TWh.
Bazat pe atingerea ţintelor pentru biogaz din PNAESR, în 2020, vom avea aproape 5%, producţie de electricitate şi 5% de căldură produse în sectorul energiei regenerabile în Europa. Raportat la consumul final de energie în Europa, cotele ar putea reprezenta 1,8% în sectorul energiei electrice şi aproape 1% în sectorul termic. Biogazul reflectă o pondere mică în comparaţie cu alte tehnologii regenerabile, dar totodată, această mică parte este o urgenţă pentru furnizarea de energie durabilă. Fiecare tip de energie regenerabilă prezintă eligibilitatea sa, iar biogazul prezintă o pondere crucială în acest lanţ de valori locale. Măsurile ce vor trebui să fie definite, care vor fi luate pentru a atinge ţintele UE:
În Statele Unite ale Americii, producţia anuală de deşeuri industriale şi menajere este considerat un fenomen cu permanentă tentă ascendentă: în 1920, media cantităţii de gunoaie nu era decât de 1,25 kg pe locuitor, în 1970 a ajuns la 2,5kg, în 1980 la 4 kg, iar după anul 2020 va atinge 7-8 kg. Oficialităţile federale competente apreciază că se cheltuiesc peste 5,5-6 miliarde de dolari pe an numai pentru a depozita sau a incinera reziduurile industriale şi menajere şi, odată cu ele, materii prime în valoare de sute de milioane de dolari.
La Paris, la cele peste 7000 t de deşeuri menajere produse zilnic, creşterea de numai 2 % (la cât se apreciază), ar aduce în plus în fiecare an o cantitate de peste 40000 t.
Un studiu publicat de Newsday în anul 1987, arată că guvernele statelor au cheltuit de 39 ori mai mulţi bani pentru incinerarea gunoaielor decât au investit în programe de reciclare a lor, fără a explica/justifica că incinerarea nu elimină nevoia de depozitare finală şi nici nu conduce la recuperarea materialelor. În Japonia, deşeurile menajere se ard în proporţie de 43-53 % şi se reciclează doar 26-39 %; înainte de unificare, Germania incinera 27 % din deşeurile menajere solide, în 1995 ajungând la 50 %, reciclând aproximativ o treime din producţia de hârtie, aluminiu şi sticlă; Danemarca, Franţa, Suedia şi Elveţia, aruncă mai puţin de jumătate din deşeurile menajere la gropile de gunoi; acelaşi aspect pentru Marea Britanie şi SUA, unde de la 80 % cât se deversau în gropile de gunoi, s-a ajuns la trei pătrimi, reciclarea făcându-se numai pentru o fracţiune mică a acestora.
5
III . STRATEGII SI DIRECTIVE EUROPENE
Politica UE se axeaza pe reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera cu 20%pana in anul 2020 conform urmatoarelor reglementari aplicabile ale UE:-Strategia Lisabona;-Cartea verde pentru „Strategia europeana pentru energie durabila, competitivasi sigura”;-Protocolul de la Kyoto;-Protocolul de la Goteborg;-Directiva 2001/77 EC Pentru promovarea energiei electrice produse din surseregenarabile de energie(RES).
IV. TEHNOLOGIA DE OBTINERE A BIOGAZULUI :
Materia primăDeşeurile agricole Instalaţiile agricole pentru tratarea deşeurilor prin digestie sunt
utilizate pe scară largă în întreaga lume, în ţările în curs de dezvoltare şi cele dezvoltate din de punct de vedere tehnologic. În comunităţile rurale sunt tipice unităţile de dimensiuni mici, Nepal având în jur de 47000 asemenea digestoare iar China, 6 milioane digestoare mici. Aceste instalaţii sunt utilizate în general pentru furnizarea de gaz pentru gătit şi pentru iluminat, pentru o singură gospodărie. În ţările mai dezvoltate, instalaţiile AD agricole la scară de fermă, sunt în general mai mari, iar gazul este utilizat pentru a genera căldură şi energie electrică, pentru funcţionarea instalaţiilor agricole şi pentru export. Aceste instalaţii de digestie la nivel de fermă sunt simple, de tip tanc cu agitare, care utilizează timpi lungi de retenţie ca să asigure tratamentul necesar. Evoluţiile moderne ale digestiei deşeurilor agricole au dezvoltat conceptul de digestie anaerobă centralizată (CAD), caz în care, mai multe ferme cooperează pentru a alimenta o singură instalaţie de digestie mai mare. Deşeurile furnizate de către acestea sunt în principal deşeuri agricole şi reziduuri de producţie dar, în unele cazuri, sunt, de asemenea, tratate şi mici cantităţi de deşeuri industriale şi municipale. Există beneficii semnificative de la folosirea acestor acorduri de cooperare, în ceea ce priveşte managementul nutrienţilor şi beneficii economice, dar acest lucru necesită depăşirea obstacolelor iminente şi încredere în controlul calităţii şi în igienizarea asigurate de proces.
În mod obişnuit, în ţările europene, între 30-70% din cantitatea de nămoluri provenite din sistemul de canalizare este tratată cu ajutorul tehnologiei AD, în funcţie de legislaţie şi de priorităţile naţionale. Sunt încă ţări în care efluentul este deversat în gropile de gunoi. Această practică are consecinţe negative asupra mediului, din cauza infiltrării nutrienţilor în apele freatice şi a emisiilor de GES în atmosferă, fiind interzisă în cele mai multe ţări europene.
Cu toate acestea, impactul asupra mediului al producerii şi utilizării biogazului necesită o analiză atentă pentru a fi utilizate într-un mod durabil. De exemplu, deşi, în general, utilizarea biogazului contribuie la un management al deşeurilor mai durabil, în unele cazuri producţia şi folosirea materiei prime (de exemplu, producţia de culturi energetice, extinderea monoculturilor) pot fi mai puţin „prietenoase” cu mediul, cu excepţia cazului în care sunt luate anumite măsuri. Cu scopul de a promova beneficiile producerii biogazului la nivel local, naţional, european, internaţional, trebuie să fie luate în considerare legislaţia de mediu şi cea agricolă: de exemplu, Directiva Habitate, Directiva privind păsările, Natura 2000, de eco-condiţionalitate, Convenţia internaţională privind biodiversitatea biologică şi Convenţia cadru a Naţiunilor Unite privind schimbărileclimatice. Din cele 30 milioane de tone de emisii de metan pe an la nivel mondial, generate de diferite sisteme de management al deşeurilor animale, cum ar fi stocarea materiilor solide, iazuri anaerobe pentru dejecţii, depozite lichide / nămoluri, şi direct la nivelul păşunilor, jumătate din emisii ar putea fi reduse prin AD controlată şi producere de biogaz. Asia şi Orientul Îndepărtat
6
emit 6.2 milioane de tone de metan pe an. În timp ce în Europa de Est emisiile sunt cauzate de sistemele management necorespunzător al deşeurilor animale, în Extremul Orient acestea sunt cauzate de numărul mare de animale.
Energie din biogaz şi căile sale de utilizare (1)Componentele principale ale biogazului:50 – 75 % metan (determină conţinutul energetic!)
20 – 45 % CO2
Urme de alte gaze, hidrogen şi vapori de apăConţinutul de energie al biogazului:1 m³ biogaz = 5,0 – 7,5 kWh = 1,5 – 3.0 kWhel1 m³ biogaz este echivalent cu cca. 0,6 litri de combustibil greu1 m³ biometan = 9 - 11 kWhInstalaţiile de co-generare (CHP) produc electricitate până la 7 500 – 8 000 ore p
V . STABILIREA NECESARULUI DE BIOGAZ NECESAR PENTRU O CASA CU TREI CAMERE
Utilizatorul are nevoie de biogaz pentru satisfacerea următoarelor cerinţe, enumerate în ordinea prioritaţii lor:
Energie termică pentru preparea hranei Energie termică pentru încalzirea apei menajere ; Enetgie termică pentru încalzirea locuinţei Energie electrică pentru nevoile casnice
În cele ce urmează se va lua în considerare cazul unei familii clasice de patru personae care locueşte într-o casă cu trei camere, într-o zonă cu climă temperată.
1) NECESAR BIOGAZ PENTRU PREPARAREA HRANEI PENTRU 1 PERSOANA- mic dejun => 1 ∙ 15 minute = 15 minute- pranz => 3 ∙ 15 minute = 45 minute- cina => 1 ∙ 15 minute = 15 minute TOTAL = 75 minute -cuptor =>1 ∙ 11,25 =11,25 minute Un ochi consuma in medie, 200 l biogaz/h => (75 minute ∙ 200 l)= 250 l biogazCuptorul consuma in medie, 480 l biogaz/h => (11,25 minute∙ 480 l): 60 = 90 l biogazTotal necesar biogaz necesar pentru gatit => ochi + aragaz =>250 l + 90 l = 340 l = 0,34 m³⁄ziPatru persoane ar consuma 0,34 m³ ∙ 4 = 1,36 m³⁄zi
2) NECESAR BIOGAZ PENTRU INCALZIT PENTRU 10 ORE:
MODUL DE REALIZARE AL IZOLATIEI TERMICEa) izolatie calitate termica foarte buna :
m³⁄h = 0,021 – 0,025 m³⁄10 h = 0,21 – 0,25
0,21 + 0,25 = 0,46 : 2 = 0,23 m³⁄10 ore75,40 m³ ∙ 0,23 m³⁄10 ore = 17,34 m³⁄10 ore
3) NECESARUL DE BIOGAZ PENTRU INCALZIREA APEI MENAJERE
7
Incalzire in boiler, inclusiv cu dus = 2,3 m³
4) NECESARUL DE ENERGIE ELECTRICA
În cazul exemplului considerat necesarul de energie electrică poate fi şi el diferenţiat în funcţie de gradul de confort dorit care la rândul lui, determină felul şi numarul consumatorilor de energie electriă.Pentru un caz mediu care asiguă iluminatul si prize în toate incaperile pentru cateva aparate electrocasnice,puterea total instalată va fi de Pi=1,5kw,iar factorul de simultaneitate de cca.0,6.Puterea efectivă necesară va fi deci de Pef=3,0 kw pe o durată medie de 8 ore/zi.Consumul de energie electrică va fi deci de 4kwh/zi.
Pentru realizarea puterii efective de 3kw este necesar un generator de cca3,3 kVA, antrenat de un motor termic de cca. 1,5 cai putere.Un astfel de convertor al biogazului în energie electrică ar consuma cca.0,5m3/h biogaz adică, in total 4m3 biogaz în cele 8 ore de funcţionare.Astfel de convertoare sunt reaizate însaă cu recuparare avansată a caldurii degajate de motorul termic şi din gazele de ardere astfel încâtenergia electrică reprzintă doar un sfert din energia adusă de biogaz şi cca. o treime din energia totală produsă.Cei 4m3 de biogaz necesari se vor împarţi deci astfel:
- 1 m3 biogaz pentru energie electrică;- 2 m3 biogaz pentru energie termică;- 1 m3 biogaz pierderi.
Calculul necesar de biogaz pentru asigurarea unui confort maxim:a) biogaz pentru gatit0,34 ∙4 persoane…………………........................................1,36 m³⁄zib) biogaz pentru preparare apa calda……....0,575x4 pers = 2,3 m³⁄zi
c) biogaz pentru incalzit……………..……………………17,34 m³⁄zi d) biogaz pentru energie electrica……………………….….4 m³⁄z
TOTAL = 25 m³⁄zi
Consumuri energetice partiale- gatit………………..1,85%- apa calda…………..3,12%- incalzire……….…62,45%- energie electrica….32,58% TOTAL = 100,00%
8
Schema complexă de transformare a biomasei, de diferite proveniente, in biogaz, trecand prin patru trepte caracteristice.
În treapta 1-a, enzimele secretate de grupe ale unor microorganism aerob sau facultative anaerobe, anumite şi exofermenti,ataca macromoleculele ca celuloza, amidonul,pectin, hemicelulozele, grasimile, proteinile si acizii nucleic şi le transforma în compusi cu molecule mai mici cum sunt diferitele tipuri de zaharuri ca celobioza, zaharoza, maltoza, xilobioza, apoi in acizi ca acid glacturonic, acizi grasi, aminoacizi respectiv in baze ca acidul fosfogliceric, purine, pirimidine.
În etapa a 2-a produsele treptei precedente sunt supuse fermentatiei in urma careia se vor obţine compuşi cu molecule şi mai simple.În aceşti compuşi se numără acizii carboxilici:formic, acetic, propionic, butiric, valerianic, etc.Din fermentaţia acestei trepte rezultă şi gaye şi anume hidrogenul, dioxidul de coarbon, amoniac, hidrogen sulfurat precum şi diferiţi alcooli ca etilic, metilic, propilic, butandiol, etc.
9
În treapta a 3-a, strict anaeroba, se formeaza compusi metanogeni din molecule mai mari ale treptei precedente.Rezulta din nou acid acetic, hydrogen, bicarbonati, acid formic si methanol.
În treapta a 4-a se formează metan şi dioxid de carbon,componenti principali ai biogazului, in care se vor gasi, în proportie mică gazelle rezultate in categoria a doua:hidrogen sulfurat si amoniacul.
Trebuie precizat ca mecanismul integral al metanogenezei este deosebit de complex si ca unele aspect nu sunt elucidate nici până in present,dar expunerea acestora nu face obiectul prezenţei expunerii pe care ar incarca-o în mod inutil.
Factorii care influenţeaza producţia de biogaz.
Pe baza experienţei îndelungate acumulate de catre cei care, în decursul timpului ai cercetat si urmarit producerea biogazului, urmatorii factori sunt determinanţi in productia de biogas.
1.Materia primă;2.Temperatură;3.Presiunea;4.Agitarea ;5.Ph-ul.
Materia primă trebuie să asigure mediul prielnic dezvoltarii şi activitaţii microorganismelor ce concură la digestia substratului şi in final, la producerea biogazului.Acest mediu trebuie sa satisfacă urmatoarele condiţii:
Sa conţină materie organica biodegradabila, Sa aiba o umiditate ridicata,peste 90%, Sa aiba o reacţie neutră sau aproape neutră(Ph=6,8-7,3), Sa conţina carbon şi azot într-o anumita proporţie(C/N=15-25), Sa nu conţina substante inhibitoare pentru microorganisme:unele metale grele,
detergenţi, antibiotice,concentraţii mari de sulfaţi, formol, dezinfectanţi, fenoli etc.
Pentru obţinerea biogazului se pot utiliza materii prime organice de provenienţă foarte diferită:deşeuri vegetale, deşeuri menajere, fecale umane,dejecţii animaliere, gunoiul de grajd, ape reziduale din industria alimentară si zootehnie, etc.
Materiile prime pot fi utilizate exclusive sau in amestec.S-a constatat ca, prin amestecarea diferitelor materii prime, capacitatea metanogenă a amestecului exprimată în 1/kg substantă organică(S.O.),este mai mare decât media rezultaă din calculul artmetic.
Aceasta potenţare sinergică se datorează faptului că în amestecuri de materii prime se realizează raporturi mai bune intre conţinutul de carbon de carbon şi cel de azot, raport foarte important în producţia eficientă de biogas şi care, dupa cum s-a arătat, trebuie sa fie cuprins in intervalul 15-25.
VI. STABILIREA POTENTIALULUI METANOGEN AL UTILIZATORULUI
Cantitatea de biogaz care poate fi obtinuta din deseurile organice ale unei gaspodarii depinde de multi factori care tin de marimea si structura acesteia.O microferma care are culturi agricole si are in exploatarea zootehnica 13 vaci de lapte, 5 cai si 58 de gaini si numeroase deseuri agricole (ierburi, resturi vegetale ramase din gradina
10
precum si apa menajera provenita de la cei patru membri ai familiei si din pregatirea mancarii, poate conta pe urmatorul potential de biogaz, echivalent in urmatorul tabel.
RESURSA U.M. CANTITATE
BIOGAZ OBTENABILm³⁄ziPe U.M. Total
Vaci de lapte cap 13 1,4 18,2Cai cap 5 1,0 5Locuitori echivalenti cap 4 0,06 0,24Ierburi Kg/zi 5 0,05 0,25Resturi vegetale uscate Kg/zi 5 0,1 0,5Gaini ouatoare cap 58 0,014 0,812Total general 25,002
Tabel. 1. Microferma care poate produce biogazul
Pentru a stabili ca aceasta reteta este valabila, pentru a alimenta si a produce biogaz, se verifica raportul carbon/azot.
RESURSACantitatea pe cap(kg/zi)
Total kg/zi
Raport C/N
Produs pt calcul
Vaci de lapte 40 560 25 14.000Cai 22 110 24 2.640Locuitori 1 4 29 116Ierburi - 5 25 125Resturi vegetale tocate - 5 22 110Gaini 0.2 14,4 1,5 216Total general 698,4 17.207
Tab. 2. Raportul carbon/azot
Facand raportul dintre totalul ultimei coloane si totalul celei dea treia coloana se obtine raportul C/N pentru intrgul amestec.17.207 / 698,4 = 24,63 = C/N, raportul bun pentru obtinerea biogazului.
Retata de amestecPentru a calcula corect o retata de amestec de materii prime trebuie sa tinem cont de urmatoarele:
- Realizarea unui raport C/N cuprins intre 15 – 25- Asigurarea unei umuditati de cel putin de 90% pentru amestecPentru a se calcula corect raportul C/N procedam astfel:Scoatem valorile C/N din tabelul 2.2.1.3. al indrumarului, a dejectiilor (vaci, cai), frunze, ierburi etc.Vaci de lapte C/N………………25Cai C/N………………24Locuitori C/N……...……….29Ierburi C/N………………25Resturi vegetale C/N………………22Gaini C/N………………15
11
Pentru ca amestecul sa aiba C/N cuprins intre limitele 15 -25 se observa ca dejectiile sunt cele care corecteaza raportul C/N.
Dejectii de cal 2 parti x 24 = 48Dejectii de vita 2 parti x 25 = 50Locuitori 1 parti x 29 = 29Ierburi 2 parti x 25 = 50Gaini 3 parti x 15 = 45
_______________ 10 parti 222
Pentru a potrivi umiditatea amestecului va trebui sa se consulte tabelul 2.2.1.4. in care sunt date continutul de substanta uscata, umiditatea, precum si de substanta organica raportata la totalul materiei prime.
Notand procentele medii (din total) de sustanta uscata pentru cele cinci materiale de mai sus C, V, L, I, si G, continutul mediu de substanta uscata in ultima reteta va fi :
2 x cal + 2 x vita + 1x locuitori + 2 x ierburi + 3 x gaini = 10 2x24 + 2x25 +1x29 + 2x25 + 3x15 =22,2 % S.U. 10
Raportul C/N =222/10 = 22,2 => deci raportul este bun10 parti amestec x 22/8 = 220/8 = 27,5 parti amestec S.U.
Deci cele 10 parţi de amestec conţin 22,2% substanţă uscată.Pentru acest amestec
la un conţinut de apa de 92%, de exemplu, adica la un conţinut de substanţă uscată de 8%,
cantitatea de apă ce va trebui adaugată se va obţine din calculul urmator: 10 parti amestec x
222,2/ 8 = 27,5 parti amestec (rotunjim)
Compozitia finala care va fi supusa fermentarii va cuprinde: Dejectii de cal 2 parti
Dejectii de vita 2 parti Locuitori 1 parti Ierburi 2 parti
Gaini 3 parti Apa 10 partiTOTAL = 26 PARTI
VII. ALEGEREA SI DIMENSIONAREA UNEI INSTALATII DE BIOGAZ
Ca şi structură, o instalaţie simplă de producere a biogazului este formată din:
- rezervor de admisie
- digestor
12
- cupolă de captare
- rezervor de ieşire a gazului
- o fosă de resturi
În principiu, în rezervorul de admisie se depune biomasă, căreia i se adaugă apă pentru crearea unei paste, apoi aceasta trece într-un digestor în care pasta obţinută fermentează. Digestorul este de fapt un bazin etanş, construit în general din beton, rezistent la presiunea gazelor. Există şi bazine din alte materiale, dimensionate în funcţie de cerinţele beneficiarului.
Cupola de captare este partea superioară a bazinului, în care se colectează gazele – biogazele rezultate. Acestea se acumulează într-un rezervor de ieşire, de unde se transportă către instalaţia de ardere şi obţinere a energiei termice.
Important este faptul că şi resturile procesului, respectiv cele rezultate în urma fermentării, pot fi folosite ca şi îngrăşamânt natural pentru culturi.
În general, instalaţiile sunt îngropate, pentru a se putea asigura mai uşor atingerea temperaturii necesare fermentării, mai ales în cazul instalaţiilor de gospodărie, dar şi pentru a asigura accesul şi transportul elementelor necesare. Se mai practică şi transferarea apelor reziduale prin conducte către rezervorul de admisie, evitând astfel poluarea mediului cu acestea.
În principiu, în rezervorul de admisie se depune biomasă, căreia i se adaugă apă pentru crearea unei paste, apoi aceasta trece într-un digestor în care pasta obţinută fermentează. Digestorul este de fapt un bazin etanş, construit în general din beton, rezistent la presiunea gazelor. Există şi bazine din alte materiale, dimensionate în funcţie de cerinţele beneficiarului.
Cupola de captare este partea superioară a bazinului, în care se colectează gazele – biogazele rezultate. Acestea se acumulează într-un rezervor de ieşire, de unde se transportă către instalaţia de ardere şi obţinere a energiei termice.
Important este faptul că şi resturile procesului, respectiv cele rezultate în urma fermentării, pot fi folosite ca şi îngrăşamânt natural pentru culturi.
În general, instalaţiile sunt îngropate, pentru a se putea asigura mai uşor atingerea temperaturii necesare fermentării, mai ales în cazul instalaţiilor de gospodărie, dar şi pentru a asigura accesul şi transportul elementelor necesare. Se mai practică şi transferarea apelor reziduale prin conducte către rezervorul de admisie, evitând astfel poluarea mediului cu acestea.
Dimensionarea unei staţii de biogaz se face în funcţie de intenţiile utilizatorului, care, fie doreşte obţinerea unui surplus de energie din biomasa rezultată din procesele de prelucrare proprii, fie urmăreşte colectarea biomasei de la alte unităţti de producţie, cu scopul de a produce şi valorifica energia obţinută.
INTRARI UM CANTITATI IESIRI UM CANTITATIDejectii kg 1000 Namol fermentat kg 1969,4
Apa dilutie kg 1000 Biogaz 25 m3 kg 30,6TOTAL kg 2000 Substanta uscata kg 2000,0
Subst uscata kg% 84,5/8,5 Substanta organica kg% 66,7/6,67Carbon kg% 70,8/7,8 Carbon kg% 44,4/4,45
13
Azot kg% 1,48/1,7 Azot kg% 1,48/24Raportul C/N ___ 16,5 Raportul C/N ___ 11.5
Tabel 3 Cifrele caracteristice ale componentelor principale inainte si dupa fermentare
14
15
