Introducere
Biocombustibilii sunt combustibili solizi, lichizi sau gazoşi obţinuţi din biomasa
plantelor oleaginoase, ierboase sau lemnoase, deşeuri agricole şi forestiere, deşeuri organice
municipale şi industriale. Biocombustibilii sunt reprezentaţi de alcooli, eteri, esteri. Teoretic,
biocombustibilii pot fi obţinuţi din orice sursă biologică de carbon. (Gog, 2008)
Biomasa lignocelulozică reprezintă o sursă abundentă şi ieftină de resurse energetice
regenerabile. De exemplu, reziduurile de trestie-de-zahăr, numite bagase, rezultate în urma
extracţiei zahărului din trestia-de-zahăr sunt generate în cantităţi foarte mari în ţări ca
Brazilia, Tailanda, India, Hawaii şi în sudul S.U.A.. Teoretic, o tonă de bagase uscată poate
genera circa 424 litri etanol. (Vintilă, 2007).
Alte produse lignocelulozice care pot fi folosite ca surse de energie sunt: reziduuri sau
subproduse agricole (coceni de porumb, paie de grâu sau orez), reziduuri forestiere, reziduuri
din industria celulozei şi hârtiei, plante ierboase energetice.
Spre deosebire de amidon, care este un polimer omogen şi uşor de hidrolizat, materia
lignocelulozică vegetală conţine celuloză, hemiceluloză, lignină şi alte componente greu de
hidrolizat. Toate aceste componente trebuie iniţial tratate chimic şi enzimatic, până sunt
transformate în zaharuri care pot fi fermentate la alcool. Cu toate că biomasa lignocelulozică
este disponibilă în cantităţi foarte mari, provocarea principală pentru a face produsul
competitiv din punct de vedere comercial este reducerea costurilor procesului de conversie a
biomasei la etanol.
În acest moment se apreciază că sunt aplicabile economic şase tipuri de tehnologii de
conversie a biomasei în produse energetice, alegerea tehnologiei depinzând de o serie de
factori printre care se numără costurile produsului energetic, volumul biomasei care urmează
să fie transformată în biocombustibili sau accesul la piaţa energetică. (Imireanu, 2010)
1
1. Biomasa vegetală
Biomasa vegetală sau biomasa lignocelulozică este alcătuită din 26 % lignină, 44 %
celuloză şi 30 % hemiceluloză.
Se utilizează de regulă deşeuri lemnoase care pot fi valorificate ulterior pentru
obţinerea de biocombustibili. Biomasa, fiind o componentă a ciclului carbonului în natură,
contribuie la absorbţia dioxidului de carbon din atmosferă prin procesul de fotosinteză. În
felul acesta, creşterea producţiei de biomasă la nivel mondial are impact pozitiv asupra
mediului înconjurător prin reducerea gazelor cu efect de seră de până la 209 milioane tone
CO2 echivalent/an. (Gog, 2008)
Folosirea biomasei vegetale pentru obţinerea prin ardere a energiei oferă o serie de
avantaje:
1. Protejarea mediului înconjurător prin evitarea creşterii cantităţii de CO2 în
atmosferă. Prin folosirea biocombustibililor vegetali, CO2 rămâne într-un circuit închis.
Plantele iau CO2 din atmosferă în procesul de fotosinteză, iar prin arderea biocombustibililor
se degajă energie şi aceeaşi cantitate de CO2, care fusese luată iniţial din atmosferă, astfel că,
în final, nu se provoacă nici o creştere a cantităţii de CO2 din atmosferă.
2. Un impact ecologic pozitiv îl are şi faptul că la arderea unor biocombustibili şi alte
emisii din gazele de ardere sunt în cantitate mai mică decât în gazele de la arderea
combustibililor fosili.
3. Biocombustibilii proveniţi din reziduuri sau din produse secundare ale producţiei
agricole, cum sunt paiele, cocenii şi altele, pot avea şi un preţ scăzut.
4. Unele dintre plantele energetice cultivate sunt nepretenţioase în ceea ce priveşte
condiţiile de sol şi se pretează bine la lucrările mecanizate.
Biomasa vegetală, reprezentată de plantele oleaginoase, de culturile şi deşeurile
agricole, de biomasa şi deşeurile lemnoase sau de deşeurile industriale şi municipale trebuie
recoltată, colectată şi depozitată, iar apoi necesită anumite tehnologii de conversie pentru a
rezulta produşii finali.
Tehnologiile de conversie pot fi chimice (transesterificare), fizico-chimice (extracţie),
biochimice (fermentaţie) sau termo-chimice (gazificare). Se pot obţine în aceste procese şi
produşi secundari care sunt apoi transformaţi în produşi finali. Produşii finali sunt
combustibili pentru transport (biodiesel, bioetanol), combustibili generatori de căldură şi
electricitate şi compuşi chimici valoroşi (farmaceutici, polimeri). (figura 1)
2
Figura 1. Valorificarea biomasei vegetale (Gog, 2008)
Procesarea biomasei vegetale se poate realiza prin metode termice, biologice sau
mecanice. Procesarea termică constă în combustia biomasei, piroliză, gazificare, iar cea
biologică se face prin fermentaţie sau digestie. Produsele obţinute sunt bio-uleiul, biogazul,
căldura, etanolul şi uleiul vegetal. Valorificarea finală constă în obţinerea de compuşi chimici
de interes, căldură, electricitate şi combustibili de transport. (figura 2)
Figura 2. Procesarea biomasei vegetale (Gog, 2008)
3
Combustia directă a biomasei este procesul termic folosit la mai mult de 90 % din
centralele de obţinere a energiei termice din întreaga lume. Arderea combinată a biomasei
lemnoase în amestec cu cărbunele este utilizată pentru producerea de apă caldă sau
electricitate.
Piroliza biomasei lemnoase este o tehnologie care constă în încălzirea biomasei
lemnoase într-un mediu controlat, fără oxigen, ceea ce conduce la producerea de cantităţi
diferite de combustibil lichid, gaz şi cărbune de lemn.
Procesul de gazificare constă în încălzirea şi arderea lemnului cu o cantitate mică de
oxigen, ceea ce conduce la transformarea, într-o proporţie înaltă, a lemnului în gaz. În acest
proces se utilizează ca materie primă lemnul, masa verde, mangalul, deşeurile şi alte materiale
ce fac parte din categoria biomasei, iar gazul rezultat este utilizat pentru producerea de
căldură şi/sau electricitate.
Gazificarea este un proces termochimic de transformare a biomasei în aşa numitul gaz
de generator care conţine CO, H2, CH4 şi alte gaze (azot) şi care poate fi utilizat, cu unele mici
modificări, în motoarele ce funcţionează pe benzină sau pe combustibili diesel.
Tehnologiile de gazificare a biomasei sunt de o mare diversitate. Teoretic, orice
biomasă vegetală cu un conţinut de umiditate variind între 5 % şi 30 % poate fi gazificată.
Totuşi, nu din orice biomasă se poate obţine gaz de generator de calitate.
Pe lângă posibilităţile numeroase de valorificare a biomasei pentru obţinerea de
biocombustibili, aceasta poate fi procesată şi pentru obţinerea unei game variate de compuşi
chimici de mare interes, în procese separate (extracţia) sau cuplate cu procesele de obţinere a
biocombustibililor. (figura 3)
Figura 3. Valorificarea biomasei vegetale pentru obţinerea compuşilor chimici (Gog,
2008)
4
2. Producţia de biocombustibili
Criza mondială de energie din ultimul timp a pus pe jar comunitatea ştiinţifică
internaţională. Preţul ţiţeiului este tot mai greu de controlat. De aceea, trebuie căutate noi
metode de a obţine combustibili „pe cale naturală”. Se pare că soluţia cea mai bună o
reprezintă înlocuirea combustibililor convenţionali, fosili, cu biocombustibili obţinuţi din
surse regenerabile. (Vintilă, 2007)
O sursă permanentă de materie energetică o reprezintă plantele care conţin glucide sau
poliglucide care înmagazinează energie, cum ar fi porumbul ce conţine o cantitate mare de
amidon. Acesta poate fi transformat cu ajutorul enzimelor în glucoză, care poate fi fermentată
de către microorganisme la etanol, ce constituie un biocombustibil de calitate.
U.E., cu toate că se află în grupul celor mai mari producători de biocombustibili, este
devansată cu mult de ţări ca Brazilia sau S.U.A.. În anul 2003, la 30 de ani după ce Brazilia a
lansat programul „pro alcool”, U.E. a stabilit cadrul legal şi fiscal pentru încurajarea
producerii şi folosirii biocombustibililor în ţările membre. (Vintilă, 2007)
Pachetul legislativ constă în două directive. Cea „promoţională” stabileşte indicatorii
şi ţintele pentru a încuraja statele membre să utilizeze 2 % biocombustibili din consumul total,
până în 2006, şi 5,75 %, până în 2011. A doua directivă se referă la taxarea produselor
energetice (directiva 2003/30/EC privind promovarea folosirii biocombustibililor sau a altor
combustibili ecologici pentru transport, OJ L 123 din Mai 2003). Sub această directivă, statele
membre vor putea să scutească de impozite, complet sau în parte, produsele care conţin
substanţe ecologice. (Vintilă, 2007)
În 2002, alcoolul combustibil reprezenta aproximativ 15 % din alcoolul produs în U.E.
(396 milioane litri) şi era produs doar în trei ţări: Spania (56 %), Franţa (30 %) şi Suedia (14
%). Dacă în U.E. se impune adăugarea de minimum 5,75 % biocombustibil până în 2011, în
Brazilia, spre exemplu, deja legea impune introducerea a minimum 26 % etanol în benzină.
Însă, în Brazilia, etanolul este produs din bagase (trestie-de-zahăr epuizată, rezultată în urma
extracţiei zahărului) şi, doar o mică parte, din porumb. (Vintilă, 2007)
În ceea ce priveşte promovarea biocombustibililor în U.E. şi România, factorii
economici şi politicile economice pe termen lung şi mediu, prin acordarea de subvenţii şi
fonduri pentru utilizarea surselor regenerabile de energie, creează un context economic
favorabil creşterii gradului de valorificare energetică a acestora. (Imireanu, 2010)
5
În ceea ce priveşte potenţialul energetic de biomasă al României, acesta a fost evaluat,
la nivelul anului 2000, la circa 7594 mii tone/an, adică 318 x 109 MJ/an, ceea ce reprezintă
aproape 19 % din consumul total de resurse din anul respectiv. (Imireanu, 2010)
Figura 4. Evoluţia biocombustibililor în U.E. între 1998 şi 2006 (Roman, 2009)
Figura 5. Cererea de biodiesel şi bioetanol şi rata de încorporare până în anul 2020 în
U.E.27 (Roman, 2009)
6
3. Necesitatea biocombustibililor
Conform Roman şi colab., 2009, biocombustibilii sunt necesari pentru:
1. Securitatea energetică
• Creşterea securităţii energetice prin diversificarea resurselor energetice
utilizate şi limitarea dependenţei de resursele energetice de import;
• Reducerea importurilor de produse petroliere;
• Lărgirea bazei resurselor energetice prin utilizarea potenţialului naţional de
resurse bioenergetice;
• Creşterea nivelului de eficienţă a tehnologiilor.
2. Durabilitate
• Îmbunătăţirea eficienţei energetice a tehnologiilor de producţie şi utilizare a
biocarburanţilor;
• Utilizarea raţională a resurselor de sol ale ţării fără a rezulta un impact negativ
asupra biodiversităţii şi secătuirea solurilor bogate în carbon;
• Reducerea emisiilor cu efect de seră pe întreg ciclul de producere şi utilizare a
biocarburanţilor (Primul pas a fost semnarea Protocolului de la Kyoto care presupune
reducerea emisiei gazelor de seră cu 70%);
• Utilizarea deşeurilor agro-alimentare, municipale şi forestiere;
• Susţinerea activităţilor de cercetare-dezvoltare, diseminare şi transfer
tehnologic a rezultatelor cercetărilor aplicabile cu privire la producerea şi utilizarea
biocarburanţilor.
3. Competitivitate
• Dezvoltarea pieţelor concurenţiale privind carburanţii în acord cu impactul de
mediu al acestora pe întreg ciclul de viaţă;
• Lărgirea gamei de plante energetice cultivate în România în concordanţă cu
condiţiile pedoclimatice ale ţării;
• Dezvoltarea tehnologiilor de cultură a plantelor energetice prin maximizarea
nivelului producţiilor şi creşterea eficienţei energetice;
• Optimizarea tehnologiilor de producţie a biocarburanţilor de generaţia întâi
(biomotorinelor şi biobenzinelor);
• Dezvoltarea tehnologiilor de producţie a carburanţilor de generaţia a doua.
7
4. Dezvoltarea socio-economică a zonelor rurale
• Utilizarea la întreaga capacitate a potenţialului agricol existent în zonele rurale;
• Dezvoltarea unor IMM-uri în zonele rurale;
• Lărgirea pieţei produselor agricole (alimentare şi nealimentare);
• Creşterea gradului de ocupare a forţei de muncă disponibilă în zonele rurale;
• Promovarea unei pieţe a energiei regenerabile va contribui la realizarea
obiectivelor revizuite de la Lisabona, printr-o creştere a ocupării forţei de muncă şi a
eforturilor depuse în domeniul activităţii de cercetare şi de inovare.
4. Tipuri de biocombustibili
Conform Directivei EC/2003/30 a Consiliului şi Parlamentului European din 8 mai
2003 privind promovarea utilizării biocombustibililor sau a altor combustibili regenerabili
destinaţi transportului, biocombustibilii sunt următorii:
(a) ”bioetanolul”: etanol extras din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a
deşeurilor, care poate fi folosit ca biocombustibil;
(b) ”biodiesel”: un metil-ester extras din ulei vegetal sau animal, de calitatea
dieselului, care poate fi folosit ca biocombustibil;
(c) ”biogas”: un combustibil gazos rezultat din biomasă şi/sau din partea
biodegradabilă a deşeurilor care poate fi purificat la calitatea gazului pur, care poate fi folosit
ca biocombustibil sau gaz de lemn;
(d) ”biometanol”: dimetilester extras din biomasă, pentru a fi folosit ca
biocombustibil;
(e) ”biodimetileter”: dimetilester extras din biomasă, pentru a fi folosit ca
biocombustibil;
(f) ”bio-ETBE (etil-terţo-butil-ester)”: ETBE este produs pe bază de bioetanol.
Procentul în volum de bio-ETBE socotit ca biocombustibil este de 47 %;
(g) ”bio-MTBE (metil-terţo-butil-eter)”: un combustibil pe bază de biometanol.
Procentul în volum de bio-MTBE socotit ca biocombustibil este de 36 %;
(h) ”biocombustibilii sintetici”: hidrocarburi sintetice sau amestecuri de hidrocarburi
sintetice care au fost extrase din biomasă;
8
(i) ”biohidrogen”: hidrogen extras din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a
deşeurilor, pentru a fi folosit ca biocombustibil;
(j) ”uleiul vegetal pur”: ulei produs din plante uleioase prin presare, extracţie sau
proceduri comparabile, crud sau rafinat, dar nemodificat chimic, atunci când este compatibil
cu motoarele la care este folosit şi când este conform cerinţelor normelor privind noxele.
O altă clasificare a biocombustibililor este prezentată de Gog şi colab., 2008.
1. Biocombustibili de generaţia I
Sunt obţinuţi din carbohidraţi, amidon, ulei vegetal, grăsimi animale prin tehnologii
convenţionale. Dezavantajul major al acestor biocombustibili este faptul că biomasa utilizată
este comună cu cea folosită pentru alimentaţie.
Tabelul 1. Biocombustibili de generaţia I
Biocombustibili Nume specific Materie primă Tehnologia de
conversieUlei vegetal pur Ulei vegetal crud (PPO –
pure plant oil)
Culturi de plante
oleaginoase (rapiţă, soia,
floarea soarelui, palmier,
jatropha, canola, ricin etc.)
Extracţie prin
presare la rece
Biodiesel Biodiesel din culturi
energetice
Metil-ester din seminţe
de rapiţă (RME) – acid
gras metil/etil ester
(FAME / FAEE)
- Culturi de plante
oleaginoase (rapiţă, soia,
floarea soarelui, palmier,
jatropha, canola, ricin etc.)
- Uleiuri arse, reziduale
- Extracţie prin
presare la rece,
purificare şi
transesterificare
- Hidrogenare
Bioetanol Bioetanol convenţional Sfeclă de zahăr, trestie de
zahăr, cereale
Hidroliză şi
fermentaţieBiogaz Biogaz purificat Biomasă (umedă) Digestie anaerobăBio-ETBE Bioetanol Sinteză chimică
2. Biocombustibili de generaţia a II-a
9
Biomasa este reprezentată de materiile lignocelulozice obţinute prin recoltarea
plantelor care nu sunt destinate alimentaţiei şi biomasa reziduală. Astfel se pot produce
bioetanol celulozic, biocombustibili sintetici, biogaz din material lignocelulozic şi
biohidrogen din material lignocelulozic.
Tabelul 2. Biocombustibili de generaţia a II-a
Biocombustibili Nume specific Materie primă Tehnologia de
conversieBioetanol Bioetanol
celulozic
Biomasă lignocelulozică şi
deşeuri de biomasă
Hidroliză avansată şi
fermentaţieBiogaz Gaz natural
sintetic (SNG)
Biomasă lignocelulozică şi
deşeuri de natură
lignocelulozică
Piroliză/Gazificare şi
sinteză
Biodiesel Biomasă
transformată în
lichid (BTL)
Diesel Fischer-
Tropsch (FT)
(Bio)diesel
sintetic
Biomasă lignocelulozică şi
deşeuri de natură
lignocelulozică
Piroliză/Gazificare şi
sinteză
Biohidrogen Biomasă lignocelulozică şi
deşeuri de biomasă
Gazificare şi sinteză /
Proces biologicAlţi
biocombustibili
Biometanol
Amestecuri de
alcooli
superiori
Biodimetileter
(Bio-DME)
Biomasă lignocelulozică şi
deşeuri de natură
lignocelulozică
Gazificare şi sinteză
3. Biocombustibili de generaţia a III-a
10
Biomasa este reprezentată de materii prime modificate genetic: plante oleaginoase cu
o productivitate crescută de ulei, biomasă lemnoasă cu conţinut mai mic de lignină pentru
îmbunătăţirea procesului de prelucrare.
Specialiştii au dezvoltat plopi cu conţinut mai mic de lignină pentru îmbunătăţirea
procesului de prelucrare. Cercetătorii deja au făcut harta genetică a sorgului şi a porumbului,
ceea ce permite agronomilor modificarea informaţiei genetice în scopul reglării producţiei de
ulei. Archer Daniels Midland Company (ADM) este o firmă americană care de ani de zile
dezvoltă astfel de soiuri de plante. Firma americană Arborgen are în curs de creare soiuri de
pomi care sunt destinaţi producţiei de biocombustibil şi de cherestea. (Mihăilescu, 2008)
Creşterea biomasei cu ajutorul microorganismelor (cum ar fi fitoplanctonul, micro-
algele, bacteriile) pentru a produce lipide destinate conversiei în biodiesel se realizează în
bazine deschise, fotobioreactoare sau sisteme hibride. CO2 produs în centrale electrice şi
instalaţii industriale poate fi folosit pentru a alimenta procesul (reciclare şi biofixare CO2).
Produsul principal este biocombustibilul obţinut din alge. Alţi produşi sunt bioetanolul
din culturi de plante forestiere cu rotaţie prin hidroliza celulozei, bio-ulei sau biodiesel din
cultivarea algelor utilizând CO2 de la centrale termoelectrice, biodiesel din gazificarea
deşeurilor de biomasă, bio-n-butanol din fermentarea biomasei (drept co-solvent pentru
amestecurile de etanol / metanol – benzină sau ca produs chimic).
A treia generaţie de biocarburanţi se bazeaz pe tehnologii care nu sunt încă
comercializate. Acestea vor necesita o nouă infrastructură care să includă reţele de distribuţie,
staţii de alimentare şi maşini, precum şi o susţinere politică şi tehnică, o dată cu introducerea
lor pe piaţă.
4. Biocombustibili de generaţia a IV-a
Tehnologia celei de a patra generaţii combină materia primă optimizată genetic, care
este dezvoltată pentru a capta mari cantităţi de carbon, cu ajutorul microrganismelor
modificate genetic, care sunt create a creşte eficienţa producţiei de combustibil.
Biomasa este bazată pe culturi încrucişate sau modificate genetic care absorb în mod
specific cantităţi foarte mari de CO2. Se obţine biohidrogen din fermentaţia biomasei
selecţionate şi biohidrogen din fotoliza apei utilizând microorganisme drept catalizator.
Aceşti biocarburanţi pot fi obţinuţi prin piroliză rapidă – tehnologie ce utilizează
biomasă arsă la 400 - 600 °C în absenţa aerului.
5. Caracteristicile şi obţinerea biocombustibililor
11
Tabelul 3. Proprietăţile biocombustibililor (Mihăilescu, 2008)
Produsul Kg/L (m3) MJ/kg mm2/s 20 °C C.Cet. (Oct.) T °CBenzină 0,76 421,7 4,0 92 (CO) <21Motorină 0,84 42,7 5,0 50 80BioEtOH 0,79 26,8 1,5 >100 (CO) <21BioDiesel 0,88 37,1 7,5 56 120Biogaz 0,72 50,0 - 130 (CO) -BioMeOH 0,79 19,7 - 3 (>130 CO) -BioDME 0,67 28,4 - 60 -BioETBE 0,74 36,4 1,5 102 (CO) <22BioMTBE 0,74 35,0 0,7 102 (CO) 28BtL 0,76 43,9 4,0 >70 88BioH2 0,016 120,0 - <88 (CO) -Ulei vegetal 0,92 37,6 74,0 40 317
După Imireanu, 2010, biocombustibilii se împart în trei mari categorii: biocombustibili
solizi, biocombustibili lichizi şi biocombustibili gazoşi.
1. Biocombustibilii solizi
Multe materiale vegetale solide pot furniza prin ardere energie termică. Din punct de
vedere al provenienţei, biocombustibilii solizi se pot clasifica în: materiale lemnoase
combustibile, paie de cereale, ciocălăi de porumb şi boabe de cereale.
Cele mai reprezentative categorii de materiale lemnoase combustibile sunt: lemnul de
foc, scoarţa de copac, crengile de la exploatarea pădurii, crengile tocate de la întreţinerea
livezilor de pomi, corzile de viţă de vie, rumeguşul, talaşul, bucăţile mici de cherestea şi alte
reziduuri de la prelucrarea lemnului. În mod obişnuit arborii proveniţi din exploatarea
forestieră sunt un biocombustibil omogen de mare calitate. Din punct de vedere energetic
materialele lemnoase combustibile au un conţinut mediu de energie cuprins între 14 MJ/kg. şi
19 MJ/kg. (Imireanu, 2010)
O categorie foarte importantă a biocombustibilor solizi, utilizaţi pentru producere de
energie termică prin ardere, o constituie paiele. Conţinutul energetic al acestora este destul de
ridicat şi variază în funcţie de umiditate: 14,5 MJ/kg la umiditatea de 15 %, 12,6 MJ/kg la 25
% umiditate sau 10,8 MJ/kg la 35 % umiditate. (Imireanu, 2010)
12
Ciocălăii de porumb, utilizaţi ca biocombustibil pentru obţinerea energiei termice, au
un conţinut energetic bun, de circa 18,5 MJ/kg. Puterea energetică a ciocălăilor variază între
15,3 MJ/kg şi 21,7 MJ/kg, în funcţie de umiditate. (Imireanu, 2010)
În ultimii ani şi boabele de cereale au început să fie utilizate ca biocombustibili pentru
producerea energiei termice. Valoarea calorică a cerealelor se situează între 3,95 kWh/kg şi
4,28 kWh/kg, în funcţie de tipul de cereale, ceea ce înseamnă că 2,5 kg de boabe pot să
înlocuiască aproximativ 1 l de combustibil lichid de încălzire. (Imireanu, 2010)
Dintre plantele energetice, cultivate special pentru obţinerea energiei termice prin
ardere, salcia energetică (Salix viminalis) este considerată cea mai eficientă, având o putere
calorică de 20,5 MJ/kg. (Imireanu, 2010)
Peletizarea şi brichetarea sunt tehnologii prin care biomasa este comprimată, în
prezenţa căldurii, pentru a produce blocuri mici de biomasă. Acestea pot fi arse direct, în
cuptoarele instalaţiilor utilizate pentru producerea de energie termică prin combustie directă.
Brichetarea şi peletizarea resturilor de material rezultat în urma procesului tehnologic
de prelucrare a lemnului sunt două din modurile principale prin care se poate proteja mediul
înconjurător. Totodată, aceste două procese de prelucrare a biomasei au ca rezultat obţinerea
unor combustibili cu o putere calorică mare. Modalitatea de diferenţiere între brichete şi peleţi
este dată de dimensiunea acestora, brichetele având dimensiuni mai mari decât peleţii.
Caracteristicile peleţilor sunt: densitatea, care este de minim 1100 kg/m3, umiditatea,
cuprinsă între 8 % şi 10 %, conţinutul de cenuşă, valoarea medie a acesteia fiind de 0,5 % şi
căldura degajată, a cărei valoare este de 17,58 MJ/kg. (Imireanu, 2010)
Figura 6. Peleţi de lemn (W1)
Caracteristicile brichetelor sunt: densitatea, cu valoarea de 660 - 690 kg/m3,
umiditatea, care este de 8 %, conţinutul de cenuşă, valoarea medie fiind de 1,5 % şi puterea
calorică, care este de 17,8 MJ/kg. (Imireanu, 2010)
13
Figura 7. Brichete de lemn (W1)
Procesul tehnologic de fabricare a peleţilor este asemănător cu cel de producere a
brichetelor de biomasă. Diferenţa principală dintre cele două procese tehnologice este dată de
dimensiunile diferite ale celor două produse energetice. Prin urmare, presele pentru
producerea peleţilor au caracteristici diferite faţă de presele utilizate în procesul de brichetare.
În ceea ce priveşte valorificarea energetică a brichetelor şi a peleţilor, aceasta se poate realiza
în orice arzătoare de lemn, de la sobele de teracotă, la focurile deschise.
2. Biocombustibilii lichizi sunt obţinuţi prin prelucrarea plantelor cultivate special în
scopul obţinerii de energie. Producţia chimico - biologică de combustibili lichizi are la bază o
serie de reacţii chimice şi procese biologice. Materia primă este constituită din biomasă cu un
conţinut ridicat de elemente amidonoase şi glucidice.
Uleiul de rapiţă este un foarte bun combustibil pentru motoarele Diesel şi este
cunoscut şi sub numele de biodiesel. Uleiul de rapiţă poate înlocui total motorina, fără să fie
nevoie de motoare speciale, iar motoarele existente pot să fie utilizate fără să fie modificate
sau cu foarte puţine modificări. De asemenea, biodieselul poate fi amestecat cu carburant
diesel convenţional.
Conţinutul energetic al uleiului de rapiţă este de 37 - 40 MJ/kg. Şi alţi parametri ai
uleiului de rapiţă biocombustibil sunt apropiaţi de cei ai motorinei. Vâscozitatea la biodiesel
este ceva mai mare decât în cazul motorinei, dar probleme pot apărea doar pe timp foarte rece.
(Imireanu, 2010)
Biodieselul reprezintă un amestec de esteri alchilici ai acizilor graşi, metilici sau
etilici. Materiile prime sunt supuse transesterificării cu metanol sau etanol în prezenţă de
catalizatori.
14
Materiile prime folosite pentru obţinerea biodieselului sunt:
• materii prime vegetale : boabele de soia, canola (plantă asemănătoare rapiţei),
floarea soarelui, palmier, seminţele de bumbac, in şi seminţele de rapiţă, algele, muştarul şi
şofranul.
• uleiul vegetal uzat folosit pentru prăjit de către restaurante şi producători
industriali.
• materia primă de origine animală : grăsimea animală provenită de la abatoare.
Pe piaţa europeană sunt comercializate mărci de biodiesel cu un conţinut diferit de
esteri de la 5 % (B-5) până la 100 % (B-100). Utilizarea biodieselului de marca B-20 permite
micşorarea emisiei de gaze de seră (dioxid de carbon, monoxid de carbon şi metan) în medie
cu 15 % în comparaţie cu motorina, iar a celui de marca B-100 micşorarea cu 32 % a emisiei
de particule solide, cu 35 % a monoxidului de carbon şi cu 8 % a oxizilor de sulf. În acest fel
se reduce considerabil eliminarea unor poluanţi cu impact puternic asupra climei şi a sănătăţii.
Avantajele biodieselului
• Reducerea emisiilor poluante, deoarece nu conţine sulf şi substanţe aromatice.
• Nu este toxic şi este de 4 ori mai biodegradabil decât motorina clasică.
• Siguranţă mai mare în ceea ce priveşte stocarea, manevrarea şi utilizarea,
deoarece are punctul de inflamabilitate mai ridicat (130 ºC faţă de 60 ºC pentru motorină).
• Reducerea dependenţei energetice de piaţa mondială a petrolului.
• Face posibilă alinierea la exigenţele nivelurilor EURO III şi EURO IV, privind
noxele din gazele de eşapament.
• Are o combustie superioară în motorul diesel, rezultând o diminuare a
emisiilor de: monoxid de carbon cu 50 - 65 %, fum cu 42 - 57 %, monoxid de azot cu 20 %.
• Dioxidul de carbon care rezultă din combustia biodieselului nu contribuie la
“efectul de seră”, deoarece el provine din uleiuri vegetale (surse regenerabile), care închid
ciclul dioxidului de carbon, deoarece plantele care produc uleiuri, îl consumă prin intermediul
procesului de fotosinteză.
• Arde cu 75 % mai curat decât motorina, deci se reduc substanţial
hidrocarburile nearse, CO, şi particulele din gazele de eşapament.
• Emisiile de NOx pot fi reduse prin reglarea timpului de aprindere al motorului.
15
• Potenţialul de formare de ozon când motorul funcţionează cu biodiesel este cu
50 % mai redus decât la funcţionarea cu motorină convenţională.
• Gazele de eşapament de la biodiesel nu sunt nocive şi nu irită ochii (miros
asemănător cartofilor prăjiţi).
• Poate fi folosit în orice motor diesel şi este un lubrifiant mult mai bun decât
motorina şi măreşte durata de funcţionare a motorului – un camion german a intrat în Cartea
Recordurilor parcurgând mai mult de 1,25 mil. km numai cu biodiesel, cu motorul original.
Dezavantajele biodieselului
• Necesită unele mici modificări şi reglaje ale motorului.
• Are vâscozitate mai mare, deci pomparea este mai dificilă şi apar depunerile la
nivelul injectoarelor.
• Utilizarea de cantităţi mari de biodiesel poate impune luarea unor măsuri
suplimentare de protecţie a pieselor care vin în contact cu biodieselul pur.
• Se reduce puterea nominală a motorului cu cca. 5 – 7 %, datorită puterii
calorice inferioare în raport cu motorina.
• Valori mai ridicate pentru temperatura de tulburare şi punctul de lichefiere,
deci probleme la pornirea motorului la temperaturi mai scăzute (la frig poate să se solidifice)
şi consum mai ridicat.
• Procent mai ridicat al emisiilor de oxizi de azot (NOx).
• Are stabilitate mai redusă la agenţii de oxidare şi poate ridica probleme la
depozitarea pe termen lung.
• Pentru sinteză se lucrează cu metanol şi NaOH care sunt toxice.
• După sinteză se obţine ca produs secundar glicerina care trebuie valorificată.
• Momentan, preţul de fabrică este mai ridicat decât cel al motorinei, dar în unele
ţări din Comunitatea Europeană este subvenţionat de către stat.
• Necesită suprafeţe întinse de teren pentru cultivarea plantelor oleaginoase.
Obţinerea biodieselului
Pentru transesterificarea uleiurilor şi obţinerea în acest mod al biodieselului se
foloseşte metanolul, dar din cauza toxicităţii lui şi a preţului mare, în ultimul timp s-au făcut
16
experimente pentru al înlocui cu etanol, care la rândul său se produce în cantităţi mari din
surse naturale regenerabile. În urma procesului de transesterificare se mai obţine glicerină, un
produs important, care după o purificare suplimentară poate fi utilizată în industria
farmaceutică sau cosmetică.
Figura 8. Schema tehnologică de producere a biodieselului
17
Figura 9. Obţinerea biodieselului prin cataliză alcalină (stânga) şi
pe cale enzimatică (dreapta) (Gog, 2008)
Figura 10. Instalaţie de producţie a biodieselului – capacitate 2000 - 5000 L/24h (W2)
18
Figura 11. Biodiesel (partea superioară) şi glicerină+reziduuri (partea inferioară)
Uleiul presat la rece este uleiul obţinut din plantele uleioase prin presare, extracţie sau
proceduri asemănătoare, crud sau rafinat dar nemodificat chimic. Poate fi utilizat ca
biocombustibil în cazuri speciale acolo unde folosirea lui este compatibilă cu tipul de motor
folosit şi cerinţele privind protecţia mediului înconjurător. (Mihăilescu, 2008)
Utilizarea uleiului vegetal crud 100 % trebuie să respecte anumite specificaţii, datorită
puterii calorice inferioare şi vâscozităţii mai mari decât a motorinei. Se recomandă folosirea
motorinei la pornire până la atingerea temperaturii de 75 °C, iar înainte de oprirea motorului
se trece din nou pe motorină pentru degresarea echipamentului de injecţie. Se mai poate
utiliza drept combustibil un amestec ulei vegetal – motorină.
Bioetanolul este un alt biocombustibil lichid folosit la alimentarea motoarelor cu
ardere internă. Acesta poate fi obţinut din foarte multe tipuri de produse agricole, de exemplu
din sfecla de zahăr, cartof, cereale, dar pentru practică prezintă interes acele plante energetice
care pot fi cultivate pe soluri cu însuşiri mai modeste, plante cu producţii mari la hectar şi al
căror produs nu este important pentru alimentaţie. Dintre acestea un loc deosebit îl ocupă
sorgul zaharat.
Bioetanolul nu poate înlocui total benzina, ci doar parţial, la motoarele cu aprindere
prin scânteie. La motoarele nemodificate ponderea bioetanolului poate fi de doar 5 - 6 %.
19
Bioetanolul celulozic se obţine din biomasa lignocelulozică care necesită un tratament
preliminar înainte de hidroliza enzimatică şi fermentaţie. Scopul pretratării biomasei
lignocelulozice este de a face celuloza mai accesibilă hidrolizei enzimatice şi de a solubiliza
zaharurile din constituţia hemicelulozei. Pretratamentul biomasei se realizează prin metode
termice, enzimatice sau acide. Hidroliza enzimatică se realizează cu celulaze care iniţial
hidrolizează celuloza la celobioză (dizaharid de glucoză) şi ulterior celobioza este hidrolizată
la glucoză.
Figura 12. Obţinerea bioetanolului din biomasa lignocelulozică (Gog, 2008)
Combustibilul de alge, aşa-numitul oilgae, este un biocombustibil obţinut din alge.
Algele sunt materii prime cu consum mic de substrat, dar cu o productivitate ridicată de
biocombustibil. Biocombustibilul din alge este biodegradabil şi, având în vedere preţul ridicat
al combustibililor fosili, există un interes crescut pentru algacultură.
Figura 13. Instalaţie de creştere a algelor pentru obţinerea de biocombustibili (W3)
20
Selecţia algelor trebuie să ţină cont de climă, energia solară, calitatea apei, viteza de
creştere a algelor, conţinutul de ulei, compoziţia uleiului de alge, cerinţele pentru mediul de
creştere, posibilitatea creşterii în bioreactoare.
Parametrii importanţi pentru creşterea algelor sunt: nivelul energiei solare, timpul de
expunere la lumină (ciclul zi/noapte), temperatura şi debitul apei din proces, conţinutul de
CO2, conţinutul de macroelemente din mediul de creştere (C, N, P, Mg, Ca, K, Na, Cl),
conţinutul de microelemente din mediul de creştere (Fe, B, Zn, Mn, Mo, Cu, Co, Cd, V, Al,
Ni, Cr, Br, I, etc), conţinutul de vitamine. (Gog, 2008)
Extracţia uleiului de alge se realizează prin: procese clasice disponibile comercial
(extracţia prin presare la rece), tehnologii noi (extracţia cu microunde, ultrasunete, cu fluide
supercritice).
Figura 14. Posibilităţi de valorificare a algelor (Gog, 2008)
Figura 15. Extracţia uleiului de alge (Gog, 2008)
21
3. Biocombustibili gazoşi
Biogazul este un produs obţinut prin fermentaţia anaerobă a dejecţiilor animaliere, a
biomasei şi a apelor reziduale care au un conţinut ridicat de substanţe organice. Resursa
energetică a biogazului este variabilă şi ea depinde de conţinutul în metan al biogazului. S-a
convenit, pentru unificarea modului de exprimare, ca biogazul etalon să fie considerat cel care
are un conţinut de 60 % metan. Ca plante de cultură pentru biogaz se pretează porumbul,
cerealele păioase, floarea soarelui, sorgul furajer, iarba de Sudan.
Biohidrogenul este biocombustibilul cu cea mai mare cantitate de energie pe masă şi
determină emisie zero la vehicule. Hidrogenul se poate obţine prin: reformarea cu abur a
metanului din gazul natural, oxidarea parţială / reformarea altor combustibili pe bază de
carbon, gazificarea cărbunilor sau a biomasei, piroliză, disocierea metanolului sau
amoniacului, electroliza apei (dacă sursa de electricitate este energie regenerabilă, atunci
emisiile nete de dioxid de carbon sunt zero), descompunerea termochimică a apei, fotosinteza
biochimică sau fermentarea şi alte procese electrochimice sau fotochimice. (tabelul 4)
Hidrogenul, în combinaţie cu celulele combustibile, este considerat o sursă de energie
atât pentru mijloacele de transport, cât şi pentru utilizări staţionare. Hidrogenul are avantajul
semnificativ că nu produce poluanţi la transformarea sa în energie, iar celulele combustibile
pe bază de hidrogen oferă o eficienţă mărită la generarea de energie.
În prezent, hidrogenul este produs aproape în întregime, din combustibili fosili cum ar
fi: gazele naturale, ţiţei şi cărbuni, pe baza unor procese de conversie bine stabilite. În aceste
cazuri, dioxidul de carbon eliberat în atmosferă în timpul procesului de producere a
hidrogenului este mai mic decât cel rezultat prin combustia directă a acestor combustibili,
pentru producerea unor cantităţi egale de energie. Utilizarea hidrogenului produs din surse
regenerabile, cum ar fi biomasa, reduce substanţial cantitatea de CO2 eliberată în atmosferă.
22
Tabelul 4. Metode de producere a hidrogenului (Mihăilescu, 2008)
Metoda de
bază
Procesul Materia
primă
Energia necesară Emisii
Termică Reformare cu
abur
Gaze
naturale
Abur de înaltă
temperatură
Unele emisii
Sechestrarea
carbonului poate
scădea efectul lorDescompunerea
termochimică a
apei
Apă Temperatură ridicată
obţinută de la răcirea
reactoarelor nucleare
Fără emisii
Gazificare Cărbuni,
biomasă
Aburi şi oxigen la
temperatură ridicată şi
presiune
Unele emisii
Sechestrarea
carbonului poate
scădea efectul lorPiroliză Biomasă Aburi de temperatură
moderată
Unele emisii
Sechestrarea
carbonului poate
scădea efectul lorElectrochimică Electroliză Apă Electricitate de natură
eoliană, solară, hidro
şi nucleară
Fără emisii
Electroliză Apă Electricitate produsă
de cărbuni şi gaze
naturale
Unele emisii
rezultate la
producerea
electricităţiiFotochimică Apă Lumină solară directă Fără emisii
Biologică Fotobiologică Apă şi
specii de
alge
Lumină solară directă Fără emisii
Fermentaţie
anaerobă
Biomasă Temperatură ridicată Unele emisii
Microorganisme
fermentative
Biomasă Temperatură ridicată Unele emisii
Celulele combustibile. Neajunsurile stocării energiei electrice în baterii (cazul
autovehiculelor cu propulsie electrică) poate fi depăşit prin generarea electricităţii de către
celulele combustibile. Primele celule combustibile cu hidrogen au fost utilizate pentru
generarea electricităţii în misiunile spaţiale Apollo, după care au fost găsite numeroase alte
23
aplicaţii. Cercetările întreprinse ulterior au dus la ideea că autovehiculele cu celule
combustibile pe bază de hidrogen pot fi o alternativă viabilă. (Mihăilescu, 2008)
Celulele combustibile funcţionează prin combinarea chimică a hidrogenului şi
oxigenului pentru a crea electricitate, fără a avea nevoie de motoarele convenţionale care sunt
zgomotoase şi poluante. La modul general, o celulă combustibilă funcţionează ca o baterie.
Celulele combustibile nu au componente mobile care să necesite uleiuri de ungere sau
de lubrifiere, sunt caracterizate de emisii zero în sensul emisiilor cu efect de seră şi de emisii
limitate de oxizi. Zgomotele sunt reduse în timpul funcţionării, fiind determinate numai de
compresorul de aer şi de ventilatorul necesar pentru răcire. Principalul dezavantaj al acestui
mod de propulsie pentru autovehicule îl reprezintă stocarea hidrogenului care se poate face
numai în recipiente sub presiune.
Această nouă direcţie a industriei de automobile a fost urmată de către marii
producători de automobile din lume. Astfel, pe piaţa mondială au apărut şi primele prototipuri
de autovehicule cu celule combustibile fabricate de către General Motors, Honda, Toyota,
Ford, Opel.
6. Vehicule alimentate cu combustibili alternativi
Vehicule alimentate cu hidrogen:
• motoare cu combustie internă adaptate pentru H2;
• motoare cu combustie internă hibride adaptate pentru H2;
• vehicule cu celule combustibile cu hidrogen cu reformare;
• vehicule cu celule combustibile cu hidrogen fără reformare;
• alte tipuri de celule combustibile directe cu metan, directe cu metanol, care nu
necesită hidrogen, dar nu sunt tot atât de eficiente şi au emisii de CO2.
Tabelul 5. Vehicule cu combustibil alternativ (modele 2007) (Mihăilescu, 2008)
Combustibil / tehnologie Producătorul de vehicul / modelHibrid electric Chevrolet Silverado Lexus GS450h
Dodge Ram Lexus RX 400hFord Escape Mercury Mariner
24
Ford Escape Nissan AltimaGMC Sierra Nissan AltimaHonda Accord Toyota CamryHonda Civic Toyota HighlanderHonda Insight Toyota Prius
Diesel / Biodiesel Chevrolet Express Jeep Grand CherokeeDodge Ram Mercedes-Benz E320 BLUETECFord E-Series Mercedes-Benz R320 CDIFord F-Series SuperDuty Mercedes-Benz ML320 CDIGMC Savana Mercedes-Benz GL320 CDIGMC Sierra 2500HD Volkswagen Touareg TDI
E85 Flex-Fuel Chrysler Sebring Chevrolet Monte CarloChrysler Aspen Chevrolet TahoeDodge Durango GMC YukonDodge Caravan Chevrolet SuburbanDodge Grand Caravan GMC Yukon XLChrysler Town & Country Chevrolet SilveradoDodge Dakota GMC SierraDodge Ram Chevrolet AvalancheJeep Grand Cherokee Chevrolet ExpressJeep Commander GMC SavanaFord Crown Victoria Chevrolet UplanderMercury Grand Marquis Mercedes Benz C230 Sport SedanFord F-150 Nissan ArmadaChevrolet Impala Nissan Titan
Gaz natural comprimat Honda Civic GXCelule combustibile Honda FCX
25